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(shí)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(shí)對(duì)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(cè)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(shí)各分機(jī)參數(shù)的影響。從而幫助我們?cè)诶走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)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(diǎn)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(zhǎng)。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(lái)說(shuō)是什么目標(biāo)？（月球半徑1738km，地月距離38萬(wàn)km）5.1.2目標(biāo)的雷達(dá)截面積(RCS)P2=S1σRCS的計(jì)算方法RCS的測(cè)試如何測(cè)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(zhǎng).RCS與波長(zhǎng)的關(guān)系（1）當(dāng)球體的周長(zhǎng)遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)時(shí)，稱為瑞利區(qū)，這時(shí)截面積正比于波長(zhǎng)的負(fù)4次方（2）當(dāng)球體的周長(zhǎng)等于波長(zhǎng)時(shí)，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(zhǎng)遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)時(shí)，截面積振蕩的趨于某一固定值，這個(gè)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(jiǎn)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(wú)源對(duì)消（4）有源對(duì)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(gè)方向受到威脅相同，整形會(huì)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(duì)消：很少采用5.2最小可檢測(cè)信號(hào)如果沒(méi)噪聲影響會(huì)怎么樣？5.2.1最小可檢測(cè)信噪比

對(duì)常用雷達(dá)波形來(lái)說(shuō),信號(hào)功率是一個(gè)容易理解和測(cè)量的參數(shù),但現(xiàn)代雷達(dá)多采用復(fù)雜的信號(hào)波形,波形所包含的信號(hào)能量往往是接收信號(hào)可檢測(cè)性的一個(gè)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(hào)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(lái)看,若其寬度為τ、信號(hào)功率為S,則接收信號(hào)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(cè)信號(hào)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(lái)觀察和檢測(cè)目標(biāo)信號(hào),所以稱所需的(S/N)omin為識(shí)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(jì)檢測(cè)理論基礎(chǔ)上的統(tǒng)計(jì)判決方法來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè),在這種情況下,檢測(cè)目標(biāo)信號(hào)所需的最小輸出信噪比稱之為檢測(cè)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(cè)量的信號(hào)噪聲功率比值。檢測(cè)因子Do就是滿足所需檢測(cè)性能(以檢測(cè)概率Pd和虛警概率Pfa表征)時(shí),在檢波器輸入端單個(gè)脈沖所需要達(dá)到的最小信號(hào)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(hào)能量代替脈沖功率Pt,用檢測(cè)因子Do=(S/N)omin替換雷達(dá)距離方程(5.2.6)式時(shí),即可得到。用檢測(cè)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(lái)的信噪比損失,匹配時(shí)CB=1。L表示雷達(dá)各部分損耗引入的損失系數(shù)。

用檢測(cè)因子Do和能量Et表示的雷達(dá)方程在使用時(shí)有以下優(yōu)點(diǎn):(1)當(dāng)雷達(dá)在檢測(cè)目標(biāo)之前有多個(gè)脈沖可以積累時(shí),由于積累可改善信噪比,故此時(shí)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(jiǎn)明關(guān)系,可計(jì)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(hào)的情況。只要知道脈沖功率及發(fā)射脈寬就可以用來(lái)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(cè)圖接收機(jī)輸出典型包絡(luò)由于噪聲的起伏，判斷信號(hào)的有無(wú)自然成為一個(gè)統(tǒng)計(jì)問(wèn)題。

門限檢測(cè)是一種統(tǒng)計(jì)檢測(cè),在輸出端根據(jù)輸出振幅是否超過(guò)門限來(lái)判斷有無(wú)目標(biāo)存在,可能出現(xiàn)以下四種情況:(1)存在目標(biāo)時(shí),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(shí),判為無(wú)目標(biāo),這是錯(cuò)誤判斷,稱為漏報(bào),它的概率稱為漏報(bào)概率Pla;(3)不存在目標(biāo)時(shí)判為無(wú)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(shí)判為有目標(biāo),稱為虛警,這也是一種錯(cuò)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(duì)概率只要知道其中一個(gè)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(cè)的過(guò)程可以用電子線路自動(dòng)完成,也可以由觀察員觀察顯示器來(lái)完成。當(dāng)用觀察員觀察時(shí),觀察員自覺不自覺地在調(diào)整門限,人在雷達(dá)檢測(cè)過(guò)程中的作用與觀察人員的責(zé)任心、熟悉程度以及當(dāng)時(shí)的情況有關(guān)。例如,如果害怕漏報(bào)目標(biāo),就會(huì)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(bào),自然就傾向于提高門限,這樣只能把比噪聲大得多的信號(hào)指示為目標(biāo),從而丟失一些弱信號(hào)。5.2.3檢測(cè)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(guò)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(guò)門限)之間的平均時(shí)間間隔定義為虛警時(shí)間Tfa,如圖所示,圖虛警時(shí)間與虛警概率

圖虛警時(shí)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(hào)同高斯噪聲一起輸入到中頻濾波器的情況。設(shè)信號(hào)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(gè)脈沖線性檢波時(shí)檢測(cè)概率和所需信噪比(檢測(cè)因子)的關(guān)系5.3脈沖積累對(duì)檢測(cè)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(cè)因子D0的改變來(lái)表示。對(duì)于理想的相參積累,M個(gè)等幅脈沖積累后對(duì)檢測(cè)因子Do的影響是:圖線性檢波非起伏目標(biāo)檢測(cè)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(cè)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(shí),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(shí),效果相同,可知αHV=αVH,說(shuō)明散射矩陣交叉項(xiàng)具有對(duì)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(shuō)明。

一個(gè)各向同性的物體(如球體),當(dāng)它被電磁波照射時(shí),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(shí)，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(duì)包括視線的入射波的極化平面對(duì)稱,則交叉項(xiàng)反射系數(shù)為零，即αHV=αVH=0,這時(shí)因?yàn)槲矬w的幾何形狀對(duì)極化平面對(duì)稱,則該物體上的電流分布必然與極化平面對(duì)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(shuō)明,假設(shè)散射體對(duì)水平極化平面對(duì)稱,入射場(chǎng)采用水平極化,由于對(duì)稱性,散射場(chǎng)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(chǎng)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(duì)于一個(gè)近似為球體的目標(biāo),接收功率很小或?yàn)榱?。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(shí)間的相關(guān)函數(shù)圖某噴氣戰(zhàn)斗機(jī)向雷達(dá)飛行時(shí)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(dú)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(dú)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(dú)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(gè)起伏決定作用的無(wú)起伏散射體和許多小的獨(dú)立的散射體組成，或者由一個(gè)大的散射體組成而方向變化很小的場(chǎng)合。2.目標(biāo)起伏對(duì)檢測(cè)性能的影響圖幾種起伏信號(hào)的檢測(cè)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(shí)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(huì)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(gè)常數(shù)，事實(shí)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(huì)使得積累效果下降。

馬卡姆(Marcum)計(jì)算了在平方律檢波條件下的疊加損失。這時(shí),疊加損失可表示為(S/N)m,n是當(dāng)n個(gè)額外噪聲參與m個(gè)“信號(hào)加噪聲”脈沖積累時(shí),檢測(cè)所需的每個(gè)脈沖的信噪比;(S/N)m是沒(méi)有額外噪聲,m個(gè)“信號(hào)加噪聲”積累時(shí),檢測(cè)所需的每一個(gè)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(guò)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(shí);(b)仰角5°時(shí)圖5.18雙程大氣衰減曲線(a)仰角0°時(shí);(b)仰角5°時(shí)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