第5章雷达作用距离
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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。
R
P
S1
图 5.1 目标的散射特性
5.2 最小可检测信号
得到由目标散射的功率(二次辐射功率)为
P2
S1
PtGt 4R2
(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
S2
P2
4R2
PtGt (4R2 )2
(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
Pr
Ar S2
PtGtA (4R2 )2
i
4
S1A1 /(4 )
S1
A1
(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。
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。
Pr
Si min
PtAr2 42Rm4 ax
PtG22 (4 )3 Rm4 ax
(5.1.7)
或
1
Rm a x
PtAr2 42Si min
4
(5.1.8)
1
Rm a x
PtG22 (4 )3 Si min
百度文库
4
(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。
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=S1σ
P2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
P2
S1
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
接收机的噪声系数Fn定义为
Fn
N k T0 BnGn
实际接收机的噪声功率 输出 理想接收机在标准室温 T0时的噪声功率输出
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
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
5.1 雷 达 方 程
5.1.1 基本雷达方程
设雷达发射功率为Pt, 雷达天线的增益为Gt, 则在自由空间
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Si min, 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。
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Si min, 雷达才能可靠地发现目标, 当Pr正 好等于Si min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
工作时, 距雷达天线R远的目标处的功率密度S1为
S1
PtGt
4R2
(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
(5.1.4)
由天线理论知道, 天线增益和有效面积之间有以下关系:
G
4A 2
式中λ为所用波长, 则接收回波功率可写成如下形式:
Pr
PtGtGr2 (4 )3 R4
(5.1.5)
Pr
Pt At Ar 42R4
(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。
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。
Si min
kT0BnF
n
S N o min ＝Do
匹配 接收机
检波器
检波后 积累
检测 装置
检测门限
图 5.2 接收信号处理框图
Ni kT0Bn
故噪声系数Fn亦可写成
为
P
P2
4
S1
4
据此, 又可定义雷达截面积σ为
返回接收机每单位立体 角内的回波功率
4
入射功率密度
σ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。
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
R
P
S1
图 5.1 目标的散射特性
5.2 最小可检测信号
得到由目标散射的功率(二次辐射功率)为
P2
S1
PtGt 4R2
(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
S2
P2
4R2
PtGt (4R2 )2
(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
Pr
Ar S2
PtGtA (4R2 )2
i
4
S1A1 /(4 )
S1
A1
(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。
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。
Pr
Si min
PtAr2 42Rm4 ax
PtG22 (4 )3 Rm4 ax
(5.1.7)
或
1
Rm a x
PtAr2 42Si min
4
(5.1.8)
1
Rm a x
PtG22 (4 )3 Si min
百度文库
4
(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。
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=S1σ
P2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
P2
S1
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
接收机的噪声系数Fn定义为
Fn
N k T0 BnGn
实际接收机的噪声功率 输出 理想接收机在标准室温 T0时的噪声功率输出
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
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
5.1 雷 达 方 程
5.1.1 基本雷达方程
设雷达发射功率为Pt, 雷达天线的增益为Gt, 则在自由空间
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Si min, 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。
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Si min, 雷达才能可靠地发现目标, 当Pr正 好等于Si min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
工作时, 距雷达天线R远的目标处的功率密度S1为
S1
PtGt
4R2
(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
(5.1.4)
由天线理论知道, 天线增益和有效面积之间有以下关系:
G
4A 2
式中λ为所用波长, 则接收回波功率可写成如下形式:
Pr
PtGtGr2 (4 )3 R4
(5.1.5)
Pr
Pt At Ar 42R4
(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。
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。
Si min
kT0BnF
n
S N o min ＝Do
匹配 接收机
检波器
检波后 积累
检测 装置
检测门限
图 5.2 接收信号处理框图
Ni kT0Bn
故噪声系数Fn亦可写成
为
P
P2
4
S1
4
据此, 又可定义雷达截面积σ为
返回接收机每单位立体 角内的回波功率
4
入射功率密度
σ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。
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