2014-雷达原理第二讲.

几个基本定义0(,)G024tPR220(,)4RddR24eAG天线增益天线有效面积第二章雷达的作用距离目的：探讨影响雷达作用距离的各种因素功率Pt发射机发射天线发射天线Gt2121(W/m)4ttPGR入射目标的功率密度目标出射(辐射)的功率121(W)4returnttPPGR接收天线接收天线Gr2222222124(W/m)(4)returnttPRPGRR接收天线处的功率密度接收的总功率2232212(W)(4)trirtPGGSARR接收机接收机灵敏度Si,min2－1雷达方程接收的总功率2232212(W)(4)ttrirPGGSARR接收机灵敏度Si,min2,min34max(4)ttriPGGSR,miniiSS,LetR1=R21/42max3,min(4)ttriPGGRS雷达方程思考：用dB表示的雷达方程？根据雷达距离方程，要提高雷达最大作用距离，发射机可以采取的措施有，接收机可以采取的措施有，天线可以采取的措施有。比例关系Attention:推导时一定说明各物理量！如：Pt:发射机的功率Gt:发射天线的增益……1/42max3,min(4)ttriPGGRSoinioSSFNN1/41/422max33,min(4)(4)ttrttrinonPGGPGGRSFkTBM雷达方程//iinooSNFSN接收机的噪声系数Fn:inNkTB,minminoinonoSSFkTBN0minooSDMN识别系数：k:玻尔兹曼常数231.3810/kJK接收机iiSNooSN检波器积累检测检测所需的接收机的最小输出信噪比1/42max3(4)ttrnonPGGRFkTBML雷达方程引入损耗L1/42max3(4)ttrnonPGGRFkTBL标称距离：M=1距离与功率、能量的关系？射频传输线损耗，天线辐射、接收损耗，波束形状损耗等等20340(4)ttrnonSPGGMNRFkTBL雷达方程与能量的关系匹配滤波器的SNR：002iSENN接收信号总能量几个参数之间的关系234[](4)ttrnoPGGRFkTL1nB时间带宽积＝1ETttaverPP发射信号能量：接收机输出信号的SNR取决于信号总的能量，而不是功率！雷达的作用距离是否取决于功率？匹配滤波器的输出瞬时信噪比只与输入信号能量和白噪声功率谱密度有关!接收机输入端的噪声功率谱密度一次雷达二次雷达雷达接收应答信号来检测和识别目标雷达利用目标的散射信号来检测和识别目标2－2雷达信号检测初步目标检测的基本流程信号处理机（计算机）识别系统（ATR）高放中放检波视放显示混频回波f0信号的基本模型()()()xtstnt回波目标信号噪声目标信号()=g(f,,,,,RCS...)rstvt噪声来源：1）雷达内部热噪声2）杂波：复杂的电磁环境噪声分布发现概率与虚警概率发现概率Pd：(discoverrate):P1dfaP有目标，并能发现目标虚警概率Pfa:(falsealarmrate):无目标，但认为有目标漏报概率Pla：:(alarmrateloss):有目标，但未能发现目标正确不发现概率Pan：无目标，正确判断无目标P1dlaPP1faanP条件概率虚警概率的计算关键：噪声模型的确定12()cos(t)+jsin(t)xtVV212,~N(0,)NVV2212rxVV服从瑞利(Rayleigh)分布其它形式的分布，如Rician分布等pdf积分概率分布函数(CDF)pdf求导221()exp22iiNNVPVi=1,2222()exp2NNrrPr概率密度函数噪声的包络的概率密度函数：222()exp2NNrrprrP(r)oVTPfa:rVT时的概率222()exp2TfaTVNNrrPPVrdr22exp2TfaNVP22exp2TfaNVP恒虚警的概念虚警时间虚警总数怎样做到恒虚警？CFAR:constantfalsealarmrate根据噪声强度自适应调整门限大小发现概率的计算包络检波器的输出PDF为：220222()exp2NNNrrArAPrI()A(t)e()jtxtnt回波目标信号噪声检波器的均方中频信号功率Si:A2/20I零阶修正贝塞尔函数（BesselFunction）01(1......)82zeIzzz0z2zeIzz():PrRiciandistribution,Rician-NakagamiPDFWhenAtendsto0,P(r)degradestoRayleighPDF发现概率的计算(续)220222()exp2NNNrrArAPrIrP(r)oVT与噪声有关与SNR有关（与A有关）PfaPd220222()()exp2TTdVVNNNrrArAPrPrdrIdr发现概率：P137,图5.7,(西电)Pfa~Pd~D0P35,图2－9,(成电)检测因子2012SADN检测所需的信噪比代价函数12lafaCCPCP漏报概率虚警概率MinimizeCObjective:积累对性能的影响利用多个脉冲信号相关积累检波前、中频上进行积累，保留相位信息同相迭加，SNR增加n倍非相关积累检波后、视频上进行积累，只利用幅度信息（检波的非线性性）同相迭加，SNR的增加n倍积累的基本概念积累效率00100/()/inSNEnnSN达到规定检测能力所需的SNR00*/SN()1iEn积累损失1()10lg()iiLnEn()0iLn积累改善因子00100/()()/iinSNInnEnSN00100//()niSNSNnEn所需的SNR减小了()inEn1/42max3(4)ttrnonPGGRFkTBM作用距离增加了1/4()inEn信号的SNRNAPd积累的增加不是无限制的同时NPfa非起伏目标单个脉冲线性检波时检测概率和所需信噪比的关系曲线cm3kWPt16dBG37MHzBn20dBFn10dBL12tP810，系统要求检测概率为90%，虚警概率为21m1、求时的最大探测距离；2、其他条件和要求不变时，若积累10个脉冲后进行目标检测，发射功率应为多少？此时的接收机灵敏度要求是多少？已知某相参体制脉冲雷达参数为目标的雷达截面积（RCS）简单目标的雷达截面积复杂目标的雷达截面积简单目标的雷达截面积球体、锥体、平板、三角形反射体等规则目标金属（PEC）or介质？不同的极化？辐射定标/2r利用判断不同的区域散射与辐射复杂目标的雷达截面积基于点散射模型：itjiieatx0)(总强度：)()()()(21110tjutueatxtuMitjiMiii利用相量法的概念2/12121)sin()cos(MiiiMiiiaaA信号的幅度Ajobyourtan1目标的RCSA服从瑞利分布由幅度A目标的RCS不同的定义，但RCS正比于A2，(从数值上))N(0,~,221uuA2服从指数分布RCS服从指数分布RCSRCSRCSRCSP/exp1)(RCS平均RCS2232lim4sDriErE散射的功率入射的功率密度RCS是目标自身的特性怎样获得RCS?近似模型计算电磁学的方法利用实测数据建立样本库精确计算各种类型的杂波1.地面回波2.海面回波3.气象回波回波的频谱随机噪声（如白噪声）卷积输出杂波仿真目标起伏类型1.第一类（SwerlingI）慢起伏，（脉冲脉冲间起伏不大（基本稳定））回波幅度服从瑞利分布2.第二类（SwerlingII）快起伏，（脉冲脉冲间起伏是统计独立的）回波幅度服从瑞利分布适于目标是由大量等散射单元散射体构成目标起伏类型（续）3.第三类（SwerlingIII）慢起伏4.第四类（SwerlingIV）快起伏目标是由一个大的反射体＋许多小的反射体4()exp2/RCSRCSRCSRCSRCSP2RCSA32420093()exp22AAPAAA1/203/4RCSA系统损耗1.射频传输损耗2.天线辐射、接收中的损耗天线的效率、天线的不匹配、天线的热噪声天线的波束形状等3.叠加损耗4.其它损耗电波传播的影响反射和折射的基本理论Snell’sLawofreflectionandrefractionEiErHiEtHrHtitr11(,)22(,)1.ri2.12sin()sin()itWavenumber(波数)11112222VerticalpolarizationHorizontalpolarization反射系数VPol.12||12cos()cos()cos()cos()ititImpedanceBrewsterAngle:反射系数为0HPol.2121cos()cos()cos()cos()itit大气层对电波传播的影响衰减：大气窗口●穿透云雾的能力大气层对电波传播的影响大气层对电波传播的影响折射天波超视距雷达电离层与经纬度、时间（季节）等有关Snell’sLaw:thedirectionsofthereflectedandtransmittedwaveFresnelLaw:theamplitudesofthereflectedandtransmittedwaveti11ri1it222sin,sinnkknSnell’slawofreflectionSnell’slawofrefraction天波超视距雷达中的几个概念最高可用频率min0静区天波静区天波超视距雷达中的几个概念多径效应最佳工作频率max85.0ffopt电离层的运动引入对超视距雷达的影响大气层对电波传播的影响海面杂波对超视距雷达的影响高频地波超视距雷达无线电波朝海面发射时，在海水表面会存在一种电磁波传播模式，称为地波(GroundWave)是一种表面波(SurfaceWave)，因此高频地波雷达也叫做高频表面波雷达(HFSurfaceWaveRadar)。200～500km地面对雷达探测的影响地球曲率的影响地球半径：a等效地球半径：43463708490()3eaakm直视距离：0124.1(m)(m)(km)dhh地面对雷达探测的影响（续1）地面或水面发射的影响11245E=cos(t)tPGRahth1E2ER222452E=cos(t--R)tPGRR12E=E+E12=1,=180,=-1G=G1E=2Esin(2)athhR地面对雷达探测的影响（续2）21D=4Dsin(2)athhR有地面反射时的功率密度2224S4sin(2)(4)teatiPGAhhRR接收机的功率=4ah2athhnR盲区22athhnR有利1、采用垂直极化，（主要是反射系数的影响）2、采用小的波长，（地面接近漫反射）3、架设不同层次的天线对低空目标的检测不利电波传播的Fre