1.2 监视雷达的工作原理与系统组成

本节主要描述监视雷达的工作原理与系统组成，其中监视雷达的系统组成结合监视雷达的发展历程进行介绍。

1.2.1 监视雷达的工作原理

监视雷达的基本工作原理与其他各种技术体制雷达基本相同，如图1.7所示，发射机产生的大功率微波信号，通过天线向空中发射出去，辐射的电磁波信号碰到飞机目标后，形成多向散射回波信号，其中后向散射回波信号被监视雷达天线接收，经接收机进行滤波和放大后，送信号处理系统进行杂波抑制和恒虚警率处理，然后进行目标检测和信息提取，获得目标相对监视雷达所处的位置（距离、方位角、高度）和速度等参数。

1.测距原理

监视雷达测距的物理基础是基于电磁波在空间的等速、直线传播。在此基础上，目标相对监视雷达的径向距离 R 可用测量目标回波时延获得，即

式（1.1）中， c= 3 × 10 ⁸ m/s是电磁波在自由空间中的传播速度， t _R 是目标回波时延（单位为ns）。

工程上，监视雷达并不是依据目标回波时延 t _R 的测量值，用式（1.1）来直接计算目标的距离，而是将距离量程范围（一般略大于最大作用距离）按照距离分辨单元的大小进行划分，取目标回波中心最接近的那个距离单元对应的距离为目标的径向距离。距离分辨单元的大小取决于雷达发射的信号波形参数，具体计算方法见1.3.3节。监视雷达的工作环境并不满足自由空间假设，由于大气层不同高度和地区分布的电子密度不同，其非均匀性对电磁波的传播会带来影响，大气折射会造成测距误差。探测距离越远，影响程度越大，一般对最大作用距离在600km以内的对空监视雷达，大气折射形成的测距误差可忽略。但是，对最大作用距离达到数千千米的导弹预警和空间监视雷达来说，则必须采用精确位置已知的定标星对测距误差进行修正。

2.测角原理

雷达测角的物理基础是基于雷达天线的定向辐射和电磁波的直线传播特性。监视雷达为了获得较好的测角能力，采用方向性很强的天线，波束主瓣宽度通常不超过3°，通过在天线主瓣内发射、接收和处理电磁波，获得较高精度的测角能力。

监视雷达的方位角测量和仰角测量的物理基础一致，但测角采用的技术方法不同，下面分别阐述。

1）方位测角原理

监视雷达在方位上一般采用机械扫描方式实现全方位搜索。如图1.8所示，天线放置在一个带高精度方位码盘的水平转台上，方位码盘可以输出天线法线方向相对正北的方位角，经信号处理后可计算接收的目标回波相对波束主瓣中心的偏离角（有正有负），两者相加即为目标方位角 α

式（1.2）中，目标的天线方位波束主瓣偏离角估计方法可参考文献[2]。

工程上，约定监视雷达的目标方位角坐标系为极坐标系，以正北为方位角0°方向，计数方法为“北偏东××度”。

方位上采用数字波束形成（DBF）进行扫描的监视雷达，如第8章介绍的数字阵列监视雷达、第9章介绍的双基地和MIMO监视雷达，其方位测角基本原理和机械扫描的监视雷达是一致的，只是方位角基准不是从方位码盘读出，而是通过波数控制（波控）参数计算得到的。

2）俯仰测角原理

三坐标监视雷达为了获得目标的高度参数，必须测量目标的仰角。为此，三坐标监视雷达天线在需要搜索的俯仰范围（一般不超过30°）内形成十多个波束，如图1.9所示，通过相邻两个波束所接收的目标回波进行联合处理（目标仰角估计方法有相位法和振幅法两类 ^[2] ），以获得目标相对雷达的仰角。目标仰角与目标高度的换算方法将在7.1.2节介绍。三坐标监视雷达的俯仰多波束形成方法常见的有频率扫描、堆积多波束、相位扫描和数字波束形成四种，分别在7.2节、7.3节、7.4节和7.5节介绍。

两坐标监视雷达为了解决测高的应用需求，设计了一种专门用于测高的监视雷达，专用测高监视雷达一般采用方位宽波瓣俯仰窄波瓣的垂直向长条状天线，其方位上在两坐标监视雷达引导下随动转向，仰角上采用窄波束机械扫描，形成在仰角上的窄波束扫描并获得目标的仰角参数，两部雷达联合处理形成目标的三坐标测量能力。这种专门测高的雷达，其俯仰测角原理与三坐标雷达是一致的，只是由于俯仰波束宽度更窄，仰角测量精度往往比三坐标雷达的更高。

大气折射造成的电磁波传播路径弯曲自然也会对监视雷达测角带来影响，这种影响不仅与目标距离有关，而且与雷达视线的仰角有关。目标距离越远，带来的测角误差越大。同样地，空间监视雷达的测角误差也需要用定标星来进行标定，而对空监视雷达经常忽略大气折射的影响。

3.测速原理

雷达测速的物理基础是目标的运动特性或者目标运动产生的回波多普勒效应。目标的运动特性即测量单位时间内以不同目标点迹的空间移动距离进行目标速度的估计，其在目标速度精度要求不高的监视雷达中较多采用。利用目标运动对电磁波调制产生的多普勒效应告诉我们，目标运动不仅对散射电磁波信号产生幅度衰减和时间延迟，还会产生频率偏移，即多普勒频移，它由式（1.3）计算，即

式（1.3）中， f _d 为多普勒频移， v _r 为目标相对雷达径向速度或径向速度分量（一般取向站飞行为正，背站飞行为负）， λ 为雷达信号波长。

因此，雷达只要测量出多普勒频移 f _d ，就能很容易地算出目标的径向速度。但在工程上和测距一样，雷达并不是直接准确测量 f _d 然后用式（1.3）计算目标径向速度的，而是采用多普勒滤波器组，将0频道至脉冲重复频率（Pulse Repetition Frequency，PRF）划分为若干多普勒通道（一般至少有10个通道），如果某个多普勒通道检测到目标，就用该通道的中心频率作为目标的多普勒频率估计值。

当采用多普勒频率方法进行雷达测速时，必须满足雷达PRF值大于目标最大速度值对应的多普勒频率值的条件，否则将会出现多普勒测速模糊。低PRF监视雷达，一般采用目标运动特性进行目标速度测量，也可以将目标运动特性测量和多普勒频率方法相结合，利用目标运动特性测量进行粗测量并解多普勒频率的方法获得速度测量模糊值。对于采用脉冲多普勒（Pulsed Doppler，PD）体制的监视雷达，由于不存在多普勒模糊，可以直接采用多普勒频率方法获得精度较高的目标速度测量值。

1.2.2 监视雷达的系统组成

监视雷达的基本系统组成是随着电子器件发展而不断变化的，所以本书将监视雷达组成的发展过程与不同时代的监视雷达相结合。

1.第一代监视雷达 ^[3]

第一代监视雷达的基本技术特征是非相参体制、电子管设备和大功率收/发开关等，其系统结构相对简单，由雷达天线、发射机、接收机和显示器四大部分组成，如图1.10所示。第一代监视雷达由无线电通信系统发展而来，工作在米波（Very High Frequency，VHF；甚高频）频段，作用距离一般在200km，测距精度只有千米量级。雷达天线体积庞大，在方位上做360°机械旋转，仰角上只有一个宽波束覆盖，不具备测高能力。接收机和发射机均采用大功率磁控管，虽然可以发现远在200多千米外的飞机，但受到多径效应的影响低空性能很差。发射机发射非相参单一载频脉冲串，不具备频率捷变抗干扰能力。接收机仅能实现单个脉冲的匹配滤波和包络检波。发射机和接收机完全用模拟电路来实现。显示器采用阴极射线管（CRT），依靠显示器余辉暂留效应实现多个脉冲的非相参积累。不具备频率捷变抗干扰和杂波抑制能力，受多径效应影响和缺乏杂波抑制处理使低空探测性能较差，近距离目标淹没在地杂波中难以被发现。

2.第二代监视雷达 ^[3]

第二代监视雷达的基本技术特征是全相参技术体制，采用中大规模集成电路和计算机处理，具有较完备的雷达信号处理功能，其典型系统组成结构如图1.11所示。

与第一代监视雷达相比，第二代监视雷达的技术进步主要体现在5个方面：

（1）采用数字电路和计算机技术，对目标回波信号进行信号处理，全面提升了雷达探测性能和反杂波性能，出现了第一代监视雷达没有的信号处理设备。

（2）发射机大量使用可靠性更高、工作频率更高的速调管（Klystron）、行波管（TWT）、前向波管放大器（CFA）等，而且这些功率放大器能输出峰值功率达上千千瓦至兆瓦，可采用发射相参脉冲串进行积累检测，支持监视雷达工作在全相参模式，出现了第一代监视雷达没有的频率源设备。

（3）雷达频率源和信号处理分机可产生线性调频、非线性调频、相位编码等复杂波形，与此配套的脉冲压缩、恒虚警率（Constant False Alarm Rate，CFAR）检测、动目标显示（MTI）等信号处理新技术的蓬勃发展和应用，大幅提升了监视雷达的作用距离和测距精度，并使监视雷达具备了一定的杂波抑制和抗干扰能力。

（4）天线制造水平和控制、测量精度的提高，使得天线副瓣电平大幅降低，提高了雷达的抗副瓣干扰能力。同时采用了机内测试设备（BITE），使得监视雷达的可靠性、维修性和可用性都有了质的跃升，促进了监视雷达的整体性能改善。

（5）第二代监视雷达主要采用频率扫描、堆积多波束等三坐标监视雷达体制，受当时器件水平的限制，主要依靠硬件设备堆积的方法实现雷达的仰角测量。

3.第三代监视雷达 ^[3]

第三代监视雷达的基本技术特征是超大规模集成电路、全固态、相控阵等。该系统主要由收/发阵列天线、发射系统、频率源、频综器、接收/处理系统、天线伺服系统和电源与配电设备等组成，其中接收/处理系统包括信号处理、数据处理等，一般由超大规模集成电路板和高性能计算机组成。其典型系统组成框图如图1.12所示。

与第二代监视雷达相比，第三代监视雷达的技术进步主要体现在4个方面：

（1）大规模集成电路的蓬勃发展和应用，大幅提升了监视雷达的数字信号处理能力。一方面，信号处理分机通过多路并行处理，实现了大时宽带宽积信号的数字脉冲压缩，以及复杂的杂波和干扰抑制等算法，监视雷达的复杂电磁环境适应能力得以大幅提升；另一方面，卡尔曼滤波技术的发展和应用，促使监视雷达出现了独立的数据处理分机，实现了目标航迹滤波和自动跟踪，不仅进一步提高了监视雷达的目标参数估计精度，而且使得监视雷达首次具备了情报自动录取能力，从此，监视雷达可同时跟踪的目标批次数量达到上百批。

（2）固态功率器件的发展和应用，促使监视雷达发射机的物理形态发生了革命性变化，传统的单极功率放大器模式被彻底抛弃，出现了由多级功率放大链组成的全固态发射机，工作可靠性得以大幅提升。

（3）相控阵天线技术的发展和应用，平面阵列天线优异的波瓣性能和极低的副瓣电平使得传统的反射面天线被淘汰，三坐标监视雷达很快抛弃了传统的反射面天线而使用平面相控阵天线，利用无源或有源相位扫描实现对俯仰空域的搜索和测角。这使得监视雷达在空间搜索覆盖、数据率和测量精度等方面获得了更好的效能，也催生了数字波束形成（DBF）技术在监视雷达中的应用。

（4）机电液一体化天线和大阵面自动折叠技术的发展，使得天线的架设和撤收时间由数小时降低到数十分钟至10分钟，大幅提升了监视雷达的机动性能和战时生存能力。

4.第四代监视雷达

进入21世纪，随着微波器件、处理芯片、算法软件等方面的技术进步和成本下降，推动了两维有源相控阵技术和数字阵列雷达技术在对空监视雷达中的推广应用，形成了典型的第四代监视雷达，其基本技术特征是阵列数字化、多功能一体化、工作模式多样化、环境自适应能力和目标跟踪识别能力。第四代监视雷达在技术体制和结构形态上具有两种典型产品代表，即两维有源相控阵体制监视雷达和数字阵列体制监视雷达。

采用常规有源相控阵体制的第四代监视雷达的典型系统组成结构如图1.13所示。

与第三代监视雷达相比，第四代监视雷达的技术进步主要体现在3个方面：

（1）采用计算机控制发射功率分配网络和接收波束形成网络，实现了方位和俯仰、发射和接收同时数字波束形成的能力，波束形状控制和波束指向自由度都得到了空前提高，搜索和跟踪得以分离，监视雷达摆脱了机械扫描对搜索/跟踪方式的限制，为自适应调整工作模式参数、同时完成多种探测任务打下了基础。

（2）高性能处理芯片和计算能力使各种复杂的空域、时域、频域联合滤波算法得以应用，信号处理分机与数据处理分机融合为数字信号处理分系统，大幅提高了监视雷达的探测能力、环境适应性和抗干扰能力。

（3）具备宽带处理、运动特征和基于多普勒信息的目标特征提取能力，使监视雷达具备了较强的目标架次分辨和属性判别能力。

数字阵列监视雷达是监视雷达发展的最新形态，其系统架构和设备形态得到极大简化，如图1.14所示，主要功能模块只有数字有源阵面和高性能计算平台两个部分，中间用高速光纤相连。

与第四代常规有源相控阵监视雷达相比，数字阵列监视雷达的技术进步主要体现在4个方面 ^[4] ：

（1）天线波束扫描所需的移相器被直接数字式频率合成器（DDS）中的芯片所替代，在波形产生中直接将波束扫描相移量加权到相位控制字中，使相位控制精度大幅提高。

（2）在一个功能模块中利用DDS和数字信号处理器等器件完成波束形成和波束空间扫描功能，替代了复杂的波束形成和波束控制网络，使得天线阵面集成度更高、质量更小、波束控制更加灵活。

（3）发射采用DDS在数字域形成任意波形，接收采用高速模拟/数字转换器（ADC）或射频直接采样技术将模拟信号变为数字信号，使得整机的数字化程度大幅提升。

（4）用光纤代替射频电缆成为雷达射频系统的主要传输手段，降低了射频传输损失并获得了较好的电磁兼容性。

采用数字阵列体制的第四代监视雷达典型系统组成框图如图1.15所示。