雷達偵察作用距離與截獲概率詳解演示文稿

雷達偵察作用距離與截獲概率詳解演示文稿當前1頁，總共60頁。優(yōu)選雷達偵察作用距離與截獲概率當前2頁，總共60頁。5.1.1切線信號靈敏度PTSS和工作靈敏度POPS的定義切線信號靈敏度PTSS的定義如圖5―1所示。在某一輸入脈沖功率電平作用下,接收機輸出端脈沖與噪聲疊加后信號的底部與基線噪聲(只有接收機內(nèi)噪聲時)的頂部在一條直線上(相切),則稱此輸入脈沖信號功率為切線信號靈敏度PTSS。不難證明;當輸入信號處于切線電平時,接收機輸出端視頻信號與噪聲的功率比約為8dB。當前3頁，總共60頁。圖5―1切線信號靈敏度的示意圖當前4頁，總共60頁。工作靈敏度POPS的定義為:接收機輸入端在脈沖信號作用下,其視頻輸出端信號與噪聲的功率比為14dB時,輸入脈沖信號功率為接收機工作靈敏度POPS。在已知切線信號靈敏度PTSS時,輸出信噪比為8dB的條件下,工作靈敏度POPS的分析可由PTSS換算得來。當前5頁，總共60頁。5.1.2切線信號靈敏度PTSS的分析計算偵察接收機與雷達接收機有兩點明顯的不同。首先,雷達接收機的檢波前濾波器、檢波后濾波器都與其接收信號處于準匹配狀態(tài);而對于偵察接收機來說,由于偵收的都是未知信號,檢波前和檢波后的濾波器都與其接收的雷達信號處于嚴重失配狀態(tài),檢波前的濾波器帶寬ΔfR與檢波后的視放帶寬ΔfV之比相差很大(雷達接收機中ΔfR/ΔfV≈2);當前6頁，總共60頁。其次,表現(xiàn)在接收機的體制上,雷達幾乎都采用超外差接收機,檢波前具有很高的增益,檢波器和視放的噪聲特性對輸出噪聲的影響可以忽略;而偵察接收機可能采用超外差接收機、晶體視頻接收機等多種形式,有時在檢波前沒有很高的增益,檢波器和視放的噪聲特性對輸出噪聲有一定的影響。因此,必須推演偵察接收機的切線信號靈敏度。以下僅以晶體視頻接收機為例進行定量分析,再將結(jié)果推廣到其它接收機。當前7頁，總共60頁。晶體視頻接收機的典型方框圖如圖5―2所示。圖中GR、FR和ΔfR分別表示檢波前射頻放大器的增益、噪聲系數(shù)和帶寬,GV、FV和ΔfV分別表示檢波后視放的增益、噪聲系數(shù)和帶寬。為簡單起見,假設輸入信號功率譜為δ函數(shù),輸入噪聲功率譜和放大器的幅頻特性均為矩形,如圖5―3所示,且GＶ=1,檢波器工作在平方律區(qū)域,肖特基二極管的檢波品質(zhì)因數(shù)式中,γ為檢波器的開路電壓靈敏度;RV為檢波器的視頻輸出電阻。(5―1)當前8頁，總共60頁。圖5―2晶體視頻接收機的典型方框圖當前9頁，總共60頁。由M和FV決定常數(shù)A:(5―2)式中,K為玻爾茲曼常數(shù)(1.38×10-23J/K);T0為環(huán)境溫度(一般取290K)。當信號與噪聲同時作用于平方律檢波器時,其輸出包含有噪聲的自差拍分量、信號的自差拍分量和信號與噪聲的互差拍分量,其中信號的自差拍分量作為接收機輸出的視頻信號,其余兩部分均為接收機輸出的噪聲。當前10頁，總共60頁。圖5―3輸入信號、噪聲功率譜及放大器的幅頻特性(a)輸入信號功率譜;(b)輸入噪聲功率譜;(c)放大器的幅頻特性當前11頁，總共60頁。因此,檢波輸出的噪聲功率譜F(f)由下式給出:(5―3)當前12頁，總共60頁。式中,W0,PS0分別為檢波器輸入噪聲的譜密度和輸入信號的功率,如圖5―4所示。由于該譜在f=ΔfR/2處不連續(xù),所以分析中對ΔfV≤ΔfR≤2ΔfV和ΔfR≥2ΔfV的情況分別進行討論。當前13頁，總共60頁。圖5―4檢波輸出的噪聲功率譜當前14頁，總共60頁。1.ΔfV≤ΔfR≤2ΔfVΔfV位于ΔfR/2和ΔfR之間,視放將通過射頻信號與噪聲互差拍的全部視頻噪聲和射頻噪聲自差拍的部分視頻噪聲,其輸出視頻噪聲功率PV為(5―4)沒有信號作用時的基線視頻噪聲功率為(5―5)當前15頁，總共60頁。微波檢波器和視放所產(chǎn)生的白噪聲功率P′V為P′V=(FV+tVD-1)KT0ΔfV

對于肖特基二極管,相對噪聲溫度tVD≈1,代入上式得到:P′V=KT0ΔfVFV(5―6)視放輸出的信號功率為(5―7)當前16頁，總共60頁。在計算噪聲功率時,需要同時考慮射頻噪聲和檢波、視放噪聲,實際的基線噪聲功率為(5―8)有信號作用時,輸出噪聲為(5―9)當前17頁，總共60頁。噪聲電壓峰值與有效值之比為常數(shù)KC(峰值系數(shù))。假設基線噪聲電壓峰值為Un,有效值為Une,有信號作用時輸出噪聲電壓峰值為Um,有效值為Ume,則(5―10)切線信號靈敏度時的電壓狀態(tài)為(5―11)當前18頁，總共60頁。信號功率與其電壓有效值之間具有如下關系:(5―12)代入(5―11)式(5―13)當前19頁，總共60頁。若忽略Pn,Pm的差異,近似可得(5―14)在平方律檢波的條件下,當接收機輸入端的信號功率為切線信號靈敏度時,(5―15)當前20頁，總共60頁。將(5―8)、(5―9)、(5―13)各式代入,可得(5―16)當前21頁，總共60頁。a為噪聲作用分量,b為信號與噪聲互作用分量。檢波前噪聲譜W0=KT0FRGR,噪聲作用大于信號與噪聲互作用(a>b)時代入(5―16)式,經(jīng)配方整理,可得當前22頁，總共60頁。令KC=2.5,ΔfR,ΔfV以MHz為單位,FR以dB為單位,可得(5―17)當前23頁，總共60頁。2.ΔfR≥2ΔfV通過視放的視頻噪聲為(5―18)類似于上述分析,其最終結(jié)果為當前24頁，總共60頁?；?5―19)當前25頁，總共60頁。3.檢波前增益不足檢波前增益不足,

很大,切線信號靈敏度可按下式近似:當(5―20)時,當前26頁，總共60頁。當時,(5―21)當前27頁，總共60頁。4.檢波前增益很高檢波前增益很高,很小,切線信號靈敏度可按下式近似:當時,(5―22)當前28頁，總共60頁。當時,(5―23)當前29頁，總共60頁。5.1.3工作靈敏度的換算由于切線信號靈敏度時的輸出信噪比近似為8dB,工作靈敏度POPS時的輸出信噪比為14dB,所以POPS可以由PTSS直接換算得到:PTSS+3dB平方律檢波PTSS+6dB線性檢波POPS=(5―24)當前30頁，總共60頁。5.2偵察作用距離偵察作用距離是衡量雷達偵察系統(tǒng)對雷達探測能力的一個重要參數(shù)。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中,誰能夠率先發(fā)現(xiàn)對方,誰就贏得了戰(zhàn)場的主動權(quán)。從原則上講,雷達偵察是單程工作,而雷達是雙程工作(一次雷達),在作用距離上,雷達偵察掌握優(yōu)勢。但在信號處理上,雷達具有較多的先驗知識可用,具有明顯的信號處理優(yōu)勢。因此,一般在實際工作中保持偵察作用距離大于雷達作用距離是可能的,但有時也并非輕而易舉。當前31頁，總共60頁。5.2.1簡化偵察方程所謂簡化偵察方程是指不考慮傳輸損耗、大氣衰減以及地面或海面反射等因素的影響而導出的偵察作用距離方程。假設偵察機和雷達的空間位置如圖5―5所示,雷達的發(fā)射功率為Pt,天線的增益為Gt,雷達與偵察機之間的距離為R,當雷達與偵察天線都以最大增益方向互指時,偵察接收天線收到的雷達信號功率為(5―25)當前32頁，總共60頁。式中偵察天線有效面積Ar與天線增益Gr、波長λ的關系為將其代入:(5―26)若偵察接收機的靈敏度為Prmin,則可求得偵察作用距離Rr為(5―27)當前33頁，總共60頁。圖5―5偵察機和雷達的空間位置當前34頁，總共60頁。5.2.2修正偵察方程修正偵察方程是指在考慮有關饋線和裝置損耗條件下的偵察方程。其主要損耗如下:

(1)從雷達發(fā)射機到雷達發(fā)射天線之間的饋線損耗L1≈3.5dB;(2)雷達發(fā)射天線波束非矩形損失L2≈1.6～2dB;(3)偵察天線波束非矩形損失L3≈1.6～2dB;(4)偵察天線增益在寬頻帶內(nèi)變化所引起的損失L4≈2～3dB;(5)偵察天線與雷達信號極化失配損失L5≈3dB;(6)從偵察天線到接收機輸入端的饋線損耗L6≈3dB。當前35頁，總共60頁?？倱p耗或損失于是偵察方程修正為(5―28)當前36頁，總共60頁。5.2.3偵察的直視距離由于在微波頻段以上,電波是近似直線傳播的,地球表面的彎曲對其傳播有遮蔽作用,故此偵察機與雷達之間的直視距離受到限制,如圖5―6所示。假設雷達天線和偵察天線高度分別為Ha,Hr,R為地球的半徑,則其間的直視距離為(5―29)當前37頁，總共60頁?？紤]到大氣層引起的電波折射,使直視距離有延伸,如圖5―7所示,使等效的地球半徑達到8490km,代入(5―29)式,可得(5―30)式中,RSr以km為單位;Ha,Hr以m為單位。當前38頁，總共60頁。圖5―6地球曲率對直視距離的影響當前39頁，總共60頁。圖5―7電波折射對直視距離的影響當前40頁，總共60頁。對雷達信號的偵察必須要同時滿足能量和直視距離的條件,所以實際的偵察作用距離R′r是二者的最小值:(5―31)當前41頁，總共60頁。5.2.4偵察作用距離Rr對雷達作用距離Ra的優(yōu)勢

假設載有偵察機的作戰(zhàn)平臺也是雷達探測的目標。偵察機為了隱蔽工作,需要在雷達作用距離之外完成偵察任務。為了便于比較,雙方都采用簡化方程。1.偵察作用距離Rr對雷達作用距離Ra當前42頁，總共60頁。式中,σ為目標的雷達截面積;Pamin為雷達接收機的靈敏度。設目標的高度為Ht(由于偵察天線在載體平臺的安裝位置不同,可能使Ht≠Hr),雙方的直視距離分別為:雙方實際的作用距離分別為R′r=min{Rr,RSr},R′a=min{Ra,RSa}偵察對雷達作用距離的優(yōu)勢表現(xiàn)為作用距離之比大于所要求的值r:(5―32)當前43頁，總共60頁。5.2.5對雷達旁瓣信號的偵察一般雷達天線主瓣很窄,又處于空間搜索狀態(tài),偵察機要接收到雷達天線主瓣的輻射信號概率很低,往往需要較長時間。有時為了滿足戰(zhàn)術要求,需要提高偵察系統(tǒng)靈敏度,以實現(xiàn)對雷達天線旁瓣信號的偵收。當前44頁，總共60頁。旁瓣電平是雷達天線的一項重要指標,許多有源掩護干擾和反輻射導彈都是利用雷達天線旁瓣發(fā)揮作用的。為了抗干擾、抗雜波、抗反輻射導彈的攻擊,現(xiàn)代雷達都要求其天線的旁瓣電平盡量低,甚至其最大旁瓣都低到-50dB以下。如圖5―8所示,天線旁瓣電平有兩種表示方法:最大旁瓣電平Gsmax(dB)和平均旁瓣電平Gsave(dBi)。其定義分別為Gsmax(dB)=Gs(dB)-Gt(dB)Gsave(dBi)=10lg旁瓣擁有的總功率總輻射功率(dBi)(5―33)當前45頁，總共60頁。式中,Gs(dB)為最大旁瓣增益。Gsave(dBi)是雷達天線的平均旁瓣增益,將其以真值代入(5―28)式,則可得到旁瓣偵察時的偵察作用距離:(5―34)當前46頁，總共60頁。圖5―8天線旁瓣電平的兩種表示方法當前47頁，總共60頁。比較(5―28)、(5―34)式,可見,若要達到相同的偵察作用距離,必須使偵察接收機的靈敏度提高Gt(dB)-Gsave(dBi)。例如,典型雷達天線的主瓣增益為25~40dB,平均旁瓣電平為-10dBi,實現(xiàn)旁瓣偵察時,偵察接收機的靈敏度需要提高35~50dB。當前48頁，總共60頁。5.3偵察截獲概率與截獲時間雷達偵察系統(tǒng)要實現(xiàn)對雷達輻射源的偵收,需要經(jīng)過射頻信號接收、檢測(稱為偵察系統(tǒng)的前端截獲)與信號分選、輻射源檢測、參數(shù)測量和識別(稱為偵察機的系統(tǒng)截獲)的全過程,并以經(jīng)過信號處理后的輸出結(jié)果(系統(tǒng)截獲的輸出結(jié)果)為最終目的。當前49頁，總共60頁。前端截獲是系統(tǒng)截獲的前提和保證,它主要是由偵察系統(tǒng)中的硬件電路來實現(xiàn)的,而信號處理主要是由偵察系統(tǒng)中的軟件程序完成的。本節(jié)首先討論偵察系統(tǒng)前端的截獲概率和截獲時間。當前50頁，總共60頁。5.3.1前端的截獲概率和截獲時間除了能量條件之外(已在偵察作用距離中討論),雷達偵察系統(tǒng)的前端是一個在時域、空域、頻域等多維信號空間中具有一定選擇性的動態(tài)子空間。該動態(tài)子空間也稱其為在多維信號空間中的搜索窗。被偵收的雷達輻射源信號則是多維信號空間中的動態(tài)點,只有當某一時刻,此動態(tài)點落入搜索窗內(nèi),才可能發(fā)生前端的截獲事件。因此,在一般情況下,除了滿足信號的能量條件之外,截獲事件還包括以下具體含義:當前51頁，總共60頁。(1)空域截獲：一般指偵察天線的半功率波束寬度指向雷達,雷達發(fā)射天線的半功率波束寬度指向偵察接收機。全向偵察天線則只需雷達發(fā)射天線的半功率波束寬度指向偵察接收機;可旁瓣偵察時,只需偵察天線的半功率波束寬度指向雷達,雷達天線的主瓣或旁瓣指向偵察接收機。(2)頻域截獲：指雷達的發(fā)射脈沖載頻落入偵察機瞬時測頻帶寬內(nèi),且其脈寬滿足偵察機測頻條件。(3)其它條件：指雷達發(fā)射信號的其它參數(shù)能夠被偵察機正常檢測和測量。當前52頁，總共60頁。圖5―9多重搜索窗的重合示意圖當前53頁，總共60頁。前端的截獲概率和截獲時間是一個在多維空間中的幾何概率問題,可以采用窗口函數(shù)模型描述,如圖5―9所示。首先將每一個截獲條件i都轉(zhuǎn)換成為一個標準的窗口函數(shù)(Ti,τi),其中Ti為截獲條件i的平均搜索周期(如天線的平均掃描周期、測頻的平均搜索周期、脈沖平均重復周期等),τi為截獲條件i的平均窗口寬度(如天線的平均照射時間、測頻的平均帶內(nèi)駐留時間、平均脈寬等),τi≤Ti,i。假設n為在多維信號空間中的搜索窗數(shù),每一個窗口函數(shù)都是獨立、隨機工作的,前端的截獲事件表現(xiàn)為某一時刻n個窗