雷達原理（第6版） 課件 第5、6章 雷達作用距離、目標距離的測量

雷達作用距離第五章雷達原理（第6版）高等學校電子信息類精品教材01雷達方程PARTONE一、雷達方程1.基本雷達方程

一、雷達方程1.基本雷達方程一、雷達方程1.基本雷達方程

一、雷達方程2.目標的雷達截面積（RCS)

一、雷達方程

2.目標的雷達截面積（RCS)02最小可檢測信號PARTTWO二、最小可檢測信號1.最小可檢測信噪比典型的雷達接收機和信號處理框圖如圖5.2所示，一般把檢波器以前（中頻放大器輸出）的部分視為線性的，中頻濾波器的特性近似匹配濾波器，從而使中放輸出端的信號噪聲比達到最大。二、最小可檢測信號1.最小可檢測信噪比

二、最小可檢測信號1.最小可檢測信噪比

二、最小可檢測信號2.門限檢測檢測時門限電壓的高低影響以下兩種錯誤判斷的多少:（1）有信號而誤判為沒有信號（漏警）;（2）只有噪聲時誤判為有信號（虛警)。在輸出端根據(jù)輸出振幅是否超過門限來判斷有無目標存在，可能出現(xiàn)以下4種情況:（1）存在目標時判為有目標，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。（2）存在目標時判為無目標，這是錯誤判斷，稱為漏報，它的概率稱為漏報概率。（3）不存在目標時判為無目標，稱為正確不發(fā)現(xiàn)，它的概率稱為正確不發(fā)現(xiàn)概率。（4）不存在目標時判為有目標，稱為虛警，這也是一種錯誤判斷，它的概率稱為虛警概率。二、最小可檢測信號3.檢測性能和信噪比

二、最小可檢測信號3.檢測性能和信噪比

03脈沖積累對檢測性能的改善PARTTHREE三、脈沖積累對檢測性能的改善1.積累的效果

三、脈沖積累對檢測性能的改善1.積累的效果

三、脈沖積累對檢測性能的改善1.積累的效果三、脈沖積累對檢測性能的改善2.積累脈沖數(shù)的確定

04目標截面積及其起伏特性PARTFOUR四、目標截面積及其起伏特性1.點目標特性與波長的關系目標的后向散射特性除與目標本身的性能有關外，還與視角、極化和入射波的波長有關。其中與波長的關系最大，常以相對于波長的目標尺寸來對目標進行分類。為了討論目標后向散射特性與波長的關系，比較方便的辦法是考察一個各向同性的球體。因為球有最簡單的外形，而且理論上已經(jīng)獲得其截面積的嚴格解，其截面積與視角無關，因此常用金屬球來作為截面積的標準，用于校正數(shù)據(jù)和實驗測定。四、目標截面積及其起伏特性2.簡單形狀目標的雷達截面積對于非球體目標，其截面積和視角有關,而且在光學區(qū)其截面積不一定趨于一個常數(shù)，但利用“亮斑”處的曲率半徑可以對許多簡單幾何形狀的目標進行分類，并說明它們對波長的依賴關系。表5.1給出了幾種簡單幾何形狀的物體在特定視角方向上的截面積，當視角改變時截面積一般都有很大的變化(球體除外)。四、目標截面積及其起伏特性3.目標特性與極化的關系

四、目標截面積及其起伏特性4.復雜目標的雷達截面積

四、目標截面積及其起伏特性圖5.12給出了螺旋槳飛機B-26（第二次世界大戰(zhàn)時中程雙引擎轟炸機）雷達截面積的例子，數(shù)據(jù)是飛機置于轉臺上由試驗測得的，工作波長為10cm。從圖中可以看出,雷達截面積是視角的函數(shù)，角度改變約1/3°，截面積就可以大約變化15dB。最強的回波信號發(fā)生在側視附近，在這里飛機的投影面積最大且具有比較平坦的表面。此外，對噴氣式飛機的截面積也做了相當多的分析研究和模型測試，獲得了相應的測試結果。4.復雜目標的雷達截面積四、目標截面積及其起伏特性5.目標起伏模型目標雷達截面積的大小對雷達檢測性能有直接的關系，在工程計算中常把截面積視為常量，即如表5.2給出的那些平均值。實際上，處于運動狀態(tài)的目標，視角一直在變化，截面積隨之產(chǎn)生起伏。圖5.13給出了某噴氣戰(zhàn)斗機向雷達站飛行時記錄的脈沖，起伏周期在遠距離時是幾秒，在近距離時大約是幾十分之一秒，起伏周期與波長有關，對于飛機的不同姿態(tài),起伏變化的范圍從26dB到10dB。四、目標截面積及其起伏特性1.施威林（Swerling）起伏模型由于雷達需要探測的目標十分復雜且多種多樣，因此很難準確地得到各種目標截面積的概率分布和相關函數(shù)。通常是用一個接近而又合理的模型來估計目標起伏的影響并進行數(shù)學上的分析。最早提出而且目前仍然常用的起伏模型是施威林模型。他把典型的目標起伏分為4種類型:有兩種不同的概率密度函數(shù)，同時又有兩種不同的相關情況。一種是在天線一次掃描期間回波起伏是完全相關的，而掃描至掃描間完全不相關，稱為慢起伏目標;另一種是快起伏目標，它們的回波起伏在脈沖與脈沖之間是完全不相關的。5.目標起伏模型四、目標截面積及其起伏特性4種起伏模型區(qū)分如下:（1）第一類稱為施威林Ⅰ型，慢起伏，瑞利分布。（2）第二類稱為施威林I型，快起伏，瑞利分布。（3）第三類稱為施威林II型，慢起伏，截面積的概率密度函數(shù)為（4）第四類稱為施威林Ⅳ型，快起伏，截面積的概率分布服從式。5.目標起伏模型四、目標截面積及其起伏特性

5.目標起伏模型四、目標截面積及其起伏特性施威林的4種模型考慮了兩類極端情況：掃描間獨立和脈沖間獨立。實際的目標起伏特性往往介于上述兩種情況之間。已經(jīng)證明，其檢測性能也介于兩者之間。5.目標起伏模型05系統(tǒng)損耗PARTFIVE五、系統(tǒng)損耗1.射頻傳輸損耗當傳輸線采用波導時，波導損耗指的是連接在發(fā)射機輸出端到天線之間波導引起的損失，它們包括單位長度波導的損耗、每一波導拐彎處的損耗、旋轉關節(jié)的損耗、天線收發(fā)開關上的損耗以及連接不良造成的損耗等。當工作頻率為3000MHz時，有如下典型數(shù)據(jù)。天線轉換開關的損耗:1.5dB旋轉關節(jié)的損耗:0.4dB每30.5m波導的損耗（雙程):1.0dB每個波導拐彎的損耗:0.1dB連接不良的損耗（估計):0.5dB總的波導損耗:3.5dB波導損耗與波導制造的材料、工藝、傳輸系統(tǒng)工作狀態(tài)以及工作波長等因素有關，通常情況下，工作波長越短，損耗越大。五、系統(tǒng)損耗2.天線波束形狀損失在雷達方程中，天線增益是采用最大增益，即認為最大輻射方向?qū)誓繕?。但在實際工作中天線是掃描的，當天線波束掃過目標時收到的回波信號振幅按天線波束形狀調(diào)制。實際收到的回波信號能量比假定按最大增益的等幅脈沖串時要小。當回波是振幅調(diào)制的脈沖串時，可以在計算檢測性能時按調(diào)制脈沖串進行，已經(jīng)有人做過這項工作。我們在這里采用的辦法是利用等幅脈沖串已得到的檢測性能計算結果，再加上“波束形狀損失”因子來修正振幅調(diào)制的影響。這個辦法雖然不夠精確，但卻簡單實用。五、系統(tǒng)損耗

2.天線波束形狀損失五、系統(tǒng)損耗3.疊加損失(collapsingloss)

五、系統(tǒng)損耗

3.疊加損失(collapsingloss)五、系統(tǒng)損耗4.設備不完善的損失

五、系統(tǒng)損耗5.其他損失還有一些因素會實際影響雷達的觀測距離。例如，一部裝有動目標顯示(MTI)的雷達，對于盲速附近的目標將引入附加檢測損失;信號處理中采用恒虛警（CFAR）產(chǎn)生的損失根據(jù)CFAR不同類型而異，這種損失可能大于2dB；當波門選擇過寬或目標不處于波門中心時，都會引入附加的信噪比損失；如果由操縱員進行觀測，則操作人員技術的熟練程度和不同的精神狀態(tài)都會產(chǎn)生較大影響。還有許多產(chǎn)生影響的實際因素，這里無法一一例舉。雖然每一種因素的影響可能不大，但綜合起來也會使雷達的性能明顯減退。重要的問題是找出引起損失的各種因素，并在雷達設計和使用過程中盡量使損失減至最小。06傳播過程中各種因素的影響PARTSIX六、傳播過程中各種因素的影響1.大氣傳播影響

六、傳播過程中各種因素的影響1.大氣傳播影響六、傳播過程中各種因素的影響1.大氣傳播影響隨著高度的增加，大氣衰減減小，因此，實際雷達工作時的傳播衰減與雷達作用的距離以及目標高度有關。圖5.18給出了在不同仰角時的雙程衰減分貝數(shù)，它們又與工作頻率有關。工作頻率升高，衰減增大；而探測時仰角越大，衰減越小。六、傳播過程中各種因素的影響2.大氣折射和雷達直視距離大氣的成分隨著時間、地點而改變，而且不同高度的空氣密度也不相同，離地面越高，空氣越稀薄。因此電磁波在大氣中傳播時，是在非均勻介質(zhì)中傳播的，它的傳播路徑不是直線而將產(chǎn)生折射。大氣折射對雷達的影響有兩方面：一方面將改變雷達的測量距離，產(chǎn)生測距誤差；另一方面將引起仰角測量誤差，如圖5.21所示。1.大氣傳播影響六、傳播過程中各種因素的影響

1.大氣傳播影響六、傳播過程中各種因素的影響1.大氣傳播影響六、傳播過程中各種因素的影響2.地面或水面反射對作用距離的影響地面或水面反射是雷達電波在非自由空間傳播時的一個最主要的影響。在許多情況下，地面或水面可近似認為是鏡反射的平面，架設在地面或水面的雷達，當它們的波束較寬時，除直射波以外，還有地面(或水面）的反射波存在，這樣在目標處的電場就是直接波與反射波的干涉結果。由于直接波和反射波是天線不同方向所產(chǎn)生的輻射，而且它們的路程不同，因而兩者之間存在振幅和相位差:07雷達方程的幾種形式PARTSEVEN七、雷達方程的幾種形式1.二次雷達方程七、雷達方程的幾種形式1.二次雷達方程

七、雷達方程的幾種形式2.雙基地雷達方程

七、雷達方程的幾種形式3.跟蹤雷達方程

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01脈沖法測距PARTONE一、脈沖法測距1.基本原理

一、脈沖法測距2.雷達回波中的可用信息

一、脈沖法測距2.雷達回波中的可用信息隨機誤差是指因某種偶然因素引起的測距誤差，所以又稱偶然誤差。凡屬設備本身工作不穩(wěn)定性造成的隨機誤差稱為設備誤差，如接收時間滯后的不穩(wěn)定性、各部分回路參數(shù)偶然變化、晶體振蕩器頻率不穩(wěn)定以及讀數(shù)誤差等。凡屬系統(tǒng)以外的各種偶然因素引起的誤差稱為外界誤差，如電波傳播速度的偶然變化、電波在大氣中傳播時產(chǎn)生折射以及目標反射中心的隨機變化等。隨機誤差一般不能補償?shù)?，因為它在多次測量中所得的距離值不是固定的而是隨機的。因此，隨機誤差是衡量測距精度的主要指標。一、脈沖法測距2.雷達回波中的可用信息1.電波傳播速度變化產(chǎn)生的誤差如果大氣是均勻的，則電磁波在大氣中的傳播是等速直線，此時測距公式(6.0.1)中的值可認為是常數(shù)，但實際上大氣層的分布是不均勻的且其參數(shù)隨時間、地點而變化。大氣密度、濕度、溫度等參數(shù)的隨機變化，導致大氣傳播介質(zhì)的導磁系數(shù)和介電常數(shù)也發(fā)生相應的改變，因而電波傳播速度c不是常量而是一個隨機變量。由式(6.1.2)可知，由于電波傳播速度的隨機誤差而引起的相對測距誤差為一、脈沖法測距2.雷達回波中的可用信息

一、脈沖法測距2.雷達回波中的可用信息一、脈沖法測距2.雷達回波中的可用信息

一、脈沖法測距2.雷達回波中的可用信息3.測讀方法的誤差根據(jù)測距所用具體方法的不同，其測距誤差亦有差別。早期的脈沖雷達直接從顯示器上測量目標距離，這時顯示器熒光屏亮點的直徑大小、所用機械或電刻度的精度、人工測讀時的慣性等都將引起測距誤差。當采用電子自動測距的方法時，如果測讀回波脈沖中心，回波脈沖中心的估計誤差(正比于脈寬而反比于信噪比)以及計數(shù)器的量化誤差等均將造成測距誤差。自動測距時的測量誤差與測距系統(tǒng)的結構、系統(tǒng)傳遞函數(shù)、目標特性(包括其動態(tài)特性和回波起伏特性)、干擾(噪聲)的強度等因素均有關系，詳情可參考測距系統(tǒng)的有關資料。測距的實際精度和許多外部及設備的因素有關，混雜在回波信號中的噪聲干擾(通常是加性噪聲)則是限制測量精度的基本因素。由噪聲引起的測量誤差通常稱為測量的理論精度或極限精度。下面討論測距精度的理論極限值。測量距離就是對目標回波出現(xiàn)的時延做出估值，用最大似然法可獲得參量的最佳估值。一、脈沖法測距3.測距的理論精度（極限精度)

一、脈沖法測距3.測距的理論精度（極限精度)

一、脈沖法測距4.距離分辨力和測距范圍

一、脈沖法測距4.距離分辨力和測距范圍

一、脈沖法測距4.距離分辨力和測距范圍

一、脈沖法測距5.判測距模糊的方法

一、脈沖法測距5.判測距模糊的方法

02調(diào)頻法測距PARTONE二、調(diào)頻法測距1.調(diào)頻連續(xù)波測距調(diào)頻連續(xù)波雷達的組成框圖如圖6.7所示。發(fā)射機產(chǎn)生連續(xù)高頻等幅波，其頻率在時間上按三角形規(guī)律或按正弦規(guī)律變化，目標回波和發(fā)射機直接耦合過來的信號加到接收機混頻器內(nèi)。在無線電波傳播到目標并返回天線的這段時間內(nèi)，發(fā)射機頻率較之回波頻率已有了變化，因此在混頻器輸出端便出現(xiàn)了差頻電壓。后者經(jīng)放大、限幅后加到頻率計上。由于差頻電壓的頻率與目示距離有關，因而頻率計上的刻度可以直接采用距離長度作為單位。二、調(diào)頻法測距1.調(diào)頻連續(xù)波測距連續(xù)工作時，不能像脈沖工作那樣采用時間分割的辦法共用天線，但可用混合接頭、環(huán)行器等辦法使發(fā)射機和接收機隔離。為了得到發(fā)射和接收間高的隔離度，通常采用分開的發(fā)射天線和接收天線。當調(diào)頻連續(xù)波雷達工作于多目標情況下時，接收機輸入端有多個目標的回波信號。要區(qū)分這些信號并分別決定這些目標的距離是比較復雜的，因此，目前調(diào)頻連續(xù)波雷達多用于測定只有單一目標的情況，例如在飛機的高度表中，大地就是單一的目標。二、調(diào)頻法測距1.調(diào)頻連續(xù)波測距

二、調(diào)頻法測距1.調(diào)頻連續(xù)波測距

二、調(diào)頻法測距1.調(diào)頻連續(xù)波測距

二、調(diào)頻法測距1.調(diào)頻連續(xù)波測距2.調(diào)頻連續(xù)波雷達的特點調(diào)頻連續(xù)波雷達的優(yōu)點是:（1）能測量很近的距離，一般可測到數(shù)米，而且有較高的測量精度。（2）雷達線路簡單，且可做到體積小、質(zhì)量輕，普遍應用于飛機高度表及微波引信等場合。它的主要缺點是:（1）難以同時測量多個目標。如欲測量多個目標，必須采用大量濾波器和頻率計數(shù)器等，使裝置變得復雜，從而限制了其應用范圍。（2）收發(fā)間的完善隔離是所有連續(xù)波雷達的難題。發(fā)射機泄漏功率將阻塞接收機，因而限制了發(fā)射功率的大小。發(fā)射機噪聲的泄漏會直接影響接收機的靈敏度。二、調(diào)頻法測距2.脈沖調(diào)頻測距

二、調(diào)頻法測距2.脈沖調(diào)頻測距二、調(diào)頻法測距2.脈沖調(diào)頻測距

二、調(diào)頻法測距2.脈沖調(diào)頻測距

03PARTONE距離跟蹤原理三、距離跟蹤原理1.人工距離跟蹤早期雷達多數(shù)只有人工距離跟蹤。為了減小測量誤差，采用移動的電刻度作為時間基準。操縱員按照顯示器上的畫面，將電刻度對準目標回波。從控制器度盤或計數(shù)器上讀出移動電刻度的準確時延，就可以代表目標的距離。因此關鍵是要產(chǎn)生移動的電刻度(電指標)，且其延遲時間可準確讀出。常用的產(chǎn)生電移動刻度的方法有鋸齒電壓波法和相位法，這些是早期使用的方法和裝置這里不再詳述。三、距離跟蹤原理2.自動距離跟蹤自動距離跟蹤系統(tǒng)應保證電移動指標自動地跟蹤目標可波并連續(xù)地給出目標距離數(shù)據(jù)。整個自動測距系統(tǒng)應包括對目標的搜索、捕獲和自動跟蹤3個互相聯(lián)系的部分。下面先討論跟蹤的實現(xiàn)方法，然后討論搜索和捕獲的過程。圖6.13是距離自動跟蹤的簡化框圖。三、距離跟蹤原理2.自動距離跟蹤

三、距離跟蹤原理2.自動距離跟蹤

04PARTONE數(shù)字式自動測距器四、數(shù)字式自動測距器隨著高速度、高機動性能目標的出現(xiàn)，以及航天技術的要求，雷達跟蹤目標要求的作用距離大、跟蹤精度高、反應速度快，這就要進一步改善自動測距器的性能。由于近年來數(shù)字器件及技術有了飛躍的發(fā)展，有條件采用數(shù)字式距離跟蹤系統(tǒng)來達到上述要求。比起模擬式自動測距器來講，數(shù)字式自動測距器(或自動距離跟蹤系統(tǒng))具有下述優(yōu)點：跟蹤精度高，且精度與跟蹤距離無關；響應速度快，適合于跟蹤快速目標；工作可靠和系統(tǒng)便于集成化；輸出數(shù)據(jù)為二進制碼，可以方便地和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)接口。因此數(shù)字式自動測距器被廣泛用于現(xiàn)代跟蹤雷達。數(shù)字式和模擬式自動測距器(距離跟蹤系統(tǒng))的基本工作原理是相同的，兩系統(tǒng)都是由時間鑒別器、控制器(常稱距離產(chǎn)生器)和跟蹤脈沖產(chǎn)生器三部分組成的，如圖6.13所示。但在這兩種系統(tǒng)中完成各種功能的技術手段是不同的。在數(shù)字式自動測距器中，以穩(wěn)定的計數(shù)脈沖振蕩器(時鐘)驅(qū)動高速計數(shù)器來代替模擬的鋸齒電壓波，用數(shù)字寄存器(距離寄存器)的數(shù)碼來等效代表距離的模擬比較電壓。因此，讀出跟蹤狀態(tài)下距離寄存器數(shù)碼所代表的延遲時間，即可產(chǎn)生相應的跟蹤波門并得到目標的距離數(shù)據(jù)。四、數(shù)字式自動測距器

1.數(shù)字式測距的基本原理四、數(shù)字式自動測距器1.數(shù)字式測距的基本原理目標距離R與計數(shù)器讀數(shù)n之間的關系為式中，廣為計數(shù)脈沖重復頻率。如果需要讀出多個目標的距離，則控制觸發(fā)器置“0”的脈沖應在相應的最大作用距離以后產(chǎn)生，各個目標距離數(shù)據(jù)的讀出根據(jù)回波不同的延遲時間去控制讀出門