雷達(dá)作用距離課件

雷達(dá)作用距離第五章雷達(dá)作用距離第五章雷達(dá)作用距離

5.1雷達(dá)方程

5.2最小可檢測信號(hào)

5.3脈沖積累對檢測性能的改善

5.4目標(biāo)截面積及其起伏特性

5.5系統(tǒng)損耗

5.6傳播過程中各種因素的影響

5.7雷達(dá)方程的幾種形式雷達(dá)作用距離5.1雷達(dá)方程雷達(dá)方程表明了雷達(dá)的探測能力，即雷達(dá)究竟能在多遠(yuǎn)距離上發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。描述了接收信號(hào)功率和雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)和目標(biāo)參數(shù)之間的關(guān)系。根據(jù)雷達(dá)方程可以決定雷達(dá)檢測某類目標(biāo)的最大作用距離，以及預(yù)測達(dá)到某一作用距離所需的信噪比?？梢宰鳛槔走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一種依據(jù)。雷達(dá)方程雷達(dá)方程表明了雷達(dá)的探測能力，即雷達(dá)究竟能在多遠(yuǎn)距離上發(fā)現(xiàn)目基本雷達(dá)方程雷達(dá)方程中的不確定量設(shè)備的實(shí)際損耗和環(huán)境因素目標(biāo)的雷達(dá)散射截面積σ最小可檢測信號(hào)功率

Smin雷達(dá)方程是對雷達(dá)作用距離的估算公式基本雷達(dá)方程雷達(dá)方程中的不確定量設(shè)備的實(shí)際損耗和環(huán)境因素雷達(dá)目標(biāo)的雷達(dá)散射截面積(RadarCrossSection,簡稱RCS)立體角：一個(gè)錐面圍成的空間部分稱為立體角。以錐的頂點(diǎn)為心，半徑為1的球體被錐面截得的面積。單位為立體弧度。P2：目標(biāo)散射總功率S1：入射功率密度P?：雷達(dá)接收點(diǎn)處單位立體角內(nèi)的散射功率目標(biāo)的雷達(dá)散射截面積立體角：一個(gè)錐面圍成的空間部分稱為立體角

具有良好導(dǎo)電性能的各向同性球體的截面積等于球體的幾何投影面積。

任何一個(gè)反射體的截面積都可以想象成一個(gè)具有各向同性的等效球體的截面積。球體在接收機(jī)方向每單位立體角產(chǎn)生的功率與實(shí)際目標(biāo)散射體所產(chǎn)生的相同σ的意義具有良好導(dǎo)電性能的各向同性球體的截面積等于最小可檢測信噪比最小可檢測信噪比用檢測因子表示的雷達(dá)方程CB表示接收機(jī)帶寬失配所帶來的信噪比損失L表示雷達(dá)各部分損耗引入的損失系數(shù)用檢測因子表示的雷達(dá)方程CB表示接收機(jī)帶寬失配所帶來的信噪比門限檢測漏警虛警紐曼-皮爾遜準(zhǔn)則：在給定信噪比條件下，滿足一定虛警概率，使發(fā)現(xiàn)概率最大。門限檢測漏警虛警紐曼-皮爾遜準(zhǔn)則：在給定信噪比條件下，滿足一

門限檢測是一種統(tǒng)計(jì)檢測，由于信號(hào)疊加有噪聲，總輸出是一個(gè)隨機(jī)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(biāo)存在，可能出現(xiàn)以下四種情況：存在目標(biāo)時(shí)，判為有目標(biāo)→發(fā)現(xiàn)概率存在目標(biāo)時(shí)，判為無目標(biāo)→漏警概率不存在目標(biāo)時(shí)，判為無目標(biāo)→正確不發(fā)現(xiàn)概率不存在目標(biāo)時(shí)，判為有目標(biāo)→虛警概率發(fā)現(xiàn)概率和虛警概率是相互制約的門限檢測是一種統(tǒng)計(jì)檢測，由于信號(hào)疊加有噪聲，總輸出門限檢測的過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完成。電子檢測可根據(jù)噪聲和雜波特性，自動(dòng)調(diào)整門限電平達(dá)到恒虛警。目標(biāo)是否存在通過一定的邏輯判斷完成。門限檢測的過程可以用電子線路自動(dòng)完成，也可以由觀察員觀察顯示檢測性能和信噪比

雷達(dá)信號(hào)的檢測性能由其發(fā)現(xiàn)概率Pd和虛警概率Pfa描述。虛警是指沒有信號(hào)而僅有噪聲時(shí),噪聲電平超過門限值被誤認(rèn)為信號(hào)的事件。噪聲超過門限的概率稱虛警概率。中頻濾波器輸入端的寬帶高斯噪聲的概率密度函數(shù)包絡(luò)檢波器輸出端噪聲電壓振幅的概率密度函數(shù)，服從瑞利分布檢測性能和信噪比雷達(dá)信號(hào)的檢測性能由其發(fā)現(xiàn)當(dāng)噪聲分布一定時(shí)，虛警的大小完全取決于門限電平。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：門限電平和虛警概率當(dāng)噪聲分布一定時(shí)，虛警的大小完全取決于門限電平。設(shè)置門限電平表征虛警數(shù)量的其它參數(shù)：虛警時(shí)間：虛假回波之間的平均時(shí)間間隔。虛警時(shí)間與虛警概率的關(guān)系表征虛警數(shù)量的其它參數(shù)：虛警時(shí)間與虛警概率的關(guān)系虛警時(shí)間與接收機(jī)帶寬和門限電平之間的關(guān)系門限一定時(shí)，帶寬越寬，虛警時(shí)間越??；帶寬一定時(shí)，門限越高，虛警時(shí)間越大，虛警概率越小。虛警時(shí)間與接收機(jī)帶寬和門限電平之間的關(guān)系門限一定時(shí)，帶寬越寬虛警總數(shù)：表示在平均虛警時(shí)間內(nèi)所有可能出現(xiàn)的虛警總數(shù)。虛警總數(shù)是虛警概率的倒數(shù)。虛警總數(shù)：表示在平均虛警時(shí)間內(nèi)所有可能出現(xiàn)的虛警總數(shù)。虛警總

發(fā)現(xiàn)概率：信號(hào)加噪聲超過門限的概率。

正弦信號(hào)和窄帶高斯噪聲通過包絡(luò)檢波器后，輸出包絡(luò)的概率密度函數(shù)為：萊斯分布發(fā)現(xiàn)概率與信噪比和虛警概率之間的關(guān)系發(fā)現(xiàn)概率：信號(hào)加噪聲超過門限的概率。萊斯分布發(fā)現(xiàn)概率與非起伏目標(biāo)單個(gè)脈沖線性檢波時(shí)檢測概率和所需信噪比(檢測因子)的關(guān)系曲線結(jié)論：1.虛警概率（門限）一定時(shí)，信噪比越大，發(fā)現(xiàn)概率越大。2.信噪比一定時(shí)，虛警概率越小，發(fā)現(xiàn)概率越?。惶摼怕试酱?，發(fā)現(xiàn)概率越大。3.檢測概率為50%時(shí)對應(yīng)的信噪比仍然較高。信噪比對發(fā)現(xiàn)概率的影響較大。5.當(dāng)檢測概率較高時(shí)，檢測所要求的信噪比對虛警時(shí)間的依賴關(guān)系不靈敏。非起伏目標(biāo)單個(gè)脈沖線性檢波時(shí)檢測概率和所需信噪比(檢測因子)檢波前積累（相參積累）：M個(gè)等幅相參脈沖積累可以使信噪比提高為原來的M倍。檢波后積累（非相參積累，視頻積累）：M個(gè)等幅脈沖積累可以使信噪比改善M-M1/2。脈沖積累對檢測性能的改善脈沖積累對檢測性能的改善積累效果的表示相參積累：非相參積累：

與相參積累不同的是，M個(gè)信號(hào)加噪聲以及M個(gè)噪聲脈沖經(jīng)過包絡(luò)檢波并相加后的概率密度函數(shù)需要重新計(jì)算M個(gè)脈沖積累后的檢測因子單個(gè)脈沖的檢測因子積累效率M個(gè)脈沖非相參積累后的檢測因子積累效果的表示M個(gè)脈沖積累后的檢測因子單個(gè)脈沖的檢測因子積累

線性檢波非起伏目標(biāo)檢測因子(所需信噪比)與非相參脈沖積累數(shù)的關(guān)系(Pd=0.5)線性檢波非起伏目標(biāo)檢測因子(所需信組合使用相參和非相參脈沖積累：天線波束在目標(biāo)的駐留時(shí)間收到的脈沖數(shù)接收脈沖相位穩(wěn)定性所允許的脈沖積累個(gè)數(shù)組合使用相參和非相參脈沖積累的檢測因子N/M個(gè)脈沖非相參積累后的檢測因子天線波束在目標(biāo)的駐留時(shí)間內(nèi)共收到N個(gè)脈沖，而接收脈沖的相位穩(wěn)定性只足夠做M(M＜N)個(gè)脈沖的相參積累。M個(gè)脈沖進(jìn)行相參積累，然后非相參積累得到的N/M個(gè)脈沖。組合使用相參和非相參脈沖積累：天線波束在目標(biāo)的駐留時(shí)間收到的積累脈沖數(shù)的確定天線機(jī)械掃描取決于天線波束的掃描速度，掃描平面上天線波束的寬度，雷達(dá)脈沖重復(fù)頻率等。天線電掃描由預(yù)置的脈沖數(shù)決定，而且回波脈沖不受天線方向圖調(diào)制。積累脈沖數(shù)的確定點(diǎn)目標(biāo)的定義

一個(gè)目標(biāo)全部包含在雷達(dá)三維立體分辨單元之內(nèi)。目標(biāo)截面積及其起伏特性點(diǎn)目標(biāo)的定義目標(biāo)截面積及其起伏特性雷達(dá)目標(biāo)的分類：點(diǎn)目標(biāo)大目標(biāo)：目標(biāo)大于分辨單元，且形狀不規(guī)則。分布目標(biāo)：一群統(tǒng)計(jì)上均勻的散射體的集合。雷達(dá)目標(biāo)的分類：點(diǎn)目標(biāo)散射特性與波長的關(guān)系球體截面積與波長的關(guān)系目標(biāo)的后向散射特性除與目標(biāo)本身的性能有關(guān)外,還與視角、極化和入射波的波長有關(guān)。其中與波長的關(guān)系最大,常以相對于波長的目標(biāo)尺寸來對目標(biāo)進(jìn)行分類。球體：各向同性；最簡單的外形；理論上已經(jīng)獲得其截面積的嚴(yán)格解答；截面積與視角無關(guān)。點(diǎn)目標(biāo)散射特性與波長的關(guān)系球體截面積與波長的關(guān)系目標(biāo)的后向散目標(biāo)尺寸相對于波長很小時(shí)，呈現(xiàn)瑞利區(qū)散射特性。（減小云雨回波的影響）目標(biāo)尺寸相對于波長很大時(shí)，呈現(xiàn)光學(xué)區(qū)散射特性。（大多數(shù)目標(biāo)處于該區(qū)，可按幾何光學(xué)原理確定雷達(dá)截面積。）目標(biāo)尺寸與波長相當(dāng)時(shí)，呈現(xiàn)振蕩區(qū)散射特性。（雷達(dá)很少工作在該區(qū)域）

簡單形狀目標(biāo)的雷達(dá)散射截面積見書上列表。目標(biāo)尺寸相對于波長很小時(shí)，呈現(xiàn)瑞利區(qū)散射特性。（減小云雨回波目標(biāo)散射特性與極化的關(guān)系目標(biāo)散射特性與極化的關(guān)系散射矩陣ETH和ETV表示在目標(biāo)處天線所輻射的水平極化和垂直極化電場,其中上標(biāo)T表示發(fā)射天線產(chǎn)生的電場,下標(biāo)H和V分別代表水平方向和垂直方向。ErH,ErV分別表示接收天線所收到的目標(biāo)散射場中的水平極化成分和垂直極化成分散射矩陣ETH和ETV表示在目標(biāo)處天線所輻射的水平極化和垂直由天線互易原理可知，散射矩陣交叉項(xiàng)具有對稱性，αHV=αVH。散射矩陣表明了目標(biāo)散射特性和電磁波極化方向的關(guān)系。因此決定了目標(biāo)的散射特性和目標(biāo)的幾何形狀有關(guān)。各向同性的球體其散射強(qiáng)度與電磁波極化方向無關(guān)。若目標(biāo)的幾何形狀關(guān)于包含視線的入射波極化平面對稱，則交叉項(xiàng)反射系數(shù)為零。即散射場中只能有與入射場相同的極化分量。由天線互易原理可知，散射矩陣交叉項(xiàng)具有對稱性，αHV=αVH圓（橢圓）極化波對于關(guān)于視線軸對稱的目標(biāo)，同極化散射系數(shù)為零，而正交極化散射系數(shù)不為零。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。圓（橢圓）極化波對于關(guān)于視線軸對稱的目標(biāo)，同極化散射系數(shù)為零復(fù)雜目標(biāo)散射截面積尺寸大的復(fù)雜目標(biāo)可以近似分解為許多獨(dú)立的散射體?？偟睦走_(dá)散射截面積就是各部分截面積矢量和，是視角和頻率的函數(shù)。復(fù)雜目標(biāo)散射截面積B-26轟炸機(jī)的雷達(dá)散射截面積采用其各方向截面積的平均值或中值作為截面積的單值表示值,有時(shí)也用“最小值”(即差不多95%以上時(shí)間的截面積都超過該值)來表示。也可能是根據(jù)實(shí)驗(yàn)測量的作用距離反過來確定其雷達(dá)截面積。B-26轟炸機(jī)的雷達(dá)散射截面積采用其各方向截面積的平均值或中目標(biāo)雷達(dá)截面積舉例(微波波段)目標(biāo)雷達(dá)截面積舉例(微波波段)用平均值或中值來表示目標(biāo)截面積不準(zhǔn)確，不能反映復(fù)雜目標(biāo)截面積的散射特性。用統(tǒng)計(jì)的概念來描述雷達(dá)截面積，所用統(tǒng)計(jì)模型應(yīng)盡量和實(shí)際目標(biāo)雷達(dá)截面積的分布規(guī)律相同。

大型飛機(jī)截面積概率分布接近瑞利分布。導(dǎo)彈和衛(wèi)星的截面積概率分布接近對數(shù)正態(tài)分布。船舶的截面積概率分布接近對數(shù)正態(tài)分布。用平均值或中值來表示目標(biāo)截面積不準(zhǔn)確，不能反映復(fù)雜目標(biāo)截面積

描述雷達(dá)散射截面積起伏的兩個(gè)量：概率密度函數(shù)和相關(guān)函數(shù)。概率密度函數(shù)描述目標(biāo)雷達(dá)截面積的分布；相關(guān)函數(shù)描述目標(biāo)雷達(dá)截面積在回波脈沖序列間的相關(guān)程度。目標(biāo)起伏模型某噴氣式戰(zhàn)斗機(jī)向雷達(dá)飛行時(shí)的RCS記錄描述雷達(dá)散射截面積起伏的兩個(gè)量：概率密度函數(shù)和相第Ⅰ、Ⅱ類模型的概率分布適用于復(fù)雜目標(biāo)由大量近似相等散射體組成的情況。第Ⅲ、Ⅳ類模型的概率分布適用于復(fù)雜目標(biāo)由一個(gè)較大反射體和許多小散射體合成，或者一個(gè)大反射體在方位上有小變化的情況。施威林（Swerling）起伏模型

Ⅰ型：慢起伏，指數(shù)分布。

Ⅱ型：快起伏，指數(shù)分布。

Ⅲ型：慢起伏，。

Ⅳ型：快起伏，。慢起伏：在天線一次掃描期間回波起伏是完全相關(guān)的,而掃描至掃描間完全不相關(guān)?？炱鸱好}沖與脈沖間的起伏是統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的第Ⅰ、Ⅱ類模型的概率分布適用于復(fù)雜目標(biāo)由大量近似相等散射體組當(dāng)發(fā)現(xiàn)概率比較大時(shí)，四種起伏目標(biāo)比不起伏目標(biāo)需要更大的信噪比。當(dāng)發(fā)現(xiàn)概率大于0.3時(shí)，慢起伏目標(biāo)需要的信噪比大于快起伏目標(biāo)。目標(biāo)起伏對檢測性能的影響幾種起伏信號(hào)的檢測性能(脈沖積累n=10,虛警數(shù)nf=108)快起伏慢起伏當(dāng)發(fā)現(xiàn)概率比較大時(shí)，四種起伏目標(biāo)比不起伏目標(biāo)需要更大的信噪比起伏模型的改進(jìn)，分布，對數(shù)正態(tài)分布，萊斯分布等。

為了達(dá)到一定的作用距離或檢測性能，需要對雷達(dá)方程進(jìn)行目標(biāo)起伏損失修正。達(dá)到規(guī)定Pd時(shí)的起伏損失當(dāng)Pd=90%時(shí),一、二類起伏目標(biāo)比不起伏目標(biāo)需增加的信號(hào)噪聲比約9dB,而對三、四類目標(biāo)則需增加約4dB。起伏模型的改進(jìn)，分布，對數(shù)正態(tài)分布，萊斯分布等。射頻傳輸線損耗

發(fā)射機(jī)到天線之間的波導(dǎo)引起的損失。系統(tǒng)損耗當(dāng)工作頻率為3000MHz時(shí)天線轉(zhuǎn)換開關(guān)的損耗1.5dB旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)的損耗0.4dB每30.5m波導(dǎo)的損耗(雙程)1.0dB每個(gè)波導(dǎo)拐彎損耗0.1dB連接不良的損耗(估計(jì))0.5dB總的波導(dǎo)損耗3.5dB

波導(dǎo)損耗與波導(dǎo)的材料、制造工藝、傳輸線的工作狀態(tài)以及工作波長等有關(guān)。通常情況下,工作波長越短,損耗越大。射頻傳輸線損耗系統(tǒng)損耗當(dāng)工作頻率為3000MHz時(shí)天線轉(zhuǎn)換開天線波束形狀損失

源于天線波束掃過目標(biāo)時(shí)收到的回波信號(hào)振幅按天線波束形狀調(diào)制。扇形波束（單平面波束）掃描的形狀損失為1.6dB，對兩維掃描的形狀損失為3.2dB天線波束形狀損失設(shè)備不完善的損失發(fā)射機(jī)損失

發(fā)射管在波段范圍內(nèi)也有不同的輸出功率；管子使用時(shí)間的長短也會(huì)影響其輸出功率；

2dB近似。接收機(jī)損失工作頻帶范圍內(nèi)噪聲系數(shù)值也會(huì)發(fā)生變化；接收機(jī)的頻率響應(yīng)和發(fā)射信號(hào)不匹配引起的失配損失；接收機(jī)帶寬采用非最佳帶寬時(shí)引起的損失。設(shè)備不完善的損失極化損失目標(biāo)位于電離層外時(shí)，會(huì)產(chǎn)生法拉第效應(yīng)（1000MHz以下）。其它損失

極化損失

將自由空間中的雷達(dá)方程按照實(shí)際情況進(jìn)行修正。傳播過程中各種因素的影響電波在大氣層中傳播時(shí)的衰減大氣層引起的電波折射由于地面（海面）反射波和直接波的干涉效應(yīng)，使天線方向圖分裂成波瓣?duì)?。地面（海面）和傳播介質(zhì)對雷達(dá)性能的影響：將自由空間中的雷達(dá)方程按照實(shí)際情況進(jìn)行修正大氣衰減原因：氧氣和水蒸氣吸收電磁波能量。大氣衰減曲線氧氣水蒸氣大氣衰減大氣衰減曲線氧氣水蒸氣大氣衰減工作頻率越高，大氣衰減越嚴(yán)重。探測仰角增大，衰減減小。惡劣天氣下的雨、霧也會(huì)引起衰減。仰角0度仰角5度大氣衰減仰角0度仰角5度大氣衰減當(dāng)在作用距離全程上有均勻的傳播衰減時(shí)，對雷達(dá)作用距離的修正。有衰減時(shí)作用距離計(jì)算圖大氣衰減有衰減時(shí)作用距離計(jì)算圖大氣折射原因：非均勻介質(zhì)導(dǎo)致傳播路徑不是直線。正常大氣條件下，電波傳播路徑向下彎曲。影響：測距誤差,仰角測量誤差,增加了雷達(dá)直視距離。大氣折射雷達(dá)的直視距離是由于地球表面彎曲引起，由雷達(dá)的架設(shè)高度和目標(biāo)高度決定，和雷達(dá)本身性能無關(guān)。雷達(dá)的直視距離雷達(dá)直視距離圖(a)雷達(dá)直視距離的幾何圖形;(b)雷達(dá)直視距離計(jì)算雷達(dá)的直視距離是由于地球表面彎曲引起，由雷達(dá)的架設(shè)高度和目標(biāo)

雷達(dá)直視距離和雷達(dá)最大作用距離Rmax是兩個(gè)不同的概念,Rmax＞d0,說明由于天線高度h1或目標(biāo)高度h2限制了檢測目標(biāo)的距離；Rmax＜d0,說明雖然目標(biāo)處于視線以內(nèi),是可以“看到”的,但由于雷達(dá)性能達(dá)不到d0這個(gè)距離而發(fā)現(xiàn)不了距離大于Rmax的目標(biāo)。

電波在大氣中傳播時(shí)的折射情況與氣候、季節(jié)、地區(qū)等因素有關(guān)。在特殊情況下,如果折射線的曲率和地球曲率相同,這就稱為超折射現(xiàn)象,這時(shí)等效地球半徑為無限,雷達(dá)的觀測距離不受視距限制,對低空目標(biāo)的覆蓋距離將有明顯增加。雷達(dá)的直視距離雷達(dá)直視距離和雷達(dá)最大作用距離Rmax是兩個(gè)不同的概念,地面和水面反射對作用距