【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 － 1410－ 1210－ 1010－ 810－ 610－ 510－ 410－ 3檢測(cè)因子Do / dB檢測(cè)概率 Pd圖 ： 虛警概率給定 時(shí) ， 信噪比越大 ， 發(fā)現(xiàn)概率越大 ， 也即 給定門限電平 時(shí) ， 發(fā)現(xiàn)概率隨信噪比增加而增加； 信噪比 給定時(shí) ， 虛警概率越小 (門限電壓越高 )， 發(fā)現(xiàn)概率越??；反之 ， 則發(fā)現(xiàn)概率增大 。 第 5 章 雷達(dá)作用距離 我們知道 ， 發(fā)現(xiàn)概率 和 虛警時(shí)間 (或 虛警概率 )是系統(tǒng)要求規(guī)定的 , 根據(jù)這個(gè)規(guī)定就可以從圖 小信號(hào)噪聲功率比 (S/N)1=D0。 這個(gè)數(shù)值就是在單個(gè)脈沖檢測(cè)條件下 , 由式 ()計(jì)算 最小可檢測(cè)信號(hào) 時(shí)所需用到的 信號(hào)噪聲比(S/N)o min(或檢測(cè)因子 D0)。 例如 ， 設(shè)要求虛警時(shí)間為 15min, 中頻帶寬為 1MHz, 可算出虛警概率為 109, 從圖 , 對(duì)于 50%的發(fā)現(xiàn)概率所需要的最小信噪比為 , 對(duì)于 90%的發(fā)現(xiàn)概率所需要的最小信噪比為 , 對(duì)于 %的發(fā)現(xiàn)概率所需要的最小信噪比為 dB。 第 5 章 雷達(dá)作用距離 圖 用概率密度函數(shù)來說明檢測(cè)性能 p( r )1 20 3 4 5 6 r /??7信號(hào) ＋ 噪聲門限噪聲( A /?? ＝ 3 )UR/ ?? ? ＝ 圖 給出了 噪聲 和 信號(hào)加噪聲 的概率密度函數(shù)。信號(hào)加噪聲的概率密度函數(shù)的變量超過門限 。顯然，當(dāng)相對(duì)門限提高時(shí)的虛假概率降低時(shí)，發(fā)現(xiàn)概率也會(huì)降低。而我們希望 虛假報(bào)警概率一定時(shí)提高發(fā)現(xiàn)概率 ，所以通過 提高信噪比 才能達(dá)到。 第 5 章 雷達(dá)作用距離 脈沖積累對(duì)檢測(cè)性能的改善 脈沖積累改變信噪比 ? 積累可以在 包絡(luò)檢波器 前完成 ， 稱為 中頻積累 ， 信號(hào)在中頻積累時(shí)要求 信號(hào)間有嚴(yán)格 的 相位關(guān)系 ， 即信號(hào)是相參的 ， 又稱為 相參積累； 例如 ， M個(gè)等幅相參中頻脈沖信號(hào)進(jìn)行 相參積累 ， 則可使得信噪比(S/N)提高為原來 M倍 ， 因?yàn)橄噜徶芷诘闹蓄l回波信號(hào)按 嚴(yán)格的相位 接收機(jī)保護(hù)器低噪聲高頻放大器混頻器中頻放大器( 匹配濾波器)檢波器視 頻放大器至終端設(shè)備本振高 頻 部 分高頻輸入第 5 章 雷達(dá)作用距離 ? 積累在 包絡(luò)檢波后 積累的 ， 稱為 視頻積累 ， 由于信號(hào)在包絡(luò)檢波后失去相位信息而 只保留幅度信息 ， 因而檢波后積累就不需要信號(hào)間具有嚴(yán)格的相位關(guān)系 ， 稱為 非相參積累 。 關(guān)系同相相加 ， 因此 積累相加后的信號(hào)電壓 提高為原來的 M倍 ，則相應(yīng)的 信號(hào)功率 為原來的 M*M倍 ， 而噪聲時(shí)隨機(jī)的 ， 相鄰噪聲滿足獨(dú)立條件 ， 積累的效果是平均功率相加而使得噪聲總功率提高為原來的 M倍 ， 所以相參積累的結(jié)果可以使得輸出信噪比改善M倍 。 第 5 章 雷達(dá)作用距離 積累的效果 脈沖積累的效果可以用 檢測(cè)因子 D0的改變來表示 。 對(duì)于理想的相參 積累 , M個(gè)等幅脈沖積累后對(duì)檢測(cè)因子 Do的影響是 : MDMD )1()( 00 ?() 式中 ， Do(M)表示 M個(gè) 脈沖相參 積累后的檢測(cè)因子 。 因?yàn)檫@種積累使信噪比提高到 M倍 , 所以在 門限檢測(cè)前達(dá)到 相同 信噪比時(shí) , 檢波器輸入端所要求的單個(gè)脈沖信噪比 Do(M)將減小到不積累時(shí) Do(1)的 M倍 。 第 5 章 雷達(dá)作用距離 而對(duì)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(jì)算 M個(gè)視頻脈沖積累后的檢測(cè)能力 , 首先要求出 M個(gè)信號(hào)加噪聲 以及 M個(gè)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(gè)函數(shù)與 檢波器的特性 及 回波信號(hào)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)(() () 第 5 章 雷達(dá)作用距離 圖 線性檢波非起伏目標(biāo)檢測(cè)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(cè)因子Do / dB脈沖數(shù)第 5 章 雷達(dá)作用距離 圖 線性檢波非起伏目標(biāo)檢測(cè)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(cè)因子Do / dB脈沖數(shù)第 5 章 雷達(dá)作用距離 接收機(jī)保護(hù)器低噪聲高頻放大器混頻器中頻放大器( 匹配濾波器)檢波器視 頻放大器至終端設(shè)備本振高 頻 部 分高頻輸入M個(gè)等幅脈沖在 包絡(luò)檢波器后 即使進(jìn)行理想積累時(shí) ， 信噪比改善不能達(dá)到 M倍 ， 因?yàn)?信號(hào) +噪聲 通過檢波器時(shí) ， 它們 自身會(huì)相互作用 而影響輸出端的信噪比 。 特別是檢波器輸入端 信噪比較低 時(shí) ， 檢波器輸出端信噪比 損失 會(huì) 更大 。 非相參積累后信噪比改善處于 與 M之間 。 使用非相參積累的理由 ：工程實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單；對(duì)雷達(dá)收發(fā)系統(tǒng)沒有嚴(yán)格的相參性要求；相參積累很難工程實(shí)現(xiàn) 。 M第 5 章 雷達(dá)作用距離 039。01 ( 1 )()()iDMEMDM?將積累后的 檢測(cè)因子 Do代入雷達(dá)方程 ()式 , 即可求得在脈沖積累條件下的作用距離估算 。 1 / 4 1 / 42m ax 220 0 0 0( 4 ) ( 4 )t t t t t rn B n BE G A P G GRkT F D C kT F D LCL? ? ? ???? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ?此處， D0= D0(M), 根據(jù)采用 相參 或 非相參積累 , 可以計(jì)算或查曲線得到。 M個(gè)脈沖 非相位累計(jì) 后的檢測(cè)因子用 表示 ， 由于此時(shí)積累效果較 相參積累時(shí) 差 ， 則 比 ()大 ， 可用積累效率表示 39。0()DM39。0()DM1/1 / 42m422300ax 3001)4 4( ()tnnnnn Bt t rnP G GRkPGB Lk T F B TF CDBDB? ? ? ???? ????? ??? ? ??? ???? ??????第 5 章 雷達(dá)作用距離 有些雷達(dá)積累許多 脈沖時(shí)組合 使用 相參 和 非相參脈沖 積累 , 因?yàn)?接收脈沖 的 相位穩(wěn)定性 只足夠做 M個(gè)脈沖 的相參積累 , 而天線波束在目標(biāo)的 駐留時(shí)間內(nèi) 共收到 N個(gè)脈沖 (M＜ N)。 如果在相參積累后接 非相參積累 , 則檢測(cè)因子記為 MMNDDNM)/(0),(0 ?式中 ， Do(N/M)表示 N/M個(gè)脈沖非相參積累后的檢測(cè)因子 , 可查曲線得到 。 除以 M表示 相參積累 M個(gè)脈沖的增益 , 將 Do(M,N)代入雷達(dá)方程就可估算此時(shí)的 Rmax。 第 5 章 雷達(dá)作用距離 積累脈沖數(shù)的確定 當(dāng)雷達(dá)天線 機(jī)械掃描 時(shí) , 可積累的 脈沖數(shù) (收到的回波脈沖數(shù) )取決于 天線波束的掃描速度 以及 掃描平面上天線波束的寬度 。 可以用下面公式計(jì)算 方位掃描雷達(dá)半功率波束寬度 內(nèi)接收到的脈沖數(shù) N: , 0 .5 , 0 .5c o s 6 0 c o srre m effN ?????? ? ????() 式中 , θα, 。 Ωα為天線方位掃描速度 (/s)。 ωm為天線方位掃描速度 (/min)。 fr雷達(dá)的脈沖重復(fù)頻率 。θe目標(biāo)仰角 。 第 5 章 雷達(dá)作用距離 目標(biāo)截面積及其起伏特性 點(diǎn)目標(biāo)特性與波長(zhǎng)的關(guān)系 目標(biāo)的后向散射特性除與目標(biāo)本身的性能有關(guān)外 , 還與 視角 、 極化 和 入射波波長(zhǎng) 有關(guān) 。 其中與 波長(zhǎng) 的關(guān)系最大 , 常以相對(duì)于波長(zhǎng)的 目標(biāo)尺寸 來對(duì) 目標(biāo)進(jìn)行分類 。 為了討論目標(biāo)后向散射特性與波長(zhǎng)的關(guān)系 , 比較方便的辦法是考察一個(gè) 各向同性的球體 。 因?yàn)榍蚓哂凶詈?jiǎn)單的外形 , 而且 理論上已經(jīng)獲得其截面積 的嚴(yán)格解答 , 其截面積與視角無關(guān) , 因此常用金屬球來作為截面積的標(biāo)準(zhǔn) , 用于 校正數(shù)據(jù) 和 實(shí)驗(yàn) 測(cè)定 。 1111/ ( 4 )4iSA AS?????第 5 章 雷達(dá)作用距離 圖 球體截面積與波長(zhǎng) λ的關(guān)系 10 1 2 2022853瑞利區(qū) 振蕩區(qū) 光學(xué)區(qū)?2 ? r?r 2?球球體截面積與波長(zhǎng)的關(guān)系如圖 ：當(dāng)球體周長(zhǎng) 2πr＜＜ λ時(shí) , 稱為 瑞利區(qū) , 這時(shí)截面積正比于 λ4。 當(dāng)波長(zhǎng)減小到 2πr =λ時(shí) ， 就進(jìn)入振蕩區(qū) , 截面積在極限值之間振蕩 。 2πr＞＞ λ的區(qū)域稱為光學(xué)區(qū) , 截面積振蕩地趨于某一固定值 , 它就是幾何光學(xué)的投影面積 πr2。 第 5 章 雷達(dá)作用距離 目標(biāo)尺寸 相對(duì)于 波長(zhǎng)很小時(shí) 呈現(xiàn) 瑞利區(qū)散射特性 , 即 σ∝ λ4。 絕大多數(shù)雷達(dá)目標(biāo)都不處在這個(gè)區(qū)域中 , 但 氣象微粒 對(duì)常用的雷達(dá)波長(zhǎng)來說是處在這一區(qū)域的 (它們的尺寸遠(yuǎn)小于波長(zhǎng) )。 處于瑞利區(qū)的目標(biāo) , 決定它們截面積的主要參數(shù)是 體積 而不是形狀 , 形狀不同的影響只作較小的修改即可 。 通常 ， 雷達(dá)目標(biāo)的尺寸較云雨微粒要大得多 , 因此 降低雷達(dá)工作頻率 可 減小云雨回波的影響 而 又不會(huì)明顯減小正常雷達(dá)目標(biāo) 的截面積 。 第 5 章 雷達(dá)作用距離 實(shí)際上大多數(shù)雷達(dá)目標(biāo)都處在 光學(xué)區(qū) 。 光學(xué)區(qū)名稱的來源是因?yàn)?目標(biāo)尺寸 比 波長(zhǎng)大 得多時(shí) , 如果目標(biāo)表面比較光滑 , 那么幾何光學(xué)的原理可以用來確定目標(biāo)雷達(dá)截面積 。 按照幾何光學(xué)的原理 , 表面最強(qiáng)的反射區(qū)域是對(duì) 電磁波波前最突出點(diǎn)附近的小的區(qū)域 , 這個(gè) 區(qū)域的大小 與 該點(diǎn)的曲率半徑 ρ成 正比 。 曲率半徑越大 ， 反射區(qū)域越大 , 這一反射區(qū)域在光學(xué)中稱為 “ 亮斑 ” 。 第 5 章 雷達(dá)作用距離 可以證明 , 當(dāng)物體在 “ 亮斑 ” 附近為旋轉(zhuǎn)對(duì)稱時(shí) , 其截面積為πρ2, 故處于光學(xué)區(qū)球體的截面積為 πr2, 其截面積不隨波長(zhǎng) λ變化 。 在 光學(xué)區(qū) 和 瑞利區(qū)之間 是 振蕩區(qū) , 這個(gè)區(qū)的 目標(biāo)尺寸 與 波長(zhǎng)相近 , 在這個(gè)區(qū)中 ， 截面積隨波長(zhǎng)變化 而 呈振蕩 , 最大點(diǎn)較光學(xué)值約高 , 而第一個(gè)凹點(diǎn)的值又較光學(xué)值約低 。 實(shí)際上雷達(dá)很少工作在這一區(qū)域 。 第 5 章 雷達(dá)作用距離 簡(jiǎn)單形狀目標(biāo)的雷達(dá)截面積 ?幾何形狀比較簡(jiǎn)單的目標(biāo) , 如球體 、 圓板 、 錐體等 , 它們的雷達(dá)截面積可以計(jì)算出來 。 其中球是最簡(jiǎn)單的目標(biāo) 。 上節(jié)已討論過 球體截面積 的 變化規(guī)律 , 在 光學(xué)區(qū) , 球體截面積 等于其 幾何投影面積 π r2, 與視角無關(guān) , 也與 波長(zhǎng) λ 無關(guān) 。 ?對(duì)于其他形狀簡(jiǎn)單的目標(biāo) , 當(dāng) 反射面曲率半徑 大于 波長(zhǎng) 時(shí) , 也可以應(yīng)用幾何光學(xué)的方法來計(jì)算它們?cè)诠鈱W(xué)區(qū)的雷達(dá)截面積 。一般情況下 , 其反射面在 “ 亮斑 ” 附近不是旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的 , 可通過 “ 亮斑 ” 并包含視線作互相垂直的兩個(gè)平面 , 這兩個(gè)切面上的曲率半徑為 ρ1,ρ2, 則雷達(dá)截面積為 σ=πρ1ρ2 11 11/ ( 4 )4iSA AS?????第 5 章 雷達(dá)作用距離 表 目標(biāo)為簡(jiǎn)單幾何形狀物體的雷達(dá)參數(shù) 第 5 章 雷達(dá)作用距離 目標(biāo)特性與極化的關(guān)系 目標(biāo)的 散射特性 通常與 入射場(chǎng)的極化 有關(guān) 。 先討論 天線幅射線極化 的情況 。 照射到遠(yuǎn)區(qū)目標(biāo)上的是線極化平面波 , 而任意方向的線極化波都可以分解為兩個(gè) 正交分量 , 即 垂直極化分量 和水平極化分量 , 分別用 ETH和 ETV表示在目標(biāo)處天線所幅射 水平極化 和 垂直極化電場(chǎng) , 其中上標(biāo) T表示發(fā)射天線產(chǎn)生的電場(chǎng) , 下標(biāo) H(Horizontal)和 V(vertical)分別代表 水平 方向和 垂直 方向 。 THHVSVTHHHSHEEEE???? () 一般 , 在 水平照射場(chǎng) 的作用下 , 目標(biāo)的散射場(chǎng) E將由兩部分 (即 水平極化散射場(chǎng) ESH, 和 垂直極化散射場(chǎng) ESV)組成