第7讲-雷达对目标的发现

延迟符第3章目标的发现3.1雷达目标特性3.2雷达方程3.3雷达对目标的发现3.4系统损耗及传播过程对雷达作用距离的影响3.1雷达目标特性3.1.1目标类型根据目标自身的体形结构和雷达分辨单元的大小，可以将雷达目标分为点目标和分布式目标两种类型。脉冲雷达的特点是有一个“空间分辨单元”，分辨单元在角度上的大小取决于天线波束宽度，在距离上的尺寸取决于脉冲宽度，该分辨单元表现为某个面积或体积。3.1.1目标类型（1）雷达分辨单元面积As雷达分辨单元面积As是指天线波束照射到地面所产生的回波信号能够在同一距离单元内叠加后所对应的照射地面的面积。雷达分辨单元面积As与雷达天线波束、擦地角、雷达发射脉冲宽度等因素有关。如下图所示。其中，τ是雷达发射脉冲宽度，c是光速。3.1.1目标类型3.1.1目标类型（2）雷达分辨单元体积Vs雷达分辨单元体积Vs是指天线波束照射到空间所产生的回波信号能够在同一距离单元内叠加后所对应的照射空间的面积。它的俯仰分辨单元Δβ=θβ0.5R、方位分辨单元Δα=θα0.5R、距离分辨单元ΔR=0.5cτ组成。如下图所示，即：Vs=ΔR·Δβ·Δα=1/2cτθα0.5θβ0.5R2其中，τ是雷达发射脉冲宽度，c是光速，R为雷达至目标的距离。3.1.1目标类型3.1.1目标类型根据雷达的分辨单元面积和体积，目标类型可以分为点目标和分布式目标。如果一个目标空间体积明显小于雷达的分辨单元体积（空间分辨单元），则该目标相对于雷达而言算作点目标。像飞机、卫星、导弹、船只等。当用普通低分辨力雷达观测时就可以是点目标。如果一个目标空间体积大于雷达的分辨单元体积（空间分辨单元），则该目标算作分布式目标。典型的面分布式目标包括地面、水面等，典型的体分布式目标包括箔条、云等。3.1.2目标特性1.雷达截面积雷达截面积（RCS）一般记为σ，它描述了目标在一定入射功率条件下，向雷达接收天线方向散射功率的能力。如果将雷达截面积等效为σ的物体放在与电磁波传播方向相垂直的平面上，它将无损耗地将入射功率全部地、均匀地向各个方向传播出去，并且，在雷达处由雷达所接收到的散射功率密度与实际目标的二次辐射所产生的功率密度相等。假设入射电磁波在目标处功率密度为S，则按照上述假设，RCS为σ的目标所能够散射的总功率为P=S·σ实际上，σ的大小与雷达电磁波入射角有关，此处的RCS定义主要考虑电磁波按原入射方向反射回去。在雷达处(目标距离雷达的位置设为R)，目标二次辐射功率密度为：3.1.2目标特性2244RSRPSr3.1.2目标特性那么，可以得到RCS的定义为：SSRr24实际上，σ与目标形状、材料、视角、雷达波长、极化等因素有关，唯独与目标距离无关，在雷达处，目标二次辐射功率密度Sr是变化的，且Sr∝（1/R2）,因此σ与距离R无关。3.1.2目标特性设雷达接收点处单位立体角内的散射功率PΔ，且PΔ=P/4π，那么：SPPPRPSSSRrr44414223.1.2目标特性入射功率密度角内回波功率返回雷达处每单位立体4那么，RCS又可定义为RCS定义：在远场条件（平面波照射的条件），目标处每单位入射功率密度在雷达处单位立体角内产生的反射功率乘以4π。3.1.2目标特性PRS1目标的散射特性3.1.2目标特性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。“等效”是指该球体在接收机方向每单位立体角所产生的功率与实际目标散射体所产生的相同,从而将雷达截面积理解为一个等效的无耗各向均匀反射体的截获面积(投影面积)。因为实际目标外形复杂,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达截面积σ值。除了后向散射特性外,有时需要测量和计算目标在其它方向的散射功率,例如双基地雷达工作时的情况。可以按照同样的概念和方法来定义目标的双基地雷达截面积σb。对复杂目标来讲,σb不仅与发射时的照射方向有关,而且还取决于接收时的散射方向。3.1.2目标特性2.点目标特性与波长的关系目标的后向散射特性除与目标本身的性能有关外,还与视角、极化和入射波的波长有关。其中与波长的关系最大,常以相对于波长的目标尺寸来对目标进行分类。为了讨论目标后向散射特性与波长的关系,比较方便的办法是考察一个各向同性的球体。因为球有最简单的外形,而且理论上已经获得其截面积的严格解答,其截面积与视角无关,因此常用金属球来作为截面积的标准,用于校正数据和实验测定。3.1.2目标特性球体截面积与波长的关系如图所示。当球体周长2πrλ时,称为瑞利区,这时的截面积正比于λ-4;当波长减小到2πr=λ时，就进入振荡区,截面积在极限值之间振荡;2πrλ的区域称为光学区,截面积振荡地趋于某一固定值,它就是几何光学的投影面积πr2。101.00.10.010.0010.10.20.30.50.81.022010853瑞利区振荡区光学区2rr2球目标的尺寸相对于波长很小时呈现瑞利区散射特性,即σ∝λ-4。绝大多数雷达目标都不处在这个区域中,但气象微粒对常用的雷达波长来说是处在这一区域的(它们的尺寸远小于波长)。处于瑞利区的目标,决定它们截面积的主要参数是体积而不是形状,形状不同的影响只作较小的修改即可。通常，雷达目标的尺寸较云雨微粒要大得多,因此降低雷达工作频率可减小云雨回波的影响而又不会明显减小正常雷达目标的截面积。3.1.2目标特性3.1.2目标特性实际上大多数雷达目标都处在光学区。光学区名称的来源是因为目标尺寸比波长大得多时,如果目标表面比较光滑,那么几何光学的原理可以用来确定目标雷达截面积。按照几何光学的原理,表面最强的反射区域是对电磁波波前最突出点附近的小的区域,这个区域的大小与该点的曲率半径ρ成正比。曲率半径越大，反射区域越大,这一反射区域在光学中称为“亮斑”。可以证明,当物体在“亮斑”附近为旋转对称时,其截面积为πρ2,故处于光学区球体的截面积为πr2,其截面积不随波长λ变化。在光学区和瑞利区之间是振荡区,这个区的目标尺寸与波长相近,在这个区中，截面积随波长变化而呈振荡,最大点较光学值约高5.6dB,而第一个凹点的值又较光学值约低5.5dB。实际上雷达很少工作在这一区域。3.3.1.2目标特性几何形状比较简单的目标,如球体、圆板、锥体等,它们的雷达截面积可以计算出来。其中球是最简单的目标。上节已讨论过球体截面积的变化规律,在光学区,球体截面积等于其几何投影面积πr2,与视角无关,也与波长λ无关。对于其他形状简单的目标,当反射面的曲率半径大于波长时,也可以应用几何光学的方法来计算它们在光学区的雷达截面积。对于非球体目标，其截面积和视角有关，而且可以应用在光学区其截面积不一定趋于一个常数，但利用“亮斑”处的曲率半径可以对许多简单几何形状的目标进行分类，并且说明它们对波长的依赖关系。3.1.2目标特性4.复杂目标的雷达截面积复杂外形的目标，RCS无法计算，只能通过大量测试，用统计的方法来确定。诸如飞机、舰艇、地物等复杂目标的雷达截面积,是视角和工作波长的复杂函数。尺寸大的复杂反射体常常可以近似分解成许多独立的散射体,每一个独立散射体的尺寸仍处于光学区,各部分没有相互作用,在这样的条件下，总的雷达截面积就是各部分截面积的矢量和。24expkkkdjσk是第k个散射体的截面积；dk是第k个散射体与接收机之间的距离,这一公式对确定散射器阵的截面积有很大的用途。3.1.2目标特性各独立单元的反射回波由于其相对相位关系,可以是相加,给出大的雷达截面积,也可能相减而得到小的雷达截面积。对于复杂目标，各散射单元的间隔是可以和工作波长相比的,因此当观察方向改变时,在接收机输入端收到的各单元散射信号间的相位也在变化,使其矢量和相应改变,这就形成了起伏的回波信号。B-26飞机的雷达截面积dB5101520253035图中表示B-26放在转台上得到的雷达截面积，工作波长为10cm,从图上可以看到雷达截面积是视角的函数，角度改变1/3弧度时，截面积大约变化为15dB，这里的飞机的投影面积非常大而且具有较为平坦的表面。3.1.2目标特性从上面的讨论中可看出,对于复杂目标的雷达截面积,只要稍微变动观察角或工作频率(波长)，就会引起截面积大起伏。但有时为了估算作用距离,必须对各类复杂目标给出一个代表其截面积大小的数值σ。至今尚无一个一致同意的标准来确定飞机等复杂目标截面积的单值表示值。可以采用其各方向截面积的平均值或中值作为截面积的单值表示值,有时也用“最小值”(即差不多95%以上时间截面积都超过该值)来表示。下表列出几种目标在微波波段时的雷达截面积作为参考例子,而这些数据不能完全反映复杂目标截面积的性质,只是截面积“平均”值的一个度量。3.1.2目标特性5.目标特性与极化决定雷达目标特性的另一个重要因素是入射电磁波的极化。第2章中讲到，天线是描述电磁波矢量性的物理量，表征了空间给定点上电场强度矢量（大小和方向）随时间变化的特性。绝大部分目标在任意姿态角下，对不同的极化波的散射是不同的，且对于绝大部分目标，发射或散射电磁波的极化不同于入射电磁波的极化。当目标受特定极化状态的入射波照射时，其散射波取值依赖入射波的强度、极化状态和目标的极化特性。3.1.3杂波特性目标处在一定环境中，而环境中包含了各种杂波。例如，来自地面的地杂波，来自海面的海杂波。此外，还有云、雾、雨等气象杂波。雷达电子战中常用箔条，亦可以产生杂波。1.面分布杂波强度散射系数（后向系数）：为了度量与照射面积无关的杂波，通常用单位面积的雷达截面积σ0表示。（1）地杂波强度地杂波主要由雷达波束照射到地面所覆盖的面积以及地面散射特性决定。3.1.3杂波特性首先需要计算雷达分辨单元面积As。根据雷达天线波束形状不同，计算As的公式也不同。如采用针状波束，且波束宽度为θ0.5，则As计算公式为csc4125.02sRA式中，R是雷达至地面的距离，θ为波束擦地角。由此得到地面雷达的雷达截面积为：σ0为单位面积的雷达截面积。与地物、地形、擦地角、极化等因素有关，需通过大量试验才能确定。0csA3.1.3杂波特性（2）海杂波强度海杂波强度计算公式与地杂波相同，不同的是单位面积海杂波截面积σ0，与不同的海情、雷达电磁波极化方式、风向等因素密切相关，也有相应的曲线备查。3.1.3杂波特性2.体分布杂波强度（1）雷达气象杂波云或雨的杂波强度与照射的体积成比例。为了度量与照射体积无关的杂波，通常用单位体积的雷达截面积η来描述。由此得到云、雨的雷达截面积为σc=Vs·ηVs是雷达分辨单元体积。工程上，已经对各种气象条件进行过大量测试并绘制出曲线备查。（2）箔条杂波强度箔条杂波强度的确定与气象杂波相同。需要确定雷达分辨单元体积内的箔条数量以及每根箔条的雷达截面积。假定雷达分辨单元体积Vs内有n根箔条，且单根箔条的平均雷达截面积为，则箔条总的雷达截面积为3.1.3杂波特性nc单根箔条在空中随意漂浮，计算比较复杂。工程上也有近似计算公式。3.2雷达方程3.2.1基本雷达方程1.雷达方程的意义•雷达与目标之间的空间能量关系•雷达主要的战技指标•雷达发现目标的最远距离2.预备知识•自由空间介质各向同性、均匀电磁波以光速匀速、直线传播电磁波在传播中无能量损耗3.2.1基本雷达方程•天线增益与有效孔径面积的关系eAG24天线增益定义：在相同输入功率的条件下，天线在最大方向上产生的功率密度与理想点源天线（无方向性理想天线）在同一点产生的功率密度的比值，即为该天线的增益系数。3.2.1基本雷达方程则：在雷达与目标连线方向距雷达天线R远处的雷达辐射功率密度为1、设：雷达发射功率为天线的增益为tPtG1PD)m/(4221WRGPPDttjR3.2.1基本雷达方程2.在距离R处的波束内一个目标，发射的电磁波碰上目标后，入射的能量将向不同的方向散射，其中一些能量会向雷达发射（后向散射）。向雷达方向反射回的能量由目标所在