雷达主要技术指标及其对使用性能的影响

子模块三　雷达主要技术指标及其对使用性能的影响

学习目标：了解雷达的主要技术指标；

　　　　　熟悉雷达主要技术指标对其使用性能的影响。

重点难点：雷达主要技术指标对其使用性能的影响。

前面子模块介绍了船用雷达的各项使用性能及影响这些使用性能的因素。本子模块将要介绍船用雷达主要技术指标及其对使用性能的影响。这些技术指标是设计和生产部门为满足各项使用性能而制定的各项参数，它标志着雷达的技术特性与质量水平。

一、工作波长 λ

雷达的工作波长λ与最大作用距离、距离分辨力、方位分辨力、测方位准确度及抗杂波干扰能力等密切相关。

1. 工作波长λ与最大作用距离r_max的关系

从自由空间的雷达方程式（2-3）可见，最大作用距离r_max与工作波长λ的平方根成正比，λ越大，则r_max越大。但在天线口径尺寸一定时，λ越大，则天线增益G_A越小，又使r_max减小。实际上，10cm雷达的天线增益受天线尺寸的限制比3cm雷达的要小，所以10cm雷达的r_max仅稍大于3cm的r_max。

从物标反射性能看，只有当物标尺寸比雷达波长λ小很多时，物标有效散射面积与波长平方成反比，即λ越小，则物标有效散射面积σ₀越大，因而r_max越大。

从电磁波传播在大气中的衰减看，λ越大，大气衰减越小，r_max也越大。

综上所述，工作波长λ与最大作用距离r_max的关系较为错综复杂，分析和实践证明，就常用的两种不同波长的雷达（10cm和3cm雷达）来比较其最大作用距离r_max的性能，情况如下：

（1）正常天气观测时，10cm雷达的r_max仅稍大于3cm的r_max；

（2）雨雪天，则10cm雷达的r_max要比3cm的r_max大得多。

2. 工作波长λ与距离分辨力Δr_min、测距精度的关系

雷达的距离分辨力Δr_min和测距精度主要取决于发射脉冲的脉冲宽度τ和脉冲前沿的长短。脉冲宽度τ越小及脉冲前沿越短（它也是脉冲宽度的组成部分），则距离分辨力和测距精度越能提高。但是，由于建立射频脉冲的高频振荡需有一个过程，此过程即脉冲前沿，约需几十个振荡周期。若工作波长λ小，则前沿时间短，有利于提高测距精度，同时前沿时间短也有利于缩短脉冲宽度，从而可提高距离分辨力。因此，3cm雷达在距离分辨力和测距精度方面要比10cm雷达好。这也是船用雷达的工作波长不宜超过10cm的原因之一。

3. 工作波长λ与方位分辨力和测方位精度的关系

同样的天线尺寸，工作波长越短，天线水平波束宽度越窄，则方位分辨力和测方位精度越高。

4. 工作波长λ与抗杂波干扰能力的关系

工作波长越短，雨、雪及海浪与对雷达波的反射越强，因而对有用的物标回波干扰越严重。显然，雨、雪天或海浪天时，10cm雷达的性能要比3cm的好得多。

综上所述，工作波长λ对雷达使用性能的影响可归结成一句话：正常天气时，3cm雷达使用性能优于10cm雷达；雨、雪天和大风浪时，则相反。因此，一般船舶常配置一台3cm雷达和一台10cm雷达，以兼顾各种天气情况下选择使用。

二、脉冲宽度τ

脉冲宽度τ与最大作用距离r_max、最小作用距离r_min、距离分辨力Δr_min、测距精度及抗杂波干扰等性能有关。

1. 与最大作用距离r_max的关系

雷达脉冲宽度即雷达发射脉冲的持续时间。显然，脉冲宽度τ越大，则一个发射脉冲所携带的能量越大，因而最大作用距离r_max也越大。

2. 与最小作用距离r_min的关系

由式（2-7）可见，最小作用距离r_min与τ成正比，τ越小，则r_min减小，近距离性能好。

3. 与距离分辨力Δr_min的关系

由式（2-9）可见，τ越小，则Δr_min越小，即距离分辨力越高。

4. 与测距精度的关系

由于τ越小，则雷达回波图像外侧的图像扩大效应（C·τ/2）越小，图像失真小，有利于提高测距精度。

5. 与抗杂波干扰性能的关系

减小τ，则同时照射在雨、雪及海浪上的时间缩短，因而产生的干扰回波较弱，有利于雷达抗雨、雪及海浪干扰的能力。

综上所述，除最大作用距离性能要求τ大外，而其他各项性能均要求τ小。为兼顾远近量程不同的使用性能要求，一台雷达常采用两种或三种以上的脉冲宽度，用量程开关切换选用，远量程采用宽脉冲，以保证最大作用距离。近量程采用窄脉冲，以满足最小作用距离、距离分辨力、测距精度及抗杂波干扰性能的要求。

目前船用雷达常用的脉冲宽度为τ=0.05～2.0µs。

三、脉冲重复频率F

脉冲重复频率F主要与显示器所用量程和最大作用距离有关。脉冲重复频率高，则天线波束扫过物标时，照射物标的次数多，即物标回波脉冲积累数增加，使屏上该回波亮点较亮，容易识别，因而有利于提高最大作用距离。但脉冲重复频率不能太高，它必须保证相邻两次脉冲发射的间隔时间（脉冲重复周期）T=1/F要大于所用量程所对应的扫描时间，并留有20%的余地供作扫描恢复时间用。因此，为兼顾远近量程不同的性能要求，一台雷达常常随着量程变换，既变换脉冲宽度，也变换脉冲重复频率，即：远量程档用宽脉冲，低重复频率；近量程档用窄脉冲，高重复频率。

目前船用雷达的脉冲重复频率F一般在500～4 000（Hz）范围，并常用雷达中频电源同步。

四、发射峰值功率P_t

发射峰值功率P_t（或称“发射脉冲功率”，亦可简称“发射功率”）与最大作用距离及抗杂波干扰等性能有关。由雷达方程可知，最大作用距离r_max与发射峰值功率P_t的四次方根成正比，故增大P_t，则r_max随之增大，但r_max增大效果不明显，并且海浪、雨雪杂波及天线旁瓣干扰也随之增大。此外，增大P_t，必将使发射机电路结构复杂，对元器件要求更苛刻，可靠性降低，造价高，所以用提高发射峰值功率P_t的途径来提高最大作用距离性能不经济，故目前船用雷达的发射峰值功率P_t，一般限制在几kW至几十kW。

五、天线波束宽度

天线波束宽度分为水平波束宽度和垂直波束宽度两种。它们与雷达的最大作用距离、最小作用距离、方位分辨力、测方位精度、抗杂波干扰等多项使用性能有着密切关系。

1. 天线水平波束宽度θ_H

（1）水平波束宽度θ_H越小，天线辐射能量越集中，天线增益G_A越大，则最大作用距离r_max越大。

（2）θ_H越小，则Δα_min也越小，即方位分辨力越高。

（3）θ_H越小，则回波图像的“角向肥大”（θ_H/2）越小，因而测方位精度就越高。

（4）θ_H越小，同时照射到海浪、雨、雪等的范围小，因而其杂波干扰回波强度小，即抑制杂波干扰性能越好。

综上所述，水平波束宽度θ_H越小越好。但是，要得到较小的θ_H，则要求天线口径增大，相应天线的重量、风阻及驱动电机功率都要增大，而且随着θ_H减小，旁瓣电平也会随之增大，有可能增加旁瓣干扰假回波，所以，目前船用雷达的水平波束宽度护。θ_H=0.7°～1.5°。小型船用雷达的短天线的θ_H可宽达2.5°，而港口雷达的θ_H一般为0.25°～0.8°。

2. 天线垂直波束宽度θ_V

（1）天线垂直波束宽度θ_V越小，天线辐射能量就越集中，则天线增益G_A越大，最大作用距离r_min也越大。

（2）θ_V越小，同样对抑制雨、雪、海浪等干扰杂波性能越好。

（3）θ_V越大，则最小作用距离r_min越小，即雷达近距离性能好。为保证在本船摇摆时不丢失近距离物标，θ_V应不小于15°。

综上所述，θ_V大有大的好处，小有小的好处，故应折衷考虑。目前船用雷达一般取θ_V =15°～30°。大型船舶要求作用距离远，且船摇角较小，一般取θ_V=15°～17°；小型船舶摇摆剧烈，并要求减小r_min，故取θ_V=25°～30°；中型船舶要求兼顾和r_min，一般取θ_V = 20°～24°。

六、天线转速N_A

（1）天线转速N_A低，在天线水平波束宽度θ_H与发射脉冲重复频率F一定的情况下，天线波束扫过物标时可增加照射物标的次数，即可获得更多的回波脉冲积累数，因而增加雷达最大作用距离。此外，天线转速低，天线旋转机构较简便。

（2）天线转速N_A较高时，图像连续性较好，因为天线转速较高时，可保证天线旋转周期小于或等于荧光屏余辉时间，使本周天线波束扫过物标时，上一周的该物标回波亮点余辉尚未消失，这有利于构成连续完整的回波平面图像。

（3）天线转速N_A较高时，有利于观察高速运动的物标，可使高速运动物标的回波在荧光屏上不至跳跃过大，便于识别和观测。

（4）提高天线转速N_A，还有利于抗海浪干扰。有些船用雷达采用双速天线，平时用常规低速，当海浪干扰严重时用高速旋转的天线（例如80r/min）。利用人眼的惰性及荧光屏余辉时间，可将天线多次扫掠的回波积累进行“平滑”。由于海浪回波是随机性出现的，因此经天线多次扫掠平滑后要比其他物标回波弱，达到抗海浪干扰的效果。但是，由于天线高速旋转会对天线旋转机构提出很高要求，从而提高造价，其抗海浪干扰效果也并不十分理想，故这种方法目前应用并不广泛。目前船用雷达天线转速N_A=15r/min～30r/min，而以20r/min居多，为抑制海浪干扰，个别采用80r/min的高速天线。

七、天线极化形式

船用雷达天线的极化形式有水平极化、垂直极化与圆极化三种。极化形式不同，其抗海浪干扰、雨雪干扰的性能也不同。

水平极化天线抗海浪干扰性能好，海面上的目标反射较强，在船用雷达中得到广泛应用。

垂直极化天线抗雨雪干扰性能较好，常用于港口雷达中，仅个别10cm波长的船用雷达采用垂直极化形式。

圆极化天线的重要优点是能有效地减弱雨干扰反射波。实验表明，圆极化天线可将雨干扰回波减弱至1/40～1/100。此外，圆极化天线对圆对称的目标（如浮筒、水雷、灯塔等），其回波也将被减弱。因此，实用中常见，有的雷达兼有水平极化和圆极化两种极化形式，用显示器面板上的“极化选择”开关按需选用。在好天气时，用“水平极化”，以发挥其较高天线增益的优点；下雨天则选用“圆极化”，以抑制雨杂波干扰。

八、天线增益G_A

由前述雷达方程（式2-3）可知，雷达最大作用距离r_max与天线增益G_A的平方根成正比，即天线增益G_A越高，则最大作用距离越远。但天线增益G_A主要取决于天线口径及工作波λ，不可能大幅度提高。目前X波段船用雷达隙缝波导天线增益可达30～32dB。

九、接收机灵敏度P_rmin

由雷达方程（式2-3）可知，P_rmin（最小可分辨信号功率）越小，接收机灵敏度越高，则雷达最大作用距离越远。P_rmin主要取决于接收机噪声系数N和通频带Δf。

十、接收机通频带Δf

通频带越窄，Δf越小，P_rmin值越小，接收机灵敏度越高，因而最大作用距离r_max越大。但是，当通频带不够宽时，回波脉冲经接收机放大电路后将丢失很多谐波分量，使输出波形前后沿失真，结果导致雷达距离分辨力和测距精度降低，图像不清晰。通常，雷达的通频带也将随量程转换而改变。在近量程档，雷达通常采用窄脉冲宽度τ，其谐波分量频率分布范围较宽，因而要求接收机通频带较宽才能使回波不失真；在远量程档，雷达采用宽脉冲宽度τ，则接收机可采用较窄的通频带，以利提高接收机的灵敏度，使远处的微弱回波也能被雷达接收。

想一想

雷达的工作波长、发射脉冲宽度和天线极化形式对雷达使用性能分别有何影响？

思考与训练

1. 雷达以长脉冲发射可以使其________。

A. 获得最小探测距离　　　　　　　　　B. 提高距离分辨率

C. 辐射能量增加，提高探测目标的能力　D. 增加地平探测距离

2.　X波段雷达较S波段雷达：I. 抗雨雪干扰能力强；II. 抗海浪干扰能力强；III. 方位分辨力好；IV、容易发现目标。下列答案中正确的是________。

A.　I、II对　　B.　II、III对

C.　III、Ⅳ对　D.　I、II、III、Ⅳ全对

3. 每秒钟发射脉冲的个数为________。

A. 雷达工作频率　B. 脉冲宽度

C. 脉冲重复频率　D. 脉冲重复周期

4. 雷达发射脉冲宽度，将影响雷达的________。

A. 盲区大小　B. 距离分辨力

C. 作用距离　D. 三者都有影响

5. 在观察两个同距离相邻方向的目标时，为了使它们分离地显示在雷达荧光屏上，应当________。

A. 使用短脉冲工作

B. 使用长脉冲工作

C. 尽可能使用合适量程，使它们位于1/3量程内

D. 使用海浪抑制

6. 采用10cm雷达可以________。

A. 提高方位分辨力　B. 增强反射性能

C. 缩小波束宽度　　D. 提高抗雨雪干扰能力

7. 雷达每次发射电波持续的时间称为________。

A. 脉冲重复频率　B. 余辉时间

C. 脉冲重复时间　D. 脉冲宽度

8. 半功率点宽度是指功率方向性图中时的两个方向的夹角________。

A. 场强为最大值的0.707　B. 功率密度降到最大值的0.5

C. 场强为最大值的0.5　　D. 功率密度降到最大值的0.707

9. 下列各项不能增大雷达作用距离的是________。

A. 提高接收机灵敏度　B. 用S波段雷达

C. 提高天线的增益　　D. 三者都不对

10.　S波段雷达比X波段雷达使用性能的优点是________。

A. 方位分辨力强　B. 距离分辨力强

C. 抗雨雪干扰强　D. 以上都是

11. 雷达射频脉冲的持续时间取决于________。

A. 余辉　　　B. 脉冲重复频率

C. 脉冲宽度　D. 脉冲重复周期

12. 不考虑别的因素，用大的波长会使雷达的作用距离________，方位分辨力________。

A. 增大，增强　B. 增大，降低

C. 减小，增强　D. 减小，降低

13. 脉冲宽度越大，则雷达最大作用距离________，雷达最小作用距离________。

A. 越大，越小　B. 越大，越大　C. 越小，越小　D. 越小，越大

14. 雷达混频器输出信号的频率，等于________。

A. 发射频率与接收频率之差　　　B. 本振频率与回波频率之差

C. 发射频率与脉冲重复频率之差　D. 发射频率与脉冲重复频率之和

15. 脉冲重复频率是指________。

A. 雷达每秒钟发射的射频振荡次数　B. 雷达每秒钟发射的脉冲数

C. 雷达回波的频率　　　　　　　　D. 雷达射频脉冲的频率

16. 要提高雷达的作用距离，可以用________。

A. 提高发射功率　B. 用宽脉冲发射　C. 用大波长　D. 三者都行

17. 下列各项不能增大雷达作用距离的是________。

A. 提高接收机灵敏度　B. 用S波段雷达

C. 提高天线的增益　　D. 三者都不对