电子战基本原理之雷达原理

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摘要

本文详细阐述了雷达系统确定目标距离、方位角、仰角和速度的原理与特性。雷达性能受发射信号特性影响，包括射频、脉冲参数和波束宽度，它们决定了雷达的分辨率和测距能力。脉冲多普勒雷达通过多普勒频移测量目标速度。文章还讨论了雷达信号谐波、杂波对消和盲速问题，并提出了优化措施。最后，总结了雷达系统关键参数对确定目标参数的影响，以及对抗措施的设计考虑。

正文

1.介绍

雷达系统的主要目的是确定目标的距离、方位角、仰角或速度。雷达系统确定和分辨这些重要目标参数的能力，取决于其发射的雷达信号的特性。本章阐述了射频(RF)、脉冲重复频率(PRF)、脉冲宽度(PW)和波束宽度与目标探测和分辨的关系。

2.雷达距离

一个基本的脉冲雷达系统由四个基本元件组成：发射机、接收机、天线和同步器或主定时器。

a.发射机通过天线以指定频率发出射频能量脉冲。当射频能量从目标反射回来，返回雷达天线并进入接收机时，显示器就会显示目标的存在（图5-1）。主定时器测量脉冲传输和目标回波到达之间的时间。

图3-1 典型雷达脉冲

(1)射频能量以光速(c)传播，即每秒3×108米。目标距离可以用基本雷达距离确定公式（公式5-1）来计算。

公式5-1 基本雷达距离确定公式

(2)另一个有用的测量是雷达英里，它是射频波往返于一海里外的目标的时间（图5-2）。通过求解时间的雷达距离公式得到公式5-2，然后将适当的值代入公式并求解时间，可以得到往返1海里（1853米）的测量时间为12.4微秒。

图5-2 雷达（英里）

公式5-2

(3)二次回波是雷达探测距离的一个限制。当与特定雷达脉冲相关联的目标回波在另一雷达脉冲被发射后到达天线时，就发生二次回波。雷达主定时器总是假定目标回波与最后一次发射的脉冲相关联。这样就使得目标回波的距离变得模糊。图5-3描绘了脉冲恢复时间(PRT)为248微秒的雷达信号。雷达脉冲A到达目标并返回需要372微秒。利用距离确定公式，实际目标的距离为30海里(nm)。然而，在目标回波返回天线之前，发射雷达脉冲B。主定时器将脉冲A的目标回波与雷达脉冲B相关联，计算出目标距离为10海里。显示器将这个模糊且为假的距离，显示给雷达操作员。

图5-3 二次回波

(4)二次回波引起的距离模糊，限制了雷达系统的最大不模糊距离。这个重要的能力可以用公式5-3计算出来。对该公式的分析表明，设计用于远距离探测的雷达系统，应发射具有较大脉冲重复时间的雷达信号。此外，随着雷达信号的脉冲重复频率的增加，脉冲重复时间减小，最大不模糊距离也减小。

公式5-3 最大不模糊距离

b.距离确定的一个关键方面是距离分辨率。距离分辨率是指雷达分辨两个距离很近且方位角大致相同的目标的能力（图5-4）。距离分辨能力由脉冲宽度决定。脉冲宽度是雷达发射射频能量的时间，以微秒计算。

图5-4 雷达脉冲

(1)自由空间的雷达脉冲所占的物理距离，等于脉冲宽度乘以光速，约为每微秒984英尺。如果两个目标之间的距离超过这个物理距离的一半，雷达就不能分辨这个距离内的回波，而只会显示一个目标。

(2)为了阐明距离分辨率，可以参考图5-5，其中两架飞机之间的距离为脉冲宽度的一半或更小。在T1时，雷达脉冲的前缘击中了靠前的飞机。

图5-5 T1时的雷达脉冲

(3)在图5-6中的T2处，同一脉冲的前缘击中了靠后的飞机。由于击中靠后飞机的脉冲小于来自靠前飞机的脉冲宽度的一半，在整个脉冲离开靠后飞机之前，天线已经接收到来自靠前飞机的回波。

图5-6 T1时的雷达脉冲

(4)T3描述了在雷达上合并的目标回波（图5-7）。在这种情况下，雷达只会显示一个目标，如图5-6中雷达范围所示。

图5-7 T3时的雷达脉冲

(5)如图5-8所示，两个间隔超过脉冲宽度一半的目标，将显示为两个目标。在这种情况下，在来自靠后飞机的回波到达天线之前，之前发射的脉冲已经完全越过了靠前的飞机。

图5-8 雷达距离分辨率

(6)雷达的距离分辨率通常用英尺表示，可以用公式5-4计算。距离分辨率是两个能在雷达范围同时显示的目标之间的最小间隔。

公式5-4 距离分辨率

3.方位角测定

雷达系统的波束宽度，是雷达波束的水平和垂直厚度（图5-9）。波束宽度取决于天线设计，通常以从波束中心到功率下降一半的点的度数来测量。此半功率点的功率下降为-3分贝。波束宽度决定了雷达系统的方位角、仰角精度和分辨能力，就像脉冲宽度决定了雷达的距离精度和分辨能力一样。

图5-9 雷达的波束宽度

a.雷达系统在发射和接收多个雷达能量脉冲时，必须将天线对准一个参考点并指向目标。如果天线以真北为参考点，则可以相对于真北来测量目标的方位角（图5-10）。方位角的测定，是根据目标被探测时天线的位置来确定的。

图5-10 方位角测定

(1)为了在大范围内精确确定方位角，很多雷达采用窄波束并以可预测的方向图扫描天线。最常见的扫描方向图是以恒定速率进行360度循环扫描（图5-11）。平面位置指示器(PPI)雷达范围显示，通常与该扫描方向图相关。当雷达波束扫过时，可以检测并显示一个目标。天线的位置可以显示相对方位角。

图5-11 天线扫描

(2)雷达系统的方位角精度由水平波束宽度(HBW)决定。在图5-12中，雷达系统A的水平波束宽度为10°。当光束扫过时，只要目标在光束中，就会被探测到。这意味着目标在平面位置指示器的范围内，覆盖了10°的方位角。雷达系统B的波束宽度为1°。在平面位置指示器范围内显示的目标，将覆盖1°的方位角。雷达的水平束宽越窄，方位角精度越好。

图5-12 水平束宽比较

b.方位角分辨率是指雷达能够以很小的角间隔显示两个飞行在大致相同距离的目标，比如两架战斗机并排飞行的战术编队。方位角分辨能力通常以海里来表示，对应于分开显示两个目标之间的最小方位角距离。方位角分辨率取决于雷达的水平波束宽度。图5-13中的雷达系统的水平波束宽度为10°。两个目标在方位角上非常接近，导致返回的回波混成一体。

图5-13 水平束宽和方位角分辨率

(1)图5-14中的雷达系统的水平波束宽度为1°。雷达波束不仅击中了目标，而且在它们之间通过，且不会引起回波。这允许雷达显示两个不同的雷达回波。小的水平波束宽度可以提高方位角分辨率。

图5-14 方位角分辨率

(2)方位角分辨率，以海里为单位，可以用公式5-5计算。需要注意的是该公式是用于导航的“60比1规则”。1°的波束宽度将在60海里产生一英里宽的区域。

公式5-5 方位角分辨率

4.仰角测定

由于雷达波束是三维的，因此垂直波束宽度是决定高度分辨能力的主要因素。高度分辨率是指雷达显示两个距离和方位角大致相同，高度间隔很小的飞行目标的能力，比如两架以垂直堆叠编队飞行的战斗机。高度分辨能力通常以英尺表示，对应于分开显示两个目标之间的最小高度间隔。图5-15中雷达系统的垂直波束宽度为10°。两个目标的高度非常接近，因此，在距离高度指示器(RHI)上显示的返回回波被混合为一个。

图5-15 垂直束宽和仰角分辨率

a.图5-16所示的雷达系统的垂直波束宽度为1°。这个小光束不仅击中了目标，而且在它们之间通过，且不会引起回波。这使得雷达可以显示两个不同的目标。

图5-16 仰角分辨率

b.高度/仰角分辨率以千英尺为单位，可以使用公式5-6来计算。

公式5-6 高度分辨率

5.雷达分辨单元

雷达的脉冲宽度、水平波束宽度和垂直波束宽度构成了一个三维分辨率单元(RC)（图5-17）。分辨率单元是一个最小的空域，在这个空域中，雷达无法确定多个目标的存在。雷达的分辨率单元是衡量雷达在距离、方位角和高度上分辨目标的能力。分辨率单元的水平和垂直尺寸，随目标的距离而变化。目标距离雷达越近，则分辨率单元越小。。

图5-17 雷达的分辨率单元

a.雷达分辨率单元的物理尺寸可以通过计算得到。对于脉冲宽度为1微秒、水平波束宽度为1°、垂直波束宽度为10°的雷达，可以用距离分辨率、方位角分辨率和高度分辨率公式计算分辨率单元的尺寸。在图5-18中的例子中，在10海里的目标范围内，雷达分辨率单元的物理尺寸是距离492英尺，方位角1000英尺，高度10000英尺。这些数字可以用公式5-4、5-5和5-6来得到。

图5-18 雷达分辨率单元的尺寸

b.在这些计算的基础上，两架或更多的飞机在接近492英尺的纵行编队上飞行，将在雷达上显示为一个目标。两架或更多的飞机在距离超过1000英尺处横队飞行，将在雷达上显示为一个目标。两架或更多的飞机在距离超过10,000英尺，进行垂直堆叠飞行，在雷达上将被显示为一个目标。这也说明，脉冲宽度越短，一个雷达系统的距离分辨能力就越好。水平波束宽度越窄，方位角分辨能力就越好。垂直束宽越窄，高度分辨能力就越好。

c.另一种分辨率是速度分辨率。对于多普勒雷达，在上述常规分辨率单元内飞行的飞机，如果它们具有足够的速度差，就可以被区分为单独的目标。下文的第6段将说明这是如何实现的。

6.脉冲多普勒速度测定

为了全面了解脉冲多普勒雷达是如何确定目标速度的，我们需要对脉冲波形有更多的了解。为了产生脉冲调制波，将连续载波正弦波（如连续波雷达的输出）与矩形波（如脉冲雷达的输出）进行组合，从而产生脉冲调制波形，如图5-19所示。

图5-19 脉冲调制

a.从数学上讲，正弦波以外的任何波形，都是由很多不同的纯正弦波以适当的振幅和相位关系叠加而成的（图5-20）。在脉冲调制波形中，正弦波对应于基频，即脉冲重复频率，以及适当幅度和相位的所有谐波之和。谐波的频率是基频加上或减去脉冲重复频率的倍数得到的。

图5-20 脉冲调制波形的谐波

(1)图5-21是在2800兆赫（MHz）的载波频率下，脉冲调制波形的谐波含量曲线图，其脉冲重复频率为1MHz。

需要注意的是载波频率两侧的频率环。这些是矩形脉冲中所有频率对载频相加和相减得到的。重要的是，有很多频率存在，脉冲多普勒雷达必须处理这些聚集在一起的频谱。当考虑到每一个频率在被运动目标反射时都会经历多普勒频移，这就变得更加重要了。所显示的单个频率称为谱线。

图5-21 谐波含量

(2)脉冲多普勒雷达要精确测速，必须比较载波频率和目标回波频率之间的频率变化或多普勒频移。对雷达来说，区分返回载波和所有谐波频率比较困难的（图5-22）

图5-22 谱线频率

b.通过在已知的谐波频率上使用杂波消除器或滤波器，雷达可以区分返回的载波频率和所有其他谐波频率（图5-23）。雷达不能处理被这些滤波器对消的频率。滤波器为雷达制造“盲速”。谱线离得越近，雷达的“盲速”就越多。

图5-23 选择性杂波对消

(1)由于谐波相对于载频的位置是以脉冲重复频率为基础的，因此，可以通过改变雷达的脉冲重复频率来降低盲速数。脉冲重复频率越高，谱线间距越宽，选择性杂波对消导致的盲速越小。然而，脉冲重复频率的增高，增加了距离模糊的问题。现代脉冲多普勒雷达大多采用中高脉冲重复频率模式。中等脉冲重复频率，意味着较少的距离模糊，但会带来更多的盲速。高脉冲重复频率带来较少的盲速，但会产生更多的距离模糊（图5-24）。

图5-24 脉冲重复频率与谱线

(2)脉冲多普勒雷达利用滤波器消除已知的谐波频移，将返回的目标频移从返回波形中分离出来。此外，雷达会对消所有无频移的回波，这相当于对消所有相对于雷达静止的回波。然而，如果雷达有太多的杂波滤波器，就会因产生多个盲速而错过目标。在图5-25中，检测滤波器对目标的频率进行处理，杂波滤波器能消除不需要的频移。目标1将被检测到，但目标2将被对消。

图5-25 脉冲多普勒滤波器

7.基本雷达公式

基本雷达公式将雷达系统的距离与发射机、接收机、天线和目标的特性关联起来。该雷达公式不仅提供了一种计算某一特定雷达系统最大距离的方法，而且可以用来理解影响雷达运行的因素。在本节中，我们从发射天线与接收天线的功率密度开始，推导了雷达公式的简单形式。

a.功率密度是无线电波每单位面积与传播方向垂直的功率。一个实际天线产生的功率密度可以用公式5-7表示。

公式5-7 天线的功率密度

b.当雷达波束在空间传播时，它到达距离天线某一距离(R)的目标。当雷达波束在空间中传播时，波束的波前截面积扩展到非常大，尤其是相对于目标的尺寸。雷达波束的功率密度，穿过这个广阔的区域，到达目标，详见公式5-8。

公式5-8 目标处的功率密度

c.由于雷达波束的截面积很大，因此，只能将波束中总功率的一小部分反射到天线上。其余的雷达能量将继续通过空间，并被其他目标耗散、吸收或反射。一小部分击中目标的雷达波束，会向不同的方向再发射。对被目标截获并沿天线方向再发射的入射功率的测量，取决于目标的雷达散射截面(RCS)。公式5-9详细描述了反射回雷达天线的目标回波信号的功率密度。

公式5-8 目标处的功率密度

d.当目标回波到达天线时，天线根据有效孔径(Ae)捕获部分回波。公式5-10详细表达了雷达系统接收到的实际信号功率。这是基本雷达公式的一种形式，是距离雷达(R)处的特定目标回波的信号强度。

公式5-10 信号功率密度

e.对该公式的详细分析，并不需要得出关于影响探测飞机的因素的一些基本结论。如果分子中的任何一个因素（如发射功率）增加三倍，雷达接收到的信号将只增加30%。这清楚地表明了雷达系统的特点，是传输兆瓦功率和接收微瓦返回功率。此外，该公式表明，决定雷达探测的最关键因素是目标距离。

f.当接收到的信号功率密度刚好等于接收机的最小可检测信号(SMIN)时，就会出现最大雷达距离(RMAX)。通过求解公式5-11的距离，并替换最小可检测信号SMIN，即可得到特定目标的最大雷达距离的基本雷达公式。这是另一种形式的基本雷达公式。

公式5-11 基本雷达公式

g.需要注意的是，基本雷达公式没有考虑气象条件、飞机雷达散射截面的变化、杂波对增益的影响或操作员的能力等因素。该雷达公式确实解释了用于远距离探测的雷达系统应发射高功率的信号的原因，这些信号集中成窄波束，由大型天线收集，并且由非常灵敏的接收机进行处理。

8.总结

本章讨论了雷达系统用来确定目标距离、方位角、仰角和速度的方法。分析了脉冲宽度与距离分辨率的关系、波束宽度与方位角/仰角分辨率的关系、脉冲重复频率与速度分辨力的关系。此外，本章还对复杂雷达公式进行了解释。特定雷达系统确定这些关键目标参数的能力和局限性，是理解为击败该系统而设计的对抗措施的关键。

来源：天驰航宇

电子气象

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首次发布时间：2024-05-05