雷達信號

雷達基本理論與基本原理

一、雷達的基本理論

1、雷達工作的基本過程

發射機產生電磁信號，由天線輻射到空中，發射的信號一部分被目標攔截并

向許多方向再輻射。向后再輻射回到雷達的信號被天線采集，并送到接受機，在

接收機中，該信號被處理以檢測目標的存在并確定其位置,最后在雷達終端上將

處理結果顯示出來。

2、雷達工作的基本原理

一般來說，會通過雷達信號到目標并從目標返回雷達的時間，得到目標的距

離。目標的角度位置可以根據收到的回波信號幅度為最大時，窄波束寬度雷達天

線所指的方向而獲得。如果目標是運動的，由于多普勒效應，回波信號的頻率會

漂移。該頻率的漂移與目標相對于雷達的速度成正比，根據

2

r

d

v

f

?

?

,即可得到

目標的速度。

3、雷達的主要性能參數和技術參數

雷達的主要性能參數

雷達的探測范圍

雷達對目標進行連續觀測的空域，叫做探測范圍，又稱威力范圍，取決于雷

達的最小可測距離和最大作用距離，仰角和方位角的探測范圍。

測量目標參數的精確度和誤差

精確度高低用測量誤差的大小來衡量，誤差越小，精確度越高，雷達測量精

確度的誤差通常可以分為系統誤差、隨機誤差和疏失誤差。

分辨力

指雷達對兩個相鄰目標的分辨能力。可分為距離分辨力、角分辨力（方位分

辨力和俯仰角分辨力）和速度分辨力。距離分辨力的定義：第一個目標回波脈沖

的后沿與第二個目標回波脈沖的前沿相接近以致不能分辨出是兩個目標時，作為

可分辨的極限，這個極限距離就是距離分辨力：

min

()

2

c

R

?

??

。因此，脈寬越小，

距離分辨力越好

數據率

雷達對整個威力范圍完成一次探測所需時間的倒數。

抗干擾能力

指雷達在自然干擾和人為干擾（主要的是敵方干擾（有源和無源））條件下

工作的能力。

雷達可靠性

分為硬件的可靠性（一般用平均無故障時間和平均修復時間衡量）、軟件可

靠性和戰爭條件下雷達的生存能力。

體積和重量

體積和重量決定于雷達的任務要求、所用的器件和材料。

功耗及展開時間

功耗指雷達的電源消耗總功率。展開時間指雷達在機動中的架設和撤收時

間。

測量目標坐標或參數的數目

目標坐標是指目標的方位、斜距和仰角，此外，還指目標的速度和性質（機

型、架數、敵我）。對于邊掃描邊跟蹤雷達，還指跟蹤目標批數，航跡建立的正

確率。

雷達的主要技術參數

工作頻率和工作帶寬

雷達工作頻率主要根據目標的特性、電波傳播條件、天線尺寸、高頻器件的

性能以及雷達的測量精確度和功能等要求來決定

發射功率

分為脈沖功率和平均功率，雷達在發射脈沖信號期間所輸出的功率稱為脈沖

功率，平均功率指一個重復周期內，發射機輸出功率的平均值。

調制波形、脈沖寬度和重復頻率

現代雷達則采用多種調制波形以供選擇。脈沖寬度指發射脈沖信號的持續時

間。脈沖重復頻率指雷達每秒發射的射頻脈沖個數，其倒數叫脈沖重復周期。

天線的波束形狀、增益和掃描方式

天線的波束形狀一般用水平和垂直面內的波束寬度來表示。天線增益用

24/GA???表示。天線的主瓣在雷達的探測空域內以一定的規律運動，叫做掃

描。

接受機的靈敏度

指雷達接受微弱信號的能力，用接受機載一定的噪聲電平時所能感知的輸入

功率的大小來表示。

終端裝置和雷達輸出數據的形式

電源供應

飛機和船舶上的雷達，為減輕重量，常常采用高頻的交流電源。

4、雷達方程與目標檢測

5、

基本雷達方程：

222

11

44

max

32

minmin

[][]

(4)4

ttr

ii

PGPA

R

SLSL

???

???

??

雷達方程的討論：

提高雷達作用距離的途徑：

（1)盡可能選用大孔徑天線，即加大天線的有效面積或增益，但因此會

影響雷達的抗風能力設計，機動能力設計和結構設計等；

（2)提高發射功率，但因此可能會出現高壓打火以及增加設備的重量和

體積等問題；

（3)盡可能提高接收機的靈敏度，但也可能出現抗噪聲性能下降等問題；

（4)盡可能降低系統的傳輸損耗L。

其他因素

（1)最小可檢測信號的統計特性；

（2)目標雷達反射面積的統計特性；

（3)地球表面或大氣傳播的精確特性；

（4)雷達本身可能存在的各種損耗。

對雷達方程的進一步討論

檢測因子：檢測目標信號所需的最小輸出信噪比，用

0

D表示，其中：

0minmin

()()r

oo

o

E

DSNR

N

??

r

E為信號能量。

用檢測因子和能量表示雷達方程

2

11

44

max

32

0000

[][]

(4)4

tptr

ttr

nBnB

PtGG

EAA

R

kTFDCLkTFDCL

??

?

???

??

k—波爾茲曼常數

0

T—系統等效噪聲溫度

n

F—噪聲系數

0

D—檢測因子

B

C—帶寬校正因子

優點：

1、當雷達在檢測目標之前有多個脈沖可以積累時，由于積累可改善信噪比，

故此時檢波器輸入端的檢測因子將隨脈沖個數的增加而下降，因此可以表明

雷達作用距離和脈沖累計數之間的簡明關系，可計算和繪制出標準曲線供查

用。

2、用能量表示的雷達方程適用于當雷達使用各種復雜脈壓信號的情況只要

知道脈沖功率計發射脈寬就可以用來估算作用距離而不必考慮具體的波形

參數。

4.4噪聲中的信號檢測

信號檢測的基本準則

在信號檢測中，信號統計檢測理論主要可分為貝葉斯準則和派生貝葉斯準

則，其中派生貝葉斯準則主要又包括：最小平均錯誤概率準則、最大后驗概率準

則、極小化極大準則和奈曼-皮爾遜準則。

門限檢測

雷達信號的檢測過程一般包括包絡檢波、門限、檢測判決三個步驟，包絡檢

波從雷達信號中濾去載頻信號，解調出包絡信號。經檢波和放大后，然后與一個

門限值進行比較，如果接收機信號超過該門限，則判定目標存在。

雷達脈沖的積累

雷達對多個脈沖的檢測結果求和，稱為脈沖積累。脈沖積累可以改變檢測因

子，即改善檢測信噪比。如果脈沖積累是在檢波之前完成的，由于此時考慮了信

號的相位關系，稱為相參積累。反之，則稱為非相參積累，在理想狀況下，相參

積累時的信噪比將改善N倍，

1

()()

CN

SNRNSNR??，其中()

CN

SNR表示N各脈沖

相參積累時的信噪比，

1

()SNR表示單個脈沖檢測的信噪比。與相參積累相比，非

相參積累有一個信噪比損失，稱作積累效率，定義如下：

1

()

()

()

NN

CN

SNR

N

SNR

??，另，

積累損耗與積累效率的關系為：

1

1()10lg[]

i

LN

?

?。

4.5虛警概率和檢測概率

虛警概率

()()

T

T

V

PVpd???

?

?????

其中，

()p?表示檢波器輸出的噪聲電壓概率密度

1

1

1

1

lim

1

N

k

k

fa

N

N

faIF

k

k

t

N

P

TB

T

N

?

??

?

??

?

?

k

T表示相鄰兩次虛警的間隔時間，

k

t表示噪聲電平超過門限的持續時間。

檢測概率

()()

T

dsTs

V

PPVpd???

?

??????

其中，()

s

p?

為檢波器輸出信號加噪聲電壓概率密度函數，

T

V為門限。

提高檢測概率的方法

（1)“N次掃描檢測到M次”準則；

（2)航跡建立作為檢測準則；

（3)累計檢測概率：N次掃描至少有一次檢測到目標的概率。

4.6恒虛警檢測

基本原理：根據檢測單元附近的參考單元估計背景雜波的能量并依此調整門

限，從而使雷達信號檢測滿足奈曼—皮爾遜準則（在錯誤判決概率的約束條件下，

使正確判決概率最大的準則）、

5、雷達波形與信號處理

5.1匹配濾波器

頻率響應函數：0

2*()m

jftKUfe??

沖擊響應函數：

*()

m

Kutt?

；

最大輸出峰值信噪比0

/EN

（對于正弦載頻調制的矩形脈沖，平均功率意義

下的峰值信噪比為0

2/

av

EN

）；

對于高斯白噪聲，它是最佳濾波器，輸出的瞬時信噪比最大，且等于輸入的

信噪比；

對于有色噪聲，其頻率響應函數為：

0

2

2

*()

()

m

jft

i

Uf

Ke

Nf

??

雷達模糊度函數

當目標信號實際到達時刻與匹配濾波器設定的時刻存在一個時間差

?

，信號

的多普勒頻率與匹配濾波器設定的多普勒頻率之間存在一個頻率差

d

f時，目標

回波輸出同設定的匹配接收機輸出之間的失配程度叫做雷達模糊度函數，并記

為：

2(,)()*()dm

jft

d

futute?????

?

??

???

通過對雷達模糊度函數的分析，我們可以知道雷達能夠在何種程度上將兩個

距離相差/2Rc???，在徑向速度上相差/2

d

Vf???的目標分開。也就是說，雷

達對于目標距離和速度的分辨率和可能的模糊度有多大。

二、雷達的基本組成

1、雷達天線

天線的作用

雷達天線的作用主要分為兩個方面：（1）、將雷達發射機產生的高能量電磁

波輻射（有一定的方向性）向外部自由空間；（2）、接受目標的回波（包括外部

噪聲）。

天線的主要參數

天線的效率：將高頻電流轉化為電磁波能量的有效程度（短波損耗小）

A

A

P

P

???

天線的方向性系數

輻射功率相等時，某天線的最大輻射方向與各向同性天線的功率通量密度的比

值，或者在該條件下，場強平方的比值。此外，也可以定義為其最大輻射方向的

同一接收點場強相同的條件下，各向同性天線的輻射功率與定向天線的總功率的

比值。

天線的增益

與前兩個參數類似

天線的有效面積

天線最大接收面積對準來波方向接收，且負載與天線完全匹配時，天線向負

載輸出的功率假設為

maxR

P，設想此功率是由一塊與來波方向垂直的面積接收，

這個面積就叫做天線的有效面積。

2

4e

G

A

?

?

?

1.2.5天線的波束寬度：半功率點處的波束寬度。

1.2.6天線的工作帶寬

2、雷達發射機

雷達發射機的作用

產生所需強度的高頻脈沖信號，并將高頻信號饋送到天線發射出去。

2.2雷達發射機的分類及特點

單極振蕩式發射機

脈沖調制器大功率射頻振蕩器

電源

定時信號

到天線

上圖是單極振蕩式發射機組成框圖，其結構簡單，比較輕便，效率較高，成

本低，但是頻穩性差，難以產生復雜的信號波形，相繼的射頻脈沖信號之間的相

位不相等，難以滿足脈沖壓縮，脈沖多普勒等現代雷達系統的要求。

主振放大式發射機

上圖是主振放大式發射機組成框圖，主振放大式發射機具有很高的頻率穩定

度，可以發射相位相參信號，能產生復雜的調制波形，并且適用于頻率捷變雷達。

2.3雷達發射機的主要技術指標

工作頻率和射頻帶寬

工作頻率和雷達的工作能力和抗干擾性能有關，射頻帶寬和雷達的距離

分辨率有關。

輸出功率

影響雷達的威力和抗干擾能力。

總效率

發射機的輸出功率與輸入總功率之比。對于減輕整機的體積與重量很有意

義。

調制形式

根據雷達體制的不同選擇不同的調制方式。

信號穩定度與譜純度

信號的穩定度指信號的各項參數是否隨時間做不應有的起伏變化，可分為

規律不穩定和隨機不穩定兩類。信號穩定度在頻域即稱信號的譜純度。

3、雷達接收機

雷達接收機的作用和分類

雷達接收機可分為超外差式、超再生式、晶體視放式和調諧高頻式四類。其

中超外差式具有靈敏度高、增益高、選擇性好和適用性廣等優點，是應用最為廣

泛的一種接收體制。

3.2超外差式接收機的主要技術指標

靈敏度

接收微弱信號的能力，通常用最小可檢測信號表示。

工作頻帶寬度

表示瞬時工作頻率范圍，主要決定于高頻器件的性能，接收機的工作頻帶較

寬時，必須選擇較高的中頻，以減少混頻器輸出的寄生響應對接收機的性能產生

影響。

動態范圍

接收機正常工作時所容許的輸入信號強度變化的范圍。使接收機出現過載時

的輸入功率與最小可檢測信號的功率之比，叫做動態范圍。

中頻的選擇和濾波特性

減小接收機噪聲的關鍵因素是中頻的濾波特性，如果中頻的帶寬大于回波信

號的帶寬，則過多的噪聲進入接收機。反之，如果所選擇的帶寬比信號帶寬窄，

波形將失真且能量會損失。

工作的穩定性和頻率穩定度

指環境因素、電源電壓等條件發生改變時，接收機的各項參數收到影響的

程度。

抗干擾能力

現代雷達接收機需具備多種抗干擾電路，以適應現代電子戰和復雜電磁干擾

環境。

噪聲系數

()

()

in

n

out

SNR

F

SNR

?

噪聲系數越小，接收機的噪聲性能越好。

4、相參雷達系統

相參雷達是指雷達發射波形的相位之間具有確定的關系或具有統一的參考

基準，多數現代雷達系統需要對目標回波進行多普勒效應或脈沖壓縮處理，必須

采用相參雷達系統。

振蕩頻率源

相參脈沖雷達中各電路節點的信號波形示意圖

基準振蕩器（RO）

基準振蕩器的頻率極其穩定，它提供雷達工作所需的基準參考頻率，并為雷

達系統中的其他電路提供基準的時鐘信號。

相干振蕩器（COHO）

有基準振蕩器驅動，其工作頻率為

IF

f,且一般情況下

IF

f＜

RF

f，其中

RF

f為

載頻，由用戶給定。

穩定本機振蕩器（STALO）

通過基準振蕩器驅動來獲得最大的頻率穩定度，其工作頻率為

LORFIF

fff??。

波形調制

雷達信號時經過調制的射頻信號，因調制信號的不同而得到不同的雷達波

形。波形發生器接收到波形信息后，與相干振蕩器輸出的中頻信號經混頻器混頻

后，產生低功率的、具有所需發射波形的中頻信號，在上圖中，沖相干振蕩器來

得中頻信號（頻率為

IF

f，帶寬為0）同帶寬為

RF

B的基帶模擬波形混頻，產生受

到波形調制的中頻信號（頻率為

IF

f，帶寬為

RF

B）。

混頻器

混頻器實際上是一個乘法器，有三角公式可知，混頻的結果為一個“和”頻

分量和一個“差”頻分量，其中，在發射機中，通常使用“和”頻分量（上變頻），

在接收機中，通常使用“差”頻分量（下變頻）。

限幅器

由于外部的強電磁干擾或目標本身很強的雷達回波信號，有可能使接收天線

的輸出信號幅度超過低噪聲放大器所能允許的功率極限，將很有可能損壞該放大

器，甚至接收機的其他精密器件，因此，一般采用限幅器將所有回波信號的幅度

強行限制在規定的范圍內，不過，限幅器有時可能導致原信號的失真，從而導致

目標回波信息失真。

信號解調和正交檢波

通過限幅器后的目標回波信號經過低噪聲射頻放大器放大，以便得到足夠功

率的射頻信號，采用低噪聲放大器是為了提高接收機的噪聲系數。放大后的射頻

信號輸入到混頻器，進行下變頻處理，得到具有相同調制包絡的中頻信號。

正交檢波通過正交混頻器實現，是相參雷達中廣為采用的技術。正交檢波后，

得到一對正交的基帶信號，分為同相信號和正交相位信號，簡稱I、Q信號。其

保留了接收信號中關于目標距離的延遲相位和原始相位信息。

5、雷達信號處理機

雷達系統對雷達信號的處理主要分為以下三個方面：

1)從雷達接收機的輸出中檢測目標回波，判定目標的存在與否；

2)測量并錄取目標的距離、角度、速度等信息；

3)根據錄取的目標信息，對目標進行編批，建立目標航跡，實現目標的穩

定跟蹤。

就目前的經驗來看，采用多DSP和FPGA/CPLD相結合的系統結構是雷達信號

處理機最有效的方案，這種系統結構靈活，實時性強，成本較低，能滿足雷達信

號處理通用性的要求。

6、雷達終端設備

雷達終端概述

雷達終端的基本內容包括：目標數據的錄取、數據處理及目標狀態的顯示。

點跡錄取數據處理

軸角編碼顯示系統

一次

信息

二次

信息

自接收機

自天線

1)各部分的作用

（1)點跡錄取用于實現對來自接收機或信號處理機的雷達目標回報確

雷達終端的典型組成框圖

認，并提取其仰角、方位角。距離、速度等信息；

（2)數據處理完成目標數據的關聯、航跡處理、數據濾波等功能實現對

目標的連續跟蹤；

（3)軸角編碼完成天線瞬時指向角的提取及其坐標轉換；

（4)顯示系統完成目標的位置、運動狀態、特征參數及空情態勢等信息

的顯示。

2)雷達顯示畫面的坐標系可分為極坐標和直角坐標兩種方式。根據顯示的坐標

參數數量，可分為一維顯示和二維顯示。

3)雷達終端采用的顯示器件可分為陰極射線管（CRT）和平板顯示器件，其中

陰極射線管包括靜電偏轉CRT和磁偏轉CRT；平板顯示器件包括液晶顯示板

（LCD）和等離子顯示板（PDP）。

4)對于傳統的雷達顯示器，有直線掃描、徑向掃描、以及圓周掃描等方式；對

現代雷達顯示器，有隨機掃描顯示方式和光柵掃描顯示方式。

5)根據需要顯示信息的種類，可將雷達終端設備分為一次信息顯示和二次信息

顯示，一次顯示以模擬顯示為主，二次顯示以數字顯示為主。

傳統雷達顯示器的類型及質量指標

1)距離顯示器

距離顯示器屬于一維顯示方式，其畫面表現方式為：用屏幕上光點距參考點

的水平偏移量表示目標的斜距，光點的垂直偏轉幅度表示目標的回波強度。

2)平面顯示器

平面顯示器為二維顯示方式，其畫面表現為：用屏幕上光點的位置表示目標

的平面位置坐標，光點的亮度表示目標回波的強度。

3)高度顯示器

高度顯示器為二維顯示方式，其畫面表現方式為：用平面上光點的橫坐標表

示距離，縱坐標表示目標仰角或高度。

4)質量指標

（1)顯示器類型：根據所測參數的類型選擇；

（2)顯示器的目標坐標數量、種類和量程：根據雷達的用途和戰術指標

來確定；

（3)對目標的分辨力：指對兩個相鄰目標的分辨能力；

（4)顯示器的亮度和對比度：對比度是指圖像亮度和背景亮度的相對比

值。定義為：

-

=100%?

圖像亮度背景亮度

對比度

背景亮度

一般要求在200%以上。

（5)圖像重顯頻率

為使圖像畫面不出現閃爍，要求圖像刷新的頻率必須達到一定數值，一般要

求大于每秒20-30次。

（6)顯示圖像的失真和誤差

很多因素會使圖像產生失真和誤差，如掃描線路的非線性失真，字符和圖像

位置配合不準確等，在設計中應該根據不同情況予以補償和改善。

（7)其他指標

如體積、重量、功耗、工作溫度、電源電壓等。

數字式雷達顯示技術

數字式顯示系統主要有兩種形式，即計算機圖形顯示系統和智能圖形顯示

系統。其通常由計算機、顯示處理器、緩沖處理器、顯示控制器、圖形功能部件

及監視器等部分組成。

計算機

緩沖存儲

器

顯示控制

器

圖形功能

部件

監視器

顯示處理

器

數字顯示系統按其顯示內容可分為：字符顯示系統、圖形圖像顯示系統及態

勢顯示系統等；按掃描方式主要有兩種類型：一種是早期的隨機掃描顯示系統，

另一種是目前的光柵掃描顯示系統。

光柵掃描雷達顯示系統

1)系統構成

I/O

接

口

掃描轉換及

回波圖像生

成單元

圖形

幀緩存體

圖形幀緩

存體

監視器

圖形處理

器

控制臺

緩

沖

器

D/A

變

換

雷達視頻回波

天線方位碼θ

目標數據

控制參數

掃描轉換及回波圖像生成單元：實現天線波束掃描轉換、原始雷達回波和雷達數

據的加工或處理；

（1)圖形處理器：顯示處理器與顯示控制器的整合形式；

（2)幀緩存：分為圖像體和圖形體，圖像體用于存儲雷達的原始回波圖

像信息，圖形體用于存儲圖形、字符等信息，幀緩存容量不能小于屏

幕的物理分辨率所決定的總像素，為了對圖像進行展開等特殊顯示處

理，幀緩存的容量通常比屏幕像素數大很多倍；

（3)監視器：光柵掃描顯示器。

2)圖像通道

（1)系統構成

A/D

轉換

矢量

產生

時序

控制

數據

壓縮

狀態

控制

偏心

漫游

開窗

處理

數

據

緩

存

數

據

緩

存

圖像

幀緩

存

至視頻D/A

雷達

回波

天線

軸角

觸發

控制

狀態控制字

各部分功能

①、A/D變換：將雷達原始信號轉換成數字信號，滿足奈奎斯特準則；

②、數據壓縮：顯示屏幕上一根掃描線上的像素點往往小于雷達回波在一

個雷達重復周期內的采樣點數，為正常顯示，需對鄰近距離單元的回波數

據進行必要的合并壓縮處理；

③、矢量產生：為產生徑向掃描線，需要產生掃描線上各像素點的X、Y

坐標值，可以通過矢量產生器得到。

④、圖像展開：對矢量產生的坐標值進行相應的變換處理。

3)圖形通道

（1）、系統構成

主機

接口

控制臺指令

二次信息

至圖像通道

圖形

處理器

I/O

接口

PROM

DROM

圖像

幀緩存

圖形

幀緩存

視頻

DAC

主機

至監視器

（2）各部分功能

①、圖形處理器：直接外部主機接口，可編程CRT控制，直接DRAM、雙

口VRAM接口，自動CRT顯示刷新，直接灰度轉換。

②、視頻DAC：完成顯示信號的接收與鎖存，畫面優先疊加，彩色查找，

D/A轉換及狀態控制等。

三、雷達測距

根據雷達發射信號的不同，測定延遲時間通常采用脈沖法、頻率法和相位法。

脈沖法測距

0.15

R

Rt?

有兩種定義回波到達時間

R

t的方法：一種是以目標回波脈沖的前沿作為它的

到達時刻；另一種是以回波脈沖的中心作為它的到達時刻。

調頻法測距

調頻連續波測距

在無線電波從目標返回天線的這段時間內，發射機頻率較之回波頻率已有了

變化，因此在混頻器輸出端便出現了差頻電壓。后者經過放大、限幅后加到頻率

計上。由于差頻電壓的頻率與目標距離有關，因而頻率計上的刻度可以直接采用

距離長度作為單位。

（1)三角波形調制

差頻：

8

btr

m

fR

fff

Tc

?

???

t

f為發射頻率，

r

f為回波頻率，對于一定距離的目標回波，除去在時間軸上

很小的一部分2/Rc以外（這里差頻急劇下降至零），其他時間差頻是不變的。若

用頻率計測量一個周期內的平均差頻值：

2/

8

m

bav

mm

TRc

fR

f

TcT

??

?

?

?

??

??

實際工作中，應保證單值測距且滿足2/

m

TRc，由此可以得出目標距離。

若存在多普勒頻移，回波頻率為：??

0

4

2/

rd

m

f

ffftRc

Tc

?

????

目標距離：

82

bb

m

ff

c

R

ff

??

?

?

?

b

f

?

為前半周正向調頻范圍，

b

f

?

為后半周負向范圍，如果能分別測出

b

f

?

和

b

f

?

，

就可以求得目標運動的徑向速度：??/4

bb

vff?

??

??。

由于頻率計數只能讀出整數數字而不能讀出分數值，因此這種方法會產生一個固

定誤差：

8

bav

m

f

c

R

ff

?

??

?

，為減小這項誤差，往往使

f?

加大到數十兆赫茲以上，

而通常工作頻率則選為數百兆赫到數千兆赫。

（2)正弦波調頻

正弦波調頻的發射信號為：

0

sin(2sin2)

2ttm

m

f

uUftft

f

??

?

??，其回波電壓

可表示為：

0

sin(2()sin2())

2rrm

m

f

uUftTftT

f

??

?

????。其余推導過程與三

角波類似。正弦波調頻可以解決三角波調制要求嚴格線性調頻的技術困難。

在調頻連續波雷達測距時，還可以提供附加的收發隔離。

（3）調頻連續波雷達的特點：

能測量很近的距離，一般可測到數米，而且有較高的測量精度；雷達線路簡

單，且可以做到體積小，重量輕，普遍應用于飛機高度表及微波引信等場合。

主要缺點：

難以同時測量多個目標。如欲測量多個目標，必須采用大量濾波器和頻率計

數器等，使裝置變得復雜，從而限制了其應用范圍。收發間的完善隔離是所有連

續波雷達的難題。發射機泄露功率將阻塞接收機，因而限制了發射功率的大小。

發射機噪聲的泄漏會直接影響接收機的靈敏度。

脈沖調頻測距

脈沖調頻時，發射信號頻率分為三段，分別采用正斜率調頻，負斜率調頻和

發射恒定頻率。接收機混頻器中加上連續振蕩的發射信號和回波脈沖串，故在混

頻器輸出端可得到收發信號的差頻信號。

目標的距離：

4

AB

FF

Rc

?

?

?

徑向速度：

2

c

r

F

v

?

?

當發射信號的頻率經過了A、B、C變化的全過程后，每個目標的回波將是3

串不同中心頻率的脈沖。經過接收機混頻后可分別得到差頻

A

F、

B

F和

C

F，然后

按上式就可以得到目標距離和徑向速度。

在用脈沖調頻法時，可以選取較大的調頻周期T，以保證測距的單值性。這

種測距方法的缺點是測量精度較差，因為發射信號的調頻線性不容易做好，而頻

率測量也不容易做準確。

測距精度

對于常規脈沖測距雷達，雷達測距精度取決于其對時延的測量精度。因此，

測距的均方根誤差為：

2R

c

Rt???

其中，

R

t?

為時延測量的均方根誤差。基于似然比、逆概率等多種統計方法可以

證明，時延測量的均方根誤差滿足如下關系：

0

1

2/R

t

EN

?

?

?

其中，E為信號能量；

0

N為噪聲功率譜密度；?為有效帶寬，其定義為：

2

2

2

22

2

(2)()

1

(2)()

()

fSfdf

fSfdf

E

Sfdf

?

??

?

?

??

?

??

??

??

?

?

?

結論，在保持相同信噪比的條件下，信號頻譜

()Sf

的能量越朝兩端會聚，則其

有效帶寬就越大，時延（距離）的測量精度越高。

距離分辨力

距離分辨力

早期在顯示器上測距時，分辨力主要取決于脈沖寬度

?

，同時也和光點直徑

d所代表的距離有關。這時，定義距離分辨力為：

2

()

c

n

d

r

cv

????，d為光點直

徑，

n

v為光點掃掠速度。用電子方法測距或者自動測距時，距離分辨力由脈沖寬

度

?

或波門寬度

e

?

決定。

若用均方差準則討論距離分辨力，則可以做如下討論：

設

()ut

為雷達信號的復調制包絡，則相鄰兩個等強度“點”目標的回波可以

用

1

(,)ut?

和

2

(,)ut?

來表示，其中，

1

?

和

2

?

代表不同的表征位置的參量，討論雷

達的分辨力，即是想辦法衡量二者的區別。根據取樣定理，將

(,)ut?用N個取樣

值

1,2,

[]

N

Nuuu表示，即

(,)ut?表示為N維空間中的矢量：

12

()[(),(),,()]

N

uuuu?????

這樣，就可以用N維空間兩點的距離來衡量

1

(,)ut?

和

2

(,)ut?

之間的可分辨

程度，距離越大，表明參量?越容易分辨，將

1

()u?

和

2

()u?

兩點間的距離記為

12

(,)???

，則：

2

2

1212

1

(,)()()

N

kk

k

uu?????

?

???

再根據取樣定理，可將上式轉化為連續積分形式，可得

2

2

1212

(,)(,)(,)ututdt??????

??

???

將其展開，有：2*

1212

(,)2(2)2Re(,)(,)Eututdt??????

??

???

上式的第一項是常數，第二項是信號的復合自相關函數，它決定信號的分辨

力。

假設兩個靜止的點目標，其他坐標數據一樣，只是距離上稍有區別。他們與

雷達站之間也不存在相對運動和多普勒頻移。再假設兩個目標回波具有相同的強

度。可得兩回波信號間的方差為：

2*()2(2)2Re()()Eututdt????

??

????

兩回波信號間的方差越大，越容易分辨，由上式可以看出，影響距離分辨力的唯

一因素為：*()()()yututdt???

??

???，該式通常稱為距離分辨函數，可以看做信號

()ut

通過其匹配濾波器*()ut?后的輸出響應，且

0

()y

?

?

?

為輸出的最大值。因此若

要求雷達具有高的距離分辨力，則所選擇的信號通過匹配濾波器后的輸出應有很

窄的尖峰。有時采用主瓣寬度來定義信號的固有分辨力，通常采用3dB波瓣寬度，

稱為名義分辨力。他表面主瓣對鄰近目標的分辨能力，當目標延遲差較大時，為

全面考慮主瓣和旁瓣對分辨性能的影響，又定義了延遲分辨常數：

??

2

2

()

0

yd

A

y?

???

???

?

利用傅里葉變換以及帕薩瓦爾定理，上式可以改寫為：

??

??

4

2

2

Ufdf

A

Ufdf

?

?

??

?

??

?

?

?

可見距離分辨力取決于雷達信號的頻譜結構。

測距范圍

雷達系統中不模糊距離范圍（測距范圍）為：

22pup

cc

tRT??

，

若距離超過

2p

c

T

，遠處目標的回波會被認為是在距離近處的目標回波，因此

產生距離模糊。若距離小于

2p

c

t

，雷達此時收發開關處于發射狀態，無法接受目

標回波信號，此距離稱作雷達的距離盲區。

四、雷達測角

雷達測角的物理基礎是電波在均勻介質中傳播的直線性和雷達天線的方向

性，雷達測角的性能可用測角范圍、測角速度、測角準確度或精度、角分辨力來

衡量。準確度用測角誤差的大小來表示，它包括雷達系統本身調整不良引起的系

統誤差和由噪聲及各種起伏因素引起的隨機誤差。而測量精度由隨機誤差決定。

角分辨力存在多目標的情況下，雷達能在角度上把它們分辨開的能力，通常用雷

達在可分辨條件下同距離的兩目標間最小角坐標之差來表示。

相位法測角

基本原理：到達接受點的目標回波近似為平面波，則利用多個天線所接受回波信

號之間的相位差進行測角：

22

sinRd

??

??

??

???

?為雷達波長，?為相位差，只要測出相位差就可以確定目標的方向?。

由于在低頻時比較容易得出相位差，一般將天線收到的高頻信號與統一本振信號

進行差頻后，在中頻中進行比相。可以通過采用讀數精度高的相位計或減小/d?

值來提高測角精確度。但是，當/d?減小到一定程度后，?值可能會超過2?，

此時，有可能會出現多值，未解決多值性問題，通常采用三天線測角設備，一組

完成高精度測量，一組解決多值性問題。

振幅法測角

最大信號法

當天線波束做圓周掃描或在一定的扇形范圍內做勻角速掃描時，對收發共用

天線的單基地脈沖雷達而言，接收機輸出的脈沖串幅度值被天線雙程方向圖函數

所調制。找出脈沖串的最大值，確定該時刻波束軸線指向即為目標所在方向。最

大信號法測角的優點一是簡單，二是用天線方向圖的最大值方向測角，此時回波

最強，故信噪比大，對檢測發現目標是有利的。其主要缺點是直接測量時測量精

度不高，約為波束半功率寬度的20%左右。因為方向圖最大值附近比較平坦，最

強點不易判別，測量方法改進后可以提高精度。另一個缺點是不能判別目標偏離

波束軸線的方向，故不能用于自動測角。

等信號法

等信號法測角采用兩個相同且彼此部分重疊的波束，，如果目標處在兩波束

交疊軸方向，則由兩波束收到的信號強度相等。否則一個波束收到的信號強度將

高于另一個，因此，比較兩個波束回波的強弱就可以判斷目標偏離等信號軸的方

向，并可以查表估計出目標偏離等信號軸的大小。利用比幅法和和差法可以確定

目標偏離信號軸的方向。

雷達測角精度

雷達測角精度理論公式可以根據前面討論測距精度時的類似思路來討論，因為就

數學上而言，空間域（角度）和頻譜（頻率）是相似的。現在假定天線的一維電

壓方向圖為：

2

sin

/2

/2

()()jz

D

D

gAze

?

?

??

?

??

根據傅里葉變換可知，上式與時間信號及其頻譜構成的傅里葉變換對相似，即

2()()jftstSfe?

?

??

??

與測距精度與測速精度類比，則對于測角均方根誤差??有類似的公式，即

0

1

2/EN

??

?

?

式中，等效孔徑寬度?定義為：

??2

2

2

2

2/()

()

zAzdz

Azdz

??

?

?

??

?

??

?

?

?

在給定信噪比條件下，雷達的測角精度取決于天線孔徑的電尺寸/D?，天線電

尺寸越大，測角精度越高；或者說，雷達的測角精度取決于天線波束寬度，天線

波束越窄，其測角精度越高。

五、雷達測速

基本方法

如果雷達固定不動，目標以徑向速度

T

V向雷達靠近，則通過測量多普勒頻率，

可以測得運動目標的徑向速度：

1

2Td

Vf??

如果雷達和目標均在動，則徑向速度對應的是雷達和目標之間的距離變化率，取

決于雷達和目標的相對速度。

最大不模糊多普勒頻率（速度）：

如果來自一個移動目標的兩個序貫脈沖的相位差是

2n????

，n是不等于零的正

整數或者負整數，那么該相位不能同

0???

相互區分開，故導致相位的模糊。這

種相位的模糊進而導致相應的多普勒速度模糊，稱為多普勒盲速。因此產生盲速

的條件為：

4

2

Vt

n

??

???

?

??

t?為脈沖重復時間間隔，1/

p

tf??，

p

f為雷達脈沖重復頻率，則雷達測速的最

大不模糊速度間隔為：

max2

p

u

f

V

?

?

雷達測頻（測速）精度

雷達測速的精度取決于雷達測多普勒頻率的精度。根據最大不模糊速度的公式，

測速均方根誤差公式為：

2

Vf

?

???

由相關研究結論可知，多普勒測頻的均方根誤差

f?為：

0

1

2/

f

EN

?

?

?

式中

??????

??

2

2

2

2tstdt

stdt

?

?

?

??

?

??

?

?

?

其中，??2st是作為時間函數的輸入信號；參數

?

稱為信號的有效時間。易知，

關于測頻精度有以下結論：在保持相同信噪比的條件下，信號??st在時間上能量

越朝兩端會聚，則其有效時間越長，頻率（速度）的測量精度越高。

假設點目標其他坐標數據一樣，兩個目標回波具有相同的強度，只是徑向速度上

稍有區別，兩個回波信號可以寫成

1

(,)()utut??和2

2

(,)()jtutute????，其中?為兩

個目標徑向速度不同引起的回波多普勒頻移差值。這樣，兩個回波之間的均方差

為：

2*2()2(2)2Re()()jtEututedt?????

??

???

令*()()()yututdt???

??

???，為速度模糊函數。

()y?可以用信號的頻譜??Uf表示

頻率自相關函數，即：

????*()yUfUfdf???

??

???

信號的速度分辨力性能完全取決于

()y?的形狀，和距離分辨力一樣，速度分辨

力也可以以

()y?波形主瓣3dB寬度來表示相鄰速度目標分辨力，并稱為名義速

度分辨力。當目標速度較大時，還要考慮旁瓣對速度分辨力的影響，故定義多普

勒分辨常數為

??

2

2

()

0

yd

A

y?

???

???

?

利用傅里葉變換和帕薩瓦爾定理，上式可以改寫為：

4

2

2

()

()

utdt

A

utdt

?

?

??

?

??

?

?

?

脈沖多普勒雷達的信號模型

1、信號模型結構框圖

射頻

功率放大

混頻器波形發生器波形信息

穩定本機

振蕩器

基準振蕩器相干振蕩器

振

蕩

器

組

至天線

雙工器

限幅器混頻器

低噪聲

放大器

中頻

放大器

輸出放大的中頻信號

2、各部分概況

1)信號發射

基本的PD雷達信號發生器由振蕩器組、功率放大器、混頻器及脈沖形成器（由

波形信息和波形發生器組成）組成。其簡化方框圖如上圖所示。相干振蕩器產生

一個中頻信號，經波形發生器脈沖調制后，形成的脈沖信號經過混頻器混頻，產

生低功率的、具有所要求的發射波形的射頻信號。射頻信號經過功率放大器，然

后輸出一串放大后射頻脈沖信號，即為雷達的發射信號。

2)信號接收

（1)限幅器

由于外部強電磁干擾或目標本身很強的雷達回波信號，使得天線的輸出信號

幅度超過低噪聲放大器所能允許的功率極限，將很容易損壞該放大器，甚至接收

機的其他精密器件。為防止這類大功率信號直接進入接收機而對系統產生不良影

響，一般采用限幅器。限幅器是一種非線性器件，它的作用是將所有回波信號的

信號強度強制限定在規定的范圍內，限幅器的使用很有可能導致原信號的失真，

從而導致目標回波信息的失真。

（2)低噪聲放大器

采用低噪聲放大器是為了提高接收機的噪聲系數

（3)混頻器

混頻器將輸入的射頻信號轉換為中頻信號，因為一般來說，接收機處理中頻

信號比處理射頻信號要容易很多。

（4)中頻放大器

經過混頻器下變頻處理所得的中頻信號通過中頻放大器進一步放大，以便正

交混頻器提取出所需的回波幅度和相位信息。

脈沖多普勒雷達的信號處理模型

相參檢波

90o

相參檢波

A/D

距離門

A/D

距離門緩

存

脈沖壓縮

動目標檢測

（MTD）

恒虛警處理

（CFAR）

判決

相參基準

中頻信號

1)正交檢波

為了得到回波信號的相位差信息，通常采用正交檢波將相位差的變

化轉化成輸出電壓的變化，在雷達信號處理中，I/Q檢波是廣為采用的

技術。將I/Q檢波結果通過低通濾波器等裝置后，最終輸出結果為：

I通道：

1

4

cos

R

VA

?

?

?

??

??

??

??

Q通道：

2

4

sin

R

VA

?

?

?

??

??

??

??

可見，經過I、Q檢波后，保留了接收信號中關于目標距離的延遲相位和

原始相位信息。

2)A/D采樣

經過I、Q正交檢波的信號可由A/D變換器離散化采樣，并提供給數字信

號處理系統做進一步處理。

（昨天在請教師兄的過程中，師兄指出，當前的雷達信號處理機制中，

一般把A/D采樣放在檢波前面，從而實現數字檢波，具體實現過程如何，

有待進一步的學習。）

3)距離波門

距離波門將脈沖之間的時間間隔分成許多小單元或距離波門。距離

選通能消除過多的同信號抗爭的接收機噪聲及雜波，并可實現目標跟蹤

和測距。

4)脈沖壓縮

在匹配濾波器理論的指導下，為了獲得線性調頻信號（通過請教師兄得知，

并不是所有的雷達信號處理都會用到脈沖壓縮，這跟信號的調頻方式有關，在線

性調頻中，有必要用脈沖壓縮，具體原則如何，我會通過進一步學習獲知）的大

帶寬所對應的高距離分辨能力，必須對接收到的線性調頻信號的寬脈沖回波進行

壓縮濾波處理，使其變成窄脈沖。脈沖壓縮處理的功能就是將接收到的寬脈沖信

號變成窄脈沖信號而保持信號能量不變，以獲得較高的距離分辨率和較遠的作用

距離，經脈沖壓縮后，信噪比有大幅度提高，但與雜波相比，目標信號仍很弱，

所以還要將雜波抑制后才能進行檢測。接下來將信號進行多普勒處理即FFT，載

頻域進行積累，這樣可以抑制雜波改善信噪比。

5)動目標檢測

為了在動目標的檢測中獲得好的檢測效果，通常先采用MTI濾除固定雜波，

再采用MTI+FFT方法實現動目標檢測。MTI濾波器通常就是設計一組合適的濾波器

系數，使能有效的抑制雜波，并保證目標信號能良好的通過。多普勒濾波器組是

覆蓋預期運動目標多普勒頻移范圍的一組鄰接的窄帶濾波器組，目標相對雷達的

徑向速度不同，即多普勒頻移不同時，它將落入不同的窄帶濾波器，因此，窄帶

多普勒濾波器組起到了實現速度分辨和精確測量的目的。具體做法是對每個脈沖

同一距離單元的一組數據做FFT來得到等效的濾波組，比較經過MTD后的信號，若

在某個通道出現運動目標的強回波信號，則可以確認目標所在的多普勒濾波器即

為該通道。

6)恒虛警處理

由于脈沖多普勒雷達常常采用機載下視或類似的工作條件，因此由不同的地

物回波所形成的雜波的強度和分布情況極為復雜。為了在這樣復雜的雜波環境中

檢測出所關心的運動目標回波，要求脈沖多普勒雷達必須采取某種(CFAR處理技

術，以便在雜波環境變化時，防止雷達的虛警概率發生太大的變化，同時保證一

定的檢測概率。

最后，將進行適當CFAR處理之后的信號送去與檢測門限比較，由超過門限的

信號所對應的距離門和多普勒濾波器的位置得出目標的距離和速度。