1、雷達(dá)原理第5章雷達(dá)作用距離課件雷達(dá)原理第5章雷達(dá)作用距離課件研究雷達(dá)作用距離的實(shí)際意義1.雷達(dá)方程能表示當(dāng)雷達(dá)參數(shù)或環(huán)境特性發(fā)生變化時(shí)對(duì)雷達(dá)作用距離變化的規(guī)律；2.雷達(dá)方程集中反映了與雷達(dá)探測(cè)距離有關(guān)的因素及它們之間的相互關(guān)系；3.雷達(dá)方程可以估算雷達(dá)作用距離；雷達(dá)方程有助于深入理解雷達(dá)工作時(shí)各分機(jī)參數(shù)的影響。從而幫助我們?cè)诶走_(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)正確選擇分機(jī)參數(shù)；研究雷達(dá)作用距離的實(shí)際意義1.雷達(dá)方程能表示當(dāng)雷達(dá)參數(shù)或環(huán)境5.1.1 基本雷達(dá)方程 5.1 雷 達(dá) 方 程 5.1.1 基本雷達(dá)方程 5.1 雷 達(dá) 方 程 點(diǎn)目標(biāo)：散射單元的最大橫向距離應(yīng)該小于目標(biāo)距離處天線波束截取的弧長(zhǎng)。散射單元的最大

2、徑向距離小于脈沖延伸距離。分布目標(biāo)：不滿足上述條件則為分布目標(biāo)。估算一下飛機(jī)、月球?qū)τ诔Ｓ美走_(dá)來(lái)說(shuō)是什么目標(biāo)？（月球半徑1738km，地月距離38萬(wàn)km）5.1.2 目標(biāo)的雷達(dá)截面積 (RCS)點(diǎn)目標(biāo)：5.1.2 目標(biāo)的雷達(dá)截面積 (RCS) P2=S1雷達(dá)原理第5章雷達(dá)作用距離課件雷達(dá)原理第5章雷達(dá)作用距離課件雷達(dá)原理第5章雷達(dá)作用距離課件雷達(dá)原理第5章雷達(dá)作用距離課件RCS的計(jì)算方法RCS的計(jì)算方法雷達(dá)原理第5章雷達(dá)作用距離課件雷達(dá)原理第5章雷達(dá)作用距離課件雷達(dá)原理第5章雷達(dá)作用距離課件雷達(dá)原理第5章雷達(dá)作用距離課件RCS的測(cè)試如何測(cè)試？RCS的測(cè)試如何測(cè)試？雷達(dá)原理第5章雷達(dá)作用距離課件

3、雷達(dá)原理第5章雷達(dá)作用距離課件影響RCS的因素:目標(biāo)本身的特性、視角、極化和入射波的波長(zhǎng).影響RCS的因素:雷達(dá)原理第5章雷達(dá)作用距離課件雷達(dá)原理第5章雷達(dá)作用距離課件RCS與波長(zhǎng)的關(guān)系（1）當(dāng)球體的周長(zhǎng)遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)時(shí)，稱為瑞利區(qū)，這時(shí)截面積正比于波長(zhǎng)的負(fù)4次方（2）當(dāng)球體的周長(zhǎng)等于波長(zhǎng)時(shí)，進(jìn)入振蕩區(qū)，截面積在極值之間振蕩。（3）當(dāng)球體的周長(zhǎng)遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)時(shí)，截面積振蕩的趨于某一固定值，這個(gè)固定值就是球體幾何投影面積。RCS與波長(zhǎng)的關(guān)系（1）當(dāng)球體的周長(zhǎng)遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)時(shí)，稱為瑞利區(qū)雷達(dá)原理第5章雷達(dá)作用距離課件雷達(dá)原理第5章雷達(dá)作用距離課件雷達(dá)原理第5章雷達(dá)作用距離課件雷達(dá)原理第5章雷達(dá)作用距離課件研究

4、RCS的相關(guān)應(yīng)用民用：增大還是減小RCS？軍用：增大還是減小RCS？增大RCS的方法：簡(jiǎn)單減少RCS的方法：復(fù)雜研究RCS的相關(guān)應(yīng)用減少RCS的方法與目標(biāo)的隱身（1）整形（2）吸收（3）無(wú)源對(duì)消（4）有源對(duì)消減少RCS的方法與目標(biāo)的隱身整形：有目的的選擇目標(biāo)的表面形狀和特征，達(dá)到減少RCS的目的思考：如果目標(biāo)在各個(gè)方向受到威脅相同，整形會(huì)變得如何？超視距雷達(dá)何以具備很好的反隱能力整形：有目的的選擇目標(biāo)的表面形狀和特征，達(dá)到減少RCS的目的吸波材料介電吸收磁滯吸收新技術(shù)，納米材料，等離子體，仿生。對(duì)消：很少采用吸波材料雷達(dá)原理第5章雷達(dá)作用距離課件5.2 最小可檢測(cè)信號(hào) 如果沒(méi)噪聲影響會(huì)怎么樣？

5、5.2 最小可檢測(cè)信號(hào) 如果沒(méi)噪聲影響會(huì)怎么樣？5.2.1 最小可檢測(cè)信噪比 5.2.1 最小可檢測(cè)信噪比 對(duì)常用雷達(dá)波形來(lái)說(shuō), 信號(hào)功率是一個(gè)容易理解和測(cè)量的參數(shù), 但現(xiàn)代雷達(dá)多采用復(fù)雜的信號(hào)波形, 波形所包含的信號(hào)能量往往是接收信號(hào)可檢測(cè)性的一個(gè)更合適的度量。例如匹配濾波器輸出端的最大信噪功率比等于Er/No,其中Er為接收信號(hào)的能量, No為接收機(jī)均勻噪聲譜的功率譜密度。 矩形脈沖波形來(lái)看, 若其寬度為、信號(hào)功率為S, 則接收信號(hào)能量Er=S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(jī)噪聲帶寬,一般情況下可認(rèn)為Bn1/(5.2.4) 對(duì)常用雷達(dá)波形來(lái)說(shuō), 信號(hào)功率

6、是一個(gè)容易理解因此檢測(cè)信號(hào)所需的最小輸出信噪比為 在早期雷達(dá)中, 通常都用各類顯示器來(lái)觀察和檢測(cè)目標(biāo)信號(hào), 所以稱所需的(S/N)o min為識(shí)別系數(shù)或可見(jiàn)度因子M。多數(shù)現(xiàn)代雷達(dá)則采用建立在統(tǒng)計(jì)檢測(cè)理論基礎(chǔ)上的統(tǒng)計(jì)判決方法來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè), 在這種情況下, 檢測(cè)目標(biāo)信號(hào)所需的最小輸出信噪比稱之為檢測(cè)因子(Detectability Factor)Do較合適, 即 (5.2.5) 因此檢測(cè)信號(hào)所需的最小輸出信噪比為 在早期雷達(dá)中, 通常都用 Do是在接收機(jī)匹配濾波器輸出端(檢波器輸入端)測(cè)量的信號(hào)噪聲功率比值。檢測(cè)因子Do就是滿足所需檢測(cè)性能(以檢測(cè)概率Pd和虛警概率Pfa表征)時(shí), 在檢波器輸入

7、端單個(gè)脈沖所需要達(dá)到的最小信號(hào)噪聲功率比值。 S/N)o min表示的距離方程, (5.2.6) Do是在接收機(jī)匹配濾波器輸出端(檢波器輸入端當(dāng)用(5.2.4)式的方式, 用信號(hào)能量 代替脈沖功率Pt, 用檢測(cè)因子Do= (S/N)o min替換雷達(dá)距離方程(5.2.6)式時(shí), 即可得到。 用檢測(cè)因子Do表示的雷達(dá)方程為 (5.2.7) 上式中增加了帶寬校正因子CB1, 它表示接收機(jī)帶寬失配所帶來(lái)的信噪比損失, 匹配時(shí)CB=1。L表示雷達(dá)各部分損耗引入的損失系數(shù)。 當(dāng)用(5.2.4)式的方式, 用信號(hào)能量 代替脈沖功率Pt, 用檢測(cè)因子Do和能量Et表示的雷達(dá)方程在使用時(shí)有以下優(yōu)點(diǎn): (1)

8、當(dāng)雷達(dá)在檢測(cè)目標(biāo)之前有多個(gè)脈沖可以積累時(shí), 由于積累可改善信噪比, 故此時(shí)檢波器輸入端的Do(n)值將下降。因此可表明雷達(dá)作用距離和脈沖積累數(shù)n之間的簡(jiǎn)明關(guān)系, 可計(jì)算和繪制出標(biāo)準(zhǔn)曲線供查用。 (2) 用能量表示的雷達(dá)方程適用于當(dāng)雷達(dá)使用各種復(fù)雜脈壓信號(hào)的情況。只要知道脈沖功率及發(fā)射脈寬就可以用來(lái)估算作用距離而不必考慮具體的波形參數(shù)。 用檢測(cè)因子Do和能量Et表示的雷達(dá)方程在使用5.2.2 門限檢測(cè) 圖 接收機(jī)輸出典型包絡(luò) 由于噪聲的起伏，判斷信號(hào)的有無(wú)自然成為一個(gè)統(tǒng)計(jì)問(wèn)題。5.2.2 門限檢測(cè) 圖 接收機(jī)輸出典型包絡(luò) 由于噪聲的起 門限檢測(cè)是一種統(tǒng)計(jì)檢測(cè), 在輸出端根據(jù)輸出振幅是否超過(guò)門限來(lái)

9、判斷有無(wú)目標(biāo)存在, 可能出現(xiàn)以下四種情況: (1) 存在目標(biāo)時(shí), 判為有目標(biāo), 這是一種正確判斷, 稱為發(fā)現(xiàn), 它的概率稱為發(fā)現(xiàn)概率Pd; (2) 存在目標(biāo)時(shí), 判為無(wú)目標(biāo), 這是錯(cuò)誤判斷, 稱為漏報(bào), 它的概率稱為漏報(bào)概率Pla; (3) 不存在目標(biāo)時(shí)判為無(wú)目標(biāo), 稱為正確不發(fā)現(xiàn), 它的概率稱為正確不發(fā)現(xiàn)概率Pan; (4) 不存在目標(biāo)時(shí)判為有目標(biāo), 稱為虛警, 這也是一種錯(cuò)誤判斷, 它的概率稱為虛警概率Pfa; 門限檢測(cè)是一種統(tǒng)計(jì)檢測(cè), 在輸出端根據(jù)輸出振顯然四種概率存在以下關(guān)系:Pd+Pla=1， Pan+Pfa=1 每對(duì)概率只要知道其中一個(gè)就可以了。 我們下面只討論常用的發(fā)現(xiàn)概率和虛警

10、概率。 門限檢測(cè)的過(guò)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(lái)完成。當(dāng)用觀察員觀察時(shí), 觀察員自覺(jué)不自覺(jué)地在調(diào)整門限, 人在雷達(dá)檢測(cè)過(guò)程中的作用與觀察人員的責(zé)任心、熟悉程度以及當(dāng)時(shí)的情況有關(guān)。例如, 如果害怕漏報(bào)目標(biāo), 就會(huì)有意地降低門限, 這就意味著虛警概率的提高。 在另一種情況下, 如果觀察人員擔(dān)心虛報(bào), 自然就傾向于提高門限, 這樣只能把比噪聲大得多的信號(hào)指示為目標(biāo), 從而丟失一些弱信號(hào)。顯然四種概率存在以下關(guān)系:Pd+Pla=1， Pan+Pfa5.2.3 檢測(cè)性能和信噪比 1. 虛警概率Pfa 通常加到接收機(jī)中頻濾波器(或中頻放大器)上的噪聲是寬帶高斯噪聲, 其概率密度函

11、數(shù)由下式給出: 5.2.3 檢測(cè)性能和信噪比 1. 虛警概高斯噪聲通過(guò)窄帶中頻濾波器(其帶寬遠(yuǎn)小于其中心頻率)后加到包絡(luò)檢波器, 根據(jù)隨機(jī)噪聲的數(shù)學(xué)分析可知,包絡(luò)振幅的概率密度函數(shù)是瑞利分布的高斯噪聲通過(guò)窄帶中頻濾波器(其帶寬遠(yuǎn)小于其中心頻率)后加到包圖 門限電平和虛警概率 圖 門限電平和虛警概率 虛假回波(噪聲超過(guò)門限)之間的平均時(shí)間間隔定義為虛警時(shí)間Tfa, 如圖所示, 圖 虛警時(shí)間與虛警概率 虛假回波(噪聲超過(guò)門限)之間的平均時(shí)間間隔定 圖 虛警時(shí)間與門限電壓、接收機(jī)帶寬的關(guān)系 圖 虛警時(shí)間與門限電壓、接收機(jī)帶寬的關(guān)系 2.發(fā)現(xiàn)概率Pd 振幅為A的正弦信號(hào)同高斯噪聲一起輸入到中頻濾波器的

12、情況。設(shè)信號(hào)的頻率是中頻濾波器的中心頻率fIf, 包絡(luò)檢波器的輸出包絡(luò)的概率密度函數(shù)為 2.發(fā)現(xiàn)概率Pd 單個(gè)脈沖線性檢波時(shí)檢測(cè)概率和所需信噪比(檢測(cè)因子)的關(guān)系 5.3 脈沖積累對(duì)檢測(cè)性能的改善 積累分為兩種：檢波前積累和檢波后積累5.3.1 積累的效果 脈沖積累的效果可以用檢測(cè)因子D0的改變來(lái)表示。 對(duì)于理想的相參積累, M個(gè)等幅脈沖積累后對(duì)檢測(cè)因子Do的影響是: 5.3 脈沖積累對(duì)檢測(cè)性能的改善 積累分為兩種：檢波前積累和雷達(dá)原理第5章雷達(dá)作用距離課件圖 線性檢波非起伏目標(biāo)檢測(cè)因子(所需信噪比)與 非相參脈沖積累數(shù)的關(guān)系(Pd=0.5) 圖 線性檢波非起伏目標(biāo)檢測(cè)因子(所需信噪比)與圖

13、線性檢波非起伏目標(biāo)檢測(cè)因子與非相參脈沖 積累數(shù)的關(guān)系Pd=0.9 圖 線性檢波非起伏目標(biāo)檢測(cè)因子與非相參脈沖 天線的互易原理告訴我們, 不論收發(fā)天線各采用什么樣的極化, 當(dāng)收發(fā)天線互易時(shí), 可以得到同樣效果。 特殊情況, 比如發(fā)射天線是垂直極化, 接收天線是水平極化, 當(dāng)發(fā)射天線作為接收而接收天線作為發(fā)射時(shí), 效果相同, 可知HV=VH, 說(shuō)明散射矩陣交叉項(xiàng)具有對(duì)稱性。 散射矩陣表明了目標(biāo)散射特性與極化方向的關(guān)系, 因而它和目標(biāo)的幾何形狀間有密切的聯(lián)系。 下面舉一些例子加以說(shuō)明。 天線的互易原理告訴我們, 不論收發(fā)天線各采用 一個(gè)各向同性的物體(如球體), 當(dāng)它被電磁波照射時(shí), 可以推斷其散射

14、強(qiáng)度不受電波極化方向的影響, 例如用水平極化波或垂直極化波時(shí)，其散射強(qiáng)度是相等的, 由此可知其HH=VV。 當(dāng)被照射物體的幾何形狀對(duì)包括視線的入射波的極化平面對(duì)稱, 則交叉項(xiàng)反射系數(shù)為零，即HV=VH=0, 這時(shí)因?yàn)槲矬w的幾何形狀對(duì)極化平面對(duì)稱, 則該物體上的電流分布必然與極化平面對(duì)稱, 故目標(biāo)上的極化取向必定與入射波的極化取向一致。 為了進(jìn)一步說(shuō)明, 假設(shè)散射體對(duì)水平極化平面對(duì)稱, 入射場(chǎng)采用水平極化, 由于對(duì)稱性, 散射場(chǎng)中向上的分量應(yīng)與向下的分量相等, 因而相加的結(jié)果是垂直分量的散射場(chǎng)為零, 即HV=VH=0。 一個(gè)各向同性的物體(如球體), 當(dāng)它被電磁波照 這一性質(zhì)是很重要的, 如果我

15、們采用相同極化的圓極化天線作為發(fā)射和接收天線, 那么對(duì)于一個(gè)近似為球體的目標(biāo), 接收功率很小或?yàn)榱恪?我們知道， 氣象微粒如雨等就是球形或橢圓形, 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。 這一性質(zhì)是很重要的, 如果我們采用相同極化的5.4 目標(biāo)截面積起伏特性 RCS的起伏要描述RCS起伏，必須知道概論密度函數(shù)（能給出RCS在在 之間的概論）能給出雷達(dá)RCS隨時(shí)間的相關(guān)函數(shù)圖 某噴氣戰(zhàn)斗機(jī)向雷達(dá)飛行時(shí)記錄 5.4 目標(biāo)截面積起伏特性 RCS的起伏圖 某噴氣戰(zhàn)斗機(jī)向雷 1.施威林(Swerling)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

16、典型的目標(biāo)起伏分為四種類型: (1) 第一類稱施威林(Swerling)型, 慢起伏, 瑞利分布。 截面積的概率密度函數(shù)服從以下分布:在天線的一次掃描期間回波起伏是完全相關(guān)的 0 1.施威林(Swerling)起伏模型 (1) (2) 第二類稱施威林(Swerling)型, 快起伏, 瑞利分布。 在天線的一次掃描期間回波起伏是完全獨(dú)立的 (2) 第二類稱施威林(Swerling)型, 快起伏,(3) 第三類稱施威林型, 慢起伏, 截面積的概率密度函數(shù)為 在天線的一次掃描期間回波起伏是完全相關(guān)的(4) 第四類稱施威林型, 快起伏, 截面積的概率分布和第三種一樣。在天線的一次掃描期間回波起伏是完全

17、獨(dú)立的(3) 第三類稱施威林型, 慢起伏, 截面積的概率密度函數(shù)第一二類情況的概率分布適用于復(fù)雜目標(biāo)是由大量近似相等獨(dú)立隨機(jī)起伏的散射體組成的情況。例如飛機(jī)等。第三四類，適用于目標(biāo)由一個(gè)起伏決定作用的無(wú)起伏散射體和許多小的獨(dú)立的散射體組成，或者由一個(gè)大的散射體組成而方向變化很小的場(chǎng)合。第一二類情況的概率分布適用于復(fù)雜目標(biāo)是由大量近似相等獨(dú)立隨機(jī)雷達(dá)原理第5章雷達(dá)作用距離課件2.目標(biāo)起伏對(duì)檢測(cè)性能的影響 圖 幾種起伏信號(hào)的檢測(cè)性能 (脈沖積累n=10, 虛警數(shù)nf=108) 2.目標(biāo)起伏對(duì)檢測(cè)性能的影響 圖 幾種起伏信號(hào)的檢測(cè)性能 圖 5.15 達(dá)到規(guī)定Pd時(shí)的起伏損失 圖 5.15 達(dá)到規(guī)定P

18、d時(shí)的起伏損失 雷達(dá)原理第5章雷達(dá)作用距離課件5.5 系 統(tǒng) 損 耗 5.5.1 射頻傳輸損耗在發(fā)射機(jī)輸出端到天線總會(huì)存在著傳輸線，因而有傳輸損耗。5.5 系 統(tǒng) 損 耗 5.5.1 射頻傳輸損耗在發(fā)射機(jī)輸出5.5.2 天線波束形狀損失在雷達(dá)方程中認(rèn)為天線增益是個(gè)常數(shù)，事實(shí)是否如此？5.5.2 天線波束形狀損失在雷達(dá)方程中認(rèn)為天線增益是個(gè)常數(shù)5.5.3 疊加損失(Collapsing Loss) 疊加損失：有額外噪聲參與脈沖積累，會(huì)使得積累效果下降。 馬卡姆(Marcum)計(jì)算了在平方律檢波條件下的疊加損失。 這時(shí), 疊加損失可表示為 (S/N)m,n是當(dāng)n個(gè)額外噪聲參與m個(gè)“信號(hào)加噪聲”脈沖

19、積累時(shí), 檢測(cè)所需的每個(gè)脈沖的信噪比; (S/N)m是沒(méi)有額外噪聲, m個(gè)“信號(hào)加噪聲”積累時(shí), 檢測(cè)所需的每一個(gè)脈沖信噪比。 定義重疊比 5.5.3 疊加損失(Collapsing Loss) 疊加5.5.4 設(shè)備不完善的損失 從雷達(dá)方程可以看出, 作用距離與發(fā)射功率、 接收機(jī)噪聲系數(shù)等雷達(dá)設(shè)備的參數(shù)均有直接關(guān)系。 5.5.4 設(shè)備不完善的損失5.6 傳播過(guò)程中各種因素的影響 5.6.1 大氣傳播影響 1.大氣衰減 2.大氣折射 3.地面或者海面的反射波和直接波的干涉 5.6 傳播過(guò)程中各種因素的影響 5.6.1 大氣傳播影響 圖 大氣衰減曲線 圖 大氣衰減曲線 圖 5.18 雙程大氣衰減曲

20、線(a) 仰角0時(shí); (b) 仰角5時(shí) 圖 5.18 雙程大氣衰減曲線圖 5.18 雙程大氣衰減曲線(a) 仰角0時(shí); (b) 仰角5時(shí) 圖 5.18 雙程大氣衰減曲線圖 雨霧衰減曲線 曲線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是霧, 其濃度為能見(jiàn)度600 m(含水量0.032 g/m3); f是霧, 其濃度為能見(jiàn)度120 m(含水量0.32 g/m3); g為濃霧, 能見(jiàn)度為30 m(含水量2.3 g/m3)。圖 雨霧衰減曲線 曲線a是微雨(雨量0.25mm/h); 考慮衰減時(shí)雷達(dá)作用距離的計(jì)算方法: 若電

21、波單程傳播衰減為dB/km, 則雷達(dá)接收機(jī)所收到的回波功率密度S2與沒(méi)有衰減時(shí)功率密度S2的關(guān)系為 考慮衰減時(shí)雷達(dá)作用距離的計(jì)算方法: 考慮傳播衰減后雷達(dá)方程可寫成 式中，Rmax為在最大作用距離情況下單程衰減的分貝數(shù), 考慮傳播衰減后雷達(dá)方程可寫成 式中，Rmax為在最大作用距圖 有衰減時(shí)作用距離計(jì)算圖 圖 有衰減時(shí)作用距離計(jì)算圖 2.大氣折射和雷達(dá)直視距離 圖 大氣折射的影響 2.大氣折射和雷達(dá)直視距離 圖 大氣折射的影響 圖 5.22 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 ae=ka圖 5.22 雷達(dá)直視距離圖ae=ka3.地面或者海面的反射波和直接波的干涉 3.地面或者海面的反射波和直接波的干涉 雷達(dá)原理第5章雷達(dá)作用距離