【文章內(nèi)容簡介】 振動等 )和電源電壓發(fā)生變化時 , 接收機的性能參數(shù) (振幅特性 、 頻率特性和相位特性等 )受到影響的程度 , 希望影響越小越好 。 大多數(shù)現(xiàn)代雷達系統(tǒng)需要對一串回波進行相參處理 , 對本機振蕩器的短期頻率穩(wěn)定度有極高的要求 (高達 1010或者更高 ), 因此 ， 必須采用頻率穩(wěn)定度和相位穩(wěn)定度極高的本機振蕩器 , 即簡稱的 “ 穩(wěn)定本振 ” 。 6. 在現(xiàn)代電子戰(zhàn)和復(fù)雜的電磁干擾環(huán)境中 , 抗有源干擾和無源干擾是雷達系統(tǒng)的重要任務(wù)之一 。 有源干擾為敵方施放的各種雜波干擾和鄰近雷達的異步脈沖干擾 , 無源干擾主要是指從海浪 、 雨雪 、 地物等反射的雜波干擾和敵機施放的箔片干擾 。 這些干擾嚴重影響對目標(biāo)的正常檢測 , 甚至使整個雷達系統(tǒng)無法工作 。 現(xiàn)代雷達接收機必須具有各種抗干擾電路 。 當(dāng)雷達系統(tǒng)用頻率捷變方法抗干擾時 , 接收機的本振應(yīng)與發(fā)射機頻率同步跳變 。 同時接收機應(yīng)有足夠大的動態(tài)范圍 , 以保證后面的信號處理器有高的處理精度 。 基本雷達方程 雷 達 方 程 設(shè)雷達發(fā)射功率為 Pt, 雷達天線的增益為 Gt, 則在自由空間工作時 , 距雷達天線 R遠的目標(biāo)處的功率密度 S1為 21 4 RGPS tt??() 目標(biāo)受到發(fā)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)所在點的發(fā)射功率密度 S1以及目標(biāo)的特性有關(guān) 。 用目標(biāo)的散射截面積 σ(其量綱是面積 )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 )為 212 4 RGPSP tt??? ?? () 又假設(shè) P2均勻地輻射 , 則在接收天線處收到的回波功率密度為 22222 )4(4 RGPRPS tt??? ??() 如果雷達接收天線的有效接收面積為 Ar, 則在雷達接收處接收回波功率為 Pr, 而 222 )4( RAGPSAP ttrr ?? ??? () 由天線理論知道 , 天線增益和有效面積之間有以下關(guān)系 : 24??AG ?式中 λ為所用波長 , 則接收回波功率可寫成如下形式 : 432)4( RGGPP rttr ????424 RAAPP rttr ????() () 單基地脈沖雷達通常收發(fā)共用天線 , 即 Gt=Gr=G, At=Ar, 將此關(guān)系式代入上二式即可得常用結(jié)果 。 由式 ()~()可看出 , 接收的回波功率 Pr反比于目標(biāo)與雷達站間的距離 R的四次方 , 這是因為一次雷達中 , 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 Pr必須超過最小可檢測信號功率 Si min, 雷達才能可靠地發(fā)現(xiàn)目標(biāo) , 當(dāng) Pr正好等于 Si min時 , 就可得到雷達檢測該目標(biāo)的最大作用距離 Rmax。 因為超過這個距離 , 接收的信號功率 Pr進一步減小 , 就不能可靠地檢測到該目標(biāo) 。 它們的關(guān)系式可以表達為 4m a x3224m a x22m i n )4(4 RGPRAPSP trtir ?????? ???() 或 41m i n322m a x41m i n22m a x)4(4??????????????itirtSGPRSAPR??????() () 式 ()、 ()是雷達距離方程的兩種基本形式 , 它表明了作用距離 Rmax和雷達參數(shù)以及目標(biāo)特性間的關(guān)系 。 雷達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)備的實際損耗和環(huán)境因素 , 而且方程中還有兩個不可能準確預(yù)定的量 : 目標(biāo)有效反射面積 σ和最小可檢測信號 Si min, 因此它常用來作為一個估算的公式 , 考察雷達各參數(shù)對作用距離影響的程度 。 雷達總是在噪聲和其它干擾背景下檢測目標(biāo)的 , 再加上復(fù)雜目標(biāo)的回波信號本身也是起伏的 ， 故接收機輸出的是隨機量 。 雷達作用距離也不是一個確定值而是統(tǒng)計值 , 對于某雷達來講 , 不能簡單地說它的作用距離是多少 , 通常只在概率意義上講 , 當(dāng)虛警概率 (例如 106)和發(fā)現(xiàn)概率 (例如 90%)給定時的作用距離是多大 。 目標(biāo)的雷達截面積 (RCS) 雷達是通過目標(biāo)的二次散射功率來發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的 。 為了描述目標(biāo)的后向散射特性 , 在雷達方程的推導(dǎo)過程中 , 定義了 “ 點 ”目標(biāo)的雷達截面積 σ, 如式 ()所示 , P2=S1σ P2為目標(biāo)散射的總功率 , S1為照射的功率密度。雷達截面積 σ又可寫為 12SP??圖 目標(biāo)的散射特性 P?RS1 最小可檢測信號 典型的雷達接收機和信號處理框圖如圖 , 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到最大 。 圖 接收信號處理框圖 匹 配接收機檢波器檢波后積 累檢測裝置kT0BnFn檢測門限o m i nSN＝ DoSi m i n噪聲系數(shù) Fn可寫成 輸出端信噪比輸入信噪比??oin NSNSF)/()/( () 將上式整理后得到輸入信號功率 Si的表示式為 onnoini NSFBkTNSNFS ??????????????0() 根據(jù)雷達檢測目標(biāo)質(zhì)量的要求 ,可確定所需要的最小輸出信噪比 , 這時就得到最小可檢測信號 Si min為 m in)/( oNSm i n0m i nionn NSFBkTS??????? () 圖 接收機輸出典型包絡(luò) 電壓噪聲平均值時間AB C門限值 檢測時門限電壓的高低影響以下兩種錯誤判斷的多少 : (1) 有信號而誤判為沒有信號 (漏警 )。 (2) 只有噪聲時誤判為有信號 (虛警 )。 應(yīng)根據(jù)兩種誤判的影響大小來選擇合適的門限。 門限檢測是一種統(tǒng)計檢測 , 由于信號疊加有噪聲 , 所以總輸出是一個隨機量 。 在輸出端根據(jù)輸出振幅是否超過門限來判斷有無目標(biāo)存在 , 可能出現(xiàn)以下四種情況 : (1) 存在目標(biāo)時 , 判為有目標(biāo) , 這是一種正確判斷 , 稱為發(fā)現(xiàn) , 它的概率稱為發(fā)現(xiàn)概率 Pd。 (2) 存在目標(biāo)時 , 判為無目標(biāo) , 這是錯誤判斷 , 稱為漏報 , 它的概率稱為漏報概率 Pla。 (3) 不存在目標(biāo)時判為無目標(biāo) , 稱為正確不發(fā)現(xiàn) , 它的概率稱為正確不發(fā)現(xiàn)概率 Pan。 (4) 不存在目標(biāo)時判為有目標(biāo) , 稱為虛警 , 這也是一種錯誤判斷 , 它的概率稱為虛警概率 Pfa。 顯然四種概率存在以下關(guān)系 : Pd+Pla=1， Pan+Pfa=1 每對概率只要知道其中一個就可以了 。 我們下面只討論常用的發(fā)現(xiàn)概率和虛警概率 。 門限檢測的過程可以用電子線路自動完成 , 也可以由觀察員觀察顯示器來完成 。 當(dāng)用觀察員觀察時 , 觀察員自覺不自覺地在調(diào)整門限 , 人在雷達檢測過程中的作用與觀察人員的責(zé)任心 、 熟悉程度以及當(dāng)時的情況有關(guān) 。 例如 , 如果害怕漏報目標(biāo) , 就會有意地降低門限 , 這就意味著虛警概率的提高 。 在另一種情況下 , 如果觀察人員擔(dān)心虛報 , 自然就傾向于提高門限 , 這樣只能把比噪聲大得多的信號指示為目標(biāo) , 從而丟失一些弱信號 。 操縱人員在雷達檢測過程中的能力 , 可以用試驗的方法來決定 , 但這種試驗只是概略的 。 檢測性能和信噪比 1. 虛警概率 Pfa 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 。 通常加到接收機中頻濾波器 (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)由下式給出 : ???????? ??222e xp21)(???vvp () 圖 門限電平和虛警概率 p ( r )0 1 2 3 4 5 76噪聲輸出包絡(luò)門限UT?虛警概率r / ?? Pd 為了討論發(fā)現(xiàn)概率 Pd , 必須研究信號加噪聲通過接收機的情況 , 然后才能計算信號加噪聲電壓超過門限的概率 , 也就是發(fā)現(xiàn)概率 Pd 。 下面將討論振幅為 A的正弦信號同高斯噪聲一起輸入到中頻濾波器的情況 。 設(shè)信號的頻率是中頻濾波器的中心頻率 fIf, 包絡(luò)檢波器的輸出包絡(luò)的概率密度函數(shù)為 ?????????????? ???202222 2e xp)( ???rAIArrrpd() 圖 用概率密度函數(shù)來說明檢測性能 p( r )1 20 3 4 5 6 r / ??7信號 ＋ 噪聲門限噪聲( A / ?? ＝ 3 )UR/ ?? ?＝ 圖 非起伏目標(biāo)單個脈沖線性檢波時檢測概率 和所需信噪比 (檢測因子 )的關(guān)系曲線 15201050－ 5－ 15－ 10 10－ 110－ 2Pfa ＝ 10－ 1610－ 1410－ 1210－ 1010－ 810－ 610－ 510－ 410－ 3檢測因子Do / dB檢測概率 Pd 脈沖積累對檢測性能的改善 脈沖積累的效果可以用檢測因子 D0的改變來表示 。 對于理想的相參積累 , M個等幅脈沖積累后對檢測因子 Do的影響是 : MDMD )1()( 00 ?() 式中 ， Do(M)表示 M個脈沖相參積累后的檢測因子 。 因為這種積累使信噪比提高到 M倍 , 所以在門限檢測前達到相同信噪比時 , 檢波器輸入端所要求的單個脈沖信噪比 Do(M)將減小到不積累時的 Do(1)的 M倍 。 對于非相參積累 (視頻積累 )的效果分析 , 是一件比較困難的事 。 要計算 M個視頻脈沖積累后的檢測能力 , 首先要求出 M個信號加噪聲以及 M個噪聲脈沖經(jīng)過包絡(luò)檢波并相加后的概率密度函數(shù) psn(r)和 pn(r), 這兩個函數(shù)與檢波器的特性及回波信號特性有關(guān)； 然后由 psn(r)和 pn(r)按照同樣的方法求出 Pd和 Pfa。 ??????TTVnfaVsnrrpPrrpPdd)(d)(() () 圖 線性檢波非起伏目標(biāo)檢測因子 (所需信噪比 )與 非相參脈沖積累數(shù)的關(guān)系 (Pd=) 1 10 100 1000 10 000－ 15－ 10－ 5051015Pf a＝ 10－ 1210－ 1010－ 810－ 610－ 4檢測因子Do / dB脈沖數(shù)圖 線性檢波非起伏目標(biāo)檢測因子與非相參脈沖 積累數(shù)的關(guān)系 Pd= 1 10 100 1000 10 000－ 15－ 10－ 5051015Pfa ＝ 10－ 1210－ 1010－ 810－ 610－ 4檢測因子Do / dB脈沖數(shù) 測量目標(biāo)的距離是雷達的基本任務(wù)之一 。 無線電波在均勻介質(zhì)中以固定的速度直線傳播 (在自由空間傳播速度約等于光速 c=3 105 km/s)。 圖 , 雷達位于 A點 , 而在 B點有一目標(biāo) , 則目標(biāo)至雷達站的距離 (即斜距 )R可以通過測量電波往返一次所需的時間 tR得到 ， 即 ?????????RRctRcRt212() 而時間 t