雷达原理 雷达原理 指导教师：杨秀丽 作者：钟天华 单位：成都信息工程学院电子系 5 第五章 第五章 雷达作用距离 雷达作用距离 z第一节雷达方程 z第二节最小可检测信号 z第三节脉冲积累对检测性能的改善 z第四节目标截面积及其起伏特性 z第五节系统损耗 z第六节传播过程中各种因素的影响 z第七节雷达方程的几种形式 § § 5.1 雷达方程 雷达方程 (5.1.8) (5.1.9) 这就是雷达距离方 程的两种形式。两式中 R max 与λ 1/2 分别成反比 和正比。这是因为由于 当天线面积不变、波长 λ增加时天线增益下 降，导致作用距离减 小；而当天线增益不 变，波长增大时要求的 天线面积亦相应增大， 有效面积增加，其结果 是作用距离加大。 4 1 min 2 2 max 4 ? ? ? ? ? ? ? ? = i rt S AP R πλ σ 4 1 min 3 22 max )4( ? ? ? ? ? ? = i t S GP R π σλ § § 5.2 最小可检测信号 最小可检测信号 z最小可检测信号S imin =kT 0 B n F n (S/N) 0min, 其 中： z F n 为接收机的噪声系数； z B n 为噪声带宽； z T 0 为标准室温，一般取290K； z (S/N) 0min 为最小输出信噪比 门限检测 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 信号而判断为没有信号（漏警）；（2）只有噪声时误判为有信号 （虚警）——这是应该设法避免的事。应根据两种误判的影响大小 来选择合适的门限。 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4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，其概率称为发现 概率 2：存在目标时判为无目标，这是错 误判断，称为漏报，其概率称为漏报概率 3：不存在目标时判为无目标，称为 正确不发现，其概率称为正确不发现概率 4：不存在目标时判为有目标，称为 虚警，这也是错误判断，其概率称为虚警 概率 § § 5.3 脉冲积累 脉冲积累 对检测性能的改善 对检测性能的改善 z一．雷达回波脉冲相参积累波形示例 z 1．MATLAB程序 zclear; zm=100; m 积累脉冲数 zn=500; n 回波截取长度（发射脉冲 一个重复周期内抽取的样点数） znT=n/10; nT 脉冲信号持续长度（脉 宽）取为回波长度的1/10。 zA=1; 脉冲幅度 w0=2*pi*1; dt=1/(3.51*1); for i=1:m for j=1:nT; s(i,j)=0;end s 为有用信号 for j=nT+1:2*nT; s(i,j)=A*sin(w0*j*dt);end for j=2*nT+1:n; s(i,j)=0; end end noise=randn(m,n); 均值为0，方差为1的正态分布噪声，共m*n个 信号加噪声 x=s+noise; j=1:1:n; plot(x(1,j)); hold on; y=0;for i=1:m; y=y+x(i,:); end plot(y,'r'); grid on; 2．脉冲积累波形 ．脉冲积累波形 M=1 M=5 M=10 M=20 M=50 M=100 M=200 M=1000 § § 5.4 系统损耗 系统损耗 z雷达方程： z 其中，L表示雷达个部分损耗引入的损失 系数，L大于1，用正分贝数来表示。 z引起损耗的因素包括：波导传输损耗、接 收机失配损耗、天线波束形状损耗、操纵 员损耗、设备工作不完善损耗。 4 1 00 3 2 ][ )4( max LCDFBKT GGP Bnn rtt R π σλ = 一射频传输损耗 雷达中采用波导作传输线时则 波导损耗指的是：连接在发射机输 出端到天线之间波导引起的损失 波导损耗包括：单位长度波导的损 耗，每一拨靠拐弯处的损耗，天线收 发开关上的损耗，及连接不良造成的 损耗等。 工作频率f =3000MHz，射频传输损耗典型数据 如下： 天线转换开关的损耗 1.5dB 旋转关节的损耗 0.4dB 每波导的损耗（双程） 1.0dB 每个波导拐弯损耗 0.1dB 连接不良的损耗（估 计） 0.5dB 总的波导损耗 3.5dB **波导损耗和波导制造的材料、工艺、传输系统工作状态以及工 作波长等因素均有关。工作波长越短，损耗越大。 二天线波束形状损耗 雷达方程中，天线增益是采用最大增 益，即认为最大辐射方向对准目标， 回波脉冲串按等幅脉冲串处理。实际 上，当天线波束扫过目标时，回波信 号振幅按天线波束形状调制，即回波 脉冲串是幅度调制的。因此产生波束 形状损失。 波束形状损失可按下式近似计算（下式最 适合于Pd = 0.5左右的情况）： ∑ = ? = ?+ 2/)1( 1 2 2 )/55.5exp(21 m k B mk m beam L 其中，m 为积累脉冲数，mB为半功率 波束宽度内收到的脉冲数。[举例] 积 累11个脉冲，它们均匀地排列在3dB 波束宽度以内，则损失为1.96dB。 一．三叠加损失 脉冲积累时，参加积累的脉冲，除了“信号加噪声” 外，还有单纯的“噪声”脉冲。这种额外噪声参加积累的 结果所带来的损失称为“叠加损失”Lc。 其中，（S/N）m,n是n个额外噪声参加积累时，达到 同样检测性能所需的每个脉冲的信噪比。 m nm NS NS c nmL )/( )/( , ),( = 马卡姆证明：当m个信噪比为（S/N）m的“信号加 噪声”脉冲和n个噪声脉冲一起积累时，可以等效为 （m+n）个“信号加噪声”的脉冲积累，但每个脉冲 的信号噪声比为(m/m+n)（S/N）m。这时，叠加损 失为 一．四设备不完善的损失 设备不完善包括： 发射系统中，所用发射管参数不尽相同，发 射管在波段范围内有不同的输出功率，管子使 用时间长短影响了输出功率，通常用2dB数量 来近似这部分损失。 接收系统中，工作频带范围内噪声系数值发 生变化，接收机频率响应和发射信号不匹配等 。 五其它损失 恒虚警产生的损失，操作人员技术熟练程度 引入损失等。 § § 5.5 传播过程中 传播过程中 各种因素的影响 各种因素的影响 z地面（海面）和传播介质对雷达性 能的影响有三个方面： z（1）电波在大气层传播时的衰减； z（2）有大气层引起的电波折射； z（3）由于地面（海面）反射波和直 接波的干涉效应，使天线方向图分 裂成波瓣状 一 一 大气传播影响 大气传播影响 z传播影响主要包括大气传播衰减和 折射两个方面。恶劣天气散射杂波 抑制将在第八章讨论。 z1大气衰减 z雷达电波衰减的主要原因：大气中 的氧气和水蒸气。 2 大气折射和雷达直视距离 大气折射对雷达的影响有两方面： 一是改变雷达的测量距离，产生测量误差； 另一方面将引起仰角测量误差如 教材P153图5。21所示 雷达直视距离的问题 是由于地球的曲率半径引起的，如 教材P154图5。22所示 二 二 地面或水面反射 地面或水面反射 对作用距离的影响 对作用距离的影响 z地面或水面的反射是雷达电波在非自由 空间传播时的一个最主要影响。 作业一 某雷达系统，已知： Pt=100Kw，τ=2μS，fr=400Hz，fc=10GHz，φA=1.2m， θ0.5=2°，收发共用天线，天线扫描速度νt=6转/分钟， Simin=-107dBm，噪声系数Fn=1.5，接收机失配损失 Cb=0.56dB，雷达总的损耗L=3.5+1.6+2=7.1dB，求： 〈1〉理想无耗最大作用距离； 〈2〉当雷达仰角为5°时，最多可能的脉冲积累数； 〈3〉考虑失配损失和损耗时，雷达的最大作用距离； 〈4〉当电波衰减系数δ=0.01dB/km时的雷达最大作用距离 ，并估计现在大约是什么样的气象条件？ 〈5〉当Pf=10e-3时，检测概率Pd=? 〈6〉计算M=20个脉冲相参积累后的检测性能； 〈7〉当Pf=10e-8，Pd=0.999，M=20，距离可增大到多少； § § 5.6 雷达方程的几种形式 雷达方程的几种形式 z 1、二次雷达方程 为了保证雷达能够有效的检测到应答的信 号，必须满足：R′ max ≧R max 2 1 ' min 2 2'' max )4( ? ? ? ? ? ? = i rtt S GGP R π λ 2 1 min 2 2'' ' max )4( ? ? ? ? ? ? = i rtt S GGP R π λ z 2、双基地雷达方程 z 3、搜索雷达方程 z 4、跟踪雷达方程 2/1 00 3 222 max )4( )( ? ? ? ? ? ? = LCDFkT FFGGP RR bn rtbrtt rt π λστ 4/1 00 max )1(4 )( ? ? ? ? ? ? Ω = LCDfkT T APR Bn f av π σ 4/1 00 0 2 max )1(4 ? ? ? ? ? ? = LCDfkT tA APR Bn t rav π σ λ