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雷达原理与工程实现案例
—— 安清儒
内容1
• 雷达的任务
• 雷达技战术指标
• 雷达的组成
• 新技术新体制
• 雷达实现案例
1雷达的任务
• 雷达功用和发展历史
• 测量物理基础及存在的实际问题
• 雷达的任务
• 雷达设计的本质
1.1雷达的功用
• Radar: Radio Detection and Ranging 无线电探测和测距
• 雷达的发展史：
• 1936 年使用声波探测飞机，测量最远距离13KM。
• 1904 年德国克里斯蒂安·许尔斯迈尔取得原始雷达设计专利
• 30 年代，电子科学发展，使制造雷达成为可能。
• 1936 年 6 月，英国罗伯特·沃森·瓦特，使雷达测距范围达到 27KM、1 个
月后达到 65KM、之后发展到 88 公里。例如 CH 雷达。
• 1938 年 测距范围达到 200 公里，在泰晤士河口，组成 200KM 范围内的雷
达网
1.2 测量物理基础及存在的实际问题
•物理基础
• 电波在均匀介质中传播的直线性（粒子性）
• 电磁波以光速c传播
• 波程差引起的空间相位差
实际问题——测量值与实际值间误差
• 电波不是在理想均匀的介质中传播，造成测量误差
• 雷达电轴与天线阵法线非严格重合，造成测角误差
• 雷达站址误差加重测量误差
• 雷达软硬件设计引起测量误差的增加
1.3雷达的任务
• 测量目标斜距 (R)
• 测量目标的空间角度(α,β)
• 测量位置的变化率(v)
——现代雷达常利用多卜勒效应
• 分辨目标的尺寸和形状
——通过雷达的高分辨力来测量
1.4雷达设计的本质
“看得见”
“看得准”
“分得清”
功用不同，设计侧重点不同
• 警戒雷达：“看得见”
• 跟踪雷达：“看得准”
• 合成孔径雷达（SAR）：“分得清”
交通雷达：测速精度
• NO.1测速精度、NO.2测距精度&测角精度
车载雷达：测距精度
• NO.1测距精度&测角精度、NO.2测速精度
内容2
• 雷达的任务
• 雷达技战术指标
• 雷达的组成
• 新技术新体制
• 雷达实现案例
2.1 雷达技战术指标
• 战术指标——与战术使用有关的参数
• 威力范围Rmin,Rmax,αmin,αmax,βmin,βmax,fdmin,fdmax
• 威力范围内的多目标探测能力
• 精度（测量值与真实值之间的最小误差）
• 分辨能力（所能区分的最小目标空间范数值）
• 体积、重量、尺寸、无故障工作时间、故障恢复时间、作战**等
• 技术指标——为保证战术参数分配到雷达各组成部分的技术指标
• 从雷达组成看，包括雷达天线、发射机、接收机、信号处理等分系统技
术指标。如：天线波束（形状，宽度），增益，带宽，频率范围，工作
方式，灵敏度，功率等。其中带宽也常作为技术参数，因为带宽决定了
战术使用方式。
2.1.1雷达战术指标——威力
• 雷达的威力=雷达作用距离 x 雷达方向图
• 雷达作用距离——雷达方程
• 自由无耗、理想空间传播时的雷达方程
• 地面（海面）影响、有损耗时的雷达方程
• 雷达方向图
• 雷达天线方向图
• 雷达架高H
• 雷达天线俯仰角2
2.1.1.1 雷达的作用距离
——自由无耗、理想空间传播时的雷达方程的基本形式
• 自由无耗、理想空间传播时的雷达方程的基本形式
2.1.1.2 雷达的作用距离
——地面（海面）影响、有损耗时的雷达方程
2.1.2 雷达天线方向图
——雷达天线方向图、雷达架高H、雷达天线俯仰角
• 雷达阵列天线及方向图F(θ,φ)
• 架高：6m;仰角：3°
2.2 斜距测量
• 斜距测量
• 目标距离的测量方法
• 雷达测距的性能
• 连续波雷达测距
2.2.1 目标斜距测量
2.2.2 目标距离的测量方法
• 根据雷达发射信号的不同分
• 时间法、频率法
• 时间法测距
• 原理——比较回波与发射波，得到延时时间差tR
• 脉冲雷达——远程雷达
• 频率法测距
• 原理——比较回波与发射波，得到频率差fR (tR )
• 连续波雷达（STFMCW）——近程雷达
2.2.3雷达测距的性能
• 测距范围——雷达波束所能覆盖到的距离范围
Rmax,Rmin
• 测距精度——测距范围内测量值与实际值的误差δR
• 距离分辨率——可分辨出两个目标的最小距离
2.2.4 连续波雷达测距
2.2.4 连续波雷达测距
2.3 速度测量
• 速度测量
• 测速方法
• 雷达测速的性能
2.3.1 速度测量
2.3.2 相对速度的测量方法
• 幅度法测速
• 原理——利用距离差除以时间
• 脉冲雷达——老体制雷达
• 精度低
• 频率法测速
• 原理——比较回波与发射波的频率差
• STFMCW连续波雷达——近程雷达
• 精度高
2.3.3 雷达测速的性能
• 测速范围——雷达可探测到的最大速度，最小速度
• 测速准确度或精度——用测速误差来表示，包括随
机误差和系统误差
• 速度分辨力——多目标存在时，雷达能在速度上将
它们分开的能力。
2.3.4 三角波速度测量
测速公式
影响测速的因素
外部误差（大气折射、吸收导致）
内部误差(雷达的频率误差)
测量误差：数字处理误差、雷达架设误差等
测速精度：求法与距离误差同
2.3.5三角波速度测量
雷达速度分辨率
理论极限值：受限于雷达发射中心频率
ADC采样频率与Nfft点数限制
2.4 角度测量
• 雷达角度测量
• 雷达测角方法
• 雷达测角的性能
• 相位测角法
2.4.1 角度测量
测量目标的空间角度(α,β)
方位角α：目标与雷达的斜距在水平面上投影与雷达的
正北N方向夹角
俯仰角β：目标与水平面夹角
2.4.2 目标角度的测量方法
• 角度测量基础：电波直线传播和天线的方向性
• 天线的方向性：天线对于不同方向到达的电磁波具有不同的振幅和相
位的相应
• 幅度法测角
• 原理——比较回波相邻波束间的幅度大小
• 远程雷达——警戒雷达。频段低，适合理想空域测量
• 精度低、受限于波束宽度
• 相位法测角
• 原理——比较回波至两个接收天线处的波程差
• 近程雷达——多普勒雷达（STFMCW）。频段高，适合高精度测量
• 精度高、与波束宽度无关
2.4.3 雷达测角的性能
• 测角范围——天线波束所能扫描到的角度范围。
• 测角准确度或精度——用测角误差来表示，包括随
机误差和系统误差。
• 角分辨力——多目标存在时，雷达能在角度上将它
们分开的能力。
2.4.4相位测角法
2.4.5相位测角法
内容3
• 雷达的任务
• 雷达的战术指标：威力、精度、分辨率
• 雷达的组成
• 新技术新体制
• 雷达实现案例
3雷达的基本组成
天线
发射机
接收机
信号处理&终端
3.1 雷达天线
• 任务
• 基本组成
• 主要指标
• 天线单元
3.1.1 雷达天线任务
• 将发射机产生的波导场转换为空间辐射场
• 接收目标反射的空间回波，并将波能量转化成波导场，并由
传输线馈送给雷达接收机
3.1.2 雷达天线基本组成
• 雷达天线组成
• 实际上，雷达天线通常称作“天馈系统”，包含天线系统、馈线系统。
• 天线组成
• 阵列天线：满足雷达总体技术指标所必须采取的一种提高增益、实现
空间域信号处理的实现方式
• 天线单元：构成阵列天线的单体。不同雷达体制，其指标要求侧重不
一致
• 馈线组成
• 实现电气功能：功率合成、滤波、幅相调节、阻抗匹配
• 解决结构引入的问题：电磁波动静传输——旋转铰链
3.1.3雷达天线主要指标
• 辐射特性
• 频率、带宽
• 增益
• 波束宽度
• 副瓣电平
• 极化
• 匹配特性：
• 阻抗
• 驻波
• 功率
3.1.4天线单元
• 相控阵雷达要求：水平方向扫描±45°
• 天线单元的水平波束宽度大于90°（2x45°）
3.1.4天线单元
3.2 雷达发射机
• 任务
• 基本组成
• 主要指标Vtune
3.2.1 雷达发射机
• 任务
雷达工作时，雷达发射机为雷达提供一个载波受到调制的大功率信号，经馈线和收发开
关由天线辐射出去。
• 基本组成
3.2.2 雷达发射机——主要指标
• 发射机工作频率
• 发射机输出功率
• 发射机总效率
• 发射信号形式（调制形式）
• 信号的稳定度、频谱纯度
• 发射输出功率平坦度
3.2.3 雷达发射机
——L波段高可靠性全固态化发射机
3.3雷达接收机
• 任务
• 基本组成
• 主要指标
• 接收机的动态范围接
3.3.1雷达接收机
——超外差式雷达接收机组成
3.3.2 雷达接收机——主要指标
• 噪声系数：输入信噪比/输出信噪比
• 灵敏度：用最小可检测信号功率Simin
• 工作频带宽度：表示瞬时工作频率范围；
• 动态范围：表示接收机能够正常工作所容许的输入信号强度变化的范围。
• 中频选择和滤波特性：减少接收机噪声的关键是中频的滤波特性
• 工作稳定度和频率稳定度：工作稳定度是指当工作环境和电源发生波动时，接
收机的性能参数受到影响的程度
• 通道间的一致性：有源相控阵和数字波束形成 (DBF)系统中，通常需要几十路
甚至几千路接收机通道。主要指标幅度通道间幅度误差、相位误差。
3.4 雷达信号处理
• 任务
• 基本组成
• 主要指标
3.4.1 雷达信号处理任务
3.4.2基本组成
——信号处理系统在雷达中的位置及功能
• 交通测速雷达信号处理功能：
• 1.ADC采样，
• 2.直流滤除
• 3.FIR滤波，
• 3.FFT，
• 4.检测信号，
• 5.目标配对，
• 6.数据转换，
• 7.数据输出。
3.4.2基本组成
——脉冲雷达的信号处理框图
内容4
• 雷达的任务
• 雷达的战术指标：威力、精度、分辨率
• 雷达的组成
• 新技术新体制
• 雷达实现案例
4 DBF
• DBF定义及优点
• 自适应抗干扰
• 实现框图（初步设计）
4.1新体制新技术
——DBF(Digital Beam Forming)
• 数字多波束定义
用数字处理方法，按每个相邻波束指向补偿阵内相位差，实现同
相叠加，从而实现一个或多个特定方向的最大能量接收。
• 优点
• 基带上保留天线单元信号全部信息
• 采用DSP进行阵列信号处理
• 自适应形成波束实现空域抗干扰
• 同时形成多个独立可控波束
• 不损失信噪比
• 波束特性是由标矢量控制灵活
Ang30=[-28.125*pi/180,-24.375*pi/180,-20.6251*pi/180,-
16.875*pi/180,-13.125*pi/180,-9.375*pi/180,-5.625*pi/180,-
1.875*pi/180,1.875*pi/180,5.625*pi/180,9.375*pi/180,13.125*pi/180,16
.875*pi/180,20.625*pi/180,24.375*pi/180,28.125*pi/180]
4.2新体制新技术
——DBF技术实现抗强干扰
• 出现特殊问题
• 雷达平台移动使得地杂波回波产生多普滤频移和频谱展宽
• 强干扰引起接收机阻塞
• 传统MTI无法解决杂波拼音和频谱展宽
• DBF自适应时空处理
• 空域滤波——根据强杂波的方向自适应改变所形成的波束的指向，使之在干扰
方向形成方向图零点抑制干扰杂波。
4.3新体制新技术
——DBF(Digital Beam Forming)
4.4新体制新技术
——DBF形成单个波束
某型号雷达天线——8元天线阵列
天线方向图
辐射方向图——135°
4.4新体制新技术
——DBF形成单个波束
内容5
• 雷达的任务
• 雷达的战术指标：威力、精度、分辨率
• 雷达的组成
• 新体制——DBF
• 雷达实现案例来
5 雷达实现案例
——交通测速抓拍卡口雷达
• 使用性能
• 单车道雷达，对车道上车辆进行精确的距离触发和速度测量
• 可以判定车辆的行驶方向；
• 自主研发，可根据需求更改数据输出接口和协议，且支持远程软
件控制；
• 安装方便，维护简单，可以安装在车道的正上方车道中心位置；
• 在恶劣气候条件下性能同样出色，微波雷达不受雨、雾、雪等天
气影响。
5 雷达实现案例
——交通测速抓拍卡口雷达性能指标1
• 中心频率：24.125GHz；
• 微波发射功率：5mW；
• 天线角度：水平4.8°，俯仰6.8°；
• 测距范围：15-30m；
• 触发精度：±1m；
• 触发率：>98%（<100km/h）、>95%（>100km/h）；
• 车速范围：0～200km/h；
• 测速误差范围：小于-6 km/h(<100km/h)、小于速度值的6%
（>100km/h）；
• 数据更新率：<55ms；
• 可检测车道：1车道；
• 方向探测：接近、远离；
• 触发车辆分辨率：3米间隔
• 温度范围：-40℃～70℃（工业级）；
• 湿度范围：5%-95% RH；
5 雷达实现案例
——交通测速抓拍卡口雷达性能指标
• 安装高度：5m ＜ H＜8m；
• 通信接口：RS-232串行数据接口，波特率为4800～
115200bps可调；
• 内置存储：所有的雷达参数信息都可以通过电脑配置，然
后将参数存储在雷达模块中。在断电后的上电中，可以将相
应的参数上传给上位机；
• 工作时间：>30000h；
• 机械性能：产品采用专用材料（ABS+铝）外壳，符合IP65
标准；
• 尺寸 ；
• 重量：<2.5kg；
5 雷达实现案例
——交通测速抓拍卡口雷达
•硬件方案
• IF信号调理：A+SFC+HFP+A+A
• Vtune放大电路：跟随+初级放大+2末级放大
• DC5V-DC21V升压电路：LMR62421开关电源+LDO
• TMS320F28335处理器：实现Vtune产生、ADC、DAC控制、
DSP处理、通信协议转换
5 雷达实现案例
——交通测速抓拍卡口雷达
•软件方案：
• 数字时域对消算法
• 外推雷达触发算法
• 速度统计算法
•结构
• 前壳结构要求
• 后壳结构要求
| 
提升卡
变色卡
千斤顶
