雷达原理第5章雷达作用距离.ppt

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1、第 5 章 雷达作用距离 第 5 章 雷达作用距离 主要内容及基本要求主要内容及基本要求1.理解并掌握雷达方程2.理解并掌握最小可检测信号3.了解脉冲积累对检测性能的改善4.了解目标截面积及其起伏特性5.了解系统损耗的各种因素6.了解传播过程中各种因素的影响7.了解二次雷达方程第 5 章 雷达作用距离 研究雷达作用距离的实际意义1.雷达方程能表示当雷达参数或环境特性发生变化时对雷达作用距离变化的规律；2.雷达方程集中反映了与雷达探测距离有关的因素及它们之间的相互关系；3.雷达方程可以估算雷达作用距离；雷达方程有助于深入理解雷达工作时各分机参数的影响。从而帮助我们在雷达系统设计时正确选择分机参数

2、第 5 章 雷达作用距离 点目标：散射单元的最大横向距离应该小于目标距离处天线波束截取的弧长。散射单元的最大径向距离小于脉冲延伸距离。分布目标：不满足上述条件则为分布目标。估算一下飞机、月球对于常用雷达来说是什么目标？（月球半径1738km，地月距离38万km）5.1.2 5.1.2 目标的雷达截面积目标的雷达截面积 (RCS)(RCS)第 5 章 雷达作用距离 P2=S1第 5 章 雷达作用距离 第 5 章 雷达作用距离 第 5 章 雷达作用距离 第 5 章 雷达作用距离 RCS的计算方法第 5 章 雷达作用距离 第 5 章 雷达作用距离 第 5 章 雷达作用距离 第 5 章 雷达作用距离

3、 第 5 章 雷达作用距离 RCS的测试如何测试？如何测试？第 5 章 雷达作用距离 第 5 章 雷达作用距离 第 5 章 雷达作用距离 影响RCS的因素:目标本身的特性、视角、极化和入射波的波长.第 5 章 雷达作用距离 第 5 章 雷达作用距离 第 5 章 雷达作用距离 RCS与波长的关系（1）当球体的周长远小于波长时，称为瑞利区，这时截面积正比于波长的负4次方（2）当球体的周长等于波长时，进入振荡区，截面积在极值之间振荡。（3）当球体的周长远大于波长时，截面积振荡的趋于某一固定值，这个固定值就是球体几何投影面积。第 5 章 雷达作用距离 第 5 章 雷达作用距离 第 5 章 雷达作用距离

4、 第 5 章 雷达作用距离 第 5 章 雷达作用距离 研究RCS的相关应用民用：增大还是减小RCS？军用：增大还是减小RCS？增大RCS的方法：简单减少RCS的方法：复杂第 5 章 雷达作用距离 减少RCS的方法与目标的隐身（1）整形（2）吸收（3）无源对消（4）有源对消第 5 章 雷达作用距离 整形：有目的的选择目标的表面形状和特征，达到减少RCS的目的思考：如果目标在各个方向受到威胁相同，整形会变得如何？超视距雷达何以具备很好的反隐能力第 5 章 雷达作用距离 吸波材料介电吸收磁滞吸收新技术，纳米材料，等离子体，仿生。对消：很少采用第 5 章 雷达作用距离 第 5 章 雷达作用距离 5.2

5、 最小可检测信号最小可检测信号 如果没噪声影响会怎么样？如果没噪声影响会怎么样？第 5 章 雷达作用距离 5.2.1 最小可检测信噪比最小可检测信噪比 第 5 章 雷达作用距离 对常用雷达波形来说,信号功率是一个容易理解和测量的参数,但现代雷达多采用复杂的信号波形,波形所包含的信号能量往往是接收信号可检测性的一个更合适的度量。例如匹配滤波器输出端的最大信噪功率比等于Er/No,其中Er为接收信号的能量,No为接收机均匀噪声谱的功率谱密度。矩形脉冲波形来看,若其宽度为、信号功率为S,则接收信号能量Er=S噪声功率N和噪声功率谱密度No之间的关系为N=NoBn。Bn为接收机噪声带宽,一般情况下可认

6、为Bn1/(5.2.4)第 5 章 雷达作用距离 因此检测信号所需的最小输出信噪比为 在早期雷达中,通常都用各类显示器来观察和检测目标信号,所以称所需的(S/N)o min为识别系数或可见度因子M。多数现代雷达则采用建立在统计检测理论基础上的统计判决方法来实现信号检测,在这种情况下,检测目标信号所需的最小输出信噪比称之为检测因子(Detectability Factor)Do较合适,即(5.2.5)第 5 章 雷达作用距离 Do是在接收机匹配滤波器输出端(检波器输入端)测量的信号噪声功率比值。检测因子Do就是满足所需检测性能(以检测概率Pd和虚警概率Pfa表征)时,在检波器输入端单个脉冲所需要

7、达到的最小信号噪声功率比值。S/N)o min表示的距离方程,(5.2.6)第 5 章 雷达作用距离 当用(5.2.4)式的方式,用信号能量 代替脉冲功率Pt,用检测因子Do=(S/N)o min替换雷达距离方程(5.2.6)式时,即可得到。用检测因子Do表示的雷达方程为(5.2.7)上式中增加了带宽校正因子CB1,它表示接收机带宽失配所带来的信噪比损失,匹配时CB=1。L表示雷达各部分损耗引入的损失系数。第 5 章 雷达作用距离 用检测因子Do和能量Et表示的雷达方程在使用时有以下优点:(1)当雷达在检测目标之前有多个脉冲可以积累时,由于积累可改善信噪比,故此时检波器输入端的Do(n)值将下

8、降。因此可表明雷达作用距离和脉冲积累数n之间的简明关系,可计算和绘制出标准曲线供查用。(2)用能量表示的雷达方程适用于当雷达使用各种复杂脉压信号的情况。只要知道脉冲功率及发射脉宽就可以用来估算作用距离而不必考虑具体的波形参数。第 5 章 雷达作用距离 5.2.2 门限检测门限检测 图 接收机输出典型包络 由于噪声的起伏，判断信号的有无自然成为一个由于噪声的起伏，判断信号的有无自然成为一个统计问题。统计问题。第 5 章 雷达作用距离 门限检测是一种统计检测,在输出端根据输出振幅是否超过门限来判断有无目标存在,可能出现以下四种情况:(1)存在目标时,判为有目标,这是一种正确判断,称为发现,它的概率

9、称为发现概率Pd;(2)存在目标时,判为无目标,这是错误判断,称为漏报,它的概率称为漏报概率Pla;(3)不存在目标时判为无目标,称为正确不发现,它的概率称为正确不发现概率Pan;(4)不存在目标时判为有目标,称为虚警,这也是一种错误判断,它的概率称为虚警概率Pfa;第 5 章 雷达作用距离 显然四种概率存在以下关系:Pd+Pla=1，Pan+Pfa=1 每对概率只要知道其中一个就可以了。我们下面只讨论常用的发现概率和虚警概率。门限检测的过程可以用电子线路自动完成,也可以由观察员观察显示器来完成。当用观察员观察时,观察员自觉不自觉地在调整门限,人在雷达检测过程中的作用与观察人员的责任心、熟悉程

10、度以及当时的情况有关。例如,如果害怕漏报目标,就会有意地降低门限,这就意味着虚警概率的提高。在另一种情况下,如果观察人员担心虚报,自然就倾向于提高门限,这样只能把比噪声大得多的信号指示为目标,从而丢失一些弱信号。第 5 章 雷达作用距离 5.2.3 检测性能和信噪比检测性能和信噪比 1.虚警概率虚警概率Pfa 通常加到接收机中频滤波器(或中频放大器)上的噪声是宽带高斯噪声,其概率密度函数由下式给出:第 5 章 雷达作用距离 高斯噪声通过窄带中频滤波器(其带宽远小于其中心频率)后加到包络检波器,根据随机噪声的数学分析可知,包络振幅的概率密度函数是瑞利分布的第 5 章 雷达作用距离 图 门限电平和

11、虚警概率 第 5 章 雷达作用距离 虚假回波(噪声超过门限)之间的平均时间间隔定义为虚警时间Tfa,如图所示,图 虚警时间与虚警概率 第 5 章 雷达作用距离 图 虚警时间与门限电压、接收机带宽的关系 第 5 章 雷达作用距离 2.发现概率发现概率Pd 振幅为A的正弦信号同高斯噪声一起输入到中频滤波器的情况。设信号的频率是中频滤波器的中心频率fIf,包络检波器的输出包络的概率密度函数为 第 5 章 雷达作用距离 单个脉冲线性检波时检测概率和所需信噪比(检测因子)的关系第 5 章 雷达作用距离 5.3 脉冲积累对检测性能的改善脉冲积累对检测性能的改善 积累分为两种：检波前积累和检波后积累积累分为

12、两种：检波前积累和检波后积累5.3.1 积累的效果积累的效果 脉冲积累的效果可以用检测因子D0的改变来表示。对于理想的相参积累,M个等幅脉冲积累后对检测因子Do的影响是:第 5 章 雷达作用距离 第 5 章 雷达作用距离 图 线性检波非起伏目标检测因子(所需信噪比)与 非相参脉冲积累数的关系(Pd=0.5)第 5 章 雷达作用距离 图 线性检波非起伏目标检测因子与非相参脉冲 积累数的关系Pd=0.9 第 5 章 雷达作用距离 天线的互易原理告诉我们,不论收发天线各采用什么样的极化,当收发天线互易时,可以得到同样效果。特殊情况,比如发射天线是垂直极化,接收天线是水平极化,当发射天线作为接收而接收

13、天线作为发射时,效果相同,可知HV=VH,说明散射矩阵交叉项具有对称性。散射矩阵表明了目标散射特性与极化方向的关系,因而它和目标的几何形状间有密切的联系。下面举一些例子加以说明。第 5 章 雷达作用距离 一个各向同性的物体(如球体),当它被电磁波照射时,可以推断其散射强度不受电波极化方向的影响,例如用水平极化波或垂直极化波时，其散射强度是相等的,由此可知其HH=VV。当被照射物体的几何形状对包括视线的入射波的极化平面对称,则交叉项反射系数为零，即HV=VH=0,这时因为物体的几何形状对极化平面对称,则该物体上的电流分布必然与极化平面对称,故目标上的极化取向必定与入射波的极化取向一致。为了进一步

14、说明,假设散射体对水平极化平面对称,入射场采用水平极化,由于对称性,散射场中向上的分量应与向下的分量相等,因而相加的结果是垂直分量的散射场为零,即HV=VH=0。第 5 章 雷达作用距离 这一性质是很重要的,如果我们采用相同极化的圆极化天线作为发射和接收天线,那么对于一个近似为球体的目标,接收功率很小或为零。我们知道，气象微粒如雨等就是球形或椭圆形,为了滤除雨回波的干扰,收发天线常采用同极化的圆极化天线。第 5 章 雷达作用距离 5.4 目标截面积起伏特性目标截面积起伏特性 RCS的起伏要描述RCS起伏，必须知道概论密度函数（能给出RCS在在 之间的概论）能给出雷达RCS随时间的相关函数图 某

15、喷气战斗机向雷达飞行时记录 第 5 章 雷达作用距离 1.施威林施威林(Swerling)起伏模型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。他把典型的目标起伏分为四种类型:(1)第一类称施威林(Swerling)型,慢起伏,瑞利分布。截面积的概率密度函数服从以下分布:在天线的一次扫描期间回波起伏是完全相关的 0 第 5 章 雷达作用距离 (2)第二类称施威林(Swerling)型,快起伏,瑞利分布。在天线的一次扫描期间回波起伏是完全独立的第 5 章 雷达作用距离(3)第三类称施威林型,慢起伏,截面积的概率密度函数为 在天线的一次扫描期间回波起伏是完全相关的(4

16、)第四类称施威林型,快起伏,截面积的概率分布和第三种一样。在天线的一次扫描期间回波起伏是完全独立的第 5 章 雷达作用距离 第一二类情况的概率分布适用于复杂目标是由大量近似相等独立随机起伏的散射体组成的情况。例如飞机等。第三四类，适用于目标由一个起伏决定作用的无起伏散射体和许多小的独立的散射体组成，或者由一个大的散射体组成而方向变化很小的场合。第 5 章 雷达作用距离 第 5 章 雷达作用距离 2.目标起伏对检测性能的影响目标起伏对检测性能的影响 图 几种起伏信号的检测性能(脉冲积累n=10,虚警数nf=108)第 5 章 雷达作用距离 图 5.15 达到规定Pd时的起伏损失 第 5 章 雷达

17、作用距离 第 5 章 雷达作用距离 5.5 系系 统统 损损 耗耗 5.5.1 射频传输损耗射频传输损耗在发射机输出端到天线总会存在着传输线，因而有传输损耗。第 5 章 雷达作用距离 5.5.2 天线波束形状损失天线波束形状损失在雷达方程中认为天线增益是个常数，事实是否如此？第 5 章 雷达作用距离 5.5.3 叠加损失叠加损失(Collapsing Loss)叠加损失：有额外噪声参与脉冲积累，会使得积累效果下降。马卡姆(Marcum)计算了在平方律检波条件下的叠加损失。这时,叠加损失可表示为(S/N)m,n是当n个额外噪声参与m个“信号加噪声”脉冲积累时,检测所需的每个脉冲的信噪比;(S/N

18、)m是没有额外噪声,m个“信号加噪声”积累时,检测所需的每一个脉冲信噪比。定义重叠比 第 5 章 雷达作用距离 5.5.4 设备不完善的损失设备不完善的损失 从雷达方程可以看出,作用距离与发射功率、接收机噪声系数等雷达设备的参数均有直接关系。第 5 章 雷达作用距离 5.6 传播过程中各种因素的影响传播过程中各种因素的影响 5.6.1 大气传播影响大气传播影响 1.大气衰减大气衰减 2.大气折射大气折射 3.地面或者海面的反射波和直接波的干涉地面或者海面的反射波和直接波的干涉 第 5 章 雷达作用距离 图 大气衰减曲线 第 5 章 雷达作用距离 图 5.18 双程大气衰减曲线(a)仰角0时;(

19、b)仰角5时 第 5 章 雷达作用距离 图 5.18 双程大气衰减曲线(a)仰角0时;(b)仰角5时 第 5 章 雷达作用距离 图 雨雾衰减曲线 曲线a是微雨(雨量0.25mm/h);b是小雨(雨量1mm/h);c是大雨(4 mm/h);d是暴雨(16 mm/h);e是雾,其浓度为能见度600 m(含水量0.032 g/m3);f是雾,其浓度为能见度120 m(含水量0.32 g/m3);g为浓雾,能见度为30 m(含水量2.3 g/m3)。第 5 章 雷达作用距离 考虑衰减时雷达作用距离的计算方法:若电波单程传播衰减为dB/km,则雷达接收机所收到的回波功率密度S2与没有衰减时功率密度S2的

20、关系为 第 5 章 雷达作用距离 考虑传播衰减后雷达方程可写成 式中，Rmax为在最大作用距离情况下单程衰减的分贝数,第 5 章 雷达作用距离 图 有衰减时作用距离计算图 第 5 章 雷达作用距离 2.大气折射和雷达直视距离大气折射和雷达直视距离 图 大气折射的影响 第 5 章 雷达作用距离 图 5.22 雷达直视距离图(a)雷达直视距离的几何图形;(b)雷达直视距离计算 ae=ka第 5 章 雷达作用距离 3.地面或者海面的反射波和直接波的干涉地面或者海面的反射波和直接波的干涉 第 5 章 雷达作用距离 第 5 章 雷达作用距离 特殊条件下也会产生增加探测距离特殊条件下也会产生增加探测距离第

21、 5 章 雷达作用距离 图 地面粗糙(不平)的影响 第 5 章 雷达作用距离 第 5 章 雷达作用距离 5.7 二次雷达方程二次雷达方程 二次雷达方程二次雷达方程 第 5 章 雷达作用距离 用信号能量表示的雷达方程用信号能量表示的雷达方程第 5 章 雷达作用距离 第 5 章 雷达作用距离 搜索雷达方程搜索雷达方程第 5 章 雷达作用距离 雷达搜索时，作用距离主要取决于发射机平均功率和雷达搜索时，作用距离主要取决于发射机平均功率和天线有效面积乘积，并与搜索时间和搜索空域大小的天线有效面积乘积，并与搜索时间和搜索空域大小的比值有关，而与工作波长无直接关系比值有关，而与工作波长无直接关系第 5 章

22、雷达作用距离 跟踪雷达方程跟踪雷达方程提高跟踪雷达作用距离也需要提高提高跟踪雷达作用距离也需要提高平均功率和天线有效面积乘积，同平均功率和天线有效面积乘积，同时也要加大跟踪时间。时也要加大跟踪时间。如果天线有些面积一定，那么缩短如果天线有些面积一定，那么缩短波长可以增加作用距离。波长可以增加作用距离。第 5 章 雷达作用距离 雷达干扰和杂波雷达干扰和杂波 1.有源干扰环境中雷达的作用距离有源干扰环境中雷达的作用距离第 5 章 雷达作用距离 目标自带目标自带干扰机干扰机第 5 章 雷达作用距离 2.无源干扰环境中雷达的作用距离无源干扰环境中雷达的作用距离如果被雷达照射的无源干扰区的有效反射面积为c,则按照雷达基本方程式得接收功率为 第 5 章 雷达作用距离 当干扰是偶极子时,设偶极子数目为N,每一偶极子的平均有效截面积为d,整个偶极子散布在空间体积为Vc内,雷达的分辨空间体积为V(设VVc),则干扰的有效截面积为 式中，=dN/Vc为单位体积的平均截面积。如果雷达的脉冲宽度为,半功率波瓣宽度为和,则在距离R处,雷达的分辨体积为 式中，c为电磁波传播速度。