雷達-地物回波系統(tǒng)分析

1、衰落速率率的計算算計算多普普勒頻率率是求衰衰減落速速率（FFadiing ratte）最最容易的的方法。為了在在一個特特定的多多普勒頻頻移范圍圍內計算算回波信信號的幅幅度，必必須將所所有具有有這些頻頻移的信信號相加加。這就就需要了了解散射射面上的的多普勒勒頻移等等值線（等值多多普勒頻頻移）。對于每每一種特特殊形狀狀的幾何何體都必必須建立立起這種種多普勒勒頻移等等值線。下面用用一個沿沿地球表表面水平平運動的的簡單例例子來說說明。它它是普通通巡航飛飛行飛機機的一個個典型實實例。假定飛機機沿y方向飛飛行，zz代表垂垂直方向向，高度度（固定定）z = h。于是是有v=1vvv式中，11x ,1y ,1

2、z為單位位矢量。因而式中，vvr是相對對速度。等相對對速度曲曲線也就就是等多多普勒頻頻移曲線線。該曲曲線的方方程為這是雙曲曲線方程程。零相相對速度度的極限限曲線是是一條垂垂直于速速度矢量量的直線線。圖112.77示出這這樣一組組等多普普勒頻移移曲線。只要把雷雷達式（12.1）略略加整理理就可用用來計算算衰落回回波的頻頻譜。這這樣，如如果Wr(fd)是頻率率fd和fd+dfd之間接接收到的的功率，則雷達達方程變變?yōu)?（122.122）圖12.7 在地球球平面做做水平運運動時的的多普勒勒頻移等等值線圖圖12.8 計算復復數(shù)衰落落的幾何何關系圖圖 （引自UUlabby,MMoorre和FFungg2

3、11）上式的積積分區(qū)是是頻率ffd和fd+dfd間被雷雷達照射射到的區(qū)區(qū)域。在在此積分分式中，fd和fd+dfd之間的的面積元元用沿著著等值多多普勒頻頻移曲線線的坐標標和垂直直于等值值多普勒勒頻移曲曲線的坐坐標來表表示。對對每一種種特定情情況都必必須建立立這兩個個坐標。圖12.8示出出水平傳傳播的幾幾何形狀狀。其中中，坐標標是等值值多普勒勒頻移曲曲線方向向；是垂垂直方向向。若采采用這種種坐標，則式（12.12）可表示示為 （112.113）式中，積積分式中中的發(fā)射射功率PPt只有在在照射到到地面期期間是非非零的，其他時時間為零零。在脈脈沖雷達達中，只只有那些些在特定定時間內內反射雷雷達回波波的

4、地面面才被認認為接收收到有限限的發(fā)射射功率PPt，并且且脈沖、天線和和最大速速度都限限制了回回波出現(xiàn)現(xiàn)的頻率率范圍。圖12.9示出出另一個個例子。它是一一種窄波波束窄脈脈沖雷達達系統(tǒng)在在很小的的照射區(qū)區(qū)域時的的情況。在這種種情況下下線性近近似不會會有很大大的誤差差。波束束寬度為為0的天線線發(fā)射一一個寬度度為的脈脈沖。為為了簡化化說明，在此假假定將脈脈沖直接接照射水水平飛行行飛機的的前方。此外，假定一一個矩形形照射區(qū)區(qū)R0c/(sinn)以使問問題簡化化，并進進一步忽忽略多普普勒頻移移等值曲曲線的曲曲率。因因此，可可以認為為所有最最遠點上上和所有有最近點點上的多多普勒頻頻率都相相同，即即于是，多

5、多普勒頻頻譜的總總寬度為為對于窄脈脈沖和偏偏離垂直直入射的的情況，總寬度度則為若根據(jù)脈脈沖寬度度計算，上式變變?yōu)?（122.144）圖12.9 機載搜搜索雷達達多普勒勒頻移計計算的幾幾何關系系圖如果在矩矩形照射射區(qū)域內內入射角角的變化化足夠小小，以至至使0基本保保持恒定定，則多多普勒頻頻譜為一一個由ffminn到fmaxx構成的的矩形。實際上，天線波波束并不不是矩形形。這導導致了側側視雷達達的多普普勒頻譜譜和具有有非矩形形天線方方向圖（形狀是是沿徑向向分布的的方向圖圖）的多多普勒頻頻譜類似似。因而而，若徑徑向方向向天線的的方向圖圖是GG()，式中中是偏離離波束中中心的角角度，則則根據(jù)多多普勒頻

6、頻率fd可表示示為圖12.11 地面目標在雷達順序脈沖中的衰落頻譜為式中，rrx是距離離方向的的水平分分辨力。當然，它可用用半功率率點波束束寬度來來近似，結果產(chǎn)產(chǎn)生式（12.13）給出的的波束寬寬度。檢波的影影響在文獻中中人們已已廣泛地地討論過過窄帶噪噪聲檢波波的影響響。在這這里僅需需要說明明上述例例子中檢檢波后的的頻譜和和考慮每每秒鐘內內獨立衰衰減樣本本的個數(shù)數(shù)。圖112.110分別別示出檢檢波前后后的頻譜譜。如假假定按平平方律檢檢波，則則檢波后后的頻譜譜是檢波波前頻譜譜的自卷卷積。圖圖中僅示示出通過過檢波器器中低通通濾波器器部分。矩形的的射頻頻頻譜變成成了三角角形的視視頻頻譜譜。圖12.1

7、0 來自自均勻小小區(qū)域頻頻譜的衰衰落：（a）檢檢波前；（b）檢波后后這一頻譜譜描述了了連續(xù)波波雷達檢檢波器輸輸出端上上的衰落落。對于于脈沖雷雷達而言言，它以以脈沖重重復頻率率對頻譜譜抽樣。如果脈脈沖重復復頻率高高到足以以使整個個頻譜再再現(xiàn)（脈脈沖重復復頻率高高于奈奎奎斯特頻頻率，22fd），那那么圖形形就是在在給定距距離上所所接收到到脈沖的的抽樣頻頻譜。圖圖12.11示示出接收收到的實實際脈沖沖序列，以及在在距離RR1上對這這些脈沖沖進行抽抽樣所得得到的序序列。圖圖12.10示示出在距距離R1上的抽抽樣包絡絡的頻譜譜（經(jīng)低低通濾波波）。根根據(jù)式（12.13）可知，在不同同距離（或垂直直角）上上

8、頻譜的的衰落是是不同的的。由于許多多實用目目的不同同，獨立立的抽樣樣個數(shù)是是很重要要的，這這可利用用不相關關抽樣的的基本統(tǒng)統(tǒng)計學原原理確定定。對連連續(xù)積累累而言，獨立抽抽樣的有有效數(shù)為為555 （12.15）式中，是是包絡平平均功率率；T是平均均積累時時間；RRsf (t)是檢波波電壓的的自協(xié)方方差函數(shù)數(shù)。在許許多實際際應用中中，若NN足夠大大，上式式可近似似為 （122.166）式中，BB是有效效的中頻頻帶寬。短積累累時間的的影響可可參見參參考資料料56。當然，由由于載體體的運動動使波束束照射到到地面上上不同區(qū)區(qū)域，則則衰落抽抽樣也可可能是獨獨立的。因此，在特定定的條件件下，獨獨立抽樣樣率或

9、由由地面上上照射區(qū)區(qū)域的移移動決定定，或由由多普勒勒效應決決定，或或者由兩兩者的某某種組合合決定。獨立抽樣樣的次數(shù)數(shù)決定了了運用瑞瑞利分布布或其他他分布的的方式。因此，如果1100個個脈沖只只給出110個獨獨立的抽抽樣，則則這些脈脈沖積累累所得到到平均值值的方差差將遠大大于1000個脈脈沖都獨獨立時求求得的值值?；诙嗥掌绽招獞南到y(tǒng)統(tǒng)，如多多普勒導導航設備備及SAAR系統(tǒng)統(tǒng)，是依依靠檢波波前的頻頻譜進行行工作的的，因為為它們是是相參的的，不能能采用一一般的檢檢波方法法。動目標表表面有時雜波波還具有有內部運運動。當當利用固固定雷達達觀察海海面和地地面的運運動時會會出現(xiàn)這這種現(xiàn)象象。在陸陸地上

10、，雖然動動物的移移動以及及機動車車輛也會會產(chǎn)生相相同的效效應，但但它主要要還是由由植被的的移動所所引起的的。若雷雷達回波波是由圖圖12.8所示示的反射射體集合合產(chǎn)生的的，則由由于各散散射體之之間的運運動，如如同雷達達的運動動一樣，雷達回回波將發(fā)發(fā)生波動動。因此此，如果果每個反反射體是是一棵樹樹，隨風風起伏的的樹木波波動會使使各散射射體之間間產(chǎn)生相相對相移移，其結結果就是是回波衰衰減。對對于固定定雷達而而言，除除去由折折射引起起的緩慢慢衰減外外，這是是惟一能能觀察到到的衰減減。而對對于運動動的雷達達來說，目標的的這種運運動改變變了雷達達和目標標之間的的相對速速度，因因此，其其頻譜不不同于固固定表

11、面面的頻譜譜。由雷雷達運動動所造成成的頻譜譜寬度決決定了雷雷達探測測這種目目標運動動的能力力。12.55 地地物回波波測量技技術專用測試試雷達和和改裝后后的一般般雷達可可用來測測量地物物回波。由于地地物回波波的變化化幾乎都都是由散散射作用用引起的的，因此此，常把把這些系系統(tǒng)稱做做散射儀儀。這種種儀器既既可以利利用連續(xù)續(xù)波信號號（經(jīng)多多普勒處處理或不不經(jīng)多普普勒處理理），也也可用脈脈沖或調調頻測量量技術。具備測測量大范范圍頻率率響應的的散射儀儀則被稱稱為頻譜譜儀557。它們可可采用方方向圖從從針狀波波束到扇扇形波束束的各種種天線。連續(xù)波和和調頻連連續(xù)波系系統(tǒng)最簡單的的散射儀儀采用固固定式連連續(xù)波

12、雷雷達。雖雖然這種種系統(tǒng)不不很靈活活，但這這里仍要要較為詳詳細地予予以討論論，從而而闡明那那些也適適用于更更復雜系系統(tǒng)的校校正方法法。圖12.12是是連續(xù)波波散射儀儀的方框框圖。為為估算00，需知知雷達發(fā)發(fā)射功率率與接收收功率之之比。圖圖12.12（a）所所示的系系統(tǒng)分別別測量發(fā)發(fā)射機功功率和接接收機靈靈敏度。發(fā)射機機通過定定向耦合合器將能能量饋送送到天線線，從而而將其中中一小部部分能量量饋送到到功率計計上。接接收機具具有單獨獨的（與與發(fā)射天天線電氣氣隔離）天線。接收機機的輸出出經(jīng)檢波波、平均均，并顯顯示在儀儀表、示示波器或或其他顯顯示或記記錄裝置置上。接接收機靈靈敏度的的檢查必必須利用用校準

13、信信號源。校準信信號在發(fā)發(fā)射機關關機時送送入接收收機。圖圖12.12（b）示示出一個個類似的的裝置，在此裝裝置中將將發(fā)射信信號衰減減為某一一已知量量，然后后用來檢檢查接收收機。通通過比較較衰減過過的發(fā)射射信號和和接收到到的地物物回波信信號，人人們便可可測出散散射截面面積，而而不需要要知道實實際的發(fā)發(fā)射功率率和接收收機增益益。圖12.12 連續(xù)續(xù)波散射射儀系統(tǒng)統(tǒng)框圖：（a）獨立的的發(fā)射機機和接收收機校準準法；（b）利利用接收收和發(fā)射射功率比比的校準準方法由于天線線方向圖圖和絕對對增益是是未知的的，圖112.112所示示的校準準方法尚尚不完善善。而要要精確測測量增益益是非常常困難的的，因而而，絕對

14、對的校準準可通過過比較被被測目標標的接收收信號（經(jīng)適當當?shù)男Ｕ┖鸵灰粋€標準準目標的的接收信信號獲得得。標準準目標可可以是金金屬球、龍伯（Lunnebuurg）透鏡反反射器、金屬板板、角反反射器或或有源雷雷達校準準器（AARCss，即轉轉發(fā)器）588。在在無源校校準器中中，龍伯伯透鏡反反射器是是最佳的的，這是是由于它它具有大大的截面面積（相相對它的的體積而而言）和和寬的方方向圖，從而使使其校準準不苛刻刻。龍伯伯透鏡反反射器常常用來生生成小艦艦船的強強雷達目目標，并并且它們們可從市市面上的的公司中中獲得。至于不不同無源源校準目目標的相相對指標標可參閱閱Ulaaby, Moooree和Fuung

15、等等人的文文獻559。圖12.13 典型的接收機輸入-輸出曲線（顯示出非線性的影響）理想接收收機的輸輸入與輸輸出之間間成線性性響應關關系，因因此，在在某一輸輸入電平平上校準準一次，應對所所有電平平都有效效。但是是，由于于檢波器器特性和和放大器器被強信信號飽和和等原因因，一般般接收機機具有非非線性特特性。圖圖12.13示示出一條條典型的的接收機機輸入-輸出關關系曲線線。圖中中，輸入入信號中中兩個相相等的增增量（ii）因曲曲線的非非線性在在輸出端端產(chǎn)生不不同的增增量。由由于這個個原因，接收機機必須在在輸入電電平范圍圍內進行行校準，并在數(shù)數(shù)據(jù)處理理過程中中對非線線性加以以補償。連續(xù)波散散射儀依依據(jù)天

16、線線波束來來識別不不同入射射角度和和不同目目標。對對它們通通常做如如下假定定：天線線方向圖圖在3ddB點之之內增益益恒定，而在33dB點點之外增增益為零零，顯然然，這是是不準確確的。如如果大目目標出現(xiàn)現(xiàn)在主瓣瓣的兩側側或出現(xiàn)現(xiàn)在副瓣瓣中，則則它們產(chǎn)產(chǎn)生的信信號對回回波影響響很大，以至使使回波發(fā)發(fā)生明顯顯的變化化。由于于數(shù)據(jù)簡簡化過程程認為這這個改變變了的信信號來自自主瓣方方向，所所以得到到的0值是錯錯誤的。由于垂垂直入射射的回波波信號一一般都很很強，垂垂直入射射方向的的響應常常常會引引起麻煩煩。故必必須知道道精確的的天線方方向圖，并在數(shù)數(shù)據(jù)分析析時予以以考慮。具有高高副瓣的的方向圖圖顯然是是不

17、能采采用的。散射系數(shù)數(shù)可用下下式確定定：式中，積積分區(qū)是是雷達的的主要照照射面積積，副瓣瓣照射區(qū)區(qū)域亦包包括在內內。一般般假定00在照射射區(qū)域內內為常數(shù)數(shù)，因此此， （112.117）只有當天天線將輻輻射能量量限制在在一個很很小的角角度和一一個相當當均勻的的區(qū)域內內，上述述假定才才是正確確的。最最后的表表達式為為 （12.18）注意：在在這里只只需要知知道發(fā)射射功率與與接收功功率之比比，這也也證明了了圖122.122（b）所示方方法是正正確的。有時假假定R,Gt或二者者在照射射區(qū)域內內是常數(shù)數(shù)，但是是，只有有檢查了了這種近近似假定定對具體體問題的的有效性性后才能能考慮將將其用于于式（112.1

18、18）。如果把式式（122.188）的方方法用于于系列測測量，其其結果表表明，00在有效效照射區(qū)區(qū)域內很很可能發(fā)發(fā)生變化化，則這這一變化化可用做做確定函函數(shù)f()（描述述0對變化的的函數(shù)）的一階階近似式式。于是是0的近似似式變?yōu)闉?（122.199）正確的散散射截面面積測量量需要對對天線增增益Gt進行精精確而又又完整的的測量。這可能能要花費費很多時時間和費費用，特特別是當當天線安安裝在飛飛機或其其他金屬屬物體上上時?？煽墒?，若若要正確確測量散散射截面面積，完完整的方方向圖是是絕對必必需的。距離測量量系統(tǒng)雷達具有有分辨不不同距離離上回波波的能力力以及定定向天線線波束，利用這這些特性性可方便便地簡

19、化化散射測測量。盡盡管距離離散射儀儀可用更更特殊的的調制，但絕大大多數(shù)距距離散射射儀采用用脈沖調調制或頻頻率調制制。在本本節(jié)中只只討論脈脈沖調制制測距系系統(tǒng)，由由于其他他測距系系統(tǒng)都可可簡化等等效為脈脈沖系統(tǒng)統(tǒng)，所以以這里討討論的結結果具有有普遍意意義。圖12.14示示出脈沖沖調制測測距所用用的方法法。圖112.114（aa）所示示為圓形形筆狀波波束。在在接近入入射余角角入射時時，圓形形天線方方向圖的的照射區(qū)區(qū)域變得得相當長長（照射射區(qū)域為為橢圓），因而而利用脈脈沖寬度度將照射射限制在在照射區(qū)區(qū)域的一一部分內內是有益益的。許許多系統(tǒng)統(tǒng)采用波波束寬度度來設定定接近垂垂直方向向區(qū)域的的測量區(qū)區(qū)，而

20、采采用距離離分辨力力來設定定60以以外區(qū)域域的測量量區(qū)。圖12.14 用于于散射儀儀的距離離分辨力力：（aa）得到到改進的的一維圓圓形波束束照射方方向圖；（b）扇形波波束情況況圖12.14（b）示示出一種種更好地地利用測測距性能能的天線線方向圖圖。利用用扇形波波束，在在地面上上照射出出一個狹狹窄的長長條，同同時，距距離分辨辨力能夠夠根據(jù)回回波返回回的時間間分辨出出由不同同角度反反射的回回波。這這種方法法在遠離離垂直入入射時特特別有效效，這是是由于接接近垂直直入射時時的分辨辨力比接接近擦地地（水平平）入射射時的分分辨力差差得多。這種簡簡化方法法假定波波束截面面上各處處增益相相等，其其余各處處為零

21、，即式中，00為波束束寬度；a為與天天線軸線線的夾角角。此外，還還假定00保持不不變，并并且忽略略分辨單單元內的的距離差差，則00的表達達式變?yōu)闉槭街?，rrR是近距距離分辨辨力。Janzza的報報告詳細細描述了了脈沖測測距雷達達散射儀儀的校準準問題60611。連續(xù)波-多普勒勒散射儀儀連續(xù)波系系統(tǒng)是同同時測量量多個角角度上散散射系數(shù)數(shù)的一種種便利方方法。在在連續(xù)波波系統(tǒng)中中，通過過分離目目標的多多普勒頻頻率可區(qū)區(qū)分它們們對應于于不同角角度的相相對速度度。利用用這種系系統(tǒng)的扇扇形波束束可以同同時測量量機載雷雷達前方方和后方方地面的的散射系系數(shù)，如如圖122.155所示。圖中也也示出天天線照射射地面

22、的的方向圖圖被兩條條等值多多普勒頻頻譜線所所截的情情形，以以及它們們的頻譜譜寬度。譜線間間的距離離為= R(sinn2siin1)及fd= (sinn2siin1)于是，地地面上被被照射單單元寬度度與多普普勒頻率率帶寬的的關系為為=(fdd)將此式代代入雷達達方程，并做如如下假定定：（1）在在照射區(qū)區(qū)域內00為常數(shù)數(shù)；（2）在在波束寬寬度內天天線增益益恒定，其余各各處為零零；（3）在在小照射射區(qū)域內內距離變變化忽略略不計。則有 （12.21）因而， （112.222）多普勒散散射儀不不需采用用前向-后向波波束。SSeassat62和NSSCATTT663空空基多普普勒散射射儀設計計的波束束指向

23、超超前和滯滯后于與與地面軌軌跡垂直直的方向向。圖12.15 扇形形波束連連續(xù)波-多普勒勒散射儀儀的分辨辨力測量精度度所要求求的獨立立抽樣圖12.16 衰落信號平均值的精度瑞利分布布很確切切地描述述了信號號衰減的的規(guī)律。如果假假定信號號按瑞利利分布衰衰落，則則對于某某一給定定精度所所需的獨獨立抽樣樣數(shù)可從從圖122.166中查得得。該圖圖所說的的精度“范圍”系指在在分布圖圖上5%與955%兩點點之間的的平均值值范圍。這一精精度范圍圍和任何何與校準準及天線線方向圖圖相聯(lián)系系的精度度問題無無關。測量精度度取決于于獨立抽抽樣的數(shù)數(shù)目，而而不取決決于抽樣樣的總數(shù)數(shù)。通過過適當?shù)牡姆治?，由式?2.15）和式（12.16）可得到到獨立抽抽樣的數(shù)數(shù)目。該該分析假假設只有有多普勒勒衰落影影響獨立立性，但但一個單單元向另另一個單單元的移移動將增增加獨立立抽樣數(shù)數(shù)。因而而，總的的抽樣數(shù)數(shù)約等于于式（112.113）算算出的數(shù)數(shù)乘上平平均地面面單元數(shù)數(shù)。圖112.117示出出幾個關關于入射射角對獨獨立抽樣樣數(shù)影響響（采用用前向指指向波束束的水平平移動散散射儀）的實例例。從此類分分析中得得到的研研究結果果表明，在散射射系數(shù)不不隨角度度迅速變變化的區(qū)區(qū)域內，盡可能能寬的角角度（采采用較寬寬的脈沖沖或較寬寬的濾波波器得到到連續(xù)波波-多普普勒系統(tǒng)統(tǒng)）導致致給定距距離上地