雷达原理（第6版） 课件 第5、6章 雷达作用距离、目标距离的测量

雷达作用距离第五章雷达原理（第6版）高等学校电子信息类精品教材01雷达方程PARTONE一、雷达方程1.基本雷达方程

一、雷达方程1.基本雷达方程一、雷达方程1.基本雷达方程

一、雷达方程2.目标的雷达截面积（RCS)

一、雷达方程

2.目标的雷达截面积（RCS)02最小可检测信号PARTTWO二、最小可检测信号1.最小可检测信噪比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。二、最小可检测信号1.最小可检测信噪比

二、最小可检测信号1.最小可检测信噪比

二、最小可检测信号2.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）有信号而误判为没有信号（漏警）;（2）只有噪声时误判为有信号（虚警)。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，它的概率称为发现概率。（2）存在目标时判为无目标，这是错误判断，称为漏报，它的概率称为漏报概率。（3）不存在目标时判为无目标，称为正确不发现，它的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，这也是一种错误判断，它的概率称为虚警概率。二、最小可检测信号3.检测性能和信噪比

二、最小可检测信号3.检测性能和信噪比

03脉冲积累对检测性能的改善PARTTHREE三、脉冲积累对检测性能的改善1.积累的效果

三、脉冲积累对检测性能的改善1.积累的效果

三、脉冲积累对检测性能的改善1.积累的效果三、脉冲积累对检测性能的改善2.积累脉冲数的确定

04目标截面积及其起伏特性PARTFOUR四、目标截面积及其起伏特性1.点目标特性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。为了讨论目标后向散射特性与波长的关系，比较方便的办法是考察一个各向同性的球体。因为球有最简单的外形，而且理论上已经获得其截面积的严格解，其截面积与视角无关，因此常用金属球来作为截面积的标准，用于校正数据和实验测定。四、目标截面积及其起伏特性2.简单形状目标的雷达截面积对于非球体目标，其截面积和视角有关,而且在光学区其截面积不一定趋于一个常数，但利用“亮斑”处的曲率半径可以对许多简单几何形状的目标进行分类，并说明它们对波长的依赖关系。表5.1给出了几种简单几何形状的物体在特定视角方向上的截面积，当视角改变时截面积一般都有很大的变化(球体除外)。四、目标截面积及其起伏特性3.目标特性与极化的关系

四、目标截面积及其起伏特性4.复杂目标的雷达截面积

四、目标截面积及其起伏特性图5.12给出了螺旋桨飞机B-26（第二次世界大战时中程双引擎轰炸机）雷达截面积的例子，数据是飞机置于转台上由试验测得的，工作波长为10cm。从图中可以看出,雷达截面积是视角的函数，角度改变约1/3°，截面积就可以大约变化15dB。最强的回波信号发生在侧视附近，在这里飞机的投影面积最大且具有比较平坦的表面。此外，对喷气式飞机的截面积也做了相当多的分析研究和模型测试，获得了相应的测试结果。4.复杂目标的雷达截面积四、目标截面积及其起伏特性5.目标起伏模型目标雷达截面积的大小对雷达检测性能有直接的关系，在工程计算中常把截面积视为常量，即如表5.2给出的那些平均值。实际上，处于运动状态的目标，视角一直在变化，截面积随之产生起伏。图5.13给出了某喷气战斗机向雷达站飞行时记录的脉冲，起伏周期在远距离时是几秒，在近距离时大约是几十分之一秒，起伏周期与波长有关，对于飞机的不同姿态,起伏变化的范围从26dB到10dB。四、目标截面积及其起伏特性1.施威林（Swerling）起伏模型由于雷达需要探测的目标十分复杂且多种多样，因此很难准确地得到各种目标截面积的概率分布和相关函数。通常是用一个接近而又合理的模型来估计目标起伏的影响并进行数学上的分析。最早提出而且目前仍然常用的起伏模型是施威林模型。他把典型的目标起伏分为4种类型:有两种不同的概率密度函数，同时又有两种不同的相关情况。一种是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，称为慢起伏目标;另一种是快起伏目标，它们的回波起伏在脉冲与脉冲之间是完全不相关的。5.目标起伏模型四、目标截面积及其起伏特性4种起伏模型区分如下:（1）第一类称为施威林Ⅰ型，慢起伏，瑞利分布。（2）第二类称为施威林I型，快起伏，瑞利分布。（3）第三类称为施威林II型，慢起伏，截面积的概率密度函数为（4）第四类称为施威林Ⅳ型，快起伏，截面积的概率分布服从式。5.目标起伏模型四、目标截面积及其起伏特性

5.目标起伏模型四、目标截面积及其起伏特性施威林的4种模型考虑了两类极端情况：扫描间独立和脉冲间独立。实际的目标起伏特性往往介于上述两种情况之间。已经证明，其检测性能也介于两者之间。5.目标起伏模型05系统损耗PARTFIVE五、系统损耗1.射频传输损耗当传输线采用波导时，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，它们包括单位长度波导的损耗、每一波导拐弯处的损耗、旋转关节的损耗、天线收发开关上的损耗以及连接不良造成的损耗等。当工作频率为3000MHz时，有如下典型数据。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每个波导拐弯的损耗:0.1dB连接不良的损耗（估计):0.5dB总的波导损耗:3.5dB波导损耗与波导制造的材料、工艺、传输系统工作状态以及工作波长等因素有关，通常情况下，工作波长越短，损耗越大。五、系统损耗2.天线波束形状损失在雷达方程中，天线增益是采用最大增益，即认为最大辐射方向对准目标。但在实际工作中天线是扫描的，当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。实际收到的回波信号能量比假定按最大增益的等幅脉冲串时要小。当回波是振幅调制的脉冲串时，可以在计算检测性能时按调制脉冲串进行，已经有人做过这项工作。我们在这里采用的办法是利用等幅脉冲串已得到的检测性能计算结果，再加上“波束形状损失”因子来修正振幅调制的影响。这个办法虽然不够精确，但却简单实用。五、系统损耗

2.天线波束形状损失五、系统损耗3.叠加损失(collapsingloss)

五、系统损耗

3.叠加损失(collapsingloss)五、系统损耗4.设备不完善的损失

五、系统损耗5.其他损失还有一些因素会实际影响雷达的观测距离。例如，一部装有动目标显示(MTI)的雷达，对于盲速附近的目标将引入附加检测损失;信号处理中采用恒虚警（CFAR）产生的损失根据CFAR不同类型而异，这种损失可能大于2dB；当波门选择过宽或目标不处于波门中心时，都会引入附加的信噪比损失；如果由操纵员进行观测，则操作人员技术的熟练程度和不同的精神状态都会产生较大影响。还有许多产生影响的实际因素，这里无法一一例举。虽然每一种因素的影响可能不大，但综合起来也会使雷达的性能明显减退。重要的问题是找出引起损失的各种因素，并在雷达设计和使用过程中尽量使损失减至最小。06传播过程中各种因素的影响PARTSIX六、传播过程中各种因素的影响1.大气传播影响

六、传播过程中各种因素的影响1.大气传播影响六、传播过程中各种因素的影响1.大气传播影响随着高度的增加，大气衰减减小，因此，实际雷达工作时的传播衰减与雷达作用的距离以及目标高度有关。图5.18给出了在不同仰角时的双程衰减分贝数，它们又与工作频率有关。工作频率升高，衰减增大；而探测时仰角越大，衰减越小。六、传播过程中各种因素的影响2.大气折射和雷达直视距离大气的成分随着时间、地点而改变，而且不同高度的空气密度也不相同，离地面越高，空气越稀薄。因此电磁波在大气中传播时，是在非均匀介质中传播的，它的传播路径不是直线而将产生折射。大气折射对雷达的影响有两方面：一方面将改变雷达的测量距离，产生测距误差；另一方面将引起仰角测量误差，如图5.21所示。1.大气传播影响六、传播过程中各种因素的影响

1.大气传播影响六、传播过程中各种因素的影响1.大气传播影响六、传播过程中各种因素的影响2.地面或水面反射对作用距离的影响地面或水面反射是雷达电波在非自由空间传播时的一个最主要的影响。在许多情况下，地面或水面可近似认为是镜反射的平面，架设在地面或水面的雷达，当它们的波束较宽时，除直射波以外，还有地面(或水面）的反射波存在，这样在目标处的电场就是直接波与反射波的干涉结果。由于直接波和反射波是天线不同方向所产生的辐射，而且它们的路程不同，因而两者之间存在振幅和相位差:07雷达方程的几种形式PARTSEVEN七、雷达方程的几种形式1.二次雷达方程七、雷达方程的几种形式1.二次雷达方程

七、雷达方程的几种形式2.双基地雷达方程

七、雷达方程的几种形式3.跟踪雷达方程

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01脉冲法测距PARTONE一、脉冲法测距1.基本原理

一、脉冲法测距2.雷达回波中的可用信息

一、脉冲法测距2.雷达回波中的可用信息随机误差是指因某种偶然因素引起的测距误差，所以又称偶然误差。凡属设备本身工作不稳定性造成的随机误差称为设备误差，如接收时间滞后的不稳定性、各部分回路参数偶然变化、晶体振荡器频率不稳定以及读数误差等。凡属系统以外的各种偶然因素引起的误差称为外界误差，如电波传播速度的偶然变化、电波在大气中传播时产生折射以及目标反射中心的随机变化等。随机误差一般不能补偿掉，因为它在多次测量中所得的距离值不是固定的而是随机的。因此，随机误差是衡量测距精度的主要指标。一、脉冲法测距2.雷达回波中的可用信息1.电波传播速度变化产生的误差如果大气是均匀的，则电磁波在大气中的传播是等速直线，此时测距公式(6.0.1)中的值可认为是常数，但实际上大气层的分布是不均匀的且其参数随时间、地点而变化。大气密度、湿度、温度等参数的随机变化，导致大气传播介质的导磁系数和介电常数也发生相应的改变，因而电波传播速度c不是常量而是一个随机变量。由式(6.1.2)可知，由于电波传播速度的随机误差而引起的相对测距误差为一、脉冲法测距2.雷达回波中的可用信息

一、脉冲法测距2.雷达回波中的可用信息一、脉冲法测距2.雷达回波中的可用信息

一、脉冲法测距2.雷达回波中的可用信息3.测读方法的误差根据测距所用具体方法的不同，其测距误差亦有差别。早期的脉冲雷达直接从显示器上测量目标距离，这时显示器荧光屏亮点的直径大小、所用机械或电刻度的精度、人工测读时的惯性等都将引起测距误差。当采用电子自动测距的方法时，如果测读回波脉冲中心，回波脉冲中心的估计误差(正比于脉宽而反比于信噪比)以及计数器的量化误差等均将造成测距误差。自动测距时的测量误差与测距系统的结构、系统传递函数、目标特性(包括其动态特性和回波起伏特性)、干扰(噪声)的强度等因素均有关系，详情可参考测距系统的有关资料。测距的实际精度和许多外部及设备的因素有关，混杂在回波信号中的噪声干扰(通常是加性噪声)则是限制测量精度的基本因素。由噪声引起的测量误差通常称为测量的理论精度或极限精度。下面讨论测距精度的理论极限值。测量距离就是对目标回波出现的时延做出估值，用最大似然法可获得参量的最佳估值。一、脉冲法测距3.测距的理论精度（极限精度)

一、脉冲法测距3.测距的理论精度（极限精度)

一、脉冲法测距4.距离分辨力和测距范围

一、脉冲法测距4.距离分辨力和测距范围

一、脉冲法测距4.距离分辨力和测距范围

一、脉冲法测距5.判测距模糊的方法

一、脉冲法测距5.判测距模糊的方法

02调频法测距PARTONE二、调频法测距1.调频连续波测距调频连续波雷达的组成框图如图6.7所示。发射机产生连续高频等幅波，其频率在时间上按三角形规律或按正弦规律变化，目标回波和发射机直接耦合过来的信号加到接收机混频器内。在无线电波传播到目标并返回天线的这段时间内，发射机频率较之回波频率已有了变化，因此在混频器输出端便出现了差频电压。后者经放大、限幅后加到频率计上。由于差频电压的频率与目示距离有关，因而频率计上的刻度可以直接采用距离长度作为单位。二、调频法测距1.调频连续波测距连续工作时，不能像脉冲工作那样采用时间分割的办法共用天线，但可用混合接头、环行器等办法使发射机和接收机隔离。为了得到发射和接收间高的隔离度，通常采用分开的发射天线和接收天线。当调频连续波雷达工作于多目标情况下时，接收机输入端有多个目标的回波信号。要区分这些信号并分别决定这些目标的距离是比较复杂的，因此，目前调频连续波雷达多用于测定只有单一目标的情况，例如在飞机的高度表中，大地就是单一的目标。二、调频法测距1.调频连续波测距

二、调频法测距1.调频连续波测距

二、调频法测距1.调频连续波测距

二、调频法测距1.调频连续波测距2.调频连续波雷达的特点调频连续波雷达的优点是:（1）能测量很近的距离，一般可测到数米，而且有较高的测量精度。（2）雷达线路简单，且可做到体积小、质量轻，普遍应用于飞机高度表及微波引信等场合。它的主要缺点是:（1）难以同时测量多个目标。如欲测量多个目标，必须采用大量滤波器和频率计数器等，使装置变得复杂，从而限制了其应用范围。（2）收发间的完善隔离是所有连续波雷达的难题。发射机泄漏功率将阻塞接收机，因而限制了发射功率的大小。发射机噪声的泄漏会直接影响接收机的灵敏度。二、调频法测距2.脉冲调频测距

二、调频法测距2.脉冲调频测距二、调频法测距2.脉冲调频测距

二、调频法测距2.脉冲调频测距

03PARTONE距离跟踪原理三、距离跟踪原理1.人工距离跟踪早期雷达多数只有人工距离跟踪。为了减小测量误差，采用移动的电刻度作为时间基准。操纵员按照显示器上的画面，将电刻度对准目标回波。从控制器度盘或计数器上读出移动电刻度的准确时延，就可以代表目标的距离。因此关键是要产生移动的电刻度(电指标)，且其延迟时间可准确读出。常用的产生电移动刻度的方法有锯齿电压波法和相位法，这些是早期使用的方法和装置这里不再详述。三、距离跟踪原理2.自动距离跟踪自动距离跟踪系统应保证电移动指标自动地跟踪目标可波并连续地给出目标距离数据。整个自动测距系统应包括对目标的搜索、捕获和自动跟踪3个互相联系的部分。下面先讨论跟踪的实现方法，然后讨论搜索和捕获的过程。图6.13是距离自动跟踪的简化框图。三、距离跟踪原理2.自动距离跟踪

三、距离跟踪原理2.自动距离跟踪

04PARTONE数字式自动测距器四、数字式自动测距器随着高速度、高机动性能目标的出现，以及航天技术的要求，雷达跟踪目标要求的作用距离大、跟踪精度高、反应速度快，这就要进一步改善自动测距器的性能。由于近年来数字器件及技术有了飞跃的发展，有条件采用数字式距离跟踪系统来达到上述要求。比起模拟式自动测距器来讲，数字式自动测距器(或自动距离跟踪系统)具有下述优点：跟踪精度高，且精度与跟踪距离无关；响应速度快，适合于跟踪快速目标；工作可靠和系统便于集成化；输出数据为二进制码，可以方便地和数据处理系统接口。因此数字式自动测距器被广泛用于现代跟踪雷达。数字式和模拟式自动测距器(距离跟踪系统)的基本工作原理是相同的，两系统都是由时间鉴别器、控制器(常称距离产生器)和跟踪脉冲产生器三部分组成的，如图6.13所示。但在这两种系统中完成各种功能的技术手段是不同的。在数字式自动测距器中，以稳定的计数脉冲振荡器(时钟)驱动高速计数器来代替模拟的锯齿电压波，用数字寄存器(距离寄存器)的数码来等效代表距离的模拟比较电压。因此，读出跟踪状态下距离寄存器数码所代表的延迟时间，即可产生相应的跟踪波门并得到目标的距离数据。四、数字式自动测距器

1.数字式测距的基本原理四、数字式自动测距器1.数字式测距的基本原理目标距离R与计数器读数n之间的关系为式中，广为计数脉冲重复频率。如果需要读出多个目标的距离，则控制触发器置“0”的脉冲应在相应的最大作用距离以后产生，各个目标距离数据的读出根据回波不同的延迟时间去控制读出门