探測原理第五章20160413.ppt

1、探測原理,北京理工大學(xué)宇航學(xué)院,第五章 雷達(dá)探測,5.1.雷達(dá)技術(shù)及其發(fā)展 5.2.雷達(dá)探測機(jī)制 5.3.雷達(dá)的工作原理 5.4.雷達(dá)作用方程 5.5.雷達(dá)使用性能及其影響因素 5.6.雷達(dá)的生存與對抗 5.7.雷達(dá)導(dǎo)引頭工作原理,5.1 雷達(dá)技術(shù)技術(shù)及其發(fā)展,5.1.1. 雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展 5.1.2. 雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用 5.1.3. 雷達(dá)的分類,5.1.1 雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展,1864年，麥克斯韋提出了電磁理論，預(yù)見到電磁波的存在。 1886年，赫茲進(jìn)行了用人工方法產(chǎn)生電磁波的實(shí)驗(yàn)，通過 實(shí)踐證明了“無線電”的存在，驗(yàn)證了電磁波的發(fā)生、接 收和散射。 1903年，德國人威爾斯姆耶（Wilsmoy）

2、探測到了從船上反 射回來的電磁波。 1922年，馬可尼（Marconi）主張用短波無線電來探測物體。 他說：“電磁波是能夠被導(dǎo)體所反射的，可以在船舶上設(shè)置 一種裝置，向任何所需要的方向發(fā)射電磁波，若碰到導(dǎo)電物 體，它就會反射到發(fā)射電磁波的船上，由一個與發(fā)射機(jī)相隔 離的接收機(jī)接收，以此表明另一船舶是存在的，并進(jìn)而可以 確定其具體位置?！边@是最早比較完整地描述雷達(dá)概念的語 句。,1925年，約翰斯霍普金斯大學(xué)（Johns Hopkins University） 的G布賴特（GBreit）和M圖夫（MTuve），通過陰極射 線管觀測到了來自電離層的第一個短脈沖回波。 1935年，由英國人和德國人第一

3、次驗(yàn)證了對飛機(jī)目標(biāo)的短脈 沖測距。 1937年，由羅伯特沃森瓦特 （Robert Watson-Watt）設(shè)計 的第一部可使用的雷達(dá) “Chain Home”在英國建成。 致此，人類才找到了赫茲原 理的基本應(yīng)用。,5.1.1 雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展,二戰(zhàn)后，雷達(dá)技術(shù)獲得了巨大的發(fā)展。主要原因歸于兩個 非常重要的器件的發(fā)明：T/R（收/發(fā)）開關(guān)和磁控管。 收發(fā)開關(guān)使雷達(dá)的探測成功地從雙（多）基變成單基 雷達(dá)。也就是從收發(fā)分別用一個天線，到共用一個天 線。大大簡化了雷達(dá)系統(tǒng)。 磁控管的出現(xiàn)使雷達(dá)的探測功率大大提高，從而大大 提高了雷達(dá)的探測能力。,5.1.1 雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展,20世紀(jì)60年代以來，航空、航

4、天技術(shù)、飛機(jī)、導(dǎo)彈、人 造衛(wèi)星、宇宙飛船、反洲際彈道導(dǎo)彈系統(tǒng)等對雷達(dá)提出了 高精度、遠(yuǎn)距離、高分辨力及多目標(biāo)測量等要求。 技術(shù)上：如脈沖壓縮技術(shù)、單脈沖雷達(dá)、相控陣?yán)走_(dá)、 目標(biāo)識別、目標(biāo)成像、SAR、脈沖多普勒雷達(dá)體制的研制 成功使雷達(dá)能測量目標(biāo)的位置和相對運(yùn)動速度，并具有良 好的抑制地物干擾等的能力；,5.1.1 雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展,結(jié)構(gòu)工藝上：微波高功率放大管、微波接收機(jī)高頻系統(tǒng) 中許多低噪聲器件，如低噪聲行波管工量子放大器、參量 放大器、隧道二極管放大器等的應(yīng)用，使雷達(dá)接收機(jī)靈敏 度大為提高，增大了雷達(dá)作用距離；同時，由于雷達(dá)中數(shù) 字電路、計算機(jī)使用使雷達(dá)結(jié)構(gòu)組成和設(shè)計發(fā)生根本性的 變化。微

5、組裝工藝、系列化、標(biāo)準(zhǔn)化和模塊化設(shè)計，使雷 達(dá)結(jié)構(gòu)更合理，性能更靈活。 雷達(dá)的工作波長，從短波擴(kuò)展至毫米波、紅外線和紫外 線領(lǐng)域。在這個時期，微波全息雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、激光 雷達(dá)和超視距雷達(dá)相繼出現(xiàn)。,5.1.1 雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展,1992年第一次海灣戰(zhàn)爭中，美國首次應(yīng)用了安裝在E-8型 飛機(jī)上的空軍/陸軍聯(lián)合監(jiān)視目標(biāo)攻擊雷達(dá)系統(tǒng)（Joint STARS 或JSTARS）。在代號為“沙漠風(fēng)暴”的整個戰(zhàn) 爭期間，此系統(tǒng)探測、定位和跟蹤了價值很高的對方地面 上固定與運(yùn)動的目標(biāo)，如“飛毛腿”導(dǎo)彈發(fā)射架、行軍中 的部隊(duì)、渡河位置、后勤部隊(duì)位置、部隊(duì)集結(jié)區(qū)以及退卻 路線等，給聯(lián)軍的戰(zhàn)場空中指揮與控制中心提

6、供了重要信 息，對迅速進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)決策與指揮攻擊機(jī)實(shí)施打擊起了重要 作用。,5.1.1 雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展,聯(lián)合監(jiān)視目標(biāo)攻擊雷達(dá)系統(tǒng)是一部遠(yuǎn)距離（不小于250km） 空中對地面監(jiān)視的系統(tǒng)，可用來全天候?qū)Φ孛婺繕?biāo)定位、 分類與跟蹤、在己方空域內(nèi)，可探測與跟蹤對方領(lǐng)域內(nèi)前 線與后方縱深地區(qū)內(nèi)的行動；并且還對直升機(jī)、旋轉(zhuǎn)的天 線和大型慢速飛機(jī)有一定的探測能力。,5.1.1 雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展,從軍事需求上看，對新一代雷達(dá)提出的重點(diǎn)要求如下： 在更大空域范圍內(nèi)觀察多種目標(biāo)的能力。提高對雷達(dá) 截面積減小10-30dB的隱身目標(biāo)的能力； 提高雷達(dá)在惡劣環(huán)境下工作的可靠性/有效性和生存 能力； 提高雷達(dá)測量的分辨率和精

7、度，以適應(yīng)具有精確打擊 能力的各類作戰(zhàn)平臺的發(fā)展需要； 進(jìn)行目標(biāo)分類，識別和判別目標(biāo)屬性； 對地面（海面）與空中運(yùn)動目標(biāo)進(jìn)行高分辨率成像； 多部雷達(dá)組網(wǎng)，雷達(dá)信息進(jìn)入各類C3I系統(tǒng)和作戰(zhàn)平 臺的綜合能力。,5.1.1 雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展-雷達(dá)新技術(shù)發(fā)展,為滿足軍事日益增高的需求，雷達(dá)新技術(shù)不斷地得到發(fā) 展，主要表現(xiàn)如下： 雷達(dá)頻率的擴(kuò)展。工作頻率高端朝毫米波/紅外/激光雷達(dá)方向發(fā) 展，低端朝VHF/UHF和HF波段發(fā)展； 雷達(dá)目標(biāo)識別。根據(jù)雷達(dá)觀察數(shù)據(jù)和從雷達(dá)回波中提取的目標(biāo)信 息，對目標(biāo)進(jìn)行分類/識別，識別目標(biāo)屬性，區(qū)分真假目標(biāo)； 雷達(dá)成像技術(shù)。采用大的瞬時帶寬，可進(jìn)行目標(biāo)的高分辨率一維 成像，

8、同時采用合成孔經(jīng)雷達(dá)（SAR）和逆合成孔經(jīng)雷達(dá)（ISAR）； 相控陣天線技術(shù)。與相控陣天線相關(guān)的發(fā)射/接收組件，數(shù)字波 束形成技術(shù)，數(shù)字信號處理技術(shù)，自適應(yīng)波束形成技術(shù)； 先進(jìn)的信號處理與數(shù)據(jù)處理技術(shù)。,5.1.1 雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展-雷達(dá)新技術(shù)發(fā)展,軍用,預(yù)警雷達(dá)（發(fā)現(xiàn)洲際導(dǎo)彈，盡早地發(fā)出預(yù)警警報）,搜索和警戒雷達(dá)（發(fā)現(xiàn)飛機(jī)）,引導(dǎo)指揮雷達(dá)（殲擊機(jī)的引導(dǎo)和指揮作戰(zhàn)）,火控雷達(dá) （控制火炮或?qū)棇罩心繕?biāo)進(jìn)行瞄準(zhǔn)）,戰(zhàn)場監(jiān)視雷達(dá)（坦克或軍車）,機(jī)載雷達(dá)、無線電測高儀、雷達(dá)引信。,民用,氣象雷達(dá),航空管制雷達(dá)（一、二次雷達(dá)）,宇宙航行雷達(dá),遙感設(shè)備,5.1.2 雷達(dá)技術(shù)的應(yīng)用,按雷達(dá)作用分類：總的來

9、說，分為軍用雷達(dá)與民用雷達(dá) 兩大類。 按信號形式分類 按信號處理方式分類 按天線波束掃描方式分類 按測量的目標(biāo)參數(shù)分類 按工作頻段分類,5.1.3 雷達(dá)的分類,軍用雷達(dá)又可根據(jù)雷達(dá)安放地點(diǎn)或雷達(dá)所在平臺分成地 面雷達(dá)、艦載雷達(dá)、機(jī)載雷達(dá)和星載雷達(dá)等。每一種雷達(dá) 可按作用或擔(dān)負(fù)的任務(wù)進(jìn)行細(xì)分。 地面雷達(dá)又可按其功能分為對空監(jiān)視雷達(dá)、引導(dǎo)與目 標(biāo)指示雷達(dá)、衛(wèi)星監(jiān)視與導(dǎo)彈預(yù)警雷達(dá)、超視距雷達(dá)、 火控雷達(dá)、導(dǎo)彈制導(dǎo)雷達(dá)和精密跟蹤測量雷達(dá)等。 機(jī)載雷達(dá)則包括機(jī)載預(yù)警雷達(dá)、機(jī)載火控雷達(dá)、轟炸 雷達(dá)、機(jī)載測高雷達(dá)、機(jī)載氣象雷達(dá)、機(jī)載空中偵察 雷達(dá)等。,5.1.3 雷達(dá)的分類,在民用雷達(dá)中，按作用劃分，有空中

10、交通管制雷達(dá)、內(nèi) 河與港口管制雷達(dá)和氣象雷達(dá)等。對其中的每種雷達(dá)還可 進(jìn)行細(xì)分。例如，空中交通管制雷達(dá)中又包括航路管制雷 達(dá)、進(jìn)場雷達(dá)等。,5.1.3 雷達(dá)的分類,按雷達(dá)信號是脈沖信號還是連續(xù)波信號可分成脈沖雷達(dá) 與連續(xù)波雷達(dá)。脈沖雷達(dá)可按不同的雷達(dá)信號調(diào)制方式進(jìn) 一步分成例如脈沖壓縮雷達(dá)、噪聲雷達(dá)和頻率捷變雷達(dá)等。 采用調(diào)頻連續(xù)波(FMCW)信號的雷達(dá)稱為調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)。 采用相參信號與非相參信號的雷達(dá)則分別稱為相參雷達(dá) 與非相參雷達(dá)。 按信號瞬時帶寬的寬窄，雷達(dá)又可分為窄帶雷達(dá)或?qū)拵?雷達(dá)。,5.1.3 雷達(dá)的分類,如動目標(biāo)顯示雷達(dá)、脈沖多普勒(PD)雷達(dá)、頻率分集雷 達(dá)、極化分集雷達(dá)和合

11、成孔徑雷達(dá)等，都是以它們信號 處理方式的特點(diǎn)來取名的。,5.1.3 雷達(dá)的分類,按天線波束掃描方式分類，雷達(dá)可分為機(jī)械掃描雷達(dá)與 電掃描雷達(dá)兩大類。,5.1.3 雷達(dá)的分類,兩坐標(biāo)、三坐標(biāo)雷達(dá)是以測量目標(biāo)坐標(biāo)位置(方位、距離；仰角、距離；方位、仰角、距離)命名的。 除測量方位、仰角、距離外還能測量目標(biāo)速度的雷達(dá)，在有的文獻(xiàn)中稱為四維雷達(dá)。按測量參數(shù)分類的雷達(dá)還有：測高雷達(dá)、測速雷達(dá)、目標(biāo)識別雷達(dá)和敵我識別雷達(dá)等。,5.1.3 雷達(dá)的分類,按工作頻段分類，這類雷達(dá)有短波雷達(dá)、米波雷達(dá)、分米波雷達(dá)、微波雷達(dá)和毫米波雷達(dá)等。,5.1.3 雷達(dá)的分類,5.2 雷達(dá)探測機(jī)制,5.2.1. 雷達(dá)探測原理

12、5.2.2. 雷達(dá)的基本組成 5.2.3. 雷達(dá)工作波段,5.2.1雷達(dá)探測原理,雷達(dá)的英文名稱為Radar(Radio Detection and Ranging)， 含義是用無線電方法對目標(biāo)進(jìn)行探測和測距。 雷達(dá)最基本的任務(wù)有兩個，一是發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的存在，二是 測量目標(biāo)的參數(shù)，前者稱為雷達(dá)檢測，后者稱為雷達(dá)參數(shù) 提取或參數(shù)估值。 雷達(dá)問世之初，主要的觀察目標(biāo)是飛機(jī)。發(fā)現(xiàn)飛機(jī)目標(biāo) 的過程是：雷達(dá)發(fā)射機(jī)向空間發(fā)射電磁波，電磁波遇到飛 機(jī)目標(biāo)時，一小部分能量被反射回接收機(jī)，接收機(jī)接收到 從目標(biāo)反射回來的回波信號，如果它超過一定的門限電壓 值，就稱為探測到了或是發(fā)現(xiàn)了目標(biāo)，由電波傳播的往返 時間即可獲

13、得雷達(dá)至目標(biāo)的距離。,狹義： 利用電磁波受目標(biāo)反射的現(xiàn)象來探測目標(biāo)物體的方向和距離,廣義： 利用無線電方法來探測目標(biāo)物體的方向和距離,5.2.2 雷達(dá)的基本組成,雷達(dá)是用無線電方法發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并測定它們在空間的位置。 現(xiàn)代雷達(dá)的任務(wù)不僅是測量目標(biāo)的距離、方位和仰角，而 且還包括測量目標(biāo)速度，以及從目標(biāo)回波中獲取更多有關(guān) 目標(biāo)的信息。,圖5.1 雷達(dá)的基本組成框圖,5.2.2 雷達(dá)的基本組成,雷達(dá)的基本組成框圖,基本概念回顧,電磁波譜,5.2.2 雷達(dá)的基本組成,圖5.2 典型脈沖雷達(dá)組成框圖,典型脈沖雷達(dá)的基本組成框圖如圖5.2所示。,定時器：產(chǎn)生定時觸發(fā)脈沖，送到發(fā)射機(jī)、顯示器等各雷達(dá)分系統(tǒng)，控

14、制雷達(dá)全機(jī)同步工作。 發(fā)射機(jī)：在觸發(fā)脈沖控制下產(chǎn)生射頻脈沖進(jìn)行發(fā)射。對于高性能相參雷達(dá)，發(fā)射機(jī)實(shí)際上是一個雷達(dá)信號的功率放大鏈，它將來自高穩(wěn)定頻率綜合器的信號進(jìn)行調(diào)制和放大，使信號功率達(dá)到需要的電平。 收/發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)：在發(fā)射期間將發(fā)射機(jī)與天線接通，斷開接收機(jī)，而在其余時間將天線與接收機(jī)接通，斷開發(fā)射機(jī)。對于收、發(fā)共用一副天線的雷達(dá)來說，必須具有收/發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)。 天線：將發(fā)射機(jī)輸出的電磁波形成波束，實(shí)現(xiàn)定向輻射和接收自目標(biāo)反射回來的電磁波。天線具有很強(qiáng)的方向性，以便集中輻射能量獲得較大的觀測距離。,5.2.2 雷達(dá)的基本組成,接收機(jī)：把微弱的回波信號放大到足以進(jìn)行信號處理的電平，同時盡量減小接收

15、機(jī)的內(nèi)部噪聲，以保證接收機(jī)的高靈敏度。即將回波信號放大、濾波，并變換成視頻回波脈沖，然后送入顯示器。 顯示器：雷達(dá)終端設(shè)備之一，用來顯示目標(biāo)回波、指示目標(biāo)位置，是操作員用以操作、控制雷達(dá)工作的主要裝置之一。 伺服裝置(亦稱天線控制裝置)：控制天線轉(zhuǎn)動，使雷達(dá)的機(jī)械掃描天線波束依照一定的方式在空間掃描。 信號處理機(jī)：消除不需要的信號（如雜波）及干擾，處理或加強(qiáng)由目標(biāo)產(chǎn)生的回波信號。信號處理是在做出檢測判決之前完成的。,5.2.2 雷達(dá)的基本組成,米波段：對空警戒雷達(dá)。 分米波段：對空監(jiān)視雷達(dá)、艦載雷達(dá)，可目標(biāo)跟蹤。 厘米波段：武器火控系統(tǒng)，體積小、精度高。 毫米波段：機(jī)載雷達(dá)，天線小、精度高、分

16、辨率高。 激光波段：多用于測距和測繪系統(tǒng)。良好的距離和角度分辨力。,雷達(dá)一般工作在超短波或微波波段。這是由于波長越小，目標(biāo)面積與波長的比值就越大，波的反射越強(qiáng)。 高空的電離層對短波具有反射作用，頻率超過30兆赫以上的超短波就穿過電離層直上太空，可避免電離層對無線電波反射作用的影響。所以，雷達(dá)必須工作在超短波或微波波段才能有效地發(fā)揮作用，探測到目標(biāo)。,5.2.3 雷達(dá)工作波段,電磁波波長與頻率之間的關(guān)系為： 不同用途的雷達(dá)工作在不同的頻率上。目前常用的頻段 符號見下表。,5.2.3 雷達(dá)工作波段,5.2.3 雷達(dá)工作波段-常用頻段符號與雷達(dá)用途,表5.2 常用頻段符號與雷達(dá)用途,最早的雷達(dá)使用的

17、是米波，這一波段被稱為P波段（P為Previous的縮寫，即英語“以往”的字頭）。 后來用于搜索雷達(dá)的電磁波波長為23cm，這一波段被定義為L波段（英語Long的字頭），后來這一波段的中心波長變?yōu)?2cm。 當(dāng)波長為10cm的電磁波被使用后，其波段被定義為S波段(英語Short的字頭，意為比原有波長短的電磁波）。 在主要使用3cm電磁波的火控雷達(dá)出現(xiàn)后，3cm波長的電磁波被稱為X（/ka/）波段，因?yàn)閄代表座標(biāo)上的某點(diǎn)。 為了結(jié)合X波段和S波段的優(yōu)點(diǎn)，逐漸出現(xiàn)了使用中心波長為5cm的雷達(dá)，該波段被稱為C波段（即Compromise，英語“妥協(xié)、折衷”一詞的字頭）。,5.2.3 雷達(dá)工作波段-關(guān)

18、于雷達(dá)波段,在英國人之后，德國人也開始獨(dú)立開發(fā)自己的雷達(dá)，他們選擇1.5cm作為自己雷達(dá)的中心波長。這一波長的電磁波就被稱為K波段。 二戰(zhàn)期間，德國人發(fā)現(xiàn)其特有的“精確性”選擇的波長容易被水蒸氣強(qiáng)烈吸收。結(jié)果這一波段的雷達(dá)不能在雨中和有霧的天氣使用。 戰(zhàn)后設(shè)計的雷達(dá)為了避免這一吸收峰，通常使用比K波段波長略長（Ka，即英語Kabove的縮寫，意為在K波段之上）和略短（Ku，即英語Kunder的縮寫，意為在K波段之下）的波段。,5.2.3 雷達(dá)工作波段-關(guān)于雷達(dá)波段,5.3 雷達(dá)的工作原理,5.3.1. 雷達(dá)的基本工作原理 5.3.2. 測量目標(biāo)位置的方法 5.3.3. 雷達(dá)的主要戰(zhàn)術(shù)參數(shù)（應(yīng)用

19、參數(shù)） 5.3.4. 目標(biāo)及其發(fā)現(xiàn) 5.3.5. 雷達(dá)的主要戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo),在雷達(dá)應(yīng)用中，測定目標(biāo)坐標(biāo)常采用極（球）坐標(biāo)系統(tǒng)，如圖所示。空間任一目標(biāo)P所在位置可用下列三個坐標(biāo)確定： 目標(biāo)的斜距R雷達(dá)到目標(biāo)的直線距離OP； 方位角目標(biāo)斜距R在水平面上的投影OB與某一起始方向（正北、正南或其它參考方向）在水平面上的夾角； 仰角斜距R與它在水平面上的投影OB在鉛垂面上的夾角，有時也稱為傾角或高低角。,5.3.1 雷達(dá)的基本工作原理,5.3.1 雷達(dá)的基本工作原理,圖5.5 目標(biāo)位置的極坐標(biāo)表示,目標(biāo)的位置如圖所示，是由目標(biāo)的斜距R、方位角和俯 仰角三個坐標(biāo)決定的。,5.3.2 測量目標(biāo)位置的方法,圖5

20、.6 目標(biāo)的位置圖,目標(biāo)距離的測量-目標(biāo)斜距的測量 雷達(dá)到目標(biāo)的距離是由電磁波從發(fā)射到接收所需的時間來確定的，假如這個來回傳播時間為t，而電磁波是以恒定的光速c傳播的，則雷達(dá)到目標(biāo)的距離R為： 式中時間t為來回傳播時間，以秒(s)計；距離以米(m)計；,c=3108m/s,5.3.2 測量目標(biāo)位置的方法,目標(biāo)角位置的測量 目標(biāo)角指方位角或仰角，這兩個角位置的測量基本上是利用天線的方向性來實(shí)現(xiàn)。,5.3.2 測量目標(biāo)位置的方法, 最大回波法的測角原理：在波束掃描過程中，只有當(dāng)波束的軸線對準(zhǔn)目標(biāo)，也就是天線法向?qū)?zhǔn)目標(biāo)時，回波才能最大。當(dāng)回波最大時，天線位置傳感器(如光電軸角編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、同

21、步電機(jī)和電容傳感器等)所指示的方位角即為目標(biāo)的方位角。,目標(biāo)角位置的測量 順序比較法：利用相互交叉的兩個波束左右交替掃描照射目標(biāo)，只有天線方向軸對準(zhǔn)目標(biāo)時，左右兩波束接收的回波強(qiáng)度才相等。兩波束接收的回波強(qiáng)度相等時天線所指方位角就是目標(biāo)的方位角。 單脈沖測角法：利用相互覆蓋的兩個接收波束同時對它們所收到的信號進(jìn)行幅度比較，采用內(nèi)插方法得到目標(biāo)角度位置的方法。該方法在大多數(shù)精密跟蹤雷達(dá)中獲得了廣泛的應(yīng)用。,5.3.2 測量目標(biāo)位置的方法,目標(biāo)角位置的測量 對大多數(shù)兩坐標(biāo)雷達(dá)來說，雷達(dá)天線在方位上作機(jī)械旋轉(zhuǎn)，天線波束在方位上掃描。當(dāng)天線波束掃過目標(biāo)時，雷達(dá)回波在時間順序上從無到有，由小變大，再由大

22、變小，然后消失，天線波束形狀對雷達(dá)回波幅度進(jìn)行了調(diào)制。,5.3.2 測量目標(biāo)位置的方法,波束在垂直方向掃描，用上述方法同樣可以測定目標(biāo)的俯仰角。,測量空間目標(biāo)相對于地面站角度的方法分為兩大類：相位法和振幅法。 相位法測角(平面波) 利用目標(biāo)回波信號相位差別進(jìn)行測角的方法叫相位法測角。下圖為相位法測角的示意圖。,5.3.2 測量目標(biāo)位置的方法,圖5.7 相位法測角示意圖,振幅法測角（三種） 最大信號法 等信號法 最小信號法,5.3.2 測量目標(biāo)位置的方法,最大信號法-振幅法測角 以波束軸對準(zhǔn)目標(biāo)接收到最大回波時的角度作為目標(biāo)的角坐標(biāo)。 最大信號法測角的優(yōu)點(diǎn)是測角過程簡單， 缺點(diǎn)是測角準(zhǔn)確度不高，

23、一般只能達(dá)到 波束寬度的1025。 由于天線波束方向圖在最大值附近比較 平坦，變化率很小，因此目標(biāo)在軸線左 右，回波強(qiáng)度變化緩慢，不易判別，所 以目標(biāo)的角度不易測準(zhǔn)。,5.3.2 測量目標(biāo)位置的方法-振幅法測角,等信號法 在等信號法中，兩個波束可同時存在，也可交替出現(xiàn)。 兩套天線接收系統(tǒng)同時工作，叫做同時（瞬時）波瓣法； 兩套天線輪流工作或用最大輻射方向偏離等信號線一個角度的波束旋轉(zhuǎn)來得到，叫做順序波瓣法。 等信號法的優(yōu)點(diǎn)是測角精度較高，收發(fā)天線分開時，測角精度比最大信號法約提高6倍，比收發(fā)天線共用時約提高12倍。 它的缺點(diǎn)是天線設(shè)備比較復(fù)雜；另外由于等信號軸方向不是波束最大方向，在發(fā)射功率同

24、樣的情況下，它的作用距離比最大信號法的作用距離要近些。,5.3.2 測量目標(biāo)位置的方法 -振幅法測角,最小信號法 最小信號法測角從理論上說具有較 高的精度，因?yàn)樵诜较驁D的零點(diǎn)附 近變化率最大，但實(shí)際上由于噪聲干擾不可能得到高的測角精度；另外當(dāng)方向?qū)?zhǔn)目標(biāo)時方向圖的最小目標(biāo)回波消失，從而失去了測距的可靠性，作用距離不遠(yuǎn)；也不能進(jìn)行自動測角。 雷達(dá)中很少用這種測角方法來測目標(biāo)的方位角，只是在波長較長（如米波）的雷達(dá)中，由于天線波束較寬，垂直瓣受地面反射的影響發(fā)生分裂，形成多瓣，可利用垂直波瓣的零方向來粗略地測目標(biāo)的仰角。,5.3.2 測量目標(biāo)位置的方法 -振幅法測角,目標(biāo)高度的測量 目標(biāo)高度的測量

25、如圖所示，它是以測距和測仰角原理為基礎(chǔ)的，目標(biāo)高度H同斜距R和仰角之間的關(guān)系是 由上式可見，測出目標(biāo)的斜距R和仰角 ，可計算出目標(biāo)的高度。不過，由于地面是彎曲的，計算出的高度還要進(jìn)行修正。這時高度H應(yīng)表示為 式中，h是雷達(dá)天線高度； 為地球曲率半徑；,5.3.2 測量目標(biāo)位置的方法,圖5.8 目標(biāo)的高度示意圖,目標(biāo)軌跡的測量 對于運(yùn)動目標(biāo)，通過多次測量目標(biāo)的距離、角度參數(shù)，可以描繪出目標(biāo)的飛行軌跡。利用目標(biāo)的軌跡參數(shù)，雷達(dá)能夠預(yù)測下一個時刻目標(biāo)所在的位置。對于彈道目標(biāo)，可以據(jù)此預(yù)測彈著點(diǎn)、彈著時間和發(fā)射點(diǎn)。,5.3.2 測量目標(biāo)位置的方法,目標(biāo)尺寸和形狀的測量 當(dāng)雷達(dá)測量具有足夠高的分辨率，可

26、以提供目標(biāo)尺寸的測量。當(dāng)雷達(dá)和目標(biāo)有相對運(yùn)動時，可以利用多普勒效應(yīng)切向距維的分辨率。此外，比較目標(biāo)對不同極化波的散射場，可以提供目標(biāo)形狀不對稱性的量度。復(fù)雜目標(biāo)的回波振幅隨時間會變化，可通過譜分析檢測到，這些信息為目標(biāo)識別提供了相應(yīng)的基礎(chǔ)。,5.3.2 測量目標(biāo)位置的方法,目標(biāo)徑向速度的測量 方法有兩種： 距離變化率直接求速度； 多普勒頻移求速度。 單向多普勒測速 雙向多普勒測速 如果由地面三個或三個以上已知位置的測量站分別測出目標(biāo)相對于各測量站的徑向速度，且已知目標(biāo)在該時刻的位置，則由3RR定位方法可求得目標(biāo)速度的大小及方向。,5.3.2 測量目標(biāo)位置的方法-相對速度的測量,多普勒雷達(dá)回波信

27、號頻譜 由于多普勒效應(yīng)，從運(yùn)動目標(biāo)反射回來的回波信號頻率與發(fā)射信號頻率相比，增加了一個多普勒頻率偏移成分，下圖是多普勒雷達(dá)回波信號頻譜。測量回波信號的多普勒頻移，可得到目標(biāo)速度信息Vr： 式中為fd為多普勒頻移，為雷達(dá)信號波長。目標(biāo)面對雷達(dá)飛行，多普勒頻率為正，當(dāng)目標(biāo)背向雷達(dá)飛行，多普勒頻率為負(fù)。,5.3.2 測量目標(biāo)位置的方法-相對速度的測量,圖5.9 多普勒雷達(dá)回波信號頻譜,多普勒雷達(dá)回波信號頻譜 UHF 頻段fd為多普勒頻移在10Hz100Hz范圍，HF頻段多普勒頻移1Hz10Hz，我們可以估算UHF頻段多普勒雷達(dá)頻率準(zhǔn)確度約在108109，HF頻段多普勒雷達(dá)頻率準(zhǔn)確度約在107108，

28、此時AWG需要外接標(biāo)頻。,5.3.2 測量目標(biāo)位置的方法-相對速度的測量,圖5.9 多普勒雷達(dá)回波信號頻譜,雷達(dá)用途； 雷達(dá)威力范圍：它由最大作用距離、最小作用距離、最大仰角及方位角范圍決定； 分辨率：能區(qū)分兩個點(diǎn)目標(biāo)之間的最小距離R與最小角度； 數(shù)據(jù)率：單位時間內(nèi)雷達(dá)所能提供對一個目標(biāo)數(shù)據(jù)的次數(shù)，即雷達(dá)對整個威力范圍內(nèi)完成一次搜索所需時間的倒數(shù)。 跟蹤速度：自動跟蹤雷達(dá)連續(xù)跟蹤運(yùn)動目標(biāo)的最大可能速度； 抗干擾能力：雷達(dá)通常在各種自然干擾和人為干擾的的條件下工作的能力； 雷達(dá)的準(zhǔn)確度及精密度。,5.3.3 雷達(dá)的主要戰(zhàn)術(shù)參數(shù)（應(yīng)用參數(shù)）,目標(biāo)是雷達(dá)觀測的對象。 雷達(dá)發(fā)射的電磁波，在傳播時遇見目

29、標(biāo)，部分能量被目標(biāo)吸收，轉(zhuǎn)化為熱而消耗了，另一部分被目標(biāo)所重新輻射。 目標(biāo)重新輻射，可認(rèn)為是沒有方向性的，這一重新輻射的能量，將有一小部分被接收天線所截獲進(jìn)入接收機(jī)，從而發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。所以，雷達(dá)接收機(jī)一定是對弱信號的處理， SNR的概念與蜂窩通信理論截然不同。,5.3.4 目標(biāo)及其發(fā)現(xiàn),5.3.4.1 目標(biāo) 5.3.4.2 發(fā)現(xiàn),目標(biāo)的回波信號與目標(biāo)本身信息的對應(yīng)關(guān)系可以簡單的歸納如下： 反射信號的存在代表著目標(biāo)的存在； 信號的時延代表著目標(biāo)與雷達(dá)發(fā)射機(jī)有一定的距離； 目標(biāo)的多普勒頻移代表著目標(biāo)的徑向速度； 回波波前的法向方向代表著目標(biāo)的角度信息； 幅度對空間的變化率可以反映出目標(biāo)的形狀； 幅度對

30、時間的變化率可以反映出目標(biāo)的自旋特征； 幅度對頻率的變化率可以反映出目標(biāo)的大小和體積。,5.3.4.1 目標(biāo),57,自然界中的物體是否屬于雷達(dá)目標(biāo)要視雷達(dá)的任務(wù)而定。 一般說，希望觀測的物體都可稱為雷達(dá)目標(biāo)，如對搜索和跟蹤雷達(dá)來說，導(dǎo)彈、飛機(jī)、艦船等是雷達(dá)目標(biāo)； 而對測繪雷達(dá)來說，地形、建筑物、橋梁等都是雷達(dá)目標(biāo)； 雨、雪、云霧等氣象微粒則是氣象雷達(dá)目標(biāo)。 凡是不希望觀測的物體都不能叫雷達(dá)目標(biāo)，這些物體的回波稱為干擾背景或雜波。 因此，為了盡可能保證雷達(dá)在各種環(huán)境中具有很好的性能，必須對不同的環(huán)境引起的雜波特性進(jìn)行研究，以便濾除這些雜波。,5.3.4.1 目標(biāo),由于噪聲的存在，判定是否有目標(biāo)，

31、并不是絕對，也就是說，目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)應(yīng)以概率的大小來度量。 在判斷的過程中，有目標(biāo)存在，監(jiān)測器判定有目標(biāo)，這種事件發(fā)生的概率叫做發(fā)現(xiàn)概率； 沒有目標(biāo)只有噪聲存在，監(jiān)測器也判定有目標(biāo)，這種錯誤事件發(fā)生的概率叫做虛警概率。 對檢測器來說，希望有較高的發(fā)現(xiàn)概率和較低的虛警概率。 發(fā)現(xiàn)概率和虛警概率是信號檢測中兩個重要的性能指標(biāo)。,5.3.4.2 發(fā)現(xiàn),5.3.5 雷達(dá)的主要戰(zhàn)術(shù)技術(shù)指標(biāo),5.3.5.1 戰(zhàn)術(shù)指標(biāo) 5.3.5.2 技術(shù)指標(biāo),雷達(dá)戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)主要由功能決定，合理地確定完成特定任 務(wù)的雷達(dá)戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)，在很大程度上決定了雷達(dá)的性能、研 制周期和生產(chǎn)成本。因此，這是研制方和使用方共同關(guān)心 的問題。,5.

32、3.5.1 戰(zhàn)術(shù)指標(biāo),觀察空域 包括雷達(dá)方位觀察空域(例如，兩坐標(biāo)監(jiān)視雷達(dá)要求在 360范圍內(nèi)均能觀察)、仰角觀察空域(例如，對于監(jiān)視 雷達(dá)，仰角監(jiān)視范圍多取O30)、最大探測高度 (Hmax)、最大作用距離(Rmax)和最小作用距離(Rmin)等。圖 中所示(1ft=0.305m)的雷達(dá)威力圖是一種對指定雷達(dá)截面 積的目標(biāo)以雷達(dá)可探測到目標(biāo)的距離和高度作為參數(shù)描述 觀察空域的方便形式。,5.3.5.1 戰(zhàn)術(shù)指標(biāo),5.3.5.1 戰(zhàn)術(shù)指標(biāo),觀察時間與數(shù)據(jù)率 這是指雷達(dá)用于搜索整個空域的時間，它的倒數(shù)稱為搜 索數(shù)據(jù)率。對同一目標(biāo)相鄰兩次跟蹤間隔時間的倒數(shù)稱為 跟蹤數(shù)據(jù)率。 測量精度 這是指雷達(dá)所

33、測量目標(biāo)的坐標(biāo)與其真實(shí)值的偏離程度，即 指兩者的誤差。誤差越小，精度就越高。測量精度取決于 系統(tǒng)誤差與隨機(jī)誤差。,5.3.5.1 戰(zhàn)術(shù)指標(biāo),分辨力 這是指雷達(dá)對位置接近的兩個點(diǎn)目標(biāo)的區(qū)分能力。其中距 離分辨力是指在同一方向上兩個點(diǎn)目標(biāo)之間的最小可區(qū)分 距離，而角度分辨力是指在相同距離上不同方向兩個點(diǎn)目 標(biāo)之間的可區(qū)分程度。除位置分辨力外，對于測速雷達(dá)， 還有速度分辨力要求。,5.3.5.1 戰(zhàn)術(shù)指標(biāo),抗干擾能力 這是指雷達(dá)在干擾環(huán)境中能夠有效地檢測目標(biāo)和獲取目標(biāo) 參數(shù)的能力。通常雷達(dá)都是在各種自然干擾和人為干擾條 件下工作的。這些干擾包括人為施放的有源干擾和無源干 擾、近處電子設(shè)備的電磁干擾以

34、及自然界存在的地物、海 浪和氣象等干擾。對雷達(dá)的抗干擾能力一般從兩個方面來 描述。一是采取了哪些抗干擾措施，使用了何種抗干擾電 路；二是以具體數(shù)值表達(dá)，如動目標(biāo)改善因子的大小、接 收天線副瓣電平的高低、頻率捷變的響應(yīng)時間、頻率捷變 的跳頻點(diǎn)數(shù)等。,5.3.5.1 戰(zhàn)術(shù)指標(biāo),觀察與跟蹤的目標(biāo)數(shù) 數(shù)據(jù)的錄取與傳輸能力 工作可靠性與可維修性 工作環(huán)境條件 抗核爆炸和抗轟炸能力 機(jī)動性,5.3.5.1 戰(zhàn)術(shù)指標(biāo),天饋線性能 主要包括天線孔徑、天線增益、天線波瓣寬度、天線波束 的副瓣電平、極化形式、饋線損耗和天饋線系統(tǒng)的帶寬等。 雷達(dá)信號形式 主要包括信號頻率、脈沖重復(fù)頻率、脈沖寬度、脈沖串的 長度和信

35、號帶寬等。 發(fā)射機(jī)性能 主要包括峰值功率、平均功率、脈寬功率放大鏈總增益、 發(fā)射機(jī)末級效率和發(fā)射機(jī)總效率等。有的雷達(dá)還對發(fā)射信 號的頻譜和二次、三次諧波的功率電平等提出了要求。,5.3.5.2 技術(shù)指標(biāo),接收機(jī)性能 主要包括接收系統(tǒng)噪聲溫度(或噪聲系數(shù))和接收機(jī)動態(tài)范 圍等。 測角方式 雷達(dá)信號處理 主要包括諸如動目標(biāo)顯示或動目標(biāo)檢測(MTD)的系統(tǒng)改善 因子、脈沖多普勒濾波器的實(shí)現(xiàn)方式與運(yùn)算速度要求、恒 虛警率(CFAR)處理和視頻積累方式等。 雷達(dá)數(shù)據(jù)處理能力 主要包括對目標(biāo)的跟蹤能力、二次解算能力、數(shù)據(jù)的變換 及輸入輸出能力。,5.3.5.2 技術(shù)指標(biāo),5.4 雷達(dá)作用方程,5.4.1.

36、 自由空間雷達(dá)方程 5.4.2. 目標(biāo)的雷達(dá)截面積（了解） 5.4.3. 最小可檢測信號 5.4.4. 傳播過程中各種因素的影響,天線增益定義：在相同輸入功率的條件下，天線在最大方向上產(chǎn)生的功率密度與理想點(diǎn)源天線（無方向性理想天線）在同一點(diǎn)產(chǎn)生的功率密度的比值，即為該天線的增益系數(shù)。,5.4.1 自由空間雷達(dá)方程基本雷達(dá)方程,天線增益與面積的關(guān)系為：,則：在雷達(dá)與目標(biāo)連線方向 距雷達(dá)天線R遠(yuǎn)處的雷達(dá) 輻射功率密度為,設(shè)：雷達(dá)發(fā)射功率為 天線的增益為,j,5.4.1 自由空間雷達(dá)方程方程基本形式的推導(dǎo),設(shè)： 目標(biāo)散射面積為 目標(biāo)將接收到的功率無損耗地輻射出去 則：目標(biāo)二次輻射功率為：,目標(biāo)受到發(fā)

37、射電磁波的照射，因其散射特性而將產(chǎn)生散射 回波。散射功率的大小顯然和目標(biāo)所在點(diǎn)的發(fā)射功率密度 以及目標(biāo)特性有關(guān)。用目標(biāo)的散射截面積 來表征其散射 特性。若假定目標(biāo)可將接收到的功率無損耗地輻射出來， 則可得到由目標(biāo)散射的功率(二次輻射功率)。,5.4.1 自由空間雷達(dá)方程方程基本形式的推導(dǎo),又假設(shè) 均勻地輻射，則在接收天線處收到的回波功率密 度為: 如果雷達(dá)接收天線的 有效接收面積為 ， 則在雷達(dá)接收處接收 回波功率為 ：,5.4.1 自由空間雷達(dá)方程基本雷達(dá)方程,由天線理論知道，天線增益和有效面積之間有以下關(guān)系： 式中， 為所用波長，則接收回波功率可寫成如下形式： 單基地脈沖雷達(dá)通常是收發(fā)共用

38、天線，即： 將此關(guān)系式代入以上兩式即可得到：,或者,5.4.1 自由空間雷達(dá)方程基本雷達(dá)方程,可以看出：接收的回波功率 反比于目標(biāo)與雷達(dá)站間的 距離R的四次方，這是因?yàn)橐淮卫走_(dá)中，反射功率經(jīng)過往 返雙倍的距離路程，能量衰減很大。接收到的功率 必須 超過最小可檢測信號功率 ，雷達(dá)才能可靠地發(fā)現(xiàn)目標(biāo)， 當(dāng) 正好等于 時，就可得到雷達(dá)檢測該目標(biāo)的最大作 用距離 。因?yàn)槌^這個距離，接收的信號功率 進(jìn)一 步減小，因此不能可靠地檢測到該目標(biāo)。它們的關(guān)系式可 以表達(dá)為:,5.4.1 自由空間雷達(dá)方程基本雷達(dá)方程,根據(jù)接收機(jī)信號檢測理論 當(dāng) 時，雷達(dá)才能可靠地發(fā)現(xiàn)目標(biāo) 當(dāng) 時，雷達(dá)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的距離Rmax 當(dāng)

39、 時，雷達(dá)不能檢測目標(biāo),5.4.1 自由空間雷達(dá)方程基本雷達(dá)方程,雷達(dá)方程的兩種基本形式,它表明了作用距離和雷達(dá)參數(shù)以及目標(biāo)特性間的關(guān)系,5.4.1 自由空間雷達(dá)方程基本雷達(dá)方程,由方程得出的主要結(jié)論:,與發(fā)射機(jī)輸出脈沖功率的四次方根成正比 與接收機(jī)靈敏度的四次方根成反比 或 與天線增益或有效接收面積的平方根成正比,5.4.1 自由空間雷達(dá)方程基本雷達(dá)方程,與目標(biāo)截面積的四次方根成正比 與 有關(guān),當(dāng) 時，呈反比關(guān)系 當(dāng) 時，呈正比關(guān)系,5.4.1 自由空間雷達(dá)方程基本雷達(dá)方程,由方程得出的主要結(jié)論:,當(dāng)天線面積不變時，波長增加時天線增益下降，導(dǎo)致作 用距離減??；而當(dāng)天線增益不變時，波長增大時要

40、求的天 線面積亦相應(yīng)加大，有效面積增加，其結(jié)果是作用距離加 大。雷達(dá)的工作波長是整機(jī)的主要參數(shù)，它的選擇將影響 到諸如發(fā)射功率、接收靈敏度、天線尺寸、測量精度等眾 多因素，因而要全面權(quán)衡。 雷達(dá)方程雖然給出了作用距離和各參數(shù)間的定量關(guān)系， 但因未考慮設(shè)備的實(shí)際損耗和環(huán)境因素，而且方程中還有 兩個不可能準(zhǔn)確預(yù)定的量：目標(biāo)有效反射面積 和最小可 檢測信號 ，因此它常用來作為一個估算的公式，考察 雷達(dá)各參數(shù)對作用距離影響的程度。,5.4.1 自由空間雷達(dá)方程基本雷達(dá)方程,用信噪比表示雷達(dá)方程,與接收機(jī)的噪聲系數(shù)以及顯示器的識別系數(shù)的 四次方根成反比。,5.4.1 自由空間雷達(dá)方程基本雷達(dá)方程,方程的

41、其他形式:,提高作用距離的實(shí)質(zhì)是提高雷達(dá)發(fā)射機(jī)輻射信 號的能量。,5.4.1 自由空間雷達(dá)方程基本雷達(dá)方程,方程的其他形式:,用能量信號表示雷達(dá)方程,二次雷達(dá)方程目標(biāo)上裝有應(yīng)答器 目標(biāo)應(yīng)答器收到雷達(dá)信號后，轉(zhuǎn)發(fā)特定的應(yīng)答信號。 雷達(dá)利用應(yīng)答信號來發(fā)現(xiàn)和跟蹤目標(biāo)。,二次雷達(dá)的特點(diǎn) 雷達(dá)收到的回波信號只經(jīng)過單程傳播。 二次雷達(dá)系統(tǒng)能可靠地工作 應(yīng)答器能收到雷達(dá)信號 雷達(dá)能檢測應(yīng)答器轉(zhuǎn)發(fā)的信號,5.4.1 自由空間雷達(dá)方程其它雷達(dá)方程,已知：雷達(dá)發(fā)射功率Pt，雷達(dá)天線增益Gt， 應(yīng)答天線有效接收面積 ，應(yīng)答器的靈敏度 則：上行作用距離,a. 上行作用距離,二次雷達(dá)方程的推導(dǎo),5.4.1 自由空間雷達(dá)

42、方程其它雷達(dá)方程,b. 下行作用距離,已知：應(yīng)答器發(fā)射功率 ，應(yīng)答器天線增益 ， 雷達(dá)天線接收增益 ，雷達(dá)接收機(jī)靈敏度 則：下行作用距離,二次雷達(dá)的作用距離,一般要求,在雷達(dá)方程的推導(dǎo)過程中，定義“點(diǎn)”目標(biāo)的雷達(dá)截面積 ： 式中，P2為目標(biāo)散射的總功率；S1為照射的功率密度。雷達(dá)截面積 又可寫為,5.4.2目標(biāo)的雷達(dá)截面積(RCS),雷達(dá)是通過目標(biāo)的二次散射功率來發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的。為了統(tǒng)一表征目標(biāo)的散射特性和估算雷達(dá)作用距離，人們把實(shí)際目標(biāo)等效為一垂直于電波入射方向的截面積，而這個截面積所截獲的入射功率向各個方向均勻散射時，在雷達(dá)處產(chǎn)生的功率密度與實(shí)際目標(biāo)所產(chǎn)生的功率密度相等，這個等效面積就稱為雷達(dá)

43、截面積。,由于二次散射，因而在雷達(dá)接收點(diǎn)處單位立體角內(nèi)的散 射功率 為： 據(jù)此，又可定義雷達(dá)截面積 為：,5.4.2目標(biāo)的雷達(dá)截面積(RCS),定義為：在遠(yuǎn)場條件(平面波照射的條件)下，目標(biāo)處 每單位入射功率密度在接收機(jī)處每單位立體角內(nèi)產(chǎn)生的反 射功率乘以4。為了進(jìn)一步了解 的意義，我們按照定義 來考慮一個具有良好導(dǎo)電性能的各向同性的球體截面積。 設(shè)目標(biāo)處入射功率密度為S1 ，球目標(biāo)的幾何投影面積為 A1，則目標(biāo)所截獲的功率為S1A1。由于該球是導(dǎo)電良好且 各向同性的，因而它將截獲的功率 S1A1 全部均勻地輻射 到4立體角內(nèi)。則可定義,5.4.2目標(biāo)的雷達(dá)截面積(RCS),上式表明:導(dǎo)電性能

44、良好各向同性的球體，它的截面積等于該球體的幾何投影面積。,即：任何一個反射體的截面積都可以想象成一個具有各向同性的等效球體的截面積。等效的意思是指該球體在接收機(jī)方向每單位立體角所產(chǎn)生的功率與實(shí)際目標(biāo)散射體所產(chǎn)生的相同，從而將雷達(dá)截面積理解為一個等效的無耗各向均勻反射體的截獲面積(投影面積)。因?yàn)閷?shí)際目標(biāo)的外形復(fù)雜，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達(dá)截面積值。 除了后向散射特性外，有時需要測量和計算目標(biāo)在其他方向的散射功率，例如雙基地雷達(dá)工作時的情況?？梢园凑胀瑯拥母拍詈头椒▉矶x目標(biāo)的雙基地雷達(dá)截面積。對復(fù)雜目標(biāo)來講，不僅同發(fā)射時的照射方向有關(guān)，而且還取決于

45、接收時的散射方向。,5.4.2目標(biāo)的雷達(dá)截面積(RCS),5.4.3 最小可檢測信號,5.4.3.1 最小可檢測信號 5.4.3.2 最小可檢測信噪比 5.4.3.3.門限檢測 5.4.3.4.檢測性能和信噪比,雷達(dá)的作用距離 是最小可檢測信號 的函數(shù)，在雷 達(dá)接收機(jī)的輸出端，微弱的回波信號總是和噪聲及其他干 擾混雜在一起的，這里先集中討論噪聲的影響。在一般情 況下，噪聲是限制微弱信號檢測的基本因素。假如只有信 號而沒有噪聲，任何微弱的信號在理論上都是可以經(jīng)過任 意放大后被檢測到的，因此雷達(dá)檢測能力實(shí)質(zhì)上取決于信 號噪聲比。為了計算最小檢測信號 ，首先必須決定雷 達(dá)可靠檢測時所需的信號噪聲比值

46、。,5.4.3.1 最小可檢測信號,根據(jù)雷達(dá)作用距離，可確定檢測目標(biāo)信號所需的最小輸 出信噪比以及接收機(jī)最小可檢測信號功率。,5.4.3.1 最小可檢測信號,典型的雷達(dá)接收機(jī)和信號處理框圖如圖所示，一般把檢 波器以前(中頻放大器輸出）的部分視為線性的，中頻濾 波器的特性近似匹配濾波器，從而使中放輸出端的信號噪 聲比達(dá)到最大。 圖5.10 典型的雷達(dá)接收機(jī)和接收信號處理框圖,5.4.3.2 最小可檢測信噪比,接收機(jī)的噪聲系數(shù) 式中，N為接收機(jī)輸出的噪聲功率；Ga為接收機(jī)的功率增 益(有效增益)： T0為標(biāo)準(zhǔn)室溫，一般取290K，k為玻爾茲曼常數(shù)。,5.4.3.2 最小可檢測信噪比,輸出噪聲功率通

47、常是在接收機(jī)檢波器之前測量的。大多 數(shù)接收機(jī)中，噪聲帶寬 由中放決定，其數(shù)值與中品的 3dB帶寬和接近。理想接收機(jī)的輸入噪聲功率 為 故噪聲系數(shù) 亦可寫成 即噪聲系數(shù)可用來表示信號通過接收機(jī)后信噪比變化的 情況。,5.4.3.2 最小可檢測信噪比,將上式整理后得到輸入信號功率 的表達(dá)式為 式中， 是匹配接收機(jī)輸出端信號功率 和噪聲功率N的 比值。根據(jù)雷達(dá)檢測目標(biāo)質(zhì)量的要求，可確定所需的最小 輸出信噪比 ，這時就得到最小可檢測信號 為,5.4.3.2 最小可檢測信噪比,對常用雷達(dá)波形來說，信號功率是一個容易理解和測量 的參數(shù)，但現(xiàn)代雷達(dá)多采用復(fù)雜的信號波形，波形所包含 的信號能量往往往是接收信號

48、可檢測性的一個更合適的度 量。例如，匹配濾波器輸出端的最大信噪功率比等于 其中 為接收信號的能量， 為接收機(jī)均勻噪聲譜的功率 譜密度，在這里以接收信號能量 來表示信號噪聲功率比 值。從一個簡單的矩形脈沖波形來看，若其寬度為 、信 號功率為S，則接收信號能量 ；噪聲功率N和噪聲功 率譜密度 之間的關(guān)系為 ，其中Bn為接收機(jī)噪聲 帶寬，采用簡單脈沖信號時，可認(rèn)為 。這樣可得到 信號噪聲功率比的表達(dá)式為：,5.4.3.2 最小可檢測信噪比,因此檢測信號所需的最小輸出信噪比為 在早期雷達(dá)中，通常都用各類顯示器來觀察和檢測目標(biāo) 信號，所以稱所需的 為識別系數(shù)或可見度因子M。多 數(shù)現(xiàn)代雷達(dá)則采用建立在統(tǒng)計

49、檢測理論基礎(chǔ)上的統(tǒng)計判決 方法來實(shí)現(xiàn)信號檢測，在這種情況下，檢測目標(biāo)所需的最 小輸出信噪比稱為檢測因子（Detectability Factor）D0比 較合適，即,5.4.3.2 最小可檢測信噪比,D0是在接收機(jī)匹配濾波器輸出端（檢波器輸入端）測量的 信號噪聲功率比，如圖5.1所示。檢測因子 D0 就是滿足 所需檢測性能（以檢測概率Pd和虛驚概率Pfa表征）時，在 檢波器輸入端單個脈沖需要達(dá)到的最小信號噪聲功率比。 可獲得 表示的距離方程,5.4.3.2 最小可檢測信噪比,當(dāng)用前面公式的方式，用信號能量 代替脈沖功率 ，用檢測因子 。替換雷達(dá)距離方程（上式） 時，即可得到用檢測因子表示的雷達(dá)

50、方程為 上式增加了帶寬校正因子 ，它表示接收機(jī)帶寬失配 所帶來的信噪比損失，匹配時 。L表示雷達(dá)各部分 損耗引入的損失系數(shù)。,5.4.3.2 最小可檢測信噪比,用檢測因子D0和能量Et表示的雷達(dá)方程在使用時有以下優(yōu)點(diǎn)： 當(dāng)雷達(dá)在檢測目標(biāo)之前有多個脈沖可以積累時，由于 積累可改善信噪比，故此時檢波器輸入端的 值將 下降，因此可表明雷達(dá)作用距離和脈沖積累數(shù)n之間的 簡明關(guān)系，可計算和繪制出標(biāo)準(zhǔn)曲線以供查用。 用能量表示的雷達(dá)方程適用于當(dāng)雷達(dá)使用各種復(fù)雜脈 壓信號時的情況。只要知道脈沖功率及發(fā)射脈寬，就可 以用來估算作用距離而不必考慮具體的波形參數(shù)。,5.4.3.2 最小可檢測信噪比,檢測因子 滿足

51、檢測性能（發(fā)現(xiàn)概率和虛警概率）時，檢波器輸入 端所需單個脈沖最小信噪比。,5.4.3.2 最小可檢測信噪比,用檢測因子表示雷達(dá)方程式,5.4.3.2 最小可檢測信噪比,標(biāo)稱距離 時的靈敏度稱為臨界靈敏度，臨界靈敏度所對應(yīng) 的作用距離為標(biāo)稱距離。,5.4.3.2 最小可檢測信噪比,由于接收機(jī)中始終存在噪聲，且噪聲具有起伏特性。所 以，在接收機(jī)輸出的信號中，判斷目標(biāo)是否出現(xiàn)成為一個 統(tǒng)計問題，必須按照某種統(tǒng)計檢測標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判斷。 終端檢測設(shè)備為了檢測出目標(biāo)，通常將回波幅度與根據(jù) 接收機(jī)噪聲電壓平均值確定出的檢測門限進(jìn)行比較 這就是門限檢測。,5.4.3.3 門限檢測,門限檢測概念將接收機(jī)輸出的視頻信

52、號與門限電壓 進(jìn)行比較。 當(dāng)輸入信號,5.4.3.3 門限檢測,圖5.11 接收機(jī)輸出典型包絡(luò),5.4.3.3 門限檢測,檢測的四種情況 有目標(biāo)判有目標(biāo)發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)概率稱發(fā)現(xiàn)概率 有目標(biāo)判無目標(biāo)漏報，出現(xiàn)概率稱漏報概率 無目標(biāo)判無目標(biāo)不發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)概率稱不發(fā)現(xiàn)概率 無目標(biāo)判有目標(biāo)虛警，出現(xiàn)概率稱虛警概率 四種概率相互關(guān)系,5.4.3.3 門限檢測,雷達(dá)最佳檢測準(zhǔn)則(奈曼皮爾遜準(zhǔn)則) 在給定信噪比的條件下，滿足一定的虛警概率時，使雷達(dá) 的發(fā)現(xiàn)概率最大。 按這個準(zhǔn)則確定出的檢測門限，稱為最佳檢測門限。,5.4.3.3 門限檢測,用概率密度函數(shù)來說明檢測性能,5.4.3.4 檢測性能和信噪比,雷達(dá)信號的

53、檢測性能由其發(fā)現(xiàn)概率 和虛警概率 來描 述， 越大，說明發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的可能性越大，與此同時希望 的值不能超過允許值。接收機(jī)中放輸出端的信噪比 直接與檢測性能有關(guān)，如果求出了在確定 和 條件下所需的信噪比，則根據(jù)式(5-2-3)，即可求得最 小可檢測信號 。用這個值代入雷達(dá)方程后就可估算 其作用距離。 下面分別討論虛警概率 和發(fā)現(xiàn)概率 。,5.4.3.4 檢測性能和信噪比,虛警概率 虛警是指沒有信號而僅有噪聲時，噪聲電平超過門限值被 誤認(rèn)為信號的事件。噪聲超過門限的概率稱虛警概率。顯 然，它和噪聲統(tǒng)計特性、噪聲功率以及門限電壓的大小密 切相關(guān)。 下面定量地分析它們之間的關(guān)系。 通常加到接收機(jī)中頻濾波

54、器(或中頻放大器)上的噪聲是寬 帶高斯噪聲，其概率密度函數(shù)由式給出：,5.4.3.4 檢測性能和信噪比,式中， 是方差，噪聲的均值為零。高斯噪聲通過窄帶中 頻濾波器(其帶寬遠(yuǎn)小于其中心頻率)后加到包絡(luò)檢波器， 根據(jù)隨機(jī)噪聲的數(shù)學(xué)分析可知，包絡(luò)檢波器輸出端噪聲電 壓振幅的概率密度函數(shù)為： 此處r表示檢波器輸出端噪聲包絡(luò)的振幅值?？梢钥闯?， 包絡(luò)振幅的概率密度函數(shù)是瑞利分布的。設(shè)置門限電 平 ，噪聲包絡(luò)電壓超過門限電平的概率就是虛警概 率 ，它可以由下式求出：,5.4.3.4 檢測性能和信噪比,5.4.4 傳播中多種實(shí)際因素的影響,5.4.4.1 大氣衰減的影響 5.4.4.2 地球曲率半徑對作用

55、距離的影響 5.4.4.3 地面（水面）反射對 的影響,水蒸汽,氧氣,5.4.4.1 大氣衰減的影響,大氣對電磁波的衰減規(guī)律 衰減量與頻率成正比 與高度成反比 受氣象條件影響,考慮大氣衰減的作用距離,5.4.4.1 大氣衰減的影響,地球表面彎曲的影響,5.4.4.2 地球曲率半徑對作用距離的影響,5.4.4.2 地球曲率半徑對作用距離的影響,大氣折射帶來的變化,5.4.4.2 地球曲率半徑對作用距離的影響,考慮大氣折射的直視距離,5.4.4.2 地球曲率半徑對作用距離的影響,5.4.4.3 地面（水面）反射對 的影響,當(dāng) 當(dāng) 形成盲區(qū),5.4.4.3 地面（水面）反射對 的影響,減小盲區(qū)影響的

56、方法有以下幾種： 采用垂直極化 采用短的工作波長 采用架高不同的分層天線,5.4.4.3 地面（水面）反射對 的影響,通過分析雷達(dá)使用性能及其影響因素，了解雷達(dá)影像失 真的特點(diǎn)及其產(chǎn)生原因，是正確理解和使用雷達(dá)圖像信息 的前提。,5.5 雷達(dá)使用性能及其影響因素,5.5.1. 最大探測距離 5.5.2. 最大作用距離 5.5.3. 最小作用距離 5.5.4. 距離分辨率 5.5.5. 方位分辨率,在考慮地球曲率、天線高度、目標(biāo)高度及雷達(dá)電波傳播 空間大氣折射影響時，雷達(dá)可能觀測的最大距離為：,5.5.1 最大探測距離,一臺雷達(dá)在一定的電波傳播條件下，對某一特定的目標(biāo)，雷達(dá)能滿足一定發(fā)現(xiàn)概率是，

57、所能觀測到目標(biāo)的最大距離，其影響因素包括：,雷達(dá)技術(shù)參數(shù) 目標(biāo)反射性能 海面反射（工作環(huán)境） 大氣衰減,5.5.2 最大作用距離,雷達(dá)技術(shù)參數(shù)對雷達(dá)最大作用距離的影響,式中 天線發(fā)射的脈沖功率； 天線增益； 工作波長； 接收機(jī)門限電壓； 目標(biāo)有效散射面積,5.5.2 最大作用距離,目標(biāo)反射性能對雷達(dá)最大作用距離的影響,大小尺寸 目標(biāo)形狀 表面結(jié)構(gòu) 入射波的方向 目標(biāo)質(zhì)地 工作波長,5.5.2 最大作用距離,海面（鏡面）反射對雷達(dá)最大作用距離的影響,到達(dá)目標(biāo)有直射波和海面反射波，兩者互相作用造成雷達(dá) 波束在垂直方向上的分裂現(xiàn)象?；夭▽r隱時現(xiàn)。,5.5.2 最大作用距離,大氣衰減對雷達(dá)最大作用距

58、離的影響,與工作頻率有關(guān)，S波段強(qiáng)于X波段 大霧對雷達(dá)回波有影響 與天線波束寬度及脈沖寬度有關(guān),指雷達(dá)波在大氣層傳播過程中受到大氣吸收或散射導(dǎo)致 雷達(dá)波能量的衰減，其特點(diǎn)是：,5.5.2 最大作用距離,指雷達(dá)能在顯示器屏幕上顯示并測定目標(biāo)的最近距離， 最小作用距離取決于：,脈沖寬度和收發(fā)開關(guān)恢復(fù)時間tr,雷達(dá)的安裝位置，吃水，垂直波束寬度,Rmin2 = Hctgv,5.5.3 最小作用距離,指雷達(dá)分辨同方位的兩個相鄰目標(biāo)的能力，取決于：,量程選擇 脈沖寬度和回波波形 屏幕大小及象素點(diǎn) 接收帶寬,5.5.4 距離分辨率,指雷達(dá)分辨距離相同方位相鄰的兩個目標(biāo)的能力，取決 于：,水平波束寬度 熒光屏及象素點(diǎn)大小 增益亮度調(diào)整,5.5.5 方位分辨率,眾所周知，雷達(dá)是在第二次世界大戰(zhàn)期間因軍事需要而問 世的。從誕生的第一天起，它與敵對目標(biāo)之間就存在著你 死我活的抗?fàn)?。隨著各種高新技術(shù)的不斷發(fā)展，在現(xiàn)代戰(zhàn) 爭中,雷達(dá)與敵對目標(biāo)之間的對抗也就變得越來越激烈了。 從目標(biāo)方面來講，千方百計地削弱雷達(dá)的效能乃至使其完 全喪失作用，這是電子戰(zhàn)中電子干擾的根本目的。在雷達(dá) 方面，為了有效地對付各種電子干擾，就必須考慮相應(yīng)的 電子反干擾措施。雷達(dá)與電子