雷达作用距离课件

雷达作用距离第五章雷达作用距离第五章雷达作用距离

5.1雷达方程

5.2最小可检测信号

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雷达作用距离5.1雷达方程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基本雷达方程雷达方程中的不确定量设备的实际损耗和环境因素目标的雷达散射截面积σ最小可检测信号功率

Smin雷达方程是对雷达作用距离的估算公式基本雷达方程雷达方程中的不确定量设备的实际损耗和环境因素雷达目标的雷达散射截面积(RadarCrossSection,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S1：入射功率密度P∆：雷达接收点处单位立体角内的散射功率目标的雷达散射截面积立体角：一个锥面围成的空间部分称为立体角

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。

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角产生的功率与实际目标散射体所产生的相同σ的意义具有良好导电性能的各向同性球体的截面积等于最小可检测信噪比最小可检测信噪比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。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

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门限检测是一种统计检测，由于信号叠加有噪声，总输出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。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，服从瑞利分布检测性能和信噪比雷达信号的检测性能由其发现当噪声分布一定时，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。虚警时间与虚警概率的关系表征虚警数量的其它参数：虚警时间与虚警概率的关系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。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。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

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发现概率：信号加噪声超过门限的概率。莱斯分布发现概率与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：1.虚警概率（门限）一定时，信噪比越大，发现概率越大。2.信噪比一定时，虚警概率越小，发现概率越小；虚警概率越大，发现概率越大。3.检测概率为50%时对应的信噪比仍然较高。信噪比对发现概率的影响较大。5.当检测概率较高时，检测所要求的信噪比对虚警时间的依赖关系不灵敏。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)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脉冲积累对检测性能的改善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积累效果的表示M个脉冲积累后的检测因子单个脉冲的检测因子积累

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)线性检波非起伏目标检测因子(所需信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(M＜N)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。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。积累脉冲数的确定点目标的定义

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点目标的定义目标截面积及其起伏特性雷达目标的分类：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。雷达目标的分类：点目标散射特性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。点目标散射特性与波长的关系球体截面积与波长的关系目标的后向散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。目标尺寸相对于波长很小时，呈现瑞利区散射特性。（减小云雨回波目标散射特性与极化的关系目标散射特性与极化的关系散射矩阵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由天线互易原理可知，散射矩阵交叉项具有对称性，αHV=αVH。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。由天线互易原理可知，散射矩阵交叉项具有对称性，αHV=αVH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,收发天线常采用同极化的圆极化天线。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。复杂目标散射截面积B-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。B-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目标雷达截面积举例(微波波段)目标雷达截面积举例(微波波段)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。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

描述雷达散射截面积起伏的两个量：概率密度函数和相关函数。概率密度函数描述目标雷达截面积的分布；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。目标起伏模型某喷气式战斗机向雷达飞行时的RCS记录描述雷达散射截面积起伏的两个量：概率密度函数和相第Ⅰ、Ⅱ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。第Ⅲ、Ⅳ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，或者一个大反射体在方位上有小变化的情况。施威林（Swerling）起伏模型

Ⅰ型：慢起伏，指数分布。

Ⅱ型：快起伏，指数分布。

Ⅲ型：慢起伏，。

Ⅳ型：快起伏，。慢起伏：在天线一次扫描期间回波起伏是完全相关的,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第Ⅰ、Ⅱ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当发现概率比较大时，四种起伏目标比不起伏目标需要更大的信噪比。当发现概率大于0.3时，慢起伏目标需要的信噪比大于快起伏目标。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)快起伏慢起伏当发现概率比较大时，四种起伏目标比不起伏目标需要更大的信噪比起伏模型的改进，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伏目标需增加的信号噪声比约9dB,而对三、四类目标则需增加约4dB。起伏模型的改进，分布，对数正态分布，莱斯分布等。射频传输线损耗

发射机到天线之间的波导引起的损失。系统损耗当工作频率为3000MHz时天线转换开关的损耗1.5dB旋转关节的损耗0.4dB每30.5m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

波导损耗与波导的材料、制造工艺、传输线的工作状态以及工作波长等有关。通常情况下,工作波长越短,损耗越大。射频传输线损耗系统损耗当工作频率为3000MHz时天线转换开天线波束形状损失

源于天线波束扫过目标时收到的回波信号振幅按天线波束形状调制。扇形波束（单平面波束）扫描的形状损失为1.6dB，对两维扫描的形状损失为3.2dB天线波束形状损失设备不完善的损失发射机损失

发射管在波段范围内也有不同的输出功率；管子使用时间的长短也会影响其输出功率；

2dB近似。接收机损失工作频带范围内噪声系数值也会发生变化；接收机的频率响应和发射信号不匹配引起的失配损失；接收机带宽采用非最佳带宽时引起的损失。设备不完善的损失极化损失目标位于电离层外时，会产生法拉第效应（1000MHz以下）。其它损失

极化损失

将自由空间中的雷达方程按照实际情况进行修正。传播过程中各种因素的影响电波在大气层中传播时的衰减大气层引起的电波折射由于地面（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。地面（海面）和传播介质对雷达性能的影响：将自由空间中的雷达方程按照实际情况进行修正大气衰减原因：氧气和水蒸气吸收电磁波能量。大气衰减曲线氧气水蒸气大气衰减大气衰减曲线氧气水蒸气大气衰减工作频率越高，大气衰减越严重。探测仰角增大，衰减减小。恶劣天气下的雨、雾也会引起衰减。仰角0度仰角5度大气衰减仰角0度仰角5度大气衰减当在作用距离全程上有均匀的传播衰减时，对雷达作用距离的修正。有衰减时作用距离计算图大气衰减有衰减时作用距离计算图大气折射原因：非均匀介质导致传播路径不是直线。正常大气条件下，电波传播路径向下弯曲。影响：测距误差,仰角测量误差,增加了雷达直视距离。大气折射雷达的直视距离是由于地球表面弯曲引起，由雷达的架设高度和目标高度决定，和雷达本身性能无关。雷达的直视距离雷达直视距离图(a)雷达直视距离的几何图形;(b)雷达直视距离计算雷达的直视距离是由于地球表面弯曲引起，由雷达的架设高度和目标

雷达直视距离和雷达最大作用距离Rmax是两个不同的概念,Rmax＞d0,说明由于天线高度h1或目标高度h2限制了检测目标的距离；Rmax＜d0,说明虽然目标处于视线以内,是可以“看到”的,但由于雷达性能达不到d0这个距离而发现不了距离大于Rmax的目标。

电波在大气中传播时的折射情况与气候、季节、地区等因素有关。在特殊情况下,如果折射线的曲率和地球曲率相同,这就称为超折射现象,这时等效地球半径为无限,雷达的观测距离不受视距限制,对低空目标的覆盖距离将有明显增加。雷达的直视距离雷达直视距离和雷达最大作用距离Rmax是两个不同的概念,地面和水面反射对作用距