雷達(dá)基本原理－第5章雷達(dá)作用距離

雷達(dá)基本原理－第5章雷達(dá)作用距離研究雷達(dá)作用距離的實際意義1.雷達(dá)方程能表示當(dāng)雷達(dá)參數(shù)或環(huán)境特性發(fā)生變化時對雷達(dá)作用距離變化的規(guī)律；2.雷達(dá)方程集中反映了與雷達(dá)探測距離有關(guān)的因素及它們之間的相互關(guān)系；3.雷達(dá)方程可以估算雷達(dá)作用距離；雷達(dá)方程有助于深入理解雷達(dá)工作時各分機(jī)參數(shù)的影響。從而幫助我們在雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計時正確選擇分機(jī)參數(shù)；

5.1.1基本雷達(dá)方程

5.1雷達(dá)方程點目標(biāo)：散射單元的最大橫向距離應(yīng)該小于目標(biāo)距離處天線波束截取的弧長。散射單元的最大徑向距離小于脈沖延伸距離。分布目標(biāo)：不滿足上述條件則為分布目標(biāo)。估算一下飛機(jī)、月球?qū)τ诔Ｓ美走_(dá)來說是什么目標(biāo)？（月球半徑1738km，地月距離38萬km）5.1.2目標(biāo)的雷達(dá)截面積(RCS)P2=S1σRCS的計算方法RCS的測試如何測試？影響RCS的因素:目標(biāo)本身的特性、視角、極化和入射波的波長.RCS與波長的關(guān)系（1）當(dāng)球體的周長遠(yuǎn)小于波長時，稱為瑞利區(qū)，這時截面積正比于波長的負(fù)4次方（2）當(dāng)球體的周長等于波長時，進(jìn)入振蕩區(qū)，截面積在極值之間振蕩。（3）當(dāng)球體的周長遠(yuǎn)大于波長時，截面積振蕩的趨于某一固定值，這個固定值就是球體幾何投影面積。研究RCS的相關(guān)應(yīng)用民用：增大還是減小RCS？軍用：增大還是減小RCS？增大RCS的方法：簡單減少RCS的方法：復(fù)雜減少RCS的方法與目標(biāo)的隱身（1）整形（2）吸收（3）無源對消（4）有源對消整形：有目的的選擇目標(biāo)的表面形狀和特征，達(dá)到減少RCS的目的思考：如果目標(biāo)在各個方向受到威脅相同，整形會變得如何？超視距雷達(dá)何以具備很好的反隱能力吸波材料介電吸收磁滯吸收新技術(shù)，納米材料，等離子體，仿生。對消：很少采用5.2最小可檢測信號如果沒噪聲影響會怎么樣？5.2.1最小可檢測信噪比

對常用雷達(dá)波形來說,信號功率是一個容易理解和測量的參數(shù),但現(xiàn)代雷達(dá)多采用復(fù)雜的信號波形,波形所包含的信號能量往往是接收信號可檢測性的一個更合適的度量。例如匹配濾波器輸出端的最大信噪功率比等于Er/No,其中Er為接收信號的能量,No為接收機(jī)均勻噪聲譜的功率譜密度。矩形脈沖波形來看,若其寬度為τ、信號功率為S,則接收信號能量Er=Sτ噪聲功率N和噪聲功率譜密度No之間的關(guān)系為N=NoBn。Bn為接收機(jī)噪聲帶寬,一般情況下可認(rèn)為Bn≈1/τ(5.2.4)因此檢測信號所需的最小輸出信噪比為在早期雷達(dá)中,通常都用各類顯示器來觀察和檢測目標(biāo)信號,所以稱所需的(S/N)omin為識別系數(shù)或可見度因子M。多數(shù)現(xiàn)代雷達(dá)則采用建立在統(tǒng)計檢測理論基礎(chǔ)上的統(tǒng)計判決方法來實現(xiàn)信號檢測,在這種情況下,檢測目標(biāo)信號所需的最小輸出信噪比稱之為檢測因子(DetectabilityFactor)Do較合適,即(5.2.5)

Do是在接收機(jī)匹配濾波器輸出端(檢波器輸入端)測量的信號噪聲功率比值。檢測因子Do就是滿足所需檢測性能(以檢測概率Pd和虛警概率Pfa表征)時,在檢波器輸入端單個脈沖所需要達(dá)到的最小信號噪聲功率比值。S/N)omin表示的距離方程,(5.2.6)當(dāng)用(5.2.4)式的方式,用信號能量代替脈沖功率Pt,用檢測因子Do=(S/N)omin替換雷達(dá)距離方程(5.2.6)式時,即可得到。用檢測因子Do表示的雷達(dá)方程為(5.2.7)上式中增加了帶寬校正因子CB≥1,它表示接收機(jī)帶寬失配所帶來的信噪比損失,匹配時CB=1。L表示雷達(dá)各部分損耗引入的損失系數(shù)。

用檢測因子Do和能量Et表示的雷達(dá)方程在使用時有以下優(yōu)點:(1)當(dāng)雷達(dá)在檢測目標(biāo)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Do(n)值將下降。因此可表明雷達(dá)作用距離和脈沖積累數(shù)n之間的簡明關(guān)系,可計算和繪制出標(biāo)準(zhǔn)曲線供查用。

(2)用能量表示的雷達(dá)方程適用于當(dāng)雷達(dá)使用各種復(fù)雜脈壓信號的情況。只要知道脈沖功率及發(fā)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(shù)。5.2.2門限檢測圖接收機(jī)輸出典型包絡(luò)由于噪聲的起伏，判斷信號的有無自然成為一個統(tǒng)計問題。

門限檢測是一種統(tǒng)計檢測,在輸出端根據(jù)輸出振幅是否超過門限來判斷有無目標(biāo)存在,可能出現(xiàn)以下四種情況:(1)存在目標(biāo)時,判為有目標(biāo),這是一種正確判斷,稱為發(fā)現(xiàn),它的概率稱為發(fā)現(xiàn)概率Pd;(2)存在目標(biāo)時,判為無目標(biāo),這是錯誤判斷,稱為漏報,它的概率稱為漏報概率Pla;(3)不存在目標(biāo)時判為無目標(biāo),稱為正確不發(fā)現(xiàn),它的概率稱為正確不發(fā)現(xiàn)概率Pan;(4)不存在目標(biāo)時判為有目標(biāo),稱為虛警,這也是一種錯誤判斷,它的概率稱為虛警概率Pfa;顯然四種概率存在以下關(guān)系:Pd+Pla=1，

Pan+Pfa=1每對概率只要知道其中一個就可以了。我們下面只討論常用的發(fā)現(xiàn)概率和虛警概率。門限檢測的過程可以用電子線路自動完成,也可以由觀察員觀察顯示器來完成。當(dāng)用觀察員觀察時,觀察員自覺不自覺地在調(diào)整門限,人在雷達(dá)檢測過程中的作用與觀察人員的責(zé)任心、熟悉程度以及當(dāng)時的情況有關(guān)。例如,如果害怕漏報目標(biāo),就會有意地降低門限,這就意味著虛警概率的提高。在另一種情況下,如果觀察人員擔(dān)心虛報,自然就傾向于提高門限,這樣只能把比噪聲大得多的信號指示為目標(biāo),從而丟失一些弱信號。5.2.3檢測性能和信噪比

1.虛警概率Pfa

通常加到接收機(jī)中頻濾波器(或中頻放大器)上的噪聲是寬帶高斯噪聲,其概率密度函數(shù)由下式給出:高斯噪聲通過窄帶中頻濾波器(其帶寬遠(yuǎn)小于其中心頻率)后加到包絡(luò)檢波器,根據(jù)隨機(jī)噪聲的數(shù)學(xué)分析可知,包絡(luò)振幅的概率密度函數(shù)是瑞利分布的圖門限電平和虛警概率

虛假回波(噪聲超過門限)之間的平均時間間隔定義為虛警時間Tfa,如圖所示,圖虛警時間與虛警概率

圖虛警時間與門限電壓、接收機(jī)帶寬的關(guān)系2.發(fā)現(xiàn)概率Pd

振幅為A的正弦信號同高斯噪聲一起輸入到中頻濾波器的情況。設(shè)信號的頻率是中頻濾波器的中心頻率fIf,包絡(luò)檢波器的輸出包絡(luò)的概率密度函數(shù)為

單個脈沖線性檢波時檢測概率和所需信噪比(檢測因子)的關(guān)系5.3脈沖積累對檢測性能的改善積累分為兩種：檢波前積累和檢波后積累5.3.1積累的效果脈沖積累的效果可以用檢測因子D0的改變來表示。對于理想的相參積累,M個等幅脈沖積累后對檢測因子Do的影響是:圖線性檢波非起伏目標(biāo)檢測因子(所需信噪比)與非相參脈沖積累數(shù)的關(guān)系(Pd=0.5)圖線性檢波非起伏目標(biāo)檢測因子與非相參脈沖 積累數(shù)的關(guān)系Pd=0.9

天線的互易原理告訴我們,不論收發(fā)天線各采用什么樣的極化,當(dāng)收發(fā)天線互易時,可以得到同樣效果。特殊情況,比如發(fā)射天線是垂直極化,接收天線是水平極化,當(dāng)發(fā)射天線作為接收而接收天線作為發(fā)射時,效果相同,可知αHV=αVH,說明散射矩陣交叉項具有對稱性。散射矩陣表明了目標(biāo)散射特性與極化方向的關(guān)系,因而它和目標(biāo)的幾何形狀間有密切的聯(lián)系。下面舉一些例子加以說明。

一個各向同性的物體(如球體),當(dāng)它被電磁波照射時,可以推斷其散射強(qiáng)度不受電波極化方向的影響,例如用水平極化波或垂直極化波時，其散射強(qiáng)度是相等的,由此可知其αHH=αVV。當(dāng)被照射物體的幾何形狀對包括視線的入射波的極化平面對稱,則交叉項反射系數(shù)為零，即αHV=αVH=0,這時因為物體的幾何形狀對極化平面對稱,則該物體上的電流分布必然與極化平面對稱,故目標(biāo)上的極化取向必定與入射波的極化取向一致。為了進(jìn)一步說明,假設(shè)散射體對水平極化平面對稱,入射場采用水平極化,由于對稱性,散射場中向上的分量應(yīng)與向下的分量相等,因而相加的結(jié)果是垂直分量的散射場為零,即αHV=αVH=0。

這一性質(zhì)是很重要的,如果我們采用相同極化的圓極化天線作為發(fā)射和接收天線,那么對于一個近似為球體的目標(biāo),接收功率很小或為零。我們知道，氣象微粒如雨等就是球形或橢圓形,為了濾除雨回波的干擾,收發(fā)天線常采用同極化的圓極化天線。5.4目標(biāo)截面積起伏特性RCS的起伏要描述RCS起伏，必須知道概論密度函數(shù)（能給出RCS在在之間的概論）能給出雷達(dá)RCS隨時間的相關(guān)函數(shù)圖某噴氣戰(zhàn)斗機(jī)向雷達(dá)飛行時記錄1.施威林(Swerling)起伏模型最早提出而且目前仍然常用的起伏模型是施威林(Swerling)模型。他把典型的目標(biāo)起伏分為四種類型:

(1)第一類稱施威林(Swerling)Ⅰ型,慢起伏,瑞利分布。

截面積σ的概率密度函數(shù)服從以下分布:在天線的一次掃描期間回波起伏是完全相關(guān)的

σ≥0

(2)第二類稱施威林(Swerling)Ⅱ型,快起伏,瑞利分布。在天線的一次掃描期間回波起伏是完全獨立的(3)第三類稱施威林Ⅲ型,慢起伏,截面積的概率密度函數(shù)為在天線的一次掃描期間回波起伏是完全相關(guān)的(4)第四類稱施威林Ⅳ型,快起伏,截面積的概率分布和第三種一樣。在天線的一次掃描期間回波起伏是完全獨立的第一二類情況的概率分布適用于復(fù)雜目標(biāo)是由大量近似相等獨立隨機(jī)起伏的散射體組成的情況。例如飛機(jī)等。第三四類，適用于目標(biāo)由一個起伏決定作用的無起伏散射體和許多小的獨立的散射體組成，或者由一個大的散射體組成而方向變化很小的場合。2.目標(biāo)起伏對檢測性能的影響圖幾種起伏信號的檢測性能(脈沖積累n=10,虛警數(shù)nf=108)圖5.15達(dá)到規(guī)定Pd時的起伏損失5.5系統(tǒng)損耗5.5.1射頻傳輸損耗在發(fā)射機(jī)輸出端到天線總會存在著傳輸線，因而有傳輸損耗。5.5.2天線波束形狀損失在雷達(dá)方程中認(rèn)為天線增益是個常數(shù)，事實是否如此？5.5.3疊加損失(CollapsingLoss)疊加損失：有額外噪聲參與脈沖積累，會使得積累效果下降。

馬卡姆(Marcum)計算了在平方律檢波條件下的疊加損失。這時,疊加損失可表示為(S/N)m,n是當(dāng)n個額外噪聲參與m個“信號加噪聲”脈沖積累時,檢測所需的每個脈沖的信噪比;(S/N)m是沒有額外噪聲,m個“信號加噪聲”積累時,檢測所需的每一個脈沖信噪比。定義重疊比5.5.4設(shè)備不完善的損失從雷達(dá)方程可以看出,作用距離與發(fā)射功率、接收機(jī)噪聲系數(shù)等雷達(dá)設(shè)備的參數(shù)均有直接關(guān)系。5.6傳播過程中各種因素的影響5.6.1大氣傳播影響1.大氣衰減2.大氣折射3.地面或者海面的反射波和直接波的干涉圖大氣衰減曲線圖5.18雙程大氣衰減曲線(a)仰角0°時;(b)仰角5°時圖5.18雙程大氣衰減曲線(a)仰角0°時;(b)仰角5°時圖雨霧衰減曲線曲線a是微雨(雨量0.25mm/h);b是小雨(雨量1mm/h);c是大雨(4mm/h);d是暴雨(16mm/h);e是霧,其濃度為能見度600m(含水量0.032g/m3);f是霧,其濃度為能見度120m(含水量0.32g/m3);g為濃霧,能