第5章雷达作用距离

第 5 章 雷达作用距离
5.2 最小可检测信号
5.2.1
最小可检测信噪比
S i
minkT0BnF0NSoo
min
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。
第 5 章 雷达作用距离
第 5 章 雷达作用距离
5.1Leabharlann Baidu2 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
其中， 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
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。
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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
P2 S1
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立体角相关概念
➢ 一个锥面所围成的空间部分称为“立体角”。 ➢ 在平面上定义一段弧微分S与其矢量半径r的比值为其对应的圆心
角记作dθ=ds/r；所以整个圆周对应的圆心角就是2π； ➢ 立体角是以锥的顶点为心，半径为1的球面被锥面所截得的面积
来度量的，度量单位称为“立体弧度”。与圆心角定义类似，定 义立体角为曲面上面积微元ds与其矢量半径的二次方的比值为此 面微元对应的立体角记作dΩ=ds/r^2；则闭合球面立体角是4π。
S im
in
4
(5.1.8)
1
R m ax
(
PtG 4
2 )3 S
2 i
m
in
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。
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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。 Pim in Sim in kT0FBnM
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。
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第 5 章 雷达作用距离
P2 S1 4PtGRt2
(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 4PR 22 (4PtG Rt2)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
ArS2
PtGtAr (4R2)2
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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
为
P 4 P 2 S14 4P S 1
(5.1.10)
据此, 又可定义雷达截面积σ为
4返回接收 入机 射每 功角 单 率内 位 密的 立 度回 体波功率
所以σ定义为：在远场条件(平面波照射的条件)下, 目标处每单
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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
Si min
kT0BnF
n
S N omin＝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
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
PrSim in4P t 2R Am r4 2ax(P 4tG )23R 2m 4ax
(5.1.7)
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或
1
R m ax
4
Pt 2
A
2 r
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➢ “等效” 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。
➢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。
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R
P
S1
图5.1 目标的散射特性
式(5.1.11)表明,4导电返性回 能i 良4接 好S各1收 A入 向1S/1同机 (4射 性)每 的功 A球1角 单 率 体,内 位 密 它的的 立 度 截(5回 体 .面1.1积1波 )σi等功率
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。
(5.1.4)
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由天线理论知道, 天线增益和有效面积A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
PtGtGr 2 (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。