雷达原理及系统课件：2019第5章雷达作用距离new-

第五章第五章 雷达作用距离雷达作用距离第一节第一节 雷达方程雷达方程5.1.1 基本雷达方程基本雷达方程距离距离R 处任一点任一点处的雷达的雷达发射信号射信号功率密度：功率密度：考考虑到定向天到定向天线增益增益Gt：以目以目标为圆心，雷达心，雷达处散射的功率密度：散射的功率密度：雷达收到功率：雷达收到功率：最大最大测量距离量距离接收功率接收功率Pr 为接收机最小接收机最小检测功率功率Simin雷达天雷达天线接收面接收面积目目标接收到的功率：接收到的功率：目目标的雷达散射面的雷达散射面积n收收发同天同天线时n收收发不同天不同天线时，最大作用距离，最大作用距离当接收功率当接收功率为接收机最小接收机最小检测功率功率Simin时 Rmax雷达雷达实际作用距离受目作用距离受目标后向散射截面后向散射截面积、Simin、噪声和、噪声和其他干其他干扰的影响，具有不确定性，服从的影响，具有不确定性，服从统计学学规律。律。R4max 1/2天天线面面积不不变时，波，波长增加天增加天线增益下降，增益下降，Rmax下降；天下降；天线增益不增益不变时，波，波长增加要求天增加要求天线面面积增加，天增加，天线有效面有效面积增加增加 Rmax增加。增加。R4max2n总结：总结：u基本雷达方程基本雷达方程给出了作用距离和各参数出了作用距离和各参数间的定量关系，的定量关系，但由于未考但由于未考虑设备的的实际损耗和耗和环境因素，且目境因素，且目标有效反有效反射面射面积和最小可和最小可检测信号信号Simin不能准确不能准确预定，因此定，因此仅用来用来作估算的公式，考察各参数作估算的公式，考察各参数对作用距离的影响。作用距离的影响。u雷达在噪声和其他干雷达在噪声和其他干扰背景下背景下检测目目标，同，同时，复，复杂目目标的回波信号本身存在起伏，因此，接收机的回波信号本身存在起伏，因此，接收机输出的是一个出的是一个随机量。雷达作用距离也不是一个确定随机量。雷达作用距离也不是一个确定值而是而是统计量，通量，通常只在概率意常只在概率意义上上讲，当虚警概率（如，当虚警概率（如10-6）和）和发现概率概率（如（如90%）给定定时的作用距离是多大。的作用距离是多大。5.1.2 目标的雷达截面积目标的雷达截面积n目目标的雷达截面的雷达截面积定定义：n实际测量：量：在在远场条件（平面波照射的条件）下，目条件（平面波照射的条件）下，目标处每每单位入射功率密度在接收机位入射功率密度在接收机处的的单位立体角内位立体角内产生的生的反射功率乘以反射功率乘以4。返回接收机每返回接收机每单位立体角内的回波功率位立体角内的回波功率入射功率密度入射功率密度导电良好、各向同性的金属球良好、各向同性的金属球=球体几何投影面球体几何投影面积。外形复外形复杂的的实际目目标，不同照射方向有不同的，不同照射方向有不同的值。散射散射总功率功率照射功率密度照射功率密度习题习题n设单基地雷达目基地雷达目标距离距离为R0，当，当标准金属准金属圆球球（截面（截面积为）置于目）置于目标方向离雷达方向离雷达R0/2处时，目目标回波的平均回波的平均强度正好与金属球的回波度正好与金属球的回波强度度相同，相同，试求目求目标的雷达横截面的雷达横截面积。，解：解：第二节第二节 最小可检测信号最小可检测信号接收接收仅为回波信号，任何微弱信号都可被回波信号，任何微弱信号都可被检测接收接收=回波回波+噪声噪声(干干扰)，微弱信号，微弱信号检测困困难噪声是限制微弱信号噪声是限制微弱信号检测的基本因素的基本因素雷达雷达检测取决于信噪比取决于信噪比首先决定可靠首先决定可靠检测的信噪比要求的信噪比要求n信噪比表示的雷达方程信噪比表示的雷达方程5.2.1 最小可检测信噪比最小可检测信噪比匹配接收机匹配接收机检波器波器检波后波后积累累检测装置装置门限限SiminKT0Bn识别系数系数M灵敏度灵敏度灵敏度灵敏度检测因子因子信噪比的接收信号能量表示形式信噪比的接收信号能量表示形式简单矩形脉冲：矩形脉冲：功率功率能量能量脉冲脉冲宽度度噪声功率噪声功率谱密度密度检测目目标信号所需的最小信号所需的最小输出信噪比出信噪比D0表示的雷达方程表示的雷达方程能量形式的雷达方程能量形式的雷达方程n接收接收检测系系统方框方框图在中在中频部分部分对单个脉冲个脉冲信号信号进行匹配行匹配滤波波检出信号包出信号包络对检波后的波后的n个脉冲个脉冲进行加行加权积累累将将积累累输出与某一出与某一门限限电压比比较输出包出包络超超过门限，限，认为目目标存在存在匹配接收机匹配接收机检波器波器检波后波后积累累检测装置装置门限限SiminKT0Bn5.2.2 门限检测门限检测n信号是否超出信号是否超出门限判断目限判断目标有无的四种情况有无的四种情况发现：存在目：存在目标，判，判为目目标Pd漏漏报：存在目：存在目标，判，判为无目无目标Pla正确不正确不发现：不存在目：不存在目标，判，判为无目无目标Pan虚警：不存在目虚警：不存在目标，判，判为目目标Pfa显然然PdPla1，PanPfa1n检测准准则门限限检测采用采用奈曼奈曼-皮皮尔逊准准则：在：在给定的信噪比条件定的信噪比条件下，在下，在满足一定的虚警概率足一定的虚警概率时的的发现概率最大，或者概率最大，或者漏警概率最小。漏警概率最小。降低降低门限的缺点：只要有噪声存在，其尖峰超限的缺点：只要有噪声存在，其尖峰超过门限限电平的概率增加，虚警相平的概率增加，虚警相应增加。增加。5.2.2 检测性能和信噪比检测性能和信噪比由：由：PdPla1，PanPfa1雷达信号的雷达信号的检测性能由其性能由其发现概率概率Pd和和虚警概率虚警概率Pfa定定义n虚警概率虚警概率Pfa接收机中放上的噪声通常是接收机中放上的噪声通常是宽带高斯噪声，其概率密度高斯噪声，其概率密度函数：函数：高斯噪声通高斯噪声通过窄窄带中中频滤波器（波器（带宽噪声中心噪声中心频率）率）后加到包后加到包络检波器，波器，输出噪声出噪声电压包包络振幅的概率密度振幅的概率密度函数：函数：设置置门限限电平平VT，则Pfa（噪声包（噪声包络超超过门限的面限的面积）即虚警概率：）即虚警概率：当噪声分布函数一定当噪声分布函数一定时，虚警大小完全取决于，虚警大小完全取决于门限限n虚警大小的其他表示方法虚警大小的其他表示方法虚警虚警总数：数：虚警虚警时间：虚假回波（噪声超：虚假回波（噪声超过门限）之限）之间的平均的平均间隔隔n发现概率发现概率Pd振幅振幅为A的正弦信号同高斯噪声一起的正弦信号同高斯噪声一起输入到中入到中频滤波器波器设信号的信号的频率是中率是中频滤波器的中心波器的中心频率率fIF，则包包络检波器的波器的输出包出包络的概率密度函数的概率密度函数为：设置置门限限电平平VT，发现概率概率Pd（r超超过门限的概率）限的概率）为：式中式中P137，图5-7门限限电平平VT一定一定时，发现概率概率Pd随信噪比增大而增大随信噪比增大而增大信噪比一定信噪比一定时，虚警概率，虚警概率Pfa越小（越小（VT越高），越高），Pd越小越小虚警概率虚警概率Pfa一定，一定，门限限电平平VT随之确定随之确定结论：n例：例：设要求虚警要求虚警总数数为108，求，求50和和90发现概率所需的最小信噪比。概率所需的最小信噪比。解：解：由由图5.7可得可得90%50%习题习题n某雷达要求虚警某雷达要求虚警时间为2 小小时，接收机，接收机带宽为1MHz，求虚警概率。若要求虚警，求虚警概率。若要求虚警时间大于大于10 小小时，问门限限电平平VT/应取多少？取多少？解：解：n恒虚警恒虚警若噪声若噪声电压的的变化化导致一定致一定门限限值的虚警概率的虚警概率Pfa发生生变化化检测系系统要求虚警保持一个恒定的要求虚警保持一个恒定的值；噪声噪声电平平变化化时，系，系统门限限电平平应相相应变化以化以获得恒虚警得恒虚警第三节第三节 积累对作用距离的改善积累对作用距离的改善n积累的作用：提高信噪比，改善累的作用：提高信噪比，改善检测性能性能n积累的方法：相干累的方法：相干积累，非相干累，非相干积累累相干相干积累累非相干非相干积累累在在检波前完成，亦称波前完成，亦称检波前波前积累或中累或中频积累，相干累，相干积累要求信号累要求信号间有有严格的相格的相位关系，即信号是相干的。位关系，即信号是相干的。在在检波后完成，亦称波后完成，亦称检波后波后积累或累或视频积累，由于信号在累，由于信号在检波后只保留幅度信波后只保留幅度信息，因而息，因而检波后波后积累无需信号累无需信号间有有严格格的相位关系。的相位关系。5.3.1 积累效果积累效果n相干积累相干积累噪声功率增大噪声功率增大M 倍倍M个中个中频回波信号同相相加回波信号同相相加信号信号电压增加增加为M倍倍信号功率增加信号功率增加为M2倍倍相相邻Tr噪声噪声统计独立独立M个脉冲的中个脉冲的中频理想理想积累使信噪比提高累使信噪比提高为原来的原来的M倍倍思考：思考：检测因子的因子的变化化n非相干积累非相干积累包包络检波非波非线性作用性作用影响影响检波器波器输出端信噪比出端信噪比信号信号+噪声通噪声通过检波器，增加信号与噪声的相互作用波器，增加信号与噪声的相互作用项输出信噪比增加出信噪比增加为 倍倍思考：思考：检测因子的因子的变化化n积累对作用距离的改善积累对作用距离的改善结论：n积累效率积累效率积累降低了达到累降低了达到规定定检测能力能力时对单个个输入脉冲入脉冲信噪比的要求，客信噪比的要求，客观上提高了雷达的作用距离。上提高了雷达的作用距离。习题习题n某雷达波某雷达波长=3cm，Pt=2MW,G=37dB，最小可，最小可检测信号信号Simin=0.05pW，已知探，已知探测目目标的有效反射面的有效反射面积=10m2；求雷达的最大作用距离。求雷达的最大作用距离。若若该雷达雷达为相干脉冲体制雷达，其他条件不相干脉冲体制雷达，其他条件不变时，10个等幅个等幅相参中相参中频脉冲信号脉冲信号进行相参行相参积累，如果作用距离要求不累，如果作用距离要求不变，发射功率射功率Pt可以降低可以降低为多少？多少？解：解：M个等幅相参中个等幅相参中频脉冲可以提高脉冲可以提高输出信噪比出信噪比M倍，倍，则达到原达到原来要求的作用距离只需原来来要求的作用距离只需原来发射功率的射功率的1/M。5.3.2 脉冲积累数的确定脉冲积累数的确定n搜索雷达搜索雷达n跟踪雷达跟踪雷达 n=10天天线方位方位扫描速度描速度半功率天半功率天线方位波束方位波束宽度度目目标的仰角的仰角脉冲重复脉冲重复频率率实际应用中，建用中，建议小小于于90时使用使用机械机械扫描描第四节第四节 目标截面积及其起伏特性目标截面积及其起伏特性n目标的雷达截面积目标的雷达截面积隐身技身技术返回接收机每单位立体角内的回波功率入射功率密度P142，简单形状目形状目标的雷达截面的雷达截面积n目标的起伏模型目标的起伏模型工程工程计算中把目算中把目标截面截面积视为常量，当常量，当观察运察运动目目标时，对视角角变化引起截面化引起截面积大小大小变化，称化，称为目目标截面截面积起伏。起伏。nSwerling起伏模型起伏模型Swerling I型：慢起伏，瑞利分布型：慢起伏，瑞利分布Swerling II型：快起伏，瑞利分布型：快起伏，瑞利分布Swerling III型：慢起伏型：慢起伏Swerling IV型：快起伏型：快起伏第五节第五节 系统损耗系统损耗n射频传输损耗射频传输损耗n天线波束形状损失天线波束形状损失n叠加损失叠加损失n设备不完善的损失设备不完善的损失n其它损失其它损失产生系统损耗的原因产生系统损耗的原因雷达方程中引入雷达方程中引入损耗耗这一修正量，用一修正量，用L 表示。加在雷表示。加在雷达方程的分母中，达方程的分母中，L 是大于是大于1 的的值，用正分，用正分贝表示表示雷达各部分雷达各部分损耗耗引入的引入的损失系数失系数实际雷达系雷达系统的各种的各种损耗将降低雷达的耗将降低雷达的实际作用距离作用距离修正后的雷达方程修正后的雷达方程第六节第六节 传播过程中各种因素的影响传播过程中各种因素的影响n电波在大气层传播时的衰减；电波在大气层传播时的衰减；n由大气层引起的电波折射；由大气层引起的电波折射；n由地面（海面）反射波和直接波的干涉效应，由地面（海面）反射波和直接波的干涉效应，使天线方向图分裂成波瓣状。使天线方向图分裂成波瓣状。5.6.1 大气传播影响大气传播影响n大气衰减大气衰减传播影响主要包括大气播影响主要包括大气传播衰减和折射播衰减和折射现象影响两方面象影响两方面当工作当工作频率低于率低于1GHz（L波段）波段）时，大气衰减可忽略；，大气衰减可忽略；当工作波当工作波长短于短于10cm（工作（工作频率高于率高于3GHz）时必必须考考虑；当工作当工作频率高于率高于10GHz后，后，频率越高，大气衰减越率越高，大气衰减越严重；重；毫米波段工作毫米波段工作时，大气衰减十分，大气衰减十分严重；重；随着高度的增加，大气衰减减小。随着高度的增加，大气衰减减小。工作工作频率升高，衰减增大；探率升高，衰减增大；探测时仰角越大，衰减越小仰角越大，衰减越小恶劣气候条件下大气中的雨劣气候条件下大气中的雨雾对电磁波也会有衰减作用磁波也会有衰减作用n大气折射和雷达直视距离大气折射和雷达直视距离改改变雷达的雷达的测量距离，量距离，产生生测距距误差；引起仰角差；引起仰角测量量误差差原因：原因：大气成分随大气成分随时间、地点而改、地点而改变，且不同高度的空，且不同高度的空气的密度也不相同，大气密度随高度气的密度也不相同，大气密度随高度变化的化的结果果使折射系数使折射系数对高度增加而减小。因此高度增加而减小。因此电磁波在正磁波在正常大气下的常大气下的传播折射常使播折射常使电波射波射线向下弯曲。向下弯曲。5.6.2 地面或水面反射对作用距离的影响地面或水面反射对作用距离的影响由于地面反射的影响，使雷达作用距离随目由于地面反射的影响，使雷达作用距离随目标的仰角呈周的仰角呈周期性期性变化，地面反射的化，地面反射的结果使天果使天线方向方向图产生花瓣状。生花瓣状。第七节第七节 雷达方程的几种形式雷达方程的几种形式5.7.1 二次雷达方程二次雷达方程二次雷达目二次雷达目标上装有上装有应答机（或信答机（或信标），当），当应答机收到答机收到雷达信号后，雷达信号后，发射一个射一个应答信号，雷达接收机根据所收答信号，雷达接收机根据所收到的到的应答信号答信号对目目标进行行检测和和识别。合作目合作目标当接收功率等于应答机最小可检测信号功率，即当接收功率等于应答机最小可检测信号功率，即 时，时，可得雷达最大作用距离可得雷达最大作用距离：同理，雷达接收功率等于最小可检测信号功率，即同理，雷达接收功率等于最小可检测信号功率，即 时，时，可得应答机最大作用距离可得应答机最大作用距离：当雷达和应答机收发共用天线，即当雷达和应答机收发共用天线，即 时，为保证雷达时，为保证雷达能有效检测应答机的信号，必须满足：能有效检测应答机的信号，必须满足：或或实际上，二次雷达的作用距离由上，二次雷达的作用距离由Rmax和和Rmax中中较小者来确定小者来确定5.7.3 用信号能量表示的雷达方程用信号能量表示的雷达方程由由5.2.1，当信号为简单脉冲，且检波器输入端信噪比用检，当信号为简单脉冲，且检波器输入端信噪比用检测因子表示时，雷达方程可表示为：测因子表示时，雷达方程可表示为：由于检测因子由于检测因子可得能量形式的雷达方程：可得能量形式的雷达方程：计入中频滤波器失配影响后：计入中频滤波器失配影响后：雷达方程的计算问题雷达方程的计算问题ndB形式表示的雷达方程形式表示的雷达方程雷达方程的对数形式雷达方程的对数形式由：由：两边取对数得：两边取对数得：得：得：n例：已知雷达参数例：已知雷达参数Pt1MW，5.6cm，Bn1.6MHz，G44dB，S0/N0=0dB，Fn10dB，L4dB，目，目标的雷达截面的雷达截面积 1m，求雷达作用距离。，求雷达作用距离。解：解：Pt60dB，-12.5dB，Bn62dB，0dB，得：得：R54.5dB282km与与题中参数代入下式中参数代入下式 Thank 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