雷達(dá)偵察作用距離與截獲概率詳解演示文稿

雷達(dá)偵察作用距離與截獲概率詳解演示文稿當(dāng)前1頁(yè)，總共60頁(yè)。優(yōu)選雷達(dá)偵察作用距離與截獲概率當(dāng)前2頁(yè)，總共60頁(yè)。5.1.1切線(xiàn)信號(hào)靈敏度PTSS和工作靈敏度POPS的定義切線(xiàn)信號(hào)靈敏度PTSS的定義如圖5―1所示。在某一輸入脈沖功率電平作用下,接收機(jī)輸出端脈沖與噪聲疊加后信號(hào)的底部與基線(xiàn)噪聲(只有接收機(jī)內(nèi)噪聲時(shí))的頂部在一條直線(xiàn)上(相切),則稱(chēng)此輸入脈沖信號(hào)功率為切線(xiàn)信號(hào)靈敏度PTSS。不難證明;當(dāng)輸入信號(hào)處于切線(xiàn)電平時(shí),接收機(jī)輸出端視頻信號(hào)與噪聲的功率比約為8dB。當(dāng)前3頁(yè)，總共60頁(yè)。圖5―1切線(xiàn)信號(hào)靈敏度的示意圖當(dāng)前4頁(yè)，總共60頁(yè)。工作靈敏度POPS的定義為:接收機(jī)輸入端在脈沖信號(hào)作用下,其視頻輸出端信號(hào)與噪聲的功率比為14dB時(shí),輸入脈沖信號(hào)功率為接收機(jī)工作靈敏度POPS。在已知切線(xiàn)信號(hào)靈敏度PTSS時(shí),輸出信噪比為8dB的條件下,工作靈敏度POPS的分析可由PTSS換算得來(lái)。當(dāng)前5頁(yè)，總共60頁(yè)。5.1.2切線(xiàn)信號(hào)靈敏度PTSS的分析計(jì)算偵察接收機(jī)與雷達(dá)接收機(jī)有兩點(diǎn)明顯的不同。首先,雷達(dá)接收機(jī)的檢波前濾波器、檢波后濾波器都與其接收信號(hào)處于準(zhǔn)匹配狀態(tài);而對(duì)于偵察接收機(jī)來(lái)說(shuō),由于偵收的都是未知信號(hào),檢波前和檢波后的濾波器都與其接收的雷達(dá)信號(hào)處于嚴(yán)重失配狀態(tài),檢波前的濾波器帶寬ΔfR與檢波后的視放帶寬ΔfV之比相差很大(雷達(dá)接收機(jī)中ΔfR/ΔfV≈2);當(dāng)前6頁(yè)，總共60頁(yè)。其次,表現(xiàn)在接收機(jī)的體制上,雷達(dá)幾乎都采用超外差接收機(jī),檢波前具有很高的增益,檢波器和視放的噪聲特性對(duì)輸出噪聲的影響可以忽略;而偵察接收機(jī)可能采用超外差接收機(jī)、晶體視頻接收機(jī)等多種形式,有時(shí)在檢波前沒(méi)有很高的增益,檢波器和視放的噪聲特性對(duì)輸出噪聲有一定的影響。因此,必須推演偵察接收機(jī)的切線(xiàn)信號(hào)靈敏度。以下僅以晶體視頻接收機(jī)為例進(jìn)行定量分析,再將結(jié)果推廣到其它接收機(jī)。當(dāng)前7頁(yè)，總共60頁(yè)。晶體視頻接收機(jī)的典型方框圖如圖5―2所示。圖中GR、FR和ΔfR分別表示檢波前射頻放大器的增益、噪聲系數(shù)和帶寬,GV、FV和ΔfV分別表示檢波后視放的增益、噪聲系數(shù)和帶寬。為簡(jiǎn)單起見(jiàn),假設(shè)輸入信號(hào)功率譜為δ函數(shù),輸入噪聲功率譜和放大器的幅頻特性均為矩形,如圖5―3所示,且GＶ=1,檢波器工作在平方律區(qū)域,肖特基二極管的檢波品質(zhì)因數(shù)式中,γ為檢波器的開(kāi)路電壓靈敏度;RV為檢波器的視頻輸出電阻。(5―1)當(dāng)前8頁(yè)，總共60頁(yè)。圖5―2晶體視頻接收機(jī)的典型方框圖當(dāng)前9頁(yè)，總共60頁(yè)。由M和FV決定常數(shù)A:(5―2)式中,K為玻爾茲曼常數(shù)(1.38×10-23J/K);T0為環(huán)境溫度(一般取290K)。當(dāng)信號(hào)與噪聲同時(shí)作用于平方律檢波器時(shí),其輸出包含有噪聲的自差拍分量、信號(hào)的自差拍分量和信號(hào)與噪聲的互差拍分量,其中信號(hào)的自差拍分量作為接收機(jī)輸出的視頻信號(hào),其余兩部分均為接收機(jī)輸出的噪聲。當(dāng)前10頁(yè)，總共60頁(yè)。圖5―3輸入信號(hào)、噪聲功率譜及放大器的幅頻特性(a)輸入信號(hào)功率譜;(b)輸入噪聲功率譜;(c)放大器的幅頻特性當(dāng)前11頁(yè)，總共60頁(yè)。因此,檢波輸出的噪聲功率譜F(f)由下式給出:(5―3)當(dāng)前12頁(yè)，總共60頁(yè)。式中,W0,PS0分別為檢波器輸入噪聲的譜密度和輸入信號(hào)的功率,如圖5―4所示。由于該譜在f=ΔfR/2處不連續(xù),所以分析中對(duì)ΔfV≤ΔfR≤2ΔfV和ΔfR≥2ΔfV的情況分別進(jìn)行討論。當(dāng)前13頁(yè)，總共60頁(yè)。圖5―4檢波輸出的噪聲功率譜當(dāng)前14頁(yè)，總共60頁(yè)。1.ΔfV≤ΔfR≤2ΔfVΔfV位于ΔfR/2和ΔfR之間,視放將通過(guò)射頻信號(hào)與噪聲互差拍的全部視頻噪聲和射頻噪聲自差拍的部分視頻噪聲,其輸出視頻噪聲功率PV為(5―4)沒(méi)有信號(hào)作用時(shí)的基線(xiàn)視頻噪聲功率為(5―5)當(dāng)前15頁(yè)，總共60頁(yè)。微波檢波器和視放所產(chǎn)生的白噪聲功率P′V為P′V=(FV+tVD-1)KT0ΔfV

對(duì)于肖特基二極管,相對(duì)噪聲溫度tVD≈1,代入上式得到:P′V=KT0ΔfVFV(5―6)視放輸出的信號(hào)功率為(5―7)當(dāng)前16頁(yè)，總共60頁(yè)。在計(jì)算噪聲功率時(shí),需要同時(shí)考慮射頻噪聲和檢波、視放噪聲,實(shí)際的基線(xiàn)噪聲功率為(5―8)有信號(hào)作用時(shí),輸出噪聲為(5―9)當(dāng)前17頁(yè)，總共60頁(yè)。噪聲電壓峰值與有效值之比為常數(shù)KC(峰值系數(shù))。假設(shè)基線(xiàn)噪聲電壓峰值為Un,有效值為Une,有信號(hào)作用時(shí)輸出噪聲電壓峰值為Um,有效值為Ume,則(5―10)切線(xiàn)信號(hào)靈敏度時(shí)的電壓狀態(tài)為(5―11)當(dāng)前18頁(yè)，總共60頁(yè)。信號(hào)功率與其電壓有效值之間具有如下關(guān)系:(5―12)代入(5―11)式(5―13)當(dāng)前19頁(yè)，總共60頁(yè)。若忽略Pn,Pm的差異,近似可得(5―14)在平方律檢波的條件下,當(dāng)接收機(jī)輸入端的信號(hào)功率為切線(xiàn)信號(hào)靈敏度時(shí),(5―15)當(dāng)前20頁(yè)，總共60頁(yè)。將(5―8)、(5―9)、(5―13)各式代入,可得(5―16)當(dāng)前21頁(yè)，總共60頁(yè)。a為噪聲作用分量,b為信號(hào)與噪聲互作用分量。檢波前噪聲譜W0=KT0FRGR,噪聲作用大于信號(hào)與噪聲互作用(a>b)時(shí)代入(5―16)式,經(jīng)配方整理,可得當(dāng)前22頁(yè)，總共60頁(yè)。令KC=2.5,ΔfR,ΔfV以MHz為單位,FR以dB為單位,可得(5―17)當(dāng)前23頁(yè)，總共60頁(yè)。2.ΔfR≥2ΔfV通過(guò)視放的視頻噪聲為(5―18)類(lèi)似于上述分析,其最終結(jié)果為當(dāng)前24頁(yè)，總共60頁(yè)?；?5―19)當(dāng)前25頁(yè)，總共60頁(yè)。3.檢波前增益不足檢波前增益不足,

很大,切線(xiàn)信號(hào)靈敏度可按下式近似:當(dāng)(5―20)時(shí),當(dāng)前26頁(yè)，總共60頁(yè)。當(dāng)時(shí),(5―21)當(dāng)前27頁(yè)，總共60頁(yè)。4.檢波前增益很高檢波前增益很高,很小,切線(xiàn)信號(hào)靈敏度可按下式近似:當(dāng)時(shí),(5―22)當(dāng)前28頁(yè)，總共60頁(yè)。當(dāng)時(shí),(5―23)當(dāng)前29頁(yè)，總共60頁(yè)。5.1.3工作靈敏度的換算由于切線(xiàn)信號(hào)靈敏度時(shí)的輸出信噪比近似為8dB,工作靈敏度POPS時(shí)的輸出信噪比為14dB,所以POPS可以由PTSS直接換算得到:PTSS+3dB平方律檢波PTSS+6dB線(xiàn)性檢波POPS=(5―24)當(dāng)前30頁(yè)，總共60頁(yè)。5.2偵察作用距離偵察作用距離是衡量雷達(dá)偵察系統(tǒng)對(duì)雷達(dá)探測(cè)能力的一個(gè)重要參數(shù)。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中,誰(shuí)能夠率先發(fā)現(xiàn)對(duì)方,誰(shuí)就贏得了戰(zhàn)場(chǎng)的主動(dòng)權(quán)。從原則上講,雷達(dá)偵察是單程工作,而雷達(dá)是雙程工作(一次雷達(dá)),在作用距離上,雷達(dá)偵察掌握優(yōu)勢(shì)。但在信號(hào)處理上,雷達(dá)具有較多的先驗(yàn)知識(shí)可用,具有明顯的信號(hào)處理優(yōu)勢(shì)。因此,一般在實(shí)際工作中保持偵察作用距離大于雷達(dá)作用距離是可能的,但有時(shí)也并非輕而易舉。當(dāng)前31頁(yè)，總共60頁(yè)。5.2.1簡(jiǎn)化偵察方程所謂簡(jiǎn)化偵察方程是指不考慮傳輸損耗、大氣衰減以及地面或海面反射等因素的影響而導(dǎo)出的偵察作用距離方程。假設(shè)偵察機(jī)和雷達(dá)的空間位置如圖5―5所示,雷達(dá)的發(fā)射功率為Pt,天線(xiàn)的增益為Gt,雷達(dá)與偵察機(jī)之間的距離為R,當(dāng)雷達(dá)與偵察天線(xiàn)都以最大增益方向互指時(shí),偵察接收天線(xiàn)收到的雷達(dá)信號(hào)功率為(5―25)當(dāng)前32頁(yè)，總共60頁(yè)。式中偵察天線(xiàn)有效面積Ar與天線(xiàn)增益Gr、波長(zhǎng)λ的關(guān)系為將其代入:(5―26)若偵察接收機(jī)的靈敏度為Prmin,則可求得偵察作用距離Rr為(5―27)當(dāng)前33頁(yè)，總共60頁(yè)。圖5―5偵察機(jī)和雷達(dá)的空間位置當(dāng)前34頁(yè)，總共60頁(yè)。5.2.2修正偵察方程修正偵察方程是指在考慮有關(guān)饋線(xiàn)和裝置損耗條件下的偵察方程。其主要損耗如下:

(1)從雷達(dá)發(fā)射機(jī)到雷達(dá)發(fā)射天線(xiàn)之間的饋線(xiàn)損耗L1≈3.5dB;(2)雷達(dá)發(fā)射天線(xiàn)波束非矩形損失L2≈1.6～2dB;(3)偵察天線(xiàn)波束非矩形損失L3≈1.6～2dB;(4)偵察天線(xiàn)增益在寬頻帶內(nèi)變化所引起的損失L4≈2～3dB;(5)偵察天線(xiàn)與雷達(dá)信號(hào)極化失配損失L5≈3dB;(6)從偵察天線(xiàn)到接收機(jī)輸入端的饋線(xiàn)損耗L6≈3dB。當(dāng)前35頁(yè)，總共60頁(yè)?？倱p耗或損失于是偵察方程修正為(5―28)當(dāng)前36頁(yè)，總共60頁(yè)。5.2.3偵察的直視距離由于在微波頻段以上,電波是近似直線(xiàn)傳播的,地球表面的彎曲對(duì)其傳播有遮蔽作用,故此偵察機(jī)與雷達(dá)之間的直視距離受到限制,如圖5―6所示。假設(shè)雷達(dá)天線(xiàn)和偵察天線(xiàn)高度分別為Ha,Hr,R為地球的半徑,則其間的直視距離為(5―29)當(dāng)前37頁(yè)，總共60頁(yè)?？紤]到大氣層引起的電波折射,使直視距離有延伸,如圖5―7所示,使等效的地球半徑達(dá)到8490km,代入(5―29)式,可得(5―30)式中,RSr以km為單位;Ha,Hr以m為單位。當(dāng)前38頁(yè)，總共60頁(yè)。圖5―6地球曲率對(duì)直視距離的影響當(dāng)前39頁(yè)，總共60頁(yè)。圖5―7電波折射對(duì)直視距離的影響當(dāng)前40頁(yè)，總共60頁(yè)。對(duì)雷達(dá)信號(hào)的偵察必須要同時(shí)滿(mǎn)足能量和直視距離的條件,所以實(shí)際的偵察作用距離R′r是二者的最小值:(5―31)當(dāng)前41頁(yè)，總共60頁(yè)。5.2.4偵察作用距離Rr對(duì)雷達(dá)作用距離Ra的優(yōu)勢(shì)

假設(shè)載有偵察機(jī)的作戰(zhàn)平臺(tái)也是雷達(dá)探測(cè)的目標(biāo)。偵察機(jī)為了隱蔽工作,需要在雷達(dá)作用距離之外完成偵察任務(wù)。為了便于比較,雙方都采用簡(jiǎn)化方程。1.偵察作用距離Rr對(duì)雷達(dá)作用距離Ra當(dāng)前42頁(yè)，總共60頁(yè)。式中,σ為目標(biāo)的雷達(dá)截面積;Pamin為雷達(dá)接收機(jī)的靈敏度。設(shè)目標(biāo)的高度為Ht(由于偵察天線(xiàn)在載體平臺(tái)的安裝位置不同,可能使Ht≠Hr),雙方的直視距離分別為:雙方實(shí)際的作用距離分別為R′r=min{Rr,RSr},R′a=min{Ra,RSa}偵察對(duì)雷達(dá)作用距離的優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)為作用距離之比大于所要求的值r:(5―32)當(dāng)前43頁(yè)，總共60頁(yè)。5.2.5對(duì)雷達(dá)旁瓣信號(hào)的偵察一般雷達(dá)天線(xiàn)主瓣很窄,又處于空間搜索狀態(tài),偵察機(jī)要接收到雷達(dá)天線(xiàn)主瓣的輻射信號(hào)概率很低,往往需要較長(zhǎng)時(shí)間。有時(shí)為了滿(mǎn)足戰(zhàn)術(shù)要求,需要提高偵察系統(tǒng)靈敏度,以實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)天線(xiàn)旁瓣信號(hào)的偵收。當(dāng)前44頁(yè)，總共60頁(yè)。旁瓣電平是雷達(dá)天線(xiàn)的一項(xiàng)重要指標(biāo),許多有源掩護(hù)干擾和反輻射導(dǎo)彈都是利用雷達(dá)天線(xiàn)旁瓣發(fā)揮作用的。為了抗干擾、抗雜波、抗反輻射導(dǎo)彈的攻擊,現(xiàn)代雷達(dá)都要求其天線(xiàn)的旁瓣電平盡量低,甚至其最大旁瓣都低到-50dB以下。如圖5―8所示,天線(xiàn)旁瓣電平有兩種表示方法:最大旁瓣電平Gsmax(dB)和平均旁瓣電平Gsave(dBi)。其定義分別為Gsmax(dB)=Gs(dB)-Gt(dB)Gsave(dBi)=10lg旁瓣擁有的總功率總輻射功率(dBi)(5―33)當(dāng)前45頁(yè)，總共60頁(yè)。式中,Gs(dB)為最大旁瓣增益。Gsave(dBi)是雷達(dá)天線(xiàn)的平均旁瓣增益,將其以真值代入(5―28)式,則可得到旁瓣偵察時(shí)的偵察作用距離:(5―34)當(dāng)前46頁(yè)，總共60頁(yè)。圖5―8天線(xiàn)旁瓣電平的兩種表示方法當(dāng)前47頁(yè)，總共60頁(yè)。比較(5―28)、(5―34)式,可見(jiàn),若要達(dá)到相同的偵察作用距離,必須使偵察接收機(jī)的靈敏度提高Gt(dB)-Gsave(dBi)。例如,典型雷達(dá)天線(xiàn)的主瓣增益為25~40dB,平均旁瓣電平為-10dBi,實(shí)現(xiàn)旁瓣偵察時(shí),偵察接收機(jī)的靈敏度需要提高35~50dB。當(dāng)前48頁(yè)，總共60頁(yè)。5.3偵察截獲概率與截獲時(shí)間雷達(dá)偵察系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)輻射源的偵收,需要經(jīng)過(guò)射頻信號(hào)接收、檢測(cè)(稱(chēng)為偵察系統(tǒng)的前端截獲)與信號(hào)分選、輻射源檢測(cè)、參數(shù)測(cè)量和識(shí)別(稱(chēng)為偵察機(jī)的系統(tǒng)截獲)的全過(guò)程,并以經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后的輸出結(jié)果(系統(tǒng)截獲的輸出結(jié)果)為最終目的。當(dāng)前49頁(yè)，總共60頁(yè)。前端截獲是系統(tǒng)截獲的前提和保證,它主要是由偵察系統(tǒng)中的硬件電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的,而信號(hào)處理主要是由偵察系統(tǒng)中的軟件程序完成的。本節(jié)首先討論偵察系統(tǒng)前端的截獲概率和截獲時(shí)間。當(dāng)前50頁(yè)，總共60頁(yè)。5.3.1前端的截獲概率和截獲時(shí)間除了能量條件之外(已在偵察作用距離中討論),雷達(dá)偵察系統(tǒng)的前端是一個(gè)在時(shí)域、空域、頻域等多維信號(hào)空間中具有一定選擇性的動(dòng)態(tài)子空間。該動(dòng)態(tài)子空間也稱(chēng)其為在多維信號(hào)空間中的搜索窗。被偵收的雷達(dá)輻射源信號(hào)則是多維信號(hào)空間中的動(dòng)態(tài)點(diǎn),只有當(dāng)某一時(shí)刻,此動(dòng)態(tài)點(diǎn)落入搜索窗內(nèi),才可能發(fā)生前端的截獲事件。因此,在一般情況下,除了滿(mǎn)足信號(hào)的能量條件之外,截獲事件還包括以下具體含義:當(dāng)前51頁(yè)，總共60頁(yè)。(1)空域截獲：一般指?jìng)刹焯炀€(xiàn)的半功率波束寬度指向雷達(dá),雷達(dá)發(fā)射天線(xiàn)的半功率波束寬度指向偵察接收機(jī)。全向偵察天線(xiàn)則只需雷達(dá)發(fā)射天線(xiàn)的半功率波束寬度指向偵察接收機(jī);可旁瓣偵察時(shí),只需偵察天線(xiàn)的半功率波束寬度指向雷達(dá),雷達(dá)天線(xiàn)的主瓣或旁瓣指向偵察接收機(jī)。(2)頻域截獲：指雷達(dá)的發(fā)射脈沖載頻落入偵察機(jī)瞬時(shí)測(cè)頻帶寬內(nèi),且其脈寬滿(mǎn)足偵察機(jī)測(cè)頻條件。(3)其它條件：指雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的其它參數(shù)能夠被偵察機(jī)正常檢測(cè)和測(cè)量。當(dāng)前52頁(yè)，總共60頁(yè)。圖5―9多重搜索窗的重合示意圖當(dāng)前53頁(yè)，總共60頁(yè)。前端的截獲概率和截獲時(shí)間是一個(gè)在多維空間中的幾何概率問(wèn)題,可以采用窗口函數(shù)模型描述,如圖5―9所示。首先將每一個(gè)截獲條件i都轉(zhuǎn)換成為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的窗口函數(shù)(Ti,τi),其中Ti為截獲條件i的平均搜索周期(如天線(xiàn)的平均掃描周期、測(cè)頻的平均搜索周期、脈沖平均重復(fù)周期等),τi為截獲條件i的平均窗口寬度(如天線(xiàn)的平均照射時(shí)間、測(cè)頻的平均帶內(nèi)駐留時(shí)間、平均脈寬等),τi≤Ti,i。假設(shè)n為在多維信號(hào)空間中的搜索窗數(shù),每一個(gè)窗口函數(shù)都是獨(dú)立、隨機(jī)工作的,前端的截獲事件表現(xiàn)為某一時(shí)刻n個(gè)窗