雷达原理(第三版)--丁鹭飞第5章

第5章雷达作用距离第5章雷达作用距离5.1雷达方程5.2显小可检测信号5.3脉冲积累对检测性能的改善5.4目标截面积及其起伏特性5.5系统损耗5.6传播过程中各种因素的影响5.7雷达方程的几种形式第5章雷达作用距离5.1.1基本雷达方程5.1雷达方程设雷达发射功率为Pt,雷达天线的增益为Gt,则在自由空间工作时,距雷达天线R远的目标处的功率密度S1为214RGPStt(5.1.1)目标受到发射电磁波的照射,因其散射特性而将产生散射回波。散射功率的大小显然和目标所在点的发射功率密度S1以及目标的特性有关。用目标的散射截面积σ(其量纲是面积)来表征其散射特性。若假定目标可将接收到的功率无损耗地辐射出来,则可得到由目标散射的功率(二次辐射功率)为第5章雷达作用距离2124RGPSPtt(5.1.2)又假设P2均匀地辐射,则在接收天线处收到的回波功率密度为22222)4(4RGPRPStt(5.1.3)如果雷达接收天线的有效接收面积为Ar,则在雷达接收处接收回波功率为Pr,而222)4(RAGPSAPttrr(5.1.4)第5章雷达作用距离由天线理论知道,天线增益和有效面积之间有以下关系:24AG式中λ为所用波长,则接收回波功率可写成如下形式:432)4(RGGPPrttr424RAAPPrttr(5.1.5)(5.1.6)单基地脉冲雷达通常收发共用天线,即Gt=Gr=G,At=Ar,将此关系式代入上二式即可得常用结果。第5章雷达作用距离由式(5.1.4)~(5.1.6)可看出,接收的回波功率Pr反比于目标与雷达站间的距离R的四次方,这是因为一次雷达中,反射功率经过往返双倍的距离路程,能量衰减很大。接收到的功率Pr必须超过最小可检测信号功率Simin,雷达才能可靠地发现目标,当Pr正好等于Simin时,就可得到雷达检测该目标的最大作用距离Rmax。因为超过这个距离,接收的信号功率Pr进一步减小,就不能可靠地检测到该目标。它们的关系式可以表达为4max3224max22min)4(4RGPRAPSPtrtir(5.1.7)第5章雷达作用距离或41min322max41min22max)4(4itirtSGPRSAPR(5.1.8)(5.1.9)式(5.1.8)、(5.1.9)是雷达距离方程的两种基本形式,它表明了作用距离Rmax和雷达参数以及目标特性间的关系。第5章雷达作用距离雷达方程虽然给出了作用距离和各参数间的定量关系,但因未考虑设备的实际损耗和环境因素,而且方程中还有两个不可能准确预定的量:目标有效反射面积σ和最小可检测信号Simin,因此它常用来作为一个估算的公式,考察雷达各参数对作用距离影响的程度。雷达总是在噪声和其它干扰背景下检测目标的,再加上复杂目标的回波信号本身也是起伏的，故接收机输出的是随机量。雷达作用距离也不是一个确定值而是统计值,对于某雷达来讲,不能简单地说它的作用距离是多少,通常只在概率意义上讲,当虚警概率(例如10-6)和发现概率(例如90%)给定时的作用距离是多大。第5章雷达作用距离5.1.2目标的雷达截面积(RCS)雷达是通过目标的二次散射功率来发现目标的。为了描述目标的后向散射特性,在雷达方程的推导过程中,定义了“点”目标的雷达截面积σ,如式(5.1.2)所示,P2=S1σP2为目标散射的总功率,S1为照射的功率密度。雷达截面积σ又可写为12SP第5章雷达作用距离由于二次散射,因而在雷达接收点处单位立体角内的散射功率PΔ为4412SPP据此,又可定义雷达截面积σ为入射功率密度角内的回波功率返回接收机每单位立体4σ定义为,在远场条件(平面波照射的条件)下,目标处每单位入射功率密度在接收机处每单位立体角内产生的反射功率乘以4π。第5章雷达作用距离为了进一步了解σ的意义,我们按照定义来考虑一个具有良好导电性能的各向同性的球体截面积。设目标处入射功率密度为S1,球目标的几何投影面积为A1,则目标所截获的功率为S1A1。由于该球是导电良好且各向同性的,因而它将截获的功率S1A1全部均匀地辐射到4π立体角内,根据式(5.1.10)，可定义1111)4/(4ASASi(5.1.11)式(5.1.11)表明,导电性能良好各向同性的球体,它的截面积σi等于该球体的几何投影面积。这就是说,任何一个反射体的截面积都可以想像成一个具有各向同性的等效球体的截面积。第5章雷达作用距离等效的意思是指该球体在接收机方向每单位立体角所产生的功率与实际目标散射体所产生的相同,从而将雷达截面积理解为一个等效的无耗各向均匀反射体的截获面积(投影面积)。因为实际目标的外形复杂,它的后向散射特性是各部分散射的矢量合成,因而不同的照射方向有不同的雷达截面积σ值。除了后向散射特性外,有时需要测量和计算目标在其它方向的散射功率,例如双基地雷达工作时的情况。可以按照同样的概念和方法来定义目标的双基地雷达截面积σb。对复杂目标来讲,σb不仅与发射时的照射方向有关,而且还取决于接收时的散射方向。第5章雷达作用距离图5.1目标的散射特性PRS1第5章雷达作用距离5.2最小可检测信号5.2.1典型的雷达接收机和信号处理框图如图5.2所示,一般把检波器以前(中频放大器输出)的部分视为线性的,中频滤波器的特性近似匹配滤波器,从而使中放输出端的信号噪声比达到最大。第5章雷达作用距离图5.2接收信号处理框图匹配接收机检波器检波后积累检测装置kT0BnFn检测门限ominSN＝DoSimin第5章雷达作用距离接收机的噪声系数Fn定义为时的噪声功率输出理想接收机在标准室温输出实际接收机的噪声功率00TGBkTNFnnnT0为标准室温,一般取290K。输出噪声功率通常是在接收机检波器之前测量。大多数接收机中,噪声带宽Bn由中放决定,其数值与中频的3dB带宽相接近。理想接收机的输入噪声功率Ni为niBkTN0第5章雷达作用距离故噪声系数Fn亦可写成输出端信噪比输入信噪比oinNSNSF)/()/((5.2.1)将上式整理后得到输入信号功率Si的表示式为onnoiniNSFBkTNSNFS0(5.2.2)根据雷达检测目标质量的要求,可确定所需要的最小输出信噪比,这时就得到最小可检测信号Simin为min)/(oNSmin0minionnNSFBkTS(5.2.3)第5章雷达作用距离对常用雷达波形来说,信号功率是一个容易理解和测量的参数,但现代雷达多采用复杂的信号波形,波形所包含的信号能量往往是接收信号可检测性的一个更合适的度量。例如匹配滤波器输出端的最大信噪功率比等于Er/No,其中Er为接收信号的能量,No为接收机均匀噪声谱的功率谱密度,在这里以接收信号能量Er来表示信号噪声功率比值。从一个简单的矩形脉冲波形来看,若其宽度为τ、信号功率为S,则接收信号能量Er=Sτ;噪声功率N和噪声功率谱密度No之间的关系为N=NoBn。Bn为接收机噪声带宽,一般情况下可认为Bn≈1/τ。这样可得到信号噪声功率比的表达式如下:000NENSBNSNSrn(5.2.4)第5章雷达作用距离因此检测信号所需的最小输出信噪比为mino0minNENSro在早期雷达中,通常都用各类显示器来观察和检测目标信号,所以称所需的(S/N)omin为识别系数或可见度因子M。多数现代雷达则采用建立在统计检测理论基础上的统计判决方法来实现信号检测,在这种情况下,检测目标信号所需的最小输出信噪比称之为检测因子(DetectabilityFactor)Do较合适,即minomin00NSNEDor(5.2.5)第5章雷达作用距离Do是在接收机匹配滤波器输出端(检波器输入端)测量的信号噪声功率比值,如图5.2所示。检测因子Do就是满足所需检测性能(以检测概率Pd和虚警概率Pfa表征)时,在检波器输入端单个脉冲所需要达到的最小信号噪声功率比值。将(5.2.3)式代入(5.1.8)式,(5.1.9)式即可获得用(S/N)omin表示的距离方程,4/1mino0224/1mino0322max4)4(NSFBkTAPNSFBkTGPRnnrtnnt(5.2.6)第5章雷达作用距离当用(5.2.4)式的方式,用信号能量0dtPPEttt代替脉冲功率Pt,用检测因子Do=(S/N)omin替换雷达距离方程(5.2.6)式时,即可得到。用检测因子Do表示的雷达方程为4/100324/1002max)4()4(LCDFkTGGPLCDFkTAGERBnrttBnrtt(5.2.7)上式中增加了带宽校正因子CB≥1,它表示接收机带宽失配所带来的信噪比损失,匹配时CB=1。L表示雷达各部分损耗引入的损失系数。第5章雷达作用距离用检测因子Do和能量Et表示的雷达方程在使用时有以下优点:(1)当雷达在检测目标之前有多个脉冲可以积累时,由于积累可改善信噪比,故此时检波器输入端的Do(n)值将下降。因此可表明雷达作用距离和脉冲积累数n之间的简明关系,可计算和绘制出标准曲线供查用。(2)用能量表示的雷达方程适用于当雷达使用各种复杂脉压信号的情况。只要知道脉冲功率及发射脉宽就可以用来估算作用距离而不必考虑具体的波形参数。第5章雷达作用距离5.2.2图5.3接收机输出典型包络电压噪声平均值时间ABC门限值第5章雷达作用距离检测时门限电压的高低影响以下两种错误判断的多少:(1)有信号而误判为没有信号(漏警);(2)只有噪声时误判为有信号(虚警)。应根据两种误判的影响大小来选择合适的门限。第5章雷达作用距离门限检测是一种统计检测,由于信号叠加有噪声,所以总输出是一个随机量。在输出端根据输出振幅是否超过门限来判断有无目标存在,可能出现以下四种情况:(1)存在目标时,判为有目标,这是一种正确判断,称为发现,它的概率称为发现概率Pd;(2)存在目标时,判为无目标,这是错误判断,称为漏报,它的概率称为漏报概率Pla;(3)不存在目标时判为无目标,称为正确不发现,它的概率称为正确不发现概率Pan;(4)不存在目标时判为有目标,称为虚警,这也是一种错误判断,它的概率称为虚警概率Pfa;第5章雷达作用距离显然四种概率存在以下关系:Pd+Pla=1，Pan+Pfa=1每对概率只要知道其中一个就可以了。我们下面只讨论常用的发现概率和虚警概率。门限检测的过程可以用电子线路自动完成,也可以由观察员观察显示器来完成。当用观察员观察时,观察员自觉不自觉地在调整门限,人在雷达检测过程中的作用与观察人员的责任心、熟悉程度以及当时的情况有关。例如,如果害怕漏报目标,就会有意地降低门限,这就意味着虚警概率的提高。在另一种情况下,如果观察人员担心虚报,自然就倾向于提高门限,这样只能把比噪声大得多的信号指示为目标,从而丢失一些弱信号。操纵人员在雷达检测过程中的能力,可以用试验的方法来决定,但这种试验只是概略的。第5章雷达作用距离5.2.3检测性能和信噪比1.虚警概率Pfa虚警是指没有信号而仅有噪声时,噪声电平超过门限值被误认为信号的事件。噪声超过门限的概率称虚警概率。显然,它和噪声统计特性、噪声功率以及门限电压的大小密切相关。下面定量地分析它们之间的关系。通常加到接收机中频滤波器(或中频放大器)上的噪声是宽带高斯噪声,其概率密度函数由下式给出:222exp21)(vvp(5.2.8)第5章雷达作用距离此处，p(v)dv是噪声电压处于v和v+dv之间的概率；σ2是方差,噪声的均值为零。高斯噪声通过窄带中频滤波器(其带宽远小于其中心频率)后加到包络检波器,根据随机噪声的数学分析可知,包络检波器输出端噪声电压振幅的概率密度函数为(5.2.9)此处r表示检