雷达作用距离课件.ppt

雷达作用距离第五章Radar principles雷达作用距离 5.1 雷达方程雷达方程 5.2 最小可检测信号最小可检测信号 5.3 脉冲积累对检测性能的改善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目标截面积及其起伏特性 5.5 系统损耗系统损耗 5.6 传播过程中各种因素的影响传播过程中各种因素的影响 5.7 雷达方程的几种形式雷达方程的几种形式 Radar principles雷达方程表明了雷达的探测能力，即雷达究竟能在多远距离上发现目标描述了接收信号功率和雷达系统参数和目标参数之间的关系根据雷达方程可以决定雷达检测某类目标的最大作用距离，以及预测达到某一作用距离所需的信噪比可以作为雷达系统设计的一种依据雷达方程Radar principles基本雷达方程雷达方程中的不确定量雷达方程中的不确定量设备的实际损耗和环境因素设备的实际损耗和环境因素目标的雷达散射截面积目标的雷达散射截面积最小可检测信号功率最小可检测信号功率 S Sminmin雷达方程是对雷达作用距离雷达方程是对雷达作用距离的的估算估算公式公式Radar principles目标的雷达散射截面积(Radar Cross Section, 简称RCS)立体角：一个锥面围成的空间部分称为立体角。

以锥的顶点为心，半径为1的球体被锥面截得的面积单位为立体弧度P2：目标散射总功率：目标散射总功率S1：入射功率密度：入射功率密度P：雷达接收点处单：雷达接收点处单 位立体角内的散位立体角内的散 射功率射功率Radar principles 具有良好导电性能的各向同性球体的截面积等具有良好导电性能的各向同性球体的截面积等于球体的几何投影面积于球体的几何投影面积 任何一个反射体的截面积都可以想象成一个具有各向同性的等效球体的截面积球体在接收机方向每单位立体球体在接收机方向每单位立体角产生的功率与实际目标散射角产生的功率与实际目标散射体所产生的相同体所产生的相同的意义Radar principles最小可检测信噪比Radar principles用检测因子表示的雷达方程CB表示接收机带宽失配所带来的信噪比损失L表示雷达各部分损耗引入的损失系数Radar principles门限检测漏警虚警纽曼-皮尔逊准则：在给定信噪比条件下，满足一定虚警概率，使发现概率最大Radar principles 门限检测是一种统计检测，由于信号叠加有噪声，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：存在目标时，判为有目标发现概率存在目标时，判为无目标漏警概率不存在目标时，判为无目标正确不发现概率不存在目标时，判为有目标虚警概率发现概率和虚警概率是相互制约的Radar principles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。

电子检测可根据噪声和杂波特性，自动调整门限电平达到恒虚警目标是否存在通过一定的逻辑判断完成Radar principles检测性能和信噪比 雷达信号的检测性能由其发现概率Pd和虚警概率Pfa描述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中频滤波器输入端的宽带高斯噪声的概率密度函数包络检波器输出端噪声电压振幅的概率密度函数，服从瑞利分布Radar principlesn n当噪声分布一定时，虚警的大小完全取决于门限电平当噪声分布一定时，虚警的大小完全取决于门限电平设置门限电平UT, 噪声包络电压超过门限电平的概率就是虚警概率Pfa：门限电平和虚警概率 Radar principles表征虚警数量的其它参数：虚警时间：虚假回波之间的平均时间间隔虚假回波之间的平均时间间隔虚警时间与虚警概率的关系Radar principles虚警时间与接收机带宽和门限电平之间的关系门限一定时，带宽越宽，虚警时间越小；带宽一定时，门限越高，虚警时间越大，虚警概率越小Radar principles虚警总数：表示在平均虚警时间内所有可能出现的虚警总数虚警总数是虚警概率的倒数。

Radar principles 发现概率：信号加噪声超过门限的概率 正弦信号和窄带高斯噪声通过包络检波器后，输出包正弦信号和窄带高斯噪声通过包络检波器后，输出包络的概率密度函数为：络的概率密度函数为：莱斯分布发现概率与信噪比和虚警概率之间的关系Radar principles非起伏目标单个脉冲线性检波时检测概率和所需信噪比(检测因子)的关系曲线 结论：结论：1. 1.虚警概率（门限）一定时，虚警概率（门限）一定时，信噪比越大，发现概率越大信噪比越大，发现概率越大2.2.信噪比一定时，虚警概率信噪比一定时，虚警概率越小，发现概率越小；虚警越小，发现概率越小；虚警概率越大，发现概率越大概率越大，发现概率越大3.3.检测概率为检测概率为50%50%时对应的时对应的信噪比仍然较高信噪比对信噪比仍然较高信噪比对发现概率的影响较大发现概率的影响较大5.5.当检测概率较高时，检测当检测概率较高时，检测所要求的信噪比对虚警时间所要求的信噪比对虚警时间的依赖关系不灵敏的依赖关系不灵敏Radar principles检波前积累（相参积累）：M个等幅相参脉冲积累可以使信噪比提高为原来的M倍检波后积累（非相参积累，视频积累）： M个等幅脉冲积累可以使信噪比改善M-M1/2。

脉冲积累对检测性能的改善Radar principles积累效果的表示相参积累：非相参积累： 与相参积累不同的是，M个信号加噪声以及M个噪声脉冲经过包络检波并相加后的概率密度函数需要重新计算M个脉冲积累后的检测因子单个脉冲的检测因子积累效率M个脉冲非相参积累后的检测因子Radar principles 线性检波非起伏目标检测因子(所需信噪比)与 非相参脉冲积累数的关系(Pd=0.5) Radar principles组合使用相参和非相参脉冲积累：天线波束在目标的驻留时间收到的脉冲数接收脉冲相位稳定性所允许的脉冲积累个数组合使用相参和非相参脉冲积累的检测因子N/M个脉冲非相参积累后的检测因子天线波束在目标的驻留时间内共收到N个脉冲，而接收脉冲的相位稳定性只足够做M (MN)个脉冲的相参积累 M个脉冲进行相参积累，然后非相参积累得到的N/M个脉冲Radar principles积累脉冲数的确定天线机械扫描 取决于天线波束的扫描速度，扫描平面上天线波束的宽度，雷达脉冲重复频率等天线电扫描 由预置的脉冲数决定，而且回波脉冲不受天线方向图调制Radar principles点目标的定义 一个目标全部包含在雷达三维立体分辨单元之内。

目标截面积及其起伏特性Radar principles雷达目标的分类：点目标大目标：目标大于分辨单元，且形状不规则分布目标：一群统计上均匀的散射体的集合Radar principles点目标散射特性与波长的关系球体截面积与波长的关系球体截面积与波长的关系目标的后向散射特性除与目标本身的性能有关外, 还与视角、 极化和入射波的波长有关其中与波长的关系最大, 常以相对于波长的目标尺寸来对目标进行分类球体：各向同性；最简单的外形；理论上已经获得其截面积的严格解答；截面积与视角无关Radar principles目标尺寸相对于波长很小时，呈现瑞利区散射特性减小云雨回波的影响）目标尺寸相对于波长很大时，呈现光学区散射特性大多数目标处于该区，可按几何光学原理确定雷达截面积目标尺寸与波长相当时，呈现振荡区散射特性 （雷达很少工作在该区域） 简单形状目标的雷达散射截面积见书上列表Radar principles目标散射特性与极化的关系Radar principles散射矩阵ETH和ETV表示在目标处天线所辐射的水平极化和垂直极化电场, 其中上标T表示发射天线产生的电场, 下标H和V分别代表水平方向和垂直方向。

ErH, ErV分别表示接收天线所收到的目标散射场中的水平极化成分和垂直极化成分Radar principles由天线互易原理可知，散射矩阵交叉项具有对称性，HV=VH散射矩阵表明了目标散射特性和电磁波极化方向的关系因此决定了目标的散射特性和目标的几何形状有关各向同性的球体其散射强度与电磁波极化方向无关若目标的几何形状关于包含视线的入射波极化平面对称，则交叉项反射系数为零即散射场中只能有与入射场相同的极化分量Radar principles圆（椭圆）极化波对于关于视线轴对称的目标，同极化散射系数为零，而正交极化散射系数不为零为了滤除雨回波的干扰为了滤除雨回波的干扰, , 收发天线常采用同极化收发天线常采用同极化的圆极化天线的圆极化天线Radar principles复杂目标散射截面积尺寸大的复杂目标可以近似分解为许多独立的散射体总的雷达散射截面积就是各部分截面积矢量和，是视角和频率的函数Radar principlesB-26轰炸机的雷达散射截面积采用其各方向截面积的平均值或中值作为截面积的单值表示值, 有时也用“最小值”(即差不多95%以上时间的截面积都超过该值)来表示也可能是根据实验测量的作用距离反过来确定其雷达截面积。

Radar principles目标雷达截面积举例(微波波段)Radar principles用平均值或中值来表示目标截面积不准确，不能反映复杂目标截面积的散射特性用统计的概念来描述雷达截面积，所用统计模型应尽量和实际目标雷达截面积的分布规律相同 大型飞机截面积概率分布接近瑞利分布导弹和卫星的截面积概率分布接近对数正态分布船舶的截面积概率分布接近对数正态分布Radar principles 描述雷达散射截面积起伏的两个量：描述雷达散射截面积起伏的两个量：概率密概率密度函数和相关函数度函数和相关函数l l概率密度函数描述目标雷达截面积的分布；概率密度函数描述目标雷达截面积的分布；l l相关函数描述目标雷达截面积在回波脉冲序相关函数描述目标雷达截面积在回波脉冲序列间的相关程度列间的相关程度目标起伏模型某喷气式战斗机向雷达飞行时的某喷气式战斗机向雷达飞行时的RCS记录记录Radar principles第第、类模型的概率分布适用于复杂目标由类模型的概率分布适用于复杂目标由大量近似相等散射体组成的情况大量近似相等散射体组成的情况第第、类模型的概率分布适用于复杂目标由类模型的概率分布适用于复杂目标由一个较大反射体和许多小散射体合成，或者一一个较大反射体和许多小散射体合成，或者一个大反射体在方位上有小变化的情况。

个大反射体在方位上有小变化的情况施威林（施威林（SwerlingSwerling）起伏模型）起伏模型 型：慢起伏，指数分布型：慢起伏，指数分布 型：快起伏，指数分布型：快起伏，指数分布 型：慢起伏，型：慢起伏， 型：快起伏，型：快起伏， 慢起伏：在天线一次扫描期间回波起伏是完全相慢起伏：在天线一次扫描期间回波起伏是完全相关的关的, , 而扫描至扫描间完全不相关而扫描至扫描间完全不相关快起伏：脉冲与脉冲间的起伏是统计独立的快起伏：脉冲与脉冲间的起伏是统计独立的Radar principles当发现概率比较大当发现概率比较大时，四种起伏目标时，四种起伏目标比不起伏目标需要比不起伏目标需要更大的信噪比更大的信噪比l l当发现概率大于当发现概率大于0.30.3时，慢起伏目时，慢起伏目标需要的信噪比大标需要的信噪比大于快起伏目标于快起伏目标目标起伏对检测性能的影响几种起伏信号的检测性能 (脉冲积累n=10, 虚警数nf=108) 快起伏快起伏慢起伏慢起伏Radar principles起伏模型的改进， 分布，对数正态分布，莱斯分布等 为了达到一定的作用距离或检测性能，需要对雷为了达到一定的作用距离或检测性能，需要对雷达方程进行目标起伏损失修正。

达方程进行目标起伏损失修正达到规定Pd时的起伏损失 当Pd =90%时, 一、 二类起伏目标比不起。