雷達原理復(fù)習(xí)

第一章第一章緒論雷達原理2二、雷達的任務(wù)Radar--

Radiodetectionandranging（無線電探測和測距）雷達回波中的可用信息

斜距；空間角度定位（方位角、俯仰角）；徑向速度；目標特征（大小、形狀、表面粗糙度及介電特性）D=R

cosβ，H=Rsinβ第一章緒論雷達原理3測距第一章緒論雷達原理4測角

天線的方向性方位角、俯仰角

天線波束軸對準目標時，目標回波信號最強測速當目標和雷達站之間存在相對速度時，目標回波載頻相對發(fā)射信號載頻產(chǎn)生一個頻移多普勒頻移第一章緒論雷達原理5目標尺寸和形狀雷達足夠高的分辨力目標尺寸測量

距離維已達到，切向距離維用多普勒頻率維達到

（SAR雷達成像）三、雷達方程設(shè)雷達發(fā)射機功率為Pt,當用各向均勻輻射的天線發(fā)射時,距雷達R遠處任一點的功率密度等于功率被假想的球面積4πR2所除考慮到天線增益G在輻射方向上功率增加的倍數(shù)，距雷達R處目標所照射到的功率密度為

第一章緒論雷達原理6在雷達處的回波信號功率密度:雷達截面積σ為被目標截獲入射功率后再次輻射回雷達處功率的大小。設(shè)雷達天線的有效接收面積為Ae,則雷達收到的回波功率Pr為接收到的回波功率Pr等于最小可檢測信號Smin時,雷達達到其最大作用距離Rmax第一章緒論雷達原理71.2、雷達基本組成發(fā)射機天線目標接收機數(shù)據(jù)采集信號處理顯示器（控制系統(tǒng)，通訊系統(tǒng)）第一章緒論雷達原理8第一章緒論雷達原理91.3雷達的工作頻率常用工作頻率范圍：220MHz—35GHz

（超視距雷達2MHz、毫米波雷達94GHz）第一章緒論雷達原理10米波段（HF,VHF,UHF）

早期雷達頻段，體系簡單，輻射功率高，造價低，受氣象影響小，應(yīng)用于對空警戒雷達、電離層探測，超視距雷達等。缺點：目標角分力低，體積大分米波段（L，S）

具有較好的角度分辨力，外部噪聲干擾小，天線設(shè)備適中，應(yīng)用于對空監(jiān)視雷達。第一章緒論雷達原理11C波段介于厘米波和分米波段之間，用于對目標的監(jiān)視和跟蹤，應(yīng)用于艦載雷達，對氣象因素有一定影響。厘米波段（X,Ku,K,Ka）

用于火控系統(tǒng)，體積小，精度高，可得到足夠的信號帶寬。應(yīng)用于機載火控雷達、機載氣象雷達、機載多普勒導(dǎo)航雷達、地面炮瞄雷達等

缺點：功率小，測距近，氣象因素影響大，外部噪聲干擾大。毫米波段天線尺寸小，目標定位精度高，分辨力高，信號頻帶寬、抗電磁波干擾性能好。

缺點：比厘米波段輻射功率更小，外部噪聲干擾影響大，受大氣衰減影響顯著。僅工作在受氣象因素影響較小的區(qū)間激光波段

具有良好的距離和角度分辨力，應(yīng)用于測距和測繪系統(tǒng)中。波長短，應(yīng)用于大氣成分的探測。缺點：功率小，波束窄，探測周期長，不能在復(fù)雜氣象條件下使用。第二章第二章雷達發(fā)射機雷達原理132.1雷達發(fā)射機的任務(wù)和基本組成定義：雷達是利用物體反射電磁波的特性來發(fā)現(xiàn)目標并確定目標的距離、方位、高度和速度等參數(shù)的。發(fā)射機發(fā)射一種特定的大功率無線電信號，為雷達提供一個載波受到調(diào)制的大功率射頻信號,經(jīng)饋線和收發(fā)開關(guān)由天線輻射出去。特點：體積大；重量重；成本高；消耗功率大為何發(fā)射機功率如此之大？雷達距離4次方與功率、天線孔徑面積成正比。發(fā)展：雷達發(fā)射機伴隨著二次世界大戰(zhàn)初出現(xiàn)的第一批搜索雷達的應(yīng)用而誕生。(真空三極管發(fā)射機，工作頻率限于VHF和UHF)在隨后的年代相繼出現(xiàn)了速調(diào)管（美國人Varian兄弟發(fā)明），磁控管（英國人Radall和Boot發(fā)明），行波管(RudolphKompfiner博士發(fā)明）等微波電子管，并付之實用。促使雷達發(fā)射機在微波頻段獲得大發(fā)展。近年來應(yīng)用微波單片集成電路（MMIC）和優(yōu)化設(shè)計的微波網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將多個微波功率器件、低噪聲接收器件等組合成固態(tài)發(fā)射模塊，逐步代替微波電子管發(fā)射機。第二章雷達發(fā)射機雷達原理14微波三級管、微波四級管單級振蕩式

脈沖調(diào)制（組成簡單、成本磁控管振蕩式（可工作在多個波段，結(jié)雷達發(fā)射機低，頻穩(wěn)低，非全構(gòu)簡單，成本較低）

相參）

主振放大式（頻率穩(wěn)定度高，發(fā)射全相參信號，可實現(xiàn)脈壓）

（成本高、組成復(fù)雜、效率較低）

第二章雷達發(fā)射機雷達原理15一、單級振蕩式發(fā)射機優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、成本低、效率高缺點：頻率穩(wěn)定度差，難以產(chǎn)生復(fù)雜信號波形

，非全相參系統(tǒng)

（脈沖調(diào)制器直接控制振蕩器，每個射頻脈沖的初始相位由振蕩器的噪聲決定）第二章雷達發(fā)射機雷達原理16二、主振放大式發(fā)射機主控振蕩器+射頻放大鏈第二章雷達發(fā)射機雷達原理17固態(tài)頻率源提供發(fā)射信號頻率fRF,本振信號頻率fL，中頻相干振蕩頻率fCOHO，定時觸發(fā)脈沖fr，時鐘頻率fCLK，這些信號頻率受高穩(wěn)定的基準源控制，他們之間有確定的相位關(guān)系，為全相參（全相干）信號。如果雷達系統(tǒng)的發(fā)射信號、本振電壓、相參振蕩電壓和定時器的觸發(fā)脈沖均由同一個基準信號提供，則這些信號之間保持相位相參性，該系統(tǒng)稱為全相參系統(tǒng)。優(yōu)點：頻率穩(wěn)定度高，發(fā)射全相參信號，可實現(xiàn)復(fù)雜信號缺點：成本高、組成復(fù)雜、效率較低射頻放大管的選擇與多級射頻放大鏈設(shè)計質(zhì)量有關(guān)<1GHz，微波三級四級管（柵控管）；>1GHz，直線電子注微波管（O型管），正交場型微波管（M型管）第二章雷達發(fā)射機雷達原理182.2雷達發(fā)射機主要質(zhì)量指標根據(jù)：雷達用途+使用性能（1）工作頻率選擇f考慮：由雷達用途確定。有時還需在幾個頻率上跳變或同時工作來提高系統(tǒng)工作性能和抗干擾能力；氣候影響；雷達測試精度、分辨率；雷達應(yīng)用環(huán)境等等。發(fā)射管種類的選擇與f有關(guān)

1GHz以下主要采用微波三極管、四級管（早期遠程警戒雷達VHF、UHF波段）1GHz以上采用磁控管、大功率速調(diào)管、行波管及前向波管（UHF、L、S、C、X）S波段大量采用全固態(tài)發(fā)射機，C、X波段從真空管向全固態(tài)發(fā)射機發(fā)展。第二章雷達發(fā)射機雷達原理19(2)輸出功率通常規(guī)定發(fā)射機送至天線輸入端的功率為發(fā)射機的輸出功率。有時為了測量方便,也可以規(guī)定在指定負載上(饋線上一定的電壓駐波比)的功率為發(fā)射機的輸出功率。單級振蕩式發(fā)射機的輸出功率決定于振蕩管的功率容量；主振放大式發(fā)射機則決定于輸出機（末級）發(fā)射管的功率容量脈沖雷達發(fā)射機峰值功率Pt：脈沖期間射頻振蕩的平均功率（非射頻正弦振蕩的最大瞬時功率）

平均功率Pav：脈沖重復(fù)周期內(nèi)的輸出功率的平均值。第二章雷達發(fā)射機雷達原理20脈沖寬度為，脈沖重復(fù)周期為Tr

：峰值功率Pt：內(nèi)信號射頻振蕩平均功率，Pt和脈沖寬度一起決定了發(fā)射脈沖的傳送總能量。平均功率Pav：在Tr

內(nèi)平均功率，是雷達可能探測距離的關(guān)鍵因素。

式中的fr=1/Tr是脈沖重復(fù)頻率。τ/Tr=τfr稱作雷達的工作比D。第二章雷達發(fā)射機雷達原理21（3）

總效率

發(fā)射機的總效率是指發(fā)射機的輸出功率與它的輸入總功率之比。因為發(fā)射機通常在整機中是最耗電和最需要冷卻的部分,有高的總效率,不僅可以省電,而且對于減輕整機的體積重量也很有意義。對于主振放大式發(fā)射機,要提高總效率,特別要注意改善輸出級的效率。

第二章雷達發(fā)射機雷達原理22（4）信號形式(調(diào)制形式)

第二章雷達發(fā)射機雷達原理23

第二章雷達發(fā)射機雷達原理24（5）信號穩(wěn)定度或頻譜純度

信號的穩(wěn)定度是指信號的各項參數(shù),例如信號的振幅、頻率(或相位)、脈沖寬度及脈沖重復(fù)頻率等是否隨時間作不應(yīng)有的變化。信號參數(shù)的不穩(wěn)定：規(guī)律性、隨機性規(guī)律性：電源紋波、脈沖調(diào)制波形的頂部波形和外界有規(guī)律的機械振動等隨機性：發(fā)射管的噪聲、調(diào)制脈沖的隨機起伏等可在時域或者頻域衡量信號不穩(wěn)定，在時域用信號某項參數(shù)的方差表示，（如振幅方差，相位方差，脈沖寬度方差…）。信號穩(wěn)定度在頻域中的表示稱為頻譜純度，指雷達信號在應(yīng)有的信號頻譜外的寄生輸出。第二章雷達發(fā)射機雷達原理25頻譜純度：雷達信號在應(yīng)有的信號頻譜之外的寄生輸出。（離散型，分布型）

離散型：該離散分量的單邊帶功率

與信號功率之比。（dB）

對應(yīng)于規(guī)律性不穩(wěn)定

分布型：以偏離載頻若干Hz的傅

里葉頻率上每單位頻帶的單邊帶

功率與信號功率之比（

dB/Hz

）

對應(yīng)于隨機性不穩(wěn)定第三章雷達接收機雷達原理262.3單級振蕩和主振放大式發(fā)射機2.3.1單級振蕩式發(fā)射機特點：只有一級射頻振蕩器優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、成本低、效率高缺點：頻率穩(wěn)定度差，難以產(chǎn)生復(fù)雜信號波形

，相位不相參第三章雷達接收機雷達原理272.3.2主振放大式發(fā)射機1.具有很高的頻率穩(wěn)定度單級振蕩式發(fā)射機中，信號載頻直接由大功率振蕩器決定。主振放大式發(fā)射機中，信號載頻的精度和穩(wěn)定度在低電平級決定，易采取穩(wěn)頻措施。在雷達整機要求有很高的頻率穩(wěn)定度的情況下,必須采用主振放大式發(fā)射機。2.發(fā)射相位相參信號相位相參性：兩個信號的相位之間存在確定的關(guān)系。單級振蕩式發(fā)射機，脈沖調(diào)制器直接控制振蕩器，每個脈沖的起始相位由振蕩器的噪聲決定，是隨機的。主振放大式發(fā)射機，脈沖調(diào)制器控制射頻放大器，射頻脈沖間具有固定相位。（相參發(fā)射機）全相參系統(tǒng)：雷達系統(tǒng)的發(fā)射信號、本振信號、相參振蕩信號和定時器觸發(fā)脈沖均由同一基準信號提供，所有信號之間均保有相位相參性。第三章雷達接收機雷達原理283.適用于頻率捷變雷達基準頻率振蕩器輸出的基準信號頻率為F。發(fā)射信號（f0=NiF+MF）、穩(wěn)定本振（fL=NiF）、相參振蕩信號（fc=MF）、定時器觸發(fā)脈沖（fr=F/n）均由基準信號F經(jīng)倍頻器、分頻器及頻率合成產(chǎn)生，信號間有確定的相位相參性，為全相參系統(tǒng)。第三章雷達接收機雷達原理29本振電壓頻率與發(fā)射信號頻率同步跳變。發(fā)射信號頻率f0可在N1F+MF、N2F+MF…NKF+MF之間跳變本振頻率fL相應(yīng)在N1F、N2F…NKF之間同步跳變。兩者之間嚴格保存固定差頻MF（接收機中頻），保證回波正確接收。4、能產(chǎn)生復(fù)雜波形第二章雷達發(fā)射機雷達原理302.4固態(tài)發(fā)射機發(fā)展概況和特點

2.4.1發(fā)展概況固態(tài)發(fā)射機通常由幾十個甚至幾千個固態(tài)發(fā)射模塊組成，應(yīng)用先進的微波單片集成電路（MMIC）和優(yōu)化設(shè)計的微波網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可將多個微波功率器件、低噪聲接收器等組合成固態(tài)發(fā)射模塊或固態(tài)收發(fā)模塊。與微波電子管發(fā)射機相比，優(yōu)點：

（1）不需要陰極加熱、壽命長。(2)具有很高的可靠性。(3)體積小、重量輕。(4)工作頻帶寬、效率高。(5)系統(tǒng)設(shè)計和運用靈活。(6)維護方便,成本較低。第二章雷達發(fā)射機雷達原理312.4.2固態(tài)高功率放大模塊大功率微波晶體管發(fā)展迅速,對固態(tài)發(fā)射模塊的性能和應(yīng)用起到重要的推動作用；S波段以下:通常采用硅雙極晶體管；S波段以上:砷化鎵場效應(yīng)管(GaAsFET)。固態(tài)高功率放大器模塊應(yīng)用先進的集成電路工藝和微波網(wǎng)絡(luò)技術(shù),將多個大功率晶體管的輸出功率并行組合,輸出功率并行組合的主要要求是高功率和高效率。主要有兩種典型的輸出功率組合方式：空間合成輸出結(jié)構(gòu),主要用于相控陣雷達；集中合成輸出結(jié)構(gòu)，可用于中小功率雷達或相控陣雷達。第二章雷達發(fā)射機雷達原理32空間合成輸出結(jié)構(gòu)集中合成輸出結(jié)構(gòu)集中合成輸出結(jié)構(gòu)的固態(tài)高效模塊第二章雷達發(fā)射機雷達原理332.4.3微波單片集成（MMIC）收發(fā)模塊

模塊化設(shè)計方法,將固態(tài)收發(fā)模塊中的有源器件(線性放大器、低噪聲放大器、飽和放大器或有源開關(guān)等)和無源器件(電阻、電容、電感、二極管和傳輸線等)制作在同一塊砷化鎵(GaAs)基片上,從而提高了固態(tài)收發(fā)模塊的技術(shù)性能,使成品的一致性好,尺寸小,重量輕。

收發(fā)模塊主要由功率放大器、低噪聲放大器、寬帶放大器、移相器、衰減器、限幅收發(fā)開關(guān)和環(huán)行器等部件組成,具有高集成度、高可靠性和多功能特點。MMIC收發(fā)模塊已經(jīng)成為相控陣雷達的關(guān)鍵部件。從超高頻波段至厘米波波段,都有可供實用的微波單片集成收發(fā)模塊。第二章雷達發(fā)射機雷達原理34MMIC收發(fā)模塊的主要優(yōu)點如下:(1)成本低(2)高可靠性（3）電路性能一致性好，成品率高，（4）尺寸小，重量輕2.4.4固態(tài)發(fā)射機的應(yīng)用L-S波段應(yīng)用更多，成本較低適用于高工作比（大時寬信號）雷達或者連續(xù)被雷達系統(tǒng)相控陣雷達中應(yīng)用全固態(tài)高可靠性雷達中應(yīng)用連續(xù)波體制對空監(jiān)視雷達系統(tǒng)中應(yīng)用第二章雷達發(fā)射機雷達原理35典型L波段相控陣發(fā)射/接收模塊L波段高可靠性全固態(tài)化發(fā)射機第二章雷達發(fā)射機雷達原理36用于連續(xù)波對空監(jiān)視雷達系統(tǒng)的固態(tài)發(fā)射機第三章第三章雷達接收機雷達原理38第三章雷達接收機3.1雷達接收機的組成和主要質(zhì)量指標3.2接收機的噪聲系數(shù)和靈敏度3.3雷達接收機的高頻部分3.4本機振蕩器和自動頻率控制3.5接收機的動態(tài)范圍和增益控制3.6濾波和接收機帶寬第三章雷達接收機雷達原理393.1雷達接收機的組成和主要質(zhì)量指標任務(wù)：通過適當?shù)臑V波將天線上接收到得微弱高頻信號從噪聲和干擾中選擇出來，并經(jīng)過放大和濾波，送至顯示器、信號處理器或雷達終端設(shè)備。分類：超外差式、超再生式、晶體視放式、調(diào)諧高頻式。3.1.1超外差式雷達接收機組成優(yōu)點：靈敏度高、增益高、選擇性好、適用性廣組成：

(1)高頻部分,又稱為接收機“前端”,包括接收機保護器、低噪聲高頻放大器、混頻器和本機振蕩器;(2)中頻放大器,包括匹配濾波器;(3)檢波器和視頻放大器。第三章雷達接收機雷達原理40天線接收的射頻回波通過收發(fā)開關(guān)加至接收機保護器，經(jīng)低噪高頻放大器后，送至混頻器與本振輸出混頻得到中頻信號，再由多級中頻放大和匹配濾波得到最大輸出信噪比，最后經(jīng)檢波器和視頻放大器送至終端顯示器。中頻放大器和匹配濾波后的處理方法：非相干處理：線性放大+包絡(luò)濾波相干處理：同步檢波得到同相（I路）和正交（Q路）信號，（振幅與相位信息）；

硬限幅放大+相位檢波，（相位信息）第三章雷達接收機雷達原理41第三章雷達接收機雷達原理423.1.2超外差式雷達接收機的主要質(zhì)量指標（1）靈敏度（2）工作頻帶寬度（帶寬）（3）動態(tài)范圍（4）中頻的選擇和濾波特性（5）工作穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定度（6）抗干擾能力（7）微電子化合模塊化結(jié)構(gòu)第三章雷達接收機雷達原理43（1）靈敏度：接收機接收微弱信號的能力。能接收的信號越微弱,則接收機的靈敏度越高,因而雷達的作用距離就越遠。雷達接收機的靈敏度通常用最小可檢測信號功率Simin來表示。受噪聲電平限制，提高接收機靈敏度須盡力減小噪聲電平，同時有足夠的增益。（2）工作頻帶寬度：接收機瞬時工作頻率范圍接收機的工作頻帶寬度主要決定于高頻部件(饋線系統(tǒng)、高頻放大器和本機振蕩器)的性能。接收機的工作頻帶較寬時,必須選擇較高的中頻,以減少混頻器輸出的寄生響應(yīng)對接收機性能的影響。在復(fù)雜的電子對抗和干擾環(huán)境中,要求雷達發(fā)射機和接收機具有較寬的工作帶寬,例如頻率捷變雷達要求接收機的工作頻帶寬度為(10~20)%。第三章雷達接收機雷達原理443.動態(tài)范圍動態(tài)范圍表示接收機能夠正常工作所容許的輸入信號強度變化的范圍，是接收機開始出現(xiàn)過載時的輸入功率與最小可檢測功率之比。過載：當輸入信號太強時,接收機將發(fā)生飽和而失去放大作用。最小輸入信號強度通常取為最小可檢測信號功率Simin,允許最大的輸入信號強度則根據(jù)正常工作的要求而定。為了保證對強弱信號均能正常接收,要求動態(tài)范圍大,就需要采取一定措施,例如采用對數(shù)放大器、各種增益控制電路等抗干擾措施。第三章雷達接收機雷達原理454.中頻的選擇和濾波特性接收機中頻的選擇和濾波特性是接收機的重要質(zhì)量指標之一。中頻的選擇與發(fā)射波形的特性、接收機的工作帶寬以及所能提供的高頻部件和中頻部件的性能有關(guān)。在現(xiàn)代雷達接收機中,中頻的選擇可以從30MHz到4GHz之間。中頻選擇在30MHz至500MHz適用于需在中頻增加某些信號處理部件，較高的中頻適用于寬頻帶工作的接收機。減小接收機噪聲的關(guān)鍵參數(shù)是中頻的濾波特性,如果中頻濾波特性的帶寬大于回波信號帶寬,則過多的噪聲進入接收機。反之,如果所選擇的帶寬比信號帶寬窄,信號能量將會損失。這兩種情況都會使接收機輸出的信噪比減小。在白噪聲(即接收機熱噪聲)背景下,接收機的頻率特性為“匹配濾波器”時,輸出的信號噪聲比最大。第三章雷達接收機雷達原理465.工作穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定度工作穩(wěn)定性是指當環(huán)境條件(例如溫度、濕度、機械振動等)和電源電壓發(fā)生變化時,接收機的性能參數(shù)(振幅特性、頻率特性和相位特性等)受到影響的程度,希望影響越小越好。相參處理,對本機振蕩器的短期頻率穩(wěn)定度有極高的要求(高達10-10或者更高),因此，必須采用頻率穩(wěn)定度和相位穩(wěn)定度極高的本機振蕩器,即簡稱的“穩(wěn)定本振”。6.

抗干擾能力抗有源干擾和無源干擾是雷達系統(tǒng)的重要任務(wù)之一，雷達接收信號包括：目標信號、干擾、雜波、噪聲，干擾嚴重影響對目標的正常檢測,甚至使整個雷達系統(tǒng)無法工作。有源干擾：敵方施放的各種雜波干擾和鄰近雷達的異步脈沖干擾；無源干擾：從海浪、雨雪、地物等反射的雜波干擾和敵機施放的箔片干擾。第三章雷達接收機雷達原理477.微電子化和模塊化結(jié)構(gòu)現(xiàn)代有源相控陣雷達和數(shù)字波束形成(DBF)系統(tǒng)中,通常需要幾十路甚至幾千路幅相一致性要求很嚴格的接收機通道，需采用微電子化和模塊化的接收機結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選方案是采用單片集成電路,包括微波單片集成電路(MMIC)、中頻單片集成電路(IMIC)和專用集成電路(ASIC)；主要優(yōu)點是體積小、重量輕,另外，采用批量生產(chǎn)工藝可使芯片電路電性能一致性好，成本也比較低。第三章雷達接收機雷達原理483.2接收機噪聲系數(shù)和靈敏度3.2.1接收機的噪聲主要來源：內(nèi)部噪聲、外部噪聲內(nèi)部噪聲：主要由接收機中的饋線、放電保護器、高頻放大器或混頻器等產(chǎn)生，時間上連續(xù)，振幅和相位隨機，通常稱為“起伏噪聲”或簡稱為“噪聲”。外部噪聲：由雷達天線進入接收機的各種人為干擾、天電干擾、工業(yè)干擾、宇宙干擾和天線熱噪聲等，其中天線熱噪聲是一種起伏噪聲，影響最大。第三章雷達接收機雷達原理491.電阻熱噪聲由于導(dǎo)體中自由電子的無規(guī)則熱運動形成的噪聲，在導(dǎo)體中形成了起伏噪聲電流,在導(dǎo)體兩端呈現(xiàn)起伏電壓。根據(jù)奈奎斯特定律,電阻產(chǎn)生的起伏噪聲電壓均方值：k為玻爾茲曼常數(shù),k=1.38×10-23J/K;T為電阻溫度,以絕對溫度(K)計量,對于室溫17℃,T=T0=290K;R為電阻的阻值;Bn為測試設(shè)備的通帶。電阻熱噪聲的功率譜密度p(f)是表示噪聲頻譜分布的重要統(tǒng)計特性：白噪聲：功率譜密度為常數(shù)的噪聲。電阻熱噪聲在無線電頻率范圍內(nèi)就是白噪聲。p(f

)=4kTR

第三章雷達接收機雷達原理502.額定噪聲功率信號電動勢為Es而內(nèi)阻抗為Z=R+jX的信號源,當其負載阻抗與信號源內(nèi)阻匹配,即其值為Z*=R-jX時,信號源輸出的信號功率最大,此時,輸出的最大信號功率稱為“額定”信號功率,用Sa表示,其值是

第三章雷達接收機雷達原理51同理,把一個內(nèi)阻抗為Z=R+jX的無源二端網(wǎng)絡(luò)看成一個噪聲源,由電阻R產(chǎn)生的起伏噪聲電壓均方值,見圖3.5。假設(shè)接收機高頻前端的輸入阻抗Z*為這個無源二端網(wǎng)絡(luò)的負載,顯然,當負載阻抗Z*與噪聲源內(nèi)阻抗Z匹配,即Z*=R-jX時,噪聲源輸出最大噪聲功率,稱為“額定”噪聲功率,用No表示,其值為

重要結(jié)論:任何無源二端網(wǎng)絡(luò)輸出的

額定噪聲功率只與其溫度T和通帶Bn有關(guān)。第三章雷達接收機雷達原理523.天線噪聲是外部噪聲,包括天線的熱噪聲和宇宙噪聲，被天線吸收后進入接收機,就呈現(xiàn)為天線的熱起伏噪聲。天線的熱噪聲：由天線周圍介質(zhì)微粒的熱運動產(chǎn)生的噪聲；宇宙噪聲：由太陽及銀河星系產(chǎn)生的噪聲。天線噪聲的大小用天線噪聲溫度TA表示,其電壓均方值為：RA為天線等效電阻，TA決定于接收天線方向圖中各輻射源的噪聲溫度，與波瓣仰角和工作頻率等因素有關(guān)。天線噪聲并非真正白噪聲，但在接收機通帶可近似為白噪聲。第三章雷達接收機雷達原理534.噪聲帶寬白噪聲,通過具有頻率選擇性的接收線性系統(tǒng)后,輸出的功率譜pno(f)就不再是均勻的。通常把這個不均勻的噪聲功率譜等效為在一定頻帶Bn內(nèi)是均勻的功率譜。這個頻帶Bn稱為“等效噪聲功率譜寬度”,一般簡稱“噪聲帶寬”。H2(f0)為線性電路在諧振頻率f0處的功率傳輸系數(shù)。高中頻諧振電路的級數(shù)較多，可用信號帶寬B直接代替噪聲帶寬Bn。

第三章雷達接收機雷達原理543.2.2噪聲系數(shù)和噪聲溫度1.噪聲系數(shù)定義1:接收機輸入端信號噪聲比與輸出端信號噪聲比的比值。物理意義:由于接收機內(nèi)部噪聲的影響,使接收機輸出端的信噪比相對其輸入端的信噪比變差的倍數(shù)。

式中,Si為輸入額定信號功率;Ni為輸入額定噪聲功率(Ni=kT0Bn);So為輸出額定信號功率;No為輸出額定噪聲功率。第三章雷達接收機雷達原理55定義2：實際接收機輸出的額定噪聲功率No與“理想接收機”輸出的額定噪聲功率NiGa之比。式中，Ga為接收機的額定功率增益;NiGa是輸入端噪聲通過“理想接收機”后,在輸出端呈現(xiàn)的額定噪聲功率。實際接收機的輸出額定噪聲功率No由兩部分組成,其中一部分是NiGa(NiGa=kT0BnGa),另一部分是接收機內(nèi)部噪聲在輸出端所呈現(xiàn)的額定噪聲功率ΔN,即將No代入,得到：實際接收機總會有內(nèi)部噪聲(ΔN＞0),因此F＞1,只有當接收機是“理想接收機”時,才會有F=1。No=NiGa+ΔN=kT0BnGa+ΔN第三章雷達接收機雷達原理56對噪聲系數(shù)作幾點說明:①只適用于接收機的線性電路和準線性電路,即檢波器以前部分。檢波器是非線性電路,而混頻器可看成是準線性電路,因其輸入信號和噪聲都比本振電壓小很多,輸入信號與噪聲間的相互作用可以忽略。②為使噪聲系數(shù)具有單值確定性,規(guī)定輸入噪聲以天線等效電阻RA在室溫T0=290K時產(chǎn)生的熱噪聲為標準,噪聲系數(shù)只由接收機本身參數(shù)確定。③噪聲系數(shù)F是沒有單位的數(shù)值,通常用分貝表示④噪聲系數(shù)的概念與定義,可推廣到任何無源或有源的四端網(wǎng)絡(luò)。接收機的饋線、放電器、移相器等屬于無源四端網(wǎng)絡(luò)。F=10lg

F(dB)

第三章雷達接收機雷達原理57圖中Ga為額定功率傳輸系數(shù)。由于具有損耗電阻,因此也會產(chǎn)生噪聲,求其噪聲系數(shù)。從網(wǎng)絡(luò)的輸入端向左看,是一個電阻為RA的無源二端網(wǎng)絡(luò),它輸出的額定噪聲功率為經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)傳輸,加于負載RL上的外部噪聲額定功率為從負載電阻RL向左看,也是一個無源二端網(wǎng)絡(luò),它是由信號源電阻RA和無源四端網(wǎng)絡(luò)組合而成的,同理,這個二端網(wǎng)絡(luò)輸出的額定噪聲功率仍為kT0Bn,它也就是無源四端網(wǎng)絡(luò)輸出的總額定噪聲功率,即

第三章雷達接收機雷達原理582.等效噪聲溫度接收機外部噪聲可用天線噪聲溫度TA來表示,如果用額定功率來計量,接收機外部噪聲的額定功率為:為比較內(nèi)部噪聲與外部噪聲的大小，把接收機內(nèi)部噪聲在輸出端呈現(xiàn)的額定噪聲功率ΔN等效到輸入端來計算,這時內(nèi)部噪聲可以看成是天線電阻RA在溫度Te時產(chǎn)生的熱噪聲,即溫度Te稱為“等效噪聲溫度”或簡稱“噪聲溫度”,此時接收機就變成沒有內(nèi)部噪聲的“理想接收機”。物理意義：把接收機內(nèi)部噪聲看成是“理想接收機”的天線電阻RA在溫度Te時所產(chǎn)生Te可放大差異，常用來表示低噪接收機和低噪器件的噪聲性能。NA=kTABn

ΔN=kTeBnGa

Te=(F-1)T0=(F-1)×290(K)第三章雷達接收機雷達原理593.相對噪聲溫度——噪聲比相對噪聲溫度有時簡稱為噪聲比tc,意義為實際輸出的中頻額定噪聲功率(FckT0BnGc)與僅由等效損耗電阻產(chǎn)生的輸出額定噪聲功率(kT0Bn)之比,

即Gc為混頻器的額定功率增益或額定功率傳輸系數(shù)。噪聲比tc表示有源四端網(wǎng)絡(luò)中除損耗電阻以外的其它噪聲源的影響程度。第三章雷達接收機雷達原理603.2.3級聯(lián)電路的噪聲系數(shù)F1、F2和G1、G2分別表示第一、二級電路的噪聲系數(shù)和額定功率增益，為了計算總噪聲系數(shù)F0,先求實際輸出的額定噪聲功率No：No由兩部分組成:一部分是由第一級的噪聲在第二級輸出端呈現(xiàn)的額定噪聲功率No12,其數(shù)值為kT0BnF1G1G2,第二部分是由第二級所產(chǎn)生的噪聲功率ΔN2：可得兩級級聯(lián)電路的總噪聲系數(shù)No=kT0BnG1G2F0

ΔN2=(F2-1)kT0BnG2No=kT0BnG1G2F0=kT0BnG1G2F1+(F2-1)kT0BnG2

第三章雷達接收機雷達原理61n級電路級聯(lián)時接收機總噪聲系數(shù)為重要結(jié)論:為了使接收機的總噪聲系數(shù)小,要求各級的噪聲系數(shù)小、額定功率增益高。而各級內(nèi)部噪聲的影響并不相同,級數(shù)越靠前,對總噪聲系數(shù)的影響越大?？傇肼曄禂?shù)主要取決于最前面幾級,這是接收機要采用高增益低噪聲高放的主要原因。

典型雷達接收機的高、中頻部分：第三章雷達接收機雷達原理62一般都采用高增益(GR≥20dB)低噪聲高頻放大器,可簡化為：若接收機的噪聲性能用等效噪聲溫度Te表示,則它與各級噪聲溫度之間的關(guān)系為第三章雷達接收機雷達原理633.2.4接收機靈敏度定義：接收機的靈敏度表示接收機接收微弱信號的能力。要能檢測信號,微弱信號的功率應(yīng)大于噪聲功率或者可以和噪聲功率相比。因此,靈敏度用接收機輸入端的最小可檢測信號功率Simin來表示。雷達終端檢測信號的質(zhì)量取決于信噪比，輸出信噪比So/No達到所需數(shù)值。接收機噪聲系數(shù)F0：輸入信號額定功率為：令So/No≥(So/No)min時對應(yīng)的接收機輸入信號功率為最小可檢測信號功率,即接收機實際靈敏度為第三章雷達接收機雷達原理64把(So/No)min稱為“識別系數(shù)”,并用M表示：為了提高接收機的靈敏度,即減少最小可檢測信號功率Simin,

應(yīng)做到:①盡量降低接收機的總噪聲系數(shù)F0,所以通常采用高增益、低噪聲高放;②接收機中頻放大器采用匹配濾波器,以便得到白噪聲背景下輸出最大信號噪聲比;③式中的識別系數(shù)M與所要求的檢測質(zhì)量、天線波瓣寬度、掃描速度、雷達脈沖重復(fù)頻率及檢測方法等因素均有關(guān)系。在保證整機性能的前提下,盡量減小M的數(shù)值。第三章雷達接收機雷達原理65臨界靈敏度：M=1時接收機的靈敏度：雷達接收機的靈敏度以額定功率表示,并常以相對1mW的分貝數(shù)計值,即一般超外差接收機的靈敏度為-90~-110dBmW。第三章雷達接收機雷達原理66第三章雷達接收機雷達原理673.5接收機的動態(tài)范圍和增益控制動態(tài)范圍：接收機能正常工作所容許的輸入信號強度范圍。

弱則無法檢測，強則接收機飽和過載。增益控制：為防止強信號引起過載，提高角跟蹤和抗干擾能力，需要增大接收機的動態(tài)范圍，雷達接收機有專門的抗過載電路，如自動增益控制（AGC）、靈敏度時間控制、對數(shù)放大器等。3.5.1動態(tài)范圍放大器:小信號，線性放大；信號過強，飽和。過載：信號過強時，放大器飽和，輸出電壓不再增大，反而減小，輸出-輸入振幅特性出現(xiàn)彎曲下降。第三章雷達接收機雷達原理68信號與寬脈沖干擾共同通過中頻放大器圖放大器飽和導(dǎo)致輸出電壓中的回波信號被丟失。第三章雷達接收機雷達原理69對于疊加在干擾上的回波信號來說,其放大量應(yīng)該用“增量增益”表示,它是放大器振幅特性曲線上某點的斜率只要接收機中某一級的增量增益Kd≤0，接收機就會發(fā)生過載,即丟失目標回波信號。動態(tài)范圍D：接收機抗過載性能的好壞,是當接收機不發(fā)生過載時允許接收機輸入信號強度的變化范圍。Pimin、Uimin為最小可檢測信號功率、電壓;Pimax、Uimax為接收機不發(fā)生過載所允許接收機輸入的最大信號功率、電壓。第三章雷達接收機雷達原理703.5.2增益控制(1).自動增益控制(AGC)在跟蹤雷達中,為了保證對目標的自動方向跟蹤,使天線正確地跟蹤運動目標,必須采用自動增益控制(AGC)。第三章雷達接收機雷達原理71(2).瞬時自動增益控制（IAGC）目的：使干擾電壓受到衰減(即要求控制電壓UC能瞬時地隨著干擾電壓而變化),而維持目標信號的增益盡量不變。干擾電壓一般都很強,所以中頻放大器不僅末級有過載的危險,前幾級也有可能發(fā)生過載。為了得到較好的抗過載效果,增大允許的干擾電壓范圍,可以在中放的末級和相鄰的前幾級,都加上瞬時自動增益控制電路。第三章雷達接收機雷達原理72（3）.近程增益控制(STC)近程增益控制電路又稱“時間增益控制電路”或“靈敏度時間控制(STC)電路”,它用來防止近程雜波干擾所引起的中頻放大器過載。近程增益控制的基本原理是:當發(fā)射機每次發(fā)射信號之后,接收機產(chǎn)生一個與干擾功率隨時間的變化規(guī)律相“匹配”的控制電壓UC,控制接收機的增益按此規(guī)律變化。所以近程增益控制電路實際上是一個使接收機靈敏度隨時間而變化的控制電路,它可以使接收機不致受近距離的雜波干擾而過載。第三章雷達接收機雷達原理733.6濾波和接收機帶寬3.6.1匹配濾波和準匹配濾波（1）.匹配濾波器基本概念匹配濾波器是在白噪聲背景中檢測信號的最佳線性濾波器,其輸出信噪比在某個時刻可以達到最大。如果已知輸入信號s(t),其頻譜為S(ω),則可以證明匹配濾波器的頻率特性為S*(ω)為頻譜S(ω)的共軛值;k為濾波器的增益常數(shù);t0是使濾波器實際上能夠?qū)崿F(xiàn)所必須的延遲時間,在t0時刻將有信號的最大輸出。匹配濾波器的脈沖響應(yīng)為式中，s*(t0-t)為輸入信號的鏡像,它與輸入信號s(t)的波形相同,但從時間t0開始反轉(zhuǎn)。H(ω)=kS*(ω)exp(-jωt0)h(t)=ks*(t0-t)第三章雷達接收機雷達原理74匹配濾波器的傳輸函數(shù)是輸入信號頻譜的復(fù)共軛值,匹配濾波器的脈沖響應(yīng)是輸入信號的鏡像函數(shù)。匹配濾波器在輸出端給出的最大瞬時信噪比為：式中N0是輸入噪聲的譜密度,它是匹配濾波器輸入端單位頻帶內(nèi)的噪聲功率;E是輸入信號能量:

H(ω)=S*(ω)h(t)=s*(-t)第三章雷達接收機雷達原理75（2）單個矩形中頻脈沖的匹配濾波器設(shè)矩形脈沖的幅度為A,寬度為T,信號波形的表達式為:其頻譜：匹配濾波器的傳輸函數(shù)：匹配濾波器輸出的最大信噪比為：理想匹配濾波器的特性一般比較難于實現(xiàn),需要考慮近似實現(xiàn),即采用準匹配濾波器。第三章雷達接收機雷達原理76第三章雷達接收機雷達原理77

3.準匹配濾波器準匹配濾波器是指實際上容易實現(xiàn)的幾種典型頻率特性,用矩形、高斯形或其它形狀的頻率特性來作近似。適當選擇該頻率特性的通頻帶,可獲得準匹配條件下的“最大信噪比”。失配損失ρ：準匹配濾波器輸出的最大信噪比與理想匹配濾波器輸出的最大信噪比之比值。第三章雷達接收機雷達原理78Bτ≈1.37時,失配損失達到最大值ρmax≈0.82。這就是說,采用帶寬的矩形特性濾波器時,這種準匹配濾波器相對于理想匹配濾波器來說,其輸出信噪比損失僅約0.85dB,顯然這損失不大。第三章雷達接收機雷達原理79多卜勒頻移、接收機調(diào)諧誤差,導(dǎo)致回波頻譜與濾波器通帶之間產(chǎn)生某些偏差,因此雷達接收機的帶寬一般都要稍微超過最佳值，要求接收機帶寬略寬于最佳值，減小了信號的波形失真,降低從脈沖干擾中恢復(fù)工作所需要的時間。最佳帶寬脈寬積并非很臨界的,如果允許檢測能力再降低0.5dB,則帶寬可以偏離最佳值30%~50%。第三章雷達接收機雷達原理80

各種濾波器的帶通濾波特性第三章雷達接收機雷達原理81各種濾波器的沖擊特性第三章雷達接收機雷達原理82矩形通帶最有利于防止偏頻窄帶干擾，但沖擊響應(yīng)最長，最不利于防止脈沖干擾高斯型通帶的頻域和時域的邊線最好，可同時有利于防止偏頻窄帶干擾和脈沖干擾。3.6.2接收機帶寬的選擇接收機帶寬影響接收機輸出信噪比和波形失真。最佳帶寬時，靈敏度最高，但波形失真大，需折中考慮警戒雷達（含引導(dǎo)雷達）接收機靈敏度要高,而對波形失真的要求不嚴格,要求接收機線性部分的輸出信噪比最大,即高、中頻部分的通頻帶應(yīng)取為最佳帶寬,考慮到發(fā)射信號頻率和本振頻率的漂移,需要加寬一個數(shù)值；視頻噪聲影響較小，視頻部分（含檢波器）的帶寬略大于最佳帶寬的一半即可。第三章雷達接收機雷達原理83跟蹤雷達（含精確測距雷達）波形失真小,其次才是要求接收機靈敏度高。因此要求接收機的總帶寬(含視頻部分帶寬)大于最佳帶寬,一般取為式中,τ為發(fā)射信號脈沖寬度。

第四章第四章雷達終端顯示器和錄取設(shè)備雷達原理854.1雷達終端顯示器雷達終端顯示器用來顯示雷達所獲得的目標信息和情報，顯示的內(nèi)容包括目標的位置及運動情況，目標各種特征參數(shù)等。4.1.1顯示器的主要類型雷達終端顯示器根據(jù)完成的任務(wù)可分為:距離顯示器、平面顯示器、高度顯示器、情況顯示器和綜合顯示器、光柵掃描顯示器等。距離：斜距，A型、J型、A/R型平面：斜距和方位角，PPI、偏心PPI、B型、微B型高度：距離和仰角，E型情況和綜合，光柵掃描雷達顯示器第四章雷達終端顯示器和錄取設(shè)備雷達原理86（1）距離顯示器常用的距離顯示器有三種基本類型：(a)A型顯示器,(b)J型顯示器,(c)A/R型顯示器。

A型顯示器為直線掃掠,掃掠線起點與發(fā)射脈沖同步,掃掠線長度與雷達距離量程相對應(yīng),主波與回波之間的掃掠線長代表目標的斜距。J型顯示器是圓周掃掠,它與A型顯示器相似,所不同的是把掃掠線從直線變?yōu)閳A周。目標的斜距取決于主波與回波之間在順時針方向掃掠線的弧長。A/R型顯示器有兩條掃掠線。上面一條掃掠線和A型顯示器相同,下面一條是上面掃掠線中一小段的擴展,擴展其中有回波的一小段可以提高測距精度,它是從A型顯示器演變而來的。

(a)A型顯示器;(b)J型顯示器;(c)A/R顯示器第四章雷達終端顯示器和錄取設(shè)備雷達原理87（2）平面顯示器平面顯示器顯示雷達目標的斜距和方位兩個坐標，是二維顯示器。P顯：極坐標顯示距離和方位，稱為全景顯示器或環(huán)視顯示器，PPI顯示器。偏心P顯:原點遠離中心，局部放大某個方向。B型：直角坐標顯示距離和方位，方位局部放大。微B型：斜距只取一段，二維局部放大。第四章雷達終端顯示器和錄取設(shè)備雷達原理88（3）高度顯示器用在測高雷達和地形跟隨雷達系統(tǒng)中,統(tǒng)稱為E式顯示器。橫坐標表示距離,縱坐標表示仰角或高度,表示高度者又稱為RHI顯示器。在測高雷達中主要用RHI顯示器。但在精密跟蹤雷達中常采用E式,并配合B顯使用。第四章雷達終端顯示器和錄取設(shè)備雷達原理894.情況顯示器和綜合顯示器情況顯示器和綜合顯示器是安裝在作戰(zhàn)指揮室和空中導(dǎo)航管制中心的自主式顯示裝置,它在數(shù)字式平面位置顯示器上提供一幅空中態(tài)勢的綜合圖像,并可在綜合圖像之上疊加雷達圖像。綜合顯示器的畫面,其中雷達圖像為一次信息,綜合圖像為二次顯示信息,包括表格數(shù)據(jù)、特征符號和地圖背景,例如河流、跑道、橋梁及建筑物等。第四章雷達終端顯示器和錄取設(shè)備雷達原理905.光柵掃描雷達顯示器數(shù)字式的光柵掃描雷達顯示器與雷達中心計算機和顯示處理專用計算機構(gòu)成一體,具有高亮度、高分辨率、多功能、多顯示格式和實時顯示等突出優(yōu)點,既能顯示目標回波的二次信息,也能顯示各種二次信息以及背景地圖。由于采用了數(shù)字式掃描變換技術(shù),通過對圖像存貯器(RAM)的控制,可以實現(xiàn)多種顯示格式畫面,包括正常PPI型、偏心PPI型、B型、E型等。第五章第五章雷達作用距離雷達原理92第五章雷達作用距離5.1雷達方程5.2最小可檢測信號5.3脈沖積累對檢測性能的改善第五章雷達作用距離雷達原理93雷達的最基本任務(wù)是探測目標并測量其坐標，作用距離決定了雷達在多大的距離上發(fā)現(xiàn)目標。作用距離取決于發(fā)射機、接收機、天線等分機的參數(shù)，還和目標性質(zhì)及環(huán)境因素有關(guān)。作用距離的計算只能是一種估算和預(yù)測，因為噪聲的隨機性和目標特性和環(huán)境無法精確預(yù)知。研究雷達方程估算作用距離，可深入了解雷達各分機參數(shù)的影響，指導(dǎo)分機參數(shù)的選擇。第五章雷達作用距離雷達原理945.1雷達方程一次雷達，依靠目標后向散射的回波能量來探測目標。5.1.1基本雷達方程設(shè)雷達發(fā)射功率為Pt,雷達天線的增益為Gt,則在自由空間工作時,距雷達天線R遠的目標處的功率密度S1為目標受到發(fā)射電磁波的照射,因其散射特性而將產(chǎn)生散射回波。散射功率的大小顯然和目標所在點的發(fā)射功率密度S1以及目標的特性有關(guān)。用目標的散射截面積σ來表征其散射特性。若假定目標可將接收到的功率無損耗地輻射出來,則可得到由目標散射的功率(二次輻射功率)為

第五章雷達作用距離雷達原理95假設(shè)P2均勻地輻射,則在接收天線處收到的回波功率密度為:雷達接收天線的有效接收面積為Ar,則在雷達接收處接收回波功率為Pr:天線增益和有效面積之間有以下關(guān)系:式中λ為所用波長,則接收回波功率可寫成第五章雷達作用距離雷達原理96單基地脈沖雷達通常收發(fā)共用天線,即Gt=Gr=G,At=Ar,將此關(guān)系式代入可得常用結(jié)果:接收的回波功率Pr反比于距離R的四次方,因為一次雷達中,反射功率經(jīng)過往返雙倍的距離路程,能量衰減很大。為可靠地發(fā)現(xiàn)目標，接收到的功率Pr必須≥最小可檢測信號功率Si

min,,當Pr﹦Simin時,就可得到雷達檢測該目標的最大作用距離Rmax。第五章雷達作用距離雷達原理97雷達方程常用來作為一個估算的公式，因未考慮設(shè)備的實際損耗和環(huán)境因素,而且方程中還有兩個不可能準確預(yù)定的量:目標有效反射面積σ和最小可檢測信號Simin,。由于噪聲、其它干擾和復(fù)雜目標的回波信號本身，接收機輸出的是隨機量。雷達作用距離也不是一個確定值而是統(tǒng)計值,對于某雷達來講,不能簡單地說它的作用距離是多少,通常只在概率意義上講,當虛警概率(例如10-6)和發(fā)現(xiàn)概率(例如90%)給定時的作用距離是多大。第五章雷達作用距離雷達原理985.1.2目標的雷達截面積(RCS)描述目標的后向散射特性,定義“點”目標的雷達截面積σ:P2=S1σP2為目標散射的總功率,S1為照射的功率密度。由于二次散射,因而在雷達接收點處單位立體角內(nèi)的散射功率PΔ因此，又可定義雷達截面積σ為

σ定義為,在遠場條件(平面波照射的條件)下,目標處每單位入射功率密度在接收機處每單位立體角內(nèi)產(chǎn)生的反射功率乘以4π。第五章雷達作用距離雷達原理99考慮一個具有良好導(dǎo)電性能的各向同性的球體截面積。設(shè)目標處入射功率密度為S1,球目標的幾何投影面積為A1,則目標所截獲的功率為S1A1。由于該球是導(dǎo)電良好且各向同性的,因而它將截獲的功率S1A1全部均勻地輻射到4π立體角內(nèi),定義導(dǎo)電性能良好各向同性的球體,它的截面積σi等于該球體的幾何投影面積。這就是說,任何一個反射體的截面積都可以想像成一個具有各向同性的等效球體的截面積。等效：該球體在接收機方向每單位立體角所產(chǎn)生的功率與實際目標散射體所產(chǎn)生的相同，從而將雷達截面積理解成為一個等效的無耗各向均勻反射體的截獲面積。（投影面積）第五章雷達作用距離雷達原理1005.2最小可檢測信號噪聲是限制微弱信號檢測的基本因素，雷達檢測能力取決于接收機輸出信號噪聲比。5.2.1最小可檢測信噪比典型的雷達接收機和信號處理框圖。檢波器以前(中頻放大器輸出)的部分視為線性的,第五章雷達作用距離雷達原理101接收機的噪聲系數(shù)Fn定義為

輸入信號功率Si的表示式根據(jù)雷達檢測目標質(zhì)量的要求,可確定所需要的最小輸出信噪比（S/N）omin（識別系數(shù)）,這時就得到最小可檢測信號Simin為

第五章雷達作用距離雷達原理102對于現(xiàn)代雷達多采用復(fù)雜的信號波形,波形所包含的信號能量Er往往是接收信號可檢測性的一個更合適的度量。矩形脈沖信號寬度為τ、信號功率為S,則接收信號能量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為接收機噪聲帶寬,一般情況下Bn≈1/τ。信號噪聲功率比的表達式如下:

早期雷達的(S/N)o

min為識別系數(shù)或可見度因子M：多數(shù)現(xiàn)代雷達則采用建立在統(tǒng)計檢測理論基礎(chǔ)上的統(tǒng)計判決方法來實現(xiàn)信號檢測,在這種情況下,檢測目標信號所需的最小輸出信噪比稱之為檢測因子：第五章雷達作用距離雷達原理103檢測因子Do是在接收機匹配濾波器輸出端(檢波器輸入端)測量的信號噪聲功率比值,檢測因子Do就是滿足所需檢測性能(以檢測概率Pd和虛警概率Pfa表征)時,在檢波器輸入端單個脈沖所需要達到的最小信號噪聲功率比值。用(S/N)o

min表示的距離方程：用信號能量Et代替脈沖功率Pt（Et

=Pt

τ=Pt/Bn）,用檢測因子Do代替(S/N)o

min帶寬校正因子CB≥1,它表示接收機帶寬失配所帶來的信噪比損失,匹配時CB=1。L表示雷達各部分損耗引入的損失系數(shù)。第五章雷達作用距離雷達原理104用檢測因子Do和能量Et表示的雷達方程的優(yōu)點:當雷達在檢測目標之前有多個脈沖可以積累時,由于積累可改善信噪比,故此時檢波器輸入端的Do(n)值將下降。脈沖積累數(shù)越多，雷達作用距離越遠。適用于各種復(fù)雜脈壓信號的情況。第五章雷達作用距離雷達原理1055.2.2門限檢測雷達檢測微弱信號的能力受到與信號能力譜占有相同頻帶的噪聲能量所限制，噪聲的起伏特性，使判斷信號是否出現(xiàn)為一個統(tǒng)計問題，須按某種統(tǒng)計檢測標準判決。奈曼-皮爾遜準則：給定信噪比（SNR）條件下，滿足一定虛警概率（Pfa）時的發(fā)現(xiàn)概率（Pd）最大。門限檢測：檢測器輸入信號若超過某一預(yù)設(shè)的門限，則認為有目標，否則認為無目標第五章雷達作用距離雷達原理106門限檢測是一種統(tǒng)計檢測,由于信號疊加有噪聲,所以總輸出是一個隨機量。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)以下四種情況:(1)發(fā)現(xiàn)概率Pd：存在目標時,判為有目標的概率;(2)漏報概率Pla：存在目標時,判為無目標的概率;（錯誤概率）(3)正確不發(fā)現(xiàn)概率Pan：不存在目標時判為無目標的概率;(4)虛警概率Pfa：不存在目標時判為有目標的概率;

（錯誤概率）降低門限,虛警概率（Pfa）會提高；提高門限,漏報概率（Pla）會提高；需折中考慮恒虛警（CFAR）檢測：電子門限自動調(diào)整門限電平以達到虛警率恒定；雷達信號檢測性能可由Pd和Pfa進行描述，并由此估算最小可檢測信號Si

min及雷達作用距離Pd+Pla=1，

Pan+Pfa=1

第五章雷達作用距離雷達原理1075.2.3檢測性能和信噪比(1)虛警概率Pfa通常加到接收機中頻濾波器上的噪聲是0均值高斯噪聲,其概率密度函數(shù):高斯噪聲通過窄帶中頻濾波器(其帶寬遠小于其中心頻率)后加到包絡(luò)檢波器,包絡(luò)檢波器輸出端噪聲電壓振幅包絡(luò)為瑞利分布，其概率密度函數(shù)為：設(shè)置門限電平UT,噪聲包絡(luò)電壓超過門限電平的概率就是虛警概率Pfa：第五章雷達作用距離雷達原理108虛假回波(噪聲超過門限)之間的平均時間間隔定義為虛警時間TfaTK為噪聲包絡(luò)電壓超過門限UT的時間間隔,虛警概率Pfa是指僅有噪聲存在時,噪聲包絡(luò)電壓超過門限UT的概率,也可以近似用噪聲包絡(luò)實際超過門限的總時間與觀察時間之比來求得：第五章雷達作用距離雷達原理109噪聲脈沖的平均寬度(tK):tK≈1/B≈1/BIF(包絡(luò)檢波情況下,帶寬B為中頻帶寬BIF)還可用虛警總數(shù)nf來表征虛警的大小,表示在平均虛警時間內(nèi)所有可能出現(xiàn)的虛警總數(shù)τ等效為噪聲的平均寬度,虛警總數(shù)就是虛警概率的倒數(shù)。

(2)發(fā)現(xiàn)概率Pd振幅為A的正弦信號同0均值高斯噪聲一起輸入到中頻濾波器的情況，輸出為廣義瑞利分布（萊斯分布），其概率密度函數(shù)為：I0(z)是宗量為z的零階修正貝塞爾函數(shù)，r為信號加噪聲的包絡(luò)，A為正弦信號的振幅第五章雷達作用距離雷達原理110信號被發(fā)現(xiàn)的概率就是r超過預(yù)定門限UT的概率,因此發(fā)現(xiàn)概率Pd：發(fā)現(xiàn)概率Pd表示為信噪比D0,D0=［(S/N)1=1/2(A/σ)2］的函數(shù),而以虛警概率Pfa=exp(-UT2/2σ2)］為參變量。

第五章雷達作用距離雷達原理111

第五章雷達作用距離雷達原理112例：設(shè)要求虛警時間為15min,中頻帶寬為1MHz,可算出虛警概率為1.11×10-9,（Pfa

=1/TfaB

）,從圖中可查得,對于50%的發(fā)現(xiàn)概率所需要的最小信噪比為13.1dB,對于90%的發(fā)現(xiàn)概率所需要的最小信噪比為14.7dB,對于99.9%的發(fā)現(xiàn)概率所需要的最小信噪比為16.5dB。虛警概率一定時，信噪比越大，發(fā)現(xiàn)概率越大；信噪比一定是，虛警概率越小，發(fā)現(xiàn)概率越小，虛警概率越大，發(fā)現(xiàn)概率越大。由系統(tǒng)要求的Pfa和Pd，可查得最小可檢測信噪比（或檢測因子）。檢測目標的同時要保證不超過給定的虛警率，需提高SNR來達到發(fā)現(xiàn)概率。SNR對發(fā)現(xiàn)概率影響較大。當發(fā)現(xiàn)概率很高時，SNR對虛警概率的依賴關(guān)系不大。第五章雷達作用距離雷達原理1135.3脈沖積累對檢測性能的改善5.3.1積累的效果多個脈沖積累后可有效提高信噪比，改善雷達檢測能力。相參積累（檢波前積累或中頻積累）：在中頻積累時，信號間有嚴格的相位關(guān)系。零中頻信號可保留相位信息，可實現(xiàn)相參積累，是當前常用的相參積累方法。理想情況下，M個等幅相參中頻脈沖信號相參積累可使SNR提高M倍，或檢測因子D0降低1/M倍：相鄰周期中頻回波信號按嚴格的相位關(guān)系同相相加，積累后電壓提高M倍，功率提高M2倍；噪聲的隨機性，積累效果是平均功率相加使總功率提高M倍，因此SNR提高M倍。第五章雷達作用距離雷達原理114非相參積累（檢波后積累或視頻積累）：由于包絡(luò)檢波的非線性作用，輸出將受信號與噪聲互相作用項的影響。非相參積累失去相位信息，SNR的改善在M1/2～M之間。

優(yōu)點：工程實現(xiàn)比較簡單，對收發(fā)系統(tǒng)相參性要求低，對快起伏目標檢測效果好非相參積累后的檢測因子D0可查表獲得，其性能用積累效率表征：第五章雷達作用距離雷達原理1155.3.2積累脈沖數(shù)的確定當雷達天線機械掃描時,可積累的脈沖數(shù)(收到的回波脈沖數(shù))取決于天線波束的掃描速度以及掃描平面上天線波束的寬度?？梢杂孟旅婀接嬎惴轿粧呙枥走_半功率波束寬度內(nèi)接收到的脈沖數(shù)N:θα,0.5為半功率天線方位波束寬度(°);Ωα為天線方位掃描速度［(°)/s］;ωm為天線方位掃描速度［r/min］;fr雷達的脈沖重復(fù)頻率［Hz］;θe目標仰角(°)適用于“有效”方位波束寬度θα,0.5/cosθe小于90°的范圍,且波束最大值方向的傾斜角大體上等于θe電掃雷達積累脈沖數(shù)與波束寬度無關(guān)。第六章第六章目標距離的測量雷達原理117第六章目標距離的測量6.1脈沖法測距6.2調(diào)頻法測距第六章目標距離的測量雷達原理118第六章目標距離的測量測量目標的距離是雷達的基本任務(wù)之一。無線電波在均勻介質(zhì)中以固定的速度直線傳播(在自由空間傳播速度約等于光速c=3×105km/s)。目標至雷達站的距離(即斜距)R可以通過測量電波往返一次所需的時間tR得到，

tR也就是回波相對于發(fā)射信號的延遲。常用的測距方法：脈沖延時法：直接法，應(yīng)用最廣；調(diào)頻連續(xù)波法：間接法，簡單。其它：脈沖調(diào)頻波法、相位法等。R=0.15tR

第六章目標距離的測量雷達原理1196.1脈沖法測距6.1.1基本原理簡單模擬雷達：直接在顯示器上測讀延遲時間；現(xiàn)代模擬雷達：脈沖中心估計，距離門選通；現(xiàn)代數(shù)字雷達：距離門采樣。簡單模擬雷達原理：主波：由收發(fā)開關(guān)泄漏過來的發(fā)射能量，通過接收機并在顯示器上顯示出來；回波：發(fā)射能量通過天線輻射到空間，遇到目標后反射回來，被天線接收后送至接收機處理，最后在顯示器上顯示。在熒光屏上目標回波出現(xiàn)的時刻滯后于主波,滯后的時間就是tR。第六章目標距離的測量雷達原理120回波中心原理：有兩種定義回波到達時間tR的方法：以目標回波脈沖的前沿作為到達時刻;以回波脈沖的中心(或最大值)作為到達時刻。實際的回波信號不是矩形脈沖而近似為鐘形,此時可將回波信號與一比較電平相比較,把回波信號穿越比較電平的時刻作為其前沿。用脈沖前沿作為到達時刻的缺點是容易受回波大小及噪聲的影響,比較電平不穩(wěn)也會引起誤差。用脈沖中心為到達時刻可得較高的測距和跟蹤性能。第六章目標距離的測量雷達原理121距離門測距原理：

距離門：測讀回波脈沖延時的距離增量（單元）；

模擬雷達：按照時間順序開閉一組高速電子開關(guān)，每個開關(guān)開啟時間為一距離門，觀察回波脈沖通過哪個或哪兩個距離門來測距的過程稱為距離選通；

數(shù)字雷達：采樣間隔為一距離門，采樣點間隔對應(yīng)的距離的大小，通過數(shù)字采樣把距離離散化；第六章目標距離的測量雷達原理1226.1.2影響測距精度的因素雷達在測量目標距離時會產(chǎn)生誤差,測距精度是雷達站的主要參數(shù)之一。對測距公式求全微分,得到用增量代替微分,可得到測距誤差為Δc為電波傳播速度平均值的誤差;ΔtR為測量目標回波延遲時間的誤差。測距誤差由電波傳播速度c的變化Δc以及測時誤差ΔtR兩部分組成。第六章目標距離的測量雷達原理123誤差按其性質(zhì)可分為系統(tǒng)誤差和隨機誤差兩類。系統(tǒng)誤差是指在測距時,系統(tǒng)各部分對信號的固定延時所造成的誤差,系統(tǒng)誤差以多次測量的平均值與被測距離真實值之差來表示。從理論上講,系統(tǒng)誤差在校準雷達時可以補償?shù)?實際工作中很難完善地補償,因此在雷達的技術(shù)參數(shù)中,常給出允許的系統(tǒng)誤差范圍。

隨機誤差系指因某種偶然因素引起的測量誤差。凡屬設(shè)備本身工作不穩(wěn)定性造成的隨機誤差稱為設(shè)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。第六章目標距離的測量雷達原理124（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,c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(dǎo)致大氣傳播介質(zhì)的導(dǎo)磁系數(shù)和介電常數(shù)也發(fā)生相應(yīng)的改變,因而電波傳播速度c不是常量而是一個隨機變量。由于電波傳播速度的隨機誤差而引起的相對測距誤差為在晝夜間大氣中溫度、氣壓及濕度的起伏變化所引起的傳播速度變化為Δc/c≈10-5，R=60km時,ΔR=60×103×10-5=0.6m的數(shù)量級,對常規(guī)雷達來講可以忽略。電波在大氣中的平均傳播速度和光速亦稍有差別,且隨工作波長λ而異,因而在測距公式中的c值亦應(yīng)根據(jù)實際情況校準,否則會引起系統(tǒng)誤差第六章目標距離的測量雷達原理1252.因大氣折射引起的誤差當電波在大氣中傳播時,由于大氣介質(zhì)分布不均勻?qū)⒃斐呻姴ㄕ凵?電波傳播的路徑不是直線而是走過一個彎曲的軌跡。在正折射時電波傳播途徑為一向下彎曲的弧線。雖然目標的真實距離是R0,但因電波傳播不是直線而是彎曲弧線,故所測得的回波延遲時間tR=2R/c,這就產(chǎn)生一個測距誤差(同時還有測仰角的誤差Δβ):ΔR的大小和大氣層對電波的折射率有直接關(guān)系。當目標距離越遠、高度越高時,由折射所引起的測距誤差ΔR也越大。例如在一般大氣條件下,當目標距離為100km,仰角為0.1rad時,距離誤差為16m的量級。第六章目標距離的測量雷達原理1266.1.3距離分辨力和測距范圍（一）距離分辨力是指同一方向上兩個大小相等點