雷达原理 第5章 雷达作用距离

Pr
Si min
PtAr2 42Rm4 ax
PtG22 (4 )3 Rm4 ax
(5.1.7)
第 5 章 雷达作用距离
或
1
Rm a x
PtAr2 42Si min
4
1
Rm a x
PtG22 (4 )3 Si min
4
(5.1.8) (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。
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。
第 5 章 雷达作用距离
5.2 最小可检测信号
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
其宽度为τ、信号功率为S, 则接收信号能量Er=Sτ; 噪声功率N和噪
声功率谱密度No之间的关系为N=NoBn。Bn为接收机噪声带宽,一
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
Ni kT0Bn
第 5 章 雷达作用距离
故噪声系数Fn亦可写成
Fn
(S / N )i (S / N )o
输入信噪比 输出端信噪比
(5.2.1)
将上式整理后得到输入信号功率Si的表示式为
Si
Fn
N
i
S N
o
k
T0
Bn
Fn
S N
o
(5.2.2)
根据雷达检测目标质量的要求,可确定所需要的最小输出信噪比
(S / N )o min , 这时就得到最小可检测信号Si min为
Si m in
k
T0
Bn
Fn
S N
o m in
设雷达发射功率为Pt, 雷达天线的增益为Gt, 则在自由空间
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
第 5 章 雷达作用距离
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
第 5 章 雷达作用距离
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
第 5 章 雷达作用距离
5.1 雷 达 方 程
5.1.1 基本雷达方程
第 5 章 雷达作用距离 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
(5.2.3)
第 5 章 雷达作用距离
对常用雷达波形来说, 信号功率是一个容易理解和测量的参
数, 但现代雷达多采用复杂的信号波形, 波形所包含的信号能量
往往是接收信号可检测性的一个更合适的度量。例如匹配滤波
器输出端的最大信噪功率比等于Er/No,其中Er为接收信号的能量, No为接收机均匀噪声谱的功率谱密度, 在这里以接收信ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ能量Er 来表示信号噪声功率比值。 从一个简单的矩形脉冲波形来看, 若
第 5 章 雷达作用距离
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
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
第 5 章 雷达作用距离
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
Pr
Ar S2
PtGtA (4R2 )2
(5.1.4)
第 5 章 雷达作用距离
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。
P2
S1
第 5 章 雷达作用距离
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
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。
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
得到由目标散射的功率(二次辐射功率)为
第 5 章 雷达作用距离
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