探测原理第五章20160413.ppt

1、探测原理,北京理工大学宇航学院,第五章 雷达探测,5.1.雷达技术及其发展 5.2.雷达探测机制 5.3.雷达的工作原理 5.4.雷达作用方程 5.5.雷达使用性能及其影响因素 5.6.雷达的生存与对抗 5.7.雷达导引头工作原理,5.1 雷达技术技术及其发展,5.1.1. 雷达技术的发展 5.1.2. 雷达技术的应用 5.1.3. 雷达的分类,5.1.1 雷达技术的发展,1864年，麦克斯韦提出了电磁理论，预见到电磁波的存在。 1886年，赫兹进行了用人工方法产生电磁波的实验，通过 实践证明了“无线电”的存在，验证了电磁波的发生、接 收和散射。 1903年，德国人威尔斯姆耶（Wilsmoy）

2、探测到了从船上反 射回来的电磁波。 1922年，马可尼（Marconi）主张用短波无线电来探测物体。 他说：“电磁波是能够被导体所反射的，可以在船舶上设置 一种装置，向任何所需要的方向发射电磁波，若碰到导电物 体，它就会反射到发射电磁波的船上，由一个与发射机相隔 离的接收机接收，以此表明另一船舶是存在的，并进而可以 确定其具体位置。”这是最早比较完整地描述雷达概念的语 句。,1925年，约翰斯霍普金斯大学（Johns Hopkins University） 的G布赖特（GBreit）和M图夫（MTuve），通过阴极射 线管观测到了来自电离层的第一个短脉冲回波。 1935年，由英国人和德国人第一

3、次验证了对飞机目标的短脉 冲测距。 1937年，由罗伯特沃森瓦特 （Robert Watson-Watt）设计 的第一部可使用的雷达 “Chain Home”在英国建成。 致此，人类才找到了赫兹原 理的基本应用。,5.1.1 雷达技术的发展,二战后，雷达技术获得了巨大的发展。主要原因归于两个 非常重要的器件的发明：T/R（收/发）开关和磁控管。 收发开关使雷达的探测成功地从双（多）基变成单基 雷达。也就是从收发分别用一个天线，到共用一个天 线。大大简化了雷达系统。 磁控管的出现使雷达的探测功率大大提高，从而大大 提高了雷达的探测能力。,5.1.1 雷达技术的发展,20世纪60年代以来，航空、航

4、天技术、飞机、导弹、人 造卫星、宇宙飞船、反洲际弹道导弹系统等对雷达提出了 高精度、远距离、高分辨力及多目标测量等要求。 技术上：如脉冲压缩技术、单脉冲雷达、相控阵雷达、 目标识别、目标成像、SAR、脉冲多普勒雷达体制的研制 成功使雷达能测量目标的位置和相对运动速度，并具有良 好的抑制地物干扰等的能力；,5.1.1 雷达技术的发展,结构工艺上：微波高功率放大管、微波接收机高频系统 中许多低噪声器件，如低噪声行波管工量子放大器、参量 放大器、隧道二极管放大器等的应用，使雷达接收机灵敏 度大为提高，增大了雷达作用距离；同时，由于雷达中数 字电路、计算机使用使雷达结构组成和设计发生根本性的 变化。微

5、组装工艺、系列化、标准化和模块化设计，使雷 达结构更合理，性能更灵活。 雷达的工作波长，从短波扩展至毫米波、红外线和紫外 线领域。在这个时期，微波全息雷达、毫米波雷达、激光 雷达和超视距雷达相继出现。,5.1.1 雷达技术的发展,1992年第一次海湾战争中，美国首次应用了安装在E-8型 飞机上的空军/陆军联合监视目标攻击雷达系统（Joint STARS 或JSTARS）。在代号为“沙漠风暴”的整个战 争期间，此系统探测、定位和跟踪了价值很高的对方地面 上固定与运动的目标，如“飞毛腿”导弹发射架、行军中 的部队、渡河位置、后勤部队位置、部队集结区以及退却 路线等，给联军的战场空中指挥与控制中心提

6、供了重要信 息，对迅速进行战术决策与指挥攻击机实施打击起了重要 作用。,5.1.1 雷达技术的发展,联合监视目标攻击雷达系统是一部远距离（不小于250km） 空中对地面监视的系统，可用来全天候对地面目标定位、 分类与跟踪、在己方空域内，可探测与跟踪对方领域内前 线与后方纵深地区内的行动；并且还对直升机、旋转的天 线和大型慢速飞机有一定的探测能力。,5.1.1 雷达技术的发展,从军事需求上看，对新一代雷达提出的重点要求如下： 在更大空域范围内观察多种目标的能力。提高对雷达 截面积减小10-30dB的隐身目标的能力； 提高雷达在恶劣环境下工作的可靠性/有效性和生存 能力； 提高雷达测量的分辨率和精

7、度，以适应具有精确打击 能力的各类作战平台的发展需要； 进行目标分类，识别和判别目标属性； 对地面（海面）与空中运动目标进行高分辨率成像； 多部雷达组网，雷达信息进入各类C3I系统和作战平 台的综合能力。,5.1.1 雷达技术的发展-雷达新技术发展,为满足军事日益增高的需求，雷达新技术不断地得到发 展，主要表现如下： 雷达频率的扩展。工作频率高端朝毫米波/红外/激光雷达方向发 展，低端朝VHF/UHF和HF波段发展； 雷达目标识别。根据雷达观察数据和从雷达回波中提取的目标信 息，对目标进行分类/识别，识别目标属性，区分真假目标； 雷达成像技术。采用大的瞬时带宽，可进行目标的高分辨率一维 成像，

8、同时采用合成孔经雷达（SAR）和逆合成孔经雷达（ISAR）； 相控阵天线技术。与相控阵天线相关的发射/接收组件，数字波 束形成技术，数字信号处理技术，自适应波束形成技术； 先进的信号处理与数据处理技术。,5.1.1 雷达技术的发展-雷达新技术发展,军用,预警雷达（发现洲际导弹，尽早地发出预警警报）,搜索和警戒雷达（发现飞机）,引导指挥雷达（歼击机的引导和指挥作战）,火控雷达 （控制火炮或导弹对空中目标进行瞄准）,战场监视雷达（坦克或军车）,机载雷达、无线电测高仪、雷达引信。,民用,气象雷达,航空管制雷达（一、二次雷达）,宇宙航行雷达,遥感设备,5.1.2 雷达技术的应用,按雷达作用分类：总的来

9、说，分为军用雷达与民用雷达 两大类。 按信号形式分类 按信号处理方式分类 按天线波束扫描方式分类 按测量的目标参数分类 按工作频段分类,5.1.3 雷达的分类,军用雷达又可根据雷达安放地点或雷达所在平台分成地 面雷达、舰载雷达、机载雷达和星载雷达等。每一种雷达 可按作用或担负的任务进行细分。 地面雷达又可按其功能分为对空监视雷达、引导与目 标指示雷达、卫星监视与导弹预警雷达、超视距雷达、 火控雷达、导弹制导雷达和精密跟踪测量雷达等。 机载雷达则包括机载预警雷达、机载火控雷达、轰炸 雷达、机载测高雷达、机载气象雷达、机载空中侦察 雷达等。,5.1.3 雷达的分类,在民用雷达中，按作用划分，有空中

10、交通管制雷达、内 河与港口管制雷达和气象雷达等。对其中的每种雷达还可 进行细分。例如，空中交通管制雷达中又包括航路管制雷 达、进场雷达等。,5.1.3 雷达的分类,按雷达信号是脉冲信号还是连续波信号可分成脉冲雷达 与连续波雷达。脉冲雷达可按不同的雷达信号调制方式进 一步分成例如脉冲压缩雷达、噪声雷达和频率捷变雷达等。 采用调频连续波(FMCW)信号的雷达称为调频连续波雷达。 采用相参信号与非相参信号的雷达则分别称为相参雷达 与非相参雷达。 按信号瞬时带宽的宽窄，雷达又可分为窄带雷达或宽带 雷达。,5.1.3 雷达的分类,如动目标显示雷达、脉冲多普勒(PD)雷达、频率分集雷 达、极化分集雷达和合

11、成孔径雷达等，都是以它们信号 处理方式的特点来取名的。,5.1.3 雷达的分类,按天线波束扫描方式分类，雷达可分为机械扫描雷达与 电扫描雷达两大类。,5.1.3 雷达的分类,两坐标、三坐标雷达是以测量目标坐标位置(方位、距离；仰角、距离；方位、仰角、距离)命名的。 除测量方位、仰角、距离外还能测量目标速度的雷达，在有的文献中称为四维雷达。按测量参数分类的雷达还有：测高雷达、测速雷达、目标识别雷达和敌我识别雷达等。,5.1.3 雷达的分类,按工作频段分类，这类雷达有短波雷达、米波雷达、分米波雷达、微波雷达和毫米波雷达等。,5.1.3 雷达的分类,5.2 雷达探测机制,5.2.1. 雷达探测原理

12、5.2.2. 雷达的基本组成 5.2.3. 雷达工作波段,5.2.1雷达探测原理,雷达的英文名称为Radar(Radio Detection and Ranging)， 含义是用无线电方法对目标进行探测和测距。 雷达最基本的任务有两个，一是发现目标的存在，二是 测量目标的参数，前者称为雷达检测，后者称为雷达参数 提取或参数估值。 雷达问世之初，主要的观察目标是飞机。发现飞机目标 的过程是：雷达发射机向空间发射电磁波，电磁波遇到飞 机目标时，一小部分能量被反射回接收机，接收机接收到 从目标反射回来的回波信号，如果它超过一定的门限电压 值，就称为探测到了或是发现了目标，由电波传播的往返 时间即可获

13、得雷达至目标的距离。,狭义： 利用电磁波受目标反射的现象来探测目标物体的方向和距离,广义： 利用无线电方法来探测目标物体的方向和距离,5.2.2 雷达的基本组成,雷达是用无线电方法发现目标并测定它们在空间的位置。 现代雷达的任务不仅是测量目标的距离、方位和仰角，而 且还包括测量目标速度，以及从目标回波中获取更多有关 目标的信息。,图5.1 雷达的基本组成框图,5.2.2 雷达的基本组成,雷达的基本组成框图,基本概念回顾,电磁波谱,5.2.2 雷达的基本组成,图5.2 典型脉冲雷达组成框图,典型脉冲雷达的基本组成框图如图5.2所示。,定时器：产生定时触发脉冲，送到发射机、显示器等各雷达分系统，控

14、制雷达全机同步工作。 发射机：在触发脉冲控制下产生射频脉冲进行发射。对于高性能相参雷达，发射机实际上是一个雷达信号的功率放大链，它将来自高稳定频率综合器的信号进行调制和放大，使信号功率达到需要的电平。 收/发转换开关：在发射期间将发射机与天线接通，断开接收机，而在其余时间将天线与接收机接通，断开发射机。对于收、发共用一副天线的雷达来说，必须具有收/发转换开关。 天线：将发射机输出的电磁波形成波束，实现定向辐射和接收自目标反射回来的电磁波。天线具有很强的方向性，以便集中辐射能量获得较大的观测距离。,5.2.2 雷达的基本组成,接收机：把微弱的回波信号放大到足以进行信号处理的电平，同时尽量减小接收

15、机的内部噪声，以保证接收机的高灵敏度。即将回波信号放大、滤波，并变换成视频回波脉冲，然后送入显示器。 显示器：雷达终端设备之一，用来显示目标回波、指示目标位置，是操作员用以操作、控制雷达工作的主要装置之一。 伺服装置(亦称天线控制装置)：控制天线转动，使雷达的机械扫描天线波束依照一定的方式在空间扫描。 信号处理机：消除不需要的信号（如杂波）及干扰，处理或加强由目标产生的回波信号。信号处理是在做出检测判决之前完成的。,5.2.2 雷达的基本组成,米波段：对空警戒雷达。 分米波段：对空监视雷达、舰载雷达，可目标跟踪。 厘米波段：武器火控系统，体积小、精度高。 毫米波段：机载雷达，天线小、精度高、分

16、辨率高。 激光波段：多用于测距和测绘系统。良好的距离和角度分辨力。,雷达一般工作在超短波或微波波段。这是由于波长越小，目标面积与波长的比值就越大，波的反射越强。 高空的电离层对短波具有反射作用，频率超过30兆赫以上的超短波就穿过电离层直上太空，可避免电离层对无线电波反射作用的影响。所以，雷达必须工作在超短波或微波波段才能有效地发挥作用，探测到目标。,5.2.3 雷达工作波段,电磁波波长与频率之间的关系为： 不同用途的雷达工作在不同的频率上。目前常用的频段 符号见下表。,5.2.3 雷达工作波段,5.2.3 雷达工作波段-常用频段符号与雷达用途,表5.2 常用频段符号与雷达用途,最早的雷达使用的

17、是米波，这一波段被称为P波段（P为Previous的缩写，即英语“以往”的字头）。 后来用于搜索雷达的电磁波波长为23cm，这一波段被定义为L波段（英语Long的字头），后来这一波段的中心波长变为22cm。 当波长为10cm的电磁波被使用后，其波段被定义为S波段(英语Short的字头，意为比原有波长短的电磁波）。 在主要使用3cm电磁波的火控雷达出现后，3cm波长的电磁波被称为X（/ka/）波段，因为X代表座标上的某点。 为了结合X波段和S波段的优点，逐渐出现了使用中心波长为5cm的雷达，该波段被称为C波段（即Compromise，英语“妥协、折衷”一词的字头）。,5.2.3 雷达工作波段-关

18、于雷达波段,在英国人之后，德国人也开始独立开发自己的雷达，他们选择1.5cm作为自己雷达的中心波长。这一波长的电磁波就被称为K波段。 二战期间，德国人发现其特有的“精确性”选择的波长容易被水蒸气强烈吸收。结果这一波段的雷达不能在雨中和有雾的天气使用。 战后设计的雷达为了避免这一吸收峰，通常使用比K波段波长略长（Ka，即英语Kabove的缩写，意为在K波段之上）和略短（Ku，即英语Kunder的缩写，意为在K波段之下）的波段。,5.2.3 雷达工作波段-关于雷达波段,5.3 雷达的工作原理,5.3.1. 雷达的基本工作原理 5.3.2. 测量目标位置的方法 5.3.3. 雷达的主要战术参数（应用

19、参数） 5.3.4. 目标及其发现 5.3.5. 雷达的主要战术技术指标,在雷达应用中，测定目标坐标常采用极（球）坐标系统，如图所示。空间任一目标P所在位置可用下列三个坐标确定： 目标的斜距R雷达到目标的直线距离OP； 方位角目标斜距R在水平面上的投影OB与某一起始方向（正北、正南或其它参考方向）在水平面上的夹角； 仰角斜距R与它在水平面上的投影OB在铅垂面上的夹角，有时也称为倾角或高低角。,5.3.1 雷达的基本工作原理,5.3.1 雷达的基本工作原理,图5.5 目标位置的极坐标表示,目标的位置如图所示，是由目标的斜距R、方位角和俯 仰角三个坐标决定的。,5.3.2 测量目标位置的方法,图5

20、.6 目标的位置图,目标距离的测量-目标斜距的测量 雷达到目标的距离是由电磁波从发射到接收所需的时间来确定的，假如这个来回传播时间为t，而电磁波是以恒定的光速c传播的，则雷达到目标的距离R为： 式中时间t为来回传播时间，以秒(s)计；距离以米(m)计；,c=3108m/s,5.3.2 测量目标位置的方法,目标角位置的测量 目标角指方位角或仰角，这两个角位置的测量基本上是利用天线的方向性来实现。,5.3.2 测量目标位置的方法, 最大回波法的测角原理：在波束扫描过程中，只有当波束的轴线对准目标，也就是天线法向对准目标时，回波才能最大。当回波最大时，天线位置传感器(如光电轴角编码器、旋转变压器、同

21、步电机和电容传感器等)所指示的方位角即为目标的方位角。,目标角位置的测量 顺序比较法：利用相互交叉的两个波束左右交替扫描照射目标，只有天线方向轴对准目标时，左右两波束接收的回波强度才相等。两波束接收的回波强度相等时天线所指方位角就是目标的方位角。 单脉冲测角法：利用相互覆盖的两个接收波束同时对它们所收到的信号进行幅度比较，采用内插方法得到目标角度位置的方法。该方法在大多数精密跟踪雷达中获得了广泛的应用。,5.3.2 测量目标位置的方法,目标角位置的测量 对大多数两坐标雷达来说，雷达天线在方位上作机械旋转，天线波束在方位上扫描。当天线波束扫过目标时，雷达回波在时间顺序上从无到有，由小变大，再由大

22、变小，然后消失，天线波束形状对雷达回波幅度进行了调制。,5.3.2 测量目标位置的方法,波束在垂直方向扫描，用上述方法同样可以测定目标的俯仰角。,测量空间目标相对于地面站角度的方法分为两大类：相位法和振幅法。 相位法测角(平面波) 利用目标回波信号相位差别进行测角的方法叫相位法测角。下图为相位法测角的示意图。,5.3.2 测量目标位置的方法,图5.7 相位法测角示意图,振幅法测角（三种） 最大信号法 等信号法 最小信号法,5.3.2 测量目标位置的方法,最大信号法-振幅法测角 以波束轴对准目标接收到最大回波时的角度作为目标的角坐标。 最大信号法测角的优点是测角过程简单， 缺点是测角准确度不高，

23、一般只能达到 波束宽度的1025。 由于天线波束方向图在最大值附近比较 平坦，变化率很小，因此目标在轴线左 右，回波强度变化缓慢，不易判别，所 以目标的角度不易测准。,5.3.2 测量目标位置的方法-振幅法测角,等信号法 在等信号法中，两个波束可同时存在，也可交替出现。 两套天线接收系统同时工作，叫做同时（瞬时）波瓣法； 两套天线轮流工作或用最大辐射方向偏离等信号线一个角度的波束旋转来得到，叫做顺序波瓣法。 等信号法的优点是测角精度较高，收发天线分开时，测角精度比最大信号法约提高6倍，比收发天线共用时约提高12倍。 它的缺点是天线设备比较复杂；另外由于等信号轴方向不是波束最大方向，在发射功率同

24、样的情况下，它的作用距离比最大信号法的作用距离要近些。,5.3.2 测量目标位置的方法 -振幅法测角,最小信号法 最小信号法测角从理论上说具有较 高的精度，因为在方向图的零点附 近变化率最大，但实际上由于噪声干扰不可能得到高的测角精度；另外当方向对准目标时方向图的最小目标回波消失，从而失去了测距的可靠性，作用距离不远；也不能进行自动测角。 雷达中很少用这种测角方法来测目标的方位角，只是在波长较长（如米波）的雷达中，由于天线波束较宽，垂直瓣受地面反射的影响发生分裂，形成多瓣，可利用垂直波瓣的零方向来粗略地测目标的仰角。,5.3.2 测量目标位置的方法 -振幅法测角,目标高度的测量 目标高度的测量

25、如图所示，它是以测距和测仰角原理为基础的，目标高度H同斜距R和仰角之间的关系是 由上式可见，测出目标的斜距R和仰角 ，可计算出目标的高度。不过，由于地面是弯曲的，计算出的高度还要进行修正。这时高度H应表示为 式中，h是雷达天线高度； 为地球曲率半径；,5.3.2 测量目标位置的方法,图5.8 目标的高度示意图,目标轨迹的测量 对于运动目标，通过多次测量目标的距离、角度参数，可以描绘出目标的飞行轨迹。利用目标的轨迹参数，雷达能够预测下一个时刻目标所在的位置。对于弹道目标，可以据此预测弹着点、弹着时间和发射点。,5.3.2 测量目标位置的方法,目标尺寸和形状的测量 当雷达测量具有足够高的分辨率，可

26、以提供目标尺寸的测量。当雷达和目标有相对运动时，可以利用多普勒效应切向距维的分辨率。此外，比较目标对不同极化波的散射场，可以提供目标形状不对称性的量度。复杂目标的回波振幅随时间会变化，可通过谱分析检测到，这些信息为目标识别提供了相应的基础。,5.3.2 测量目标位置的方法,目标径向速度的测量 方法有两种： 距离变化率直接求速度； 多普勒频移求速度。 单向多普勒测速 双向多普勒测速 如果由地面三个或三个以上已知位置的测量站分别测出目标相对于各测量站的径向速度，且已知目标在该时刻的位置，则由3RR定位方法可求得目标速度的大小及方向。,5.3.2 测量目标位置的方法-相对速度的测量,多普勒雷达回波信

27、号频谱 由于多普勒效应，从运动目标反射回来的回波信号频率与发射信号频率相比，增加了一个多普勒频率偏移成分，下图是多普勒雷达回波信号频谱。测量回波信号的多普勒频移，可得到目标速度信息Vr： 式中为fd为多普勒频移，为雷达信号波长。目标面对雷达飞行，多普勒频率为正，当目标背向雷达飞行，多普勒频率为负。,5.3.2 测量目标位置的方法-相对速度的测量,图5.9 多普勒雷达回波信号频谱,多普勒雷达回波信号频谱 UHF 频段fd为多普勒频移在10Hz100Hz范围，HF频段多普勒频移1Hz10Hz，我们可以估算UHF频段多普勒雷达频率准确度约在108109，HF频段多普勒雷达频率准确度约在107108，

28、此时AWG需要外接标频。,5.3.2 测量目标位置的方法-相对速度的测量,图5.9 多普勒雷达回波信号频谱,雷达用途； 雷达威力范围：它由最大作用距离、最小作用距离、最大仰角及方位角范围决定； 分辨率：能区分两个点目标之间的最小距离R与最小角度； 数据率：单位时间内雷达所能提供对一个目标数据的次数，即雷达对整个威力范围内完成一次搜索所需时间的倒数。 跟踪速度：自动跟踪雷达连续跟踪运动目标的最大可能速度； 抗干扰能力：雷达通常在各种自然干扰和人为干扰的的条件下工作的能力； 雷达的准确度及精密度。,5.3.3 雷达的主要战术参数（应用参数）,目标是雷达观测的对象。 雷达发射的电磁波，在传播时遇见目

29、标，部分能量被目标吸收，转化为热而消耗了，另一部分被目标所重新辐射。 目标重新辐射，可认为是没有方向性的，这一重新辐射的能量，将有一小部分被接收天线所截获进入接收机，从而发现目标。所以，雷达接收机一定是对弱信号的处理， SNR的概念与蜂窝通信理论截然不同。,5.3.4 目标及其发现,5.3.4.1 目标 5.3.4.2 发现,目标的回波信号与目标本身信息的对应关系可以简单的归纳如下： 反射信号的存在代表着目标的存在； 信号的时延代表着目标与雷达发射机有一定的距离； 目标的多普勒频移代表着目标的径向速度； 回波波前的法向方向代表着目标的角度信息； 幅度对空间的变化率可以反映出目标的形状； 幅度对

30、时间的变化率可以反映出目标的自旋特征； 幅度对频率的变化率可以反映出目标的大小和体积。,5.3.4.1 目标,57,自然界中的物体是否属于雷达目标要视雷达的任务而定。 一般说，希望观测的物体都可称为雷达目标，如对搜索和跟踪雷达来说，导弹、飞机、舰船等是雷达目标； 而对测绘雷达来说，地形、建筑物、桥梁等都是雷达目标； 雨、雪、云雾等气象微粒则是气象雷达目标。 凡是不希望观测的物体都不能叫雷达目标，这些物体的回波称为干扰背景或杂波。 因此，为了尽可能保证雷达在各种环境中具有很好的性能，必须对不同的环境引起的杂波特性进行研究，以便滤除这些杂波。,5.3.4.1 目标,由于噪声的存在，判定是否有目标，

31、并不是绝对，也就是说，目标的发现应以概率的大小来度量。 在判断的过程中，有目标存在，监测器判定有目标，这种事件发生的概率叫做发现概率； 没有目标只有噪声存在，监测器也判定有目标，这种错误事件发生的概率叫做虚警概率。 对检测器来说，希望有较高的发现概率和较低的虚警概率。 发现概率和虚警概率是信号检测中两个重要的性能指标。,5.3.4.2 发现,5.3.5 雷达的主要战术技术指标,5.3.5.1 战术指标 5.3.5.2 技术指标,雷达战术指标主要由功能决定，合理地确定完成特定任 务的雷达战术指标，在很大程度上决定了雷达的性能、研 制周期和生产成本。因此，这是研制方和使用方共同关心 的问题。,5.

32、3.5.1 战术指标,观察空域 包括雷达方位观察空域(例如，两坐标监视雷达要求在 360范围内均能观察)、仰角观察空域(例如，对于监视 雷达，仰角监视范围多取O30)、最大探测高度 (Hmax)、最大作用距离(Rmax)和最小作用距离(Rmin)等。图 中所示(1ft=0.305m)的雷达威力图是一种对指定雷达截面 积的目标以雷达可探测到目标的距离和高度作为参数描述 观察空域的方便形式。,5.3.5.1 战术指标,5.3.5.1 战术指标,观察时间与数据率 这是指雷达用于搜索整个空域的时间，它的倒数称为搜 索数据率。对同一目标相邻两次跟踪间隔时间的倒数称为 跟踪数据率。 测量精度 这是指雷达所

33、测量目标的坐标与其真实值的偏离程度，即 指两者的误差。误差越小，精度就越高。测量精度取决于 系统误差与随机误差。,5.3.5.1 战术指标,分辨力 这是指雷达对位置接近的两个点目标的区分能力。其中距 离分辨力是指在同一方向上两个点目标之间的最小可区分 距离，而角度分辨力是指在相同距离上不同方向两个点目 标之间的可区分程度。除位置分辨力外，对于测速雷达， 还有速度分辨力要求。,5.3.5.1 战术指标,抗干扰能力 这是指雷达在干扰环境中能够有效地检测目标和获取目标 参数的能力。通常雷达都是在各种自然干扰和人为干扰条 件下工作的。这些干扰包括人为施放的有源干扰和无源干 扰、近处电子设备的电磁干扰以

34、及自然界存在的地物、海 浪和气象等干扰。对雷达的抗干扰能力一般从两个方面来 描述。一是采取了哪些抗干扰措施，使用了何种抗干扰电 路；二是以具体数值表达，如动目标改善因子的大小、接 收天线副瓣电平的高低、频率捷变的响应时间、频率捷变 的跳频点数等。,5.3.5.1 战术指标,观察与跟踪的目标数 数据的录取与传输能力 工作可靠性与可维修性 工作环境条件 抗核爆炸和抗轰炸能力 机动性,5.3.5.1 战术指标,天馈线性能 主要包括天线孔径、天线增益、天线波瓣宽度、天线波束 的副瓣电平、极化形式、馈线损耗和天馈线系统的带宽等。 雷达信号形式 主要包括信号频率、脉冲重复频率、脉冲宽度、脉冲串的 长度和信

35、号带宽等。 发射机性能 主要包括峰值功率、平均功率、脉宽功率放大链总增益、 发射机末级效率和发射机总效率等。有的雷达还对发射信 号的频谱和二次、三次谐波的功率电平等提出了要求。,5.3.5.2 技术指标,接收机性能 主要包括接收系统噪声温度(或噪声系数)和接收机动态范 围等。 测角方式 雷达信号处理 主要包括诸如动目标显示或动目标检测(MTD)的系统改善 因子、脉冲多普勒滤波器的实现方式与运算速度要求、恒 虚警率(CFAR)处理和视频积累方式等。 雷达数据处理能力 主要包括对目标的跟踪能力、二次解算能力、数据的变换 及输入输出能力。,5.3.5.2 技术指标,5.4 雷达作用方程,5.4.1.

36、 自由空间雷达方程 5.4.2. 目标的雷达截面积（了解） 5.4.3. 最小可检测信号 5.4.4. 传播过程中各种因素的影响,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。,5.4.1 自由空间雷达方程基本雷达方程,天线增益与面积的关系为：,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,设：雷达发射功率为 天线的增益为,j,5.4.1 自由空间雷达方程方程基本形式的推导,设： 目标散射面积为 目标将接收到的功率无损耗地辐射出去 则：目标二次辐射功率为：,目标受到发

37、射电磁波的照射，因其散射特性而将产生散射 回波。散射功率的大小显然和目标所在点的发射功率密度 以及目标特性有关。用目标的散射截面积 来表征其散射 特性。若假定目标可将接收到的功率无损耗地辐射出来， 则可得到由目标散射的功率(二次辐射功率)。,5.4.1 自由空间雷达方程方程基本形式的推导,又假设 均匀地辐射，则在接收天线处收到的回波功率密 度为: 如果雷达接收天线的 有效接收面积为 ， 则在雷达接收处接收 回波功率为 ：,5.4.1 自由空间雷达方程基本雷达方程,由天线理论知道，天线增益和有效面积之间有以下关系： 式中， 为所用波长，则接收回波功率可写成如下形式： 单基地脉冲雷达通常是收发共用

38、天线，即： 将此关系式代入以上两式即可得到：,或者,5.4.1 自由空间雷达方程基本雷达方程,可以看出：接收的回波功率 反比于目标与雷达站间的 距离R的四次方，这是因为一次雷达中，反射功率经过往 返双倍的距离路程，能量衰减很大。接收到的功率 必须 超过最小可检测信号功率 ，雷达才能可靠地发现目标， 当 正好等于 时，就可得到雷达检测该目标的最大作 用距离 。因为超过这个距离，接收的信号功率 进一 步减小，因此不能可靠地检测到该目标。它们的关系式可 以表达为:,5.4.1 自由空间雷达方程基本雷达方程,根据接收机信号检测理论 当 时，雷达才能可靠地发现目标 当 时，雷达发现目标的距离Rmax 当

39、 时，雷达不能检测目标,5.4.1 自由空间雷达方程基本雷达方程,雷达方程的两种基本形式,它表明了作用距离和雷达参数以及目标特性间的关系,5.4.1 自由空间雷达方程基本雷达方程,由方程得出的主要结论:,与发射机输出脉冲功率的四次方根成正比 与接收机灵敏度的四次方根成反比 或 与天线增益或有效接收面积的平方根成正比,5.4.1 自由空间雷达方程基本雷达方程,与目标截面积的四次方根成正比 与 有关,当 时，呈反比关系 当 时，呈正比关系,5.4.1 自由空间雷达方程基本雷达方程,由方程得出的主要结论:,当天线面积不变时，波长增加时天线增益下降，导致作 用距离减小；而当天线增益不变时，波长增大时要

40、求的天 线面积亦相应加大，有效面积增加，其结果是作用距离加 大。雷达的工作波长是整机的主要参数，它的选择将影响 到诸如发射功率、接收灵敏度、天线尺寸、测量精度等众 多因素，因而要全面权衡。 雷达方程虽然给出了作用距离和各参数间的定量关系， 但因未考虑设备的实际损耗和环境因素，而且方程中还有 两个不可能准确预定的量：目标有效反射面积 和最小可 检测信号 ，因此它常用来作为一个估算的公式，考察 雷达各参数对作用距离影响的程度。,5.4.1 自由空间雷达方程基本雷达方程,用信噪比表示雷达方程,与接收机的噪声系数以及显示器的识别系数的 四次方根成反比。,5.4.1 自由空间雷达方程基本雷达方程,方程的

41、其他形式:,提高作用距离的实质是提高雷达发射机辐射信 号的能量。,5.4.1 自由空间雷达方程基本雷达方程,方程的其他形式:,用能量信号表示雷达方程,二次雷达方程目标上装有应答器 目标应答器收到雷达信号后，转发特定的应答信号。 雷达利用应答信号来发现和跟踪目标。,二次雷达的特点 雷达收到的回波信号只经过单程传播。 二次雷达系统能可靠地工作 应答器能收到雷达信号 雷达能检测应答器转发的信号,5.4.1 自由空间雷达方程其它雷达方程,已知：雷达发射功率Pt，雷达天线增益Gt， 应答天线有效接收面积 ，应答器的灵敏度 则：上行作用距离,a. 上行作用距离,二次雷达方程的推导,5.4.1 自由空间雷达

42、方程其它雷达方程,b. 下行作用距离,已知：应答器发射功率 ，应答器天线增益 ， 雷达天线接收增益 ，雷达接收机灵敏度 则：下行作用距离,二次雷达的作用距离,一般要求,在雷达方程的推导过程中，定义“点”目标的雷达截面积 ： 式中，P2为目标散射的总功率；S1为照射的功率密度。雷达截面积 又可写为,5.4.2目标的雷达截面积(RCS),雷达是通过目标的二次散射功率来发现目标的。为了统一表征目标的散射特性和估算雷达作用距离，人们把实际目标等效为一垂直于电波入射方向的截面积，而这个截面积所截获的入射功率向各个方向均匀散射时，在雷达处产生的功率密度与实际目标所产生的功率密度相等，这个等效面积就称为雷达

43、截面积。,由于二次散射，因而在雷达接收点处单位立体角内的散 射功率 为： 据此，又可定义雷达截面积 为：,5.4.2目标的雷达截面积(RCS),定义为：在远场条件(平面波照射的条件)下，目标处 每单位入射功率密度在接收机处每单位立体角内产生的反 射功率乘以4。为了进一步了解 的意义，我们按照定义 来考虑一个具有良好导电性能的各向同性的球体截面积。 设目标处入射功率密度为S1 ，球目标的几何投影面积为 A1，则目标所截获的功率为S1A1。由于该球是导电良好且 各向同性的，因而它将截获的功率 S1A1 全部均匀地辐射 到4立体角内。则可定义,5.4.2目标的雷达截面积(RCS),上式表明:导电性能

44、良好各向同性的球体，它的截面积等于该球体的几何投影面积。,即：任何一个反射体的截面积都可以想象成一个具有各向同性的等效球体的截面积。等效的意思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)。因为实际目标的外形复杂，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值。 除了后向散射特性外，有时需要测量和计算目标在其他方向的散射功率，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。对复杂目标来讲，不仅同发射时的照射方向有关，而且还取决于

45、接收时的散射方向。,5.4.2目标的雷达截面积(RCS),5.4.3 最小可检测信号,5.4.3.1 最小可检测信号 5.4.3.2 最小可检测信噪比 5.4.3.3.门限检测 5.4.3.4.检测性能和信噪比,雷达的作用距离 是最小可检测信号 的函数，在雷 达接收机的输出端，微弱的回波信号总是和噪声及其他干 扰混杂在一起的，这里先集中讨论噪声的影响。在一般情 况下，噪声是限制微弱信号检测的基本因素。假如只有信 号而没有噪声，任何微弱的信号在理论上都是可以经过任 意放大后被检测到的，因此雷达检测能力实质上取决于信 号噪声比。为了计算最小检测信号 ，首先必须决定雷 达可靠检测时所需的信号噪声比值

46、。,5.4.3.1 最小可检测信号,根据雷达作用距离，可确定检测目标信号所需的最小输 出信噪比以及接收机最小可检测信号功率。,5.4.3.1 最小可检测信号,典型的雷达接收机和信号处理框图如图所示，一般把检 波器以前(中频放大器输出）的部分视为线性的，中频滤 波器的特性近似匹配滤波器，从而使中放输出端的信号噪 声比达到最大。 图5.10 典型的雷达接收机和接收信号处理框图,5.4.3.2 最小可检测信噪比,接收机的噪声系数 式中，N为接收机输出的噪声功率；Ga为接收机的功率增 益(有效增益)： T0为标准室温，一般取290K，k为玻尔兹曼常数。,5.4.3.2 最小可检测信噪比,输出噪声功率通

47、常是在接收机检波器之前测量的。大多 数接收机中，噪声带宽 由中放决定，其数值与中品的 3dB带宽和接近。理想接收机的输入噪声功率 为 故噪声系数 亦可写成 即噪声系数可用来表示信号通过接收机后信噪比变化的 情况。,5.4.3.2 最小可检测信噪比,将上式整理后得到输入信号功率 的表达式为 式中， 是匹配接收机输出端信号功率 和噪声功率N的 比值。根据雷达检测目标质量的要求，可确定所需的最小 输出信噪比 ，这时就得到最小可检测信号 为,5.4.3.2 最小可检测信噪比,对常用雷达波形来说，信号功率是一个容易理解和测量 的参数，但现代雷达多采用复杂的信号波形，波形所包含 的信号能量往往往是接收信号

48、可检测性的一个更合适的度 量。例如，匹配滤波器输出端的最大信噪功率比等于 其中 为接收信号的能量， 为接收机均匀噪声谱的功率 谱密度，在这里以接收信号能量 来表示信号噪声功率比 值。从一个简单的矩形脉冲波形来看，若其宽度为 、信 号功率为S，则接收信号能量 ；噪声功率N和噪声功 率谱密度 之间的关系为 ，其中Bn为接收机噪声 带宽，采用简单脉冲信号时，可认为 。这样可得到 信号噪声功率比的表达式为：,5.4.3.2 最小可检测信噪比,因此检测信号所需的最小输出信噪比为 在早期雷达中，通常都用各类显示器来观察和检测目标 信号，所以称所需的 为识别系数或可见度因子M。多 数现代雷达则采用建立在统计

49、检测理论基础上的统计判决 方法来实现信号检测，在这种情况下，检测目标所需的最 小输出信噪比称为检测因子（Detectability Factor）D0比 较合适，即,5.4.3.2 最小可检测信噪比,D0是在接收机匹配滤波器输出端（检波器输入端）测量的 信号噪声功率比，如图5.1所示。检测因子 D0 就是满足 所需检测性能（以检测概率Pd和虚惊概率Pfa表征）时，在 检波器输入端单个脉冲需要达到的最小信号噪声功率比。 可获得 表示的距离方程,5.4.3.2 最小可检测信噪比,当用前面公式的方式，用信号能量 代替脉冲功率 ，用检测因子 。替换雷达距离方程（上式） 时，即可得到用检测因子表示的雷达

50、方程为 上式增加了带宽校正因子 ，它表示接收机带宽失配 所带来的信噪比损失，匹配时 。L表示雷达各部分 损耗引入的损失系数。,5.4.3.2 最小可检测信噪比,用检测因子D0和能量Et表示的雷达方程在使用时有以下优点： 当雷达在检测目标之前有多个脉冲可以积累时，由于 积累可改善信噪比，故此时检波器输入端的 值将 下降，因此可表明雷达作用距离和脉冲积累数n之间的 简明关系，可计算和绘制出标准曲线以供查用。 用能量表示的雷达方程适用于当雷达使用各种复杂脉 压信号时的情况。只要知道脉冲功率及发射脉宽，就可 以用来估算作用距离而不必考虑具体的波形参数。,5.4.3.2 最小可检测信噪比,检测因子 满足

51、检测性能（发现概率和虚警概率）时，检波器输入 端所需单个脉冲最小信噪比。,5.4.3.2 最小可检测信噪比,用检测因子表示雷达方程式,5.4.3.2 最小可检测信噪比,标称距离 时的灵敏度称为临界灵敏度，临界灵敏度所对应 的作用距离为标称距离。,5.4.3.2 最小可检测信噪比,由于接收机中始终存在噪声，且噪声具有起伏特性。所 以，在接收机输出的信号中，判断目标是否出现成为一个 统计问题，必须按照某种统计检测标准进行判断。 终端检测设备为了检测出目标，通常将回波幅度与根据 接收机噪声电压平均值确定出的检测门限进行比较 这就是门限检测。,5.4.3.3 门限检测,门限检测概念将接收机输出的视频信

52、号与门限电压 进行比较。 当输入信号,5.4.3.3 门限检测,图5.11 接收机输出典型包络,5.4.3.3 门限检测,检测的四种情况 有目标判有目标发现，出现概率称发现概率 有目标判无目标漏报，出现概率称漏报概率 无目标判无目标不发现，出现概率称不发现概率 无目标判有目标虚警，出现概率称虚警概率 四种概率相互关系,5.4.3.3 门限检测,雷达最佳检测准则(奈曼皮尔逊准则) 在给定信噪比的条件下，满足一定的虚警概率时，使雷达 的发现概率最大。 按这个准则确定出的检测门限，称为最佳检测门限。,5.4.3.3 门限检测,用概率密度函数来说明检测性能,5.4.3.4 检测性能和信噪比,雷达信号的

53、检测性能由其发现概率 和虚警概率 来描 述， 越大，说明发现目标的可能性越大，与此同时希望 的值不能超过允许值。接收机中放输出端的信噪比 直接与检测性能有关，如果求出了在确定 和 条件下所需的信噪比，则根据式(5-2-3)，即可求得最 小可检测信号 。用这个值代入雷达方程后就可估算 其作用距离。 下面分别讨论虚警概率 和发现概率 。,5.4.3.4 检测性能和信噪比,虚警概率 虚警是指没有信号而仅有噪声时，噪声电平超过门限值被 误认为信号的事件。噪声超过门限的概率称虚警概率。显 然，它和噪声统计特性、噪声功率以及门限电压的大小密 切相关。 下面定量地分析它们之间的关系。 通常加到接收机中频滤波

54、器(或中频放大器)上的噪声是宽 带高斯噪声，其概率密度函数由式给出：,5.4.3.4 检测性能和信噪比,式中， 是方差，噪声的均值为零。高斯噪声通过窄带中 频滤波器(其带宽远小于其中心频率)后加到包络检波器， 根据随机噪声的数学分析可知，包络检波器输出端噪声电 压振幅的概率密度函数为： 此处r表示检波器输出端噪声包络的振幅值。可以看出， 包络振幅的概率密度函数是瑞利分布的。设置门限电 平 ，噪声包络电压超过门限电平的概率就是虚警概 率 ，它可以由下式求出：,5.4.3.4 检测性能和信噪比,5.4.4 传播中多种实际因素的影响,5.4.4.1 大气衰减的影响 5.4.4.2 地球曲率半径对作用

55、距离的影响 5.4.4.3 地面（水面）反射对 的影响,水蒸汽,氧气,5.4.4.1 大气衰减的影响,大气对电磁波的衰减规律 衰减量与频率成正比 与高度成反比 受气象条件影响,考虑大气衰减的作用距离,5.4.4.1 大气衰减的影响,地球表面弯曲的影响,5.4.4.2 地球曲率半径对作用距离的影响,5.4.4.2 地球曲率半径对作用距离的影响,大气折射带来的变化,5.4.4.2 地球曲率半径对作用距离的影响,考虑大气折射的直视距离,5.4.4.2 地球曲率半径对作用距离的影响,5.4.4.3 地面（水面）反射对 的影响,当 当 形成盲区,5.4.4.3 地面（水面）反射对 的影响,减小盲区影响的

56、方法有以下几种： 采用垂直极化 采用短的工作波长 采用架高不同的分层天线,5.4.4.3 地面（水面）反射对 的影响,通过分析雷达使用性能及其影响因素，了解雷达影像失 真的特点及其产生原因，是正确理解和使用雷达图像信息 的前提。,5.5 雷达使用性能及其影响因素,5.5.1. 最大探测距离 5.5.2. 最大作用距离 5.5.3. 最小作用距离 5.5.4. 距离分辨率 5.5.5. 方位分辨率,在考虑地球曲率、天线高度、目标高度及雷达电波传播 空间大气折射影响时，雷达可能观测的最大距离为：,5.5.1 最大探测距离,一台雷达在一定的电波传播条件下，对某一特定的目标，雷达能满足一定发现概率是，

57、所能观测到目标的最大距离，其影响因素包括：,雷达技术参数 目标反射性能 海面反射（工作环境） 大气衰减,5.5.2 最大作用距离,雷达技术参数对雷达最大作用距离的影响,式中 天线发射的脉冲功率； 天线增益； 工作波长； 接收机门限电压； 目标有效散射面积,5.5.2 最大作用距离,目标反射性能对雷达最大作用距离的影响,大小尺寸 目标形状 表面结构 入射波的方向 目标质地 工作波长,5.5.2 最大作用距离,海面（镜面）反射对雷达最大作用距离的影响,到达目标有直射波和海面反射波，两者互相作用造成雷达 波束在垂直方向上的分裂现象。回波将时隐时现。,5.5.2 最大作用距离,大气衰减对雷达最大作用距

58、离的影响,与工作频率有关，S波段强于X波段 大雾对雷达回波有影响 与天线波束宽度及脉冲宽度有关,指雷达波在大气层传播过程中受到大气吸收或散射导致 雷达波能量的衰减，其特点是：,5.5.2 最大作用距离,指雷达能在显示器屏幕上显示并测定目标的最近距离， 最小作用距离取决于：,脉冲宽度和收发开关恢复时间tr,雷达的安装位置，吃水，垂直波束宽度,Rmin2 = Hctgv,5.5.3 最小作用距离,指雷达分辨同方位的两个相邻目标的能力，取决于：,量程选择 脉冲宽度和回波波形 屏幕大小及象素点 接收带宽,5.5.4 距离分辨率,指雷达分辨距离相同方位相邻的两个目标的能力，取决 于：,水平波束宽度 荧光屏及象素点大小 增益亮度调整,5.5.5 方位分辨率,众所周知，雷达是在第二次世界大战期间因军事需要而问 世的。从诞生的第一天起，它与敌对目标之间就存在着你 死我活的抗争。随着各种高新技术的不断发展，在现代战 争中,雷达与敌对目标之间的对抗也就变得越来越激烈了。 从目标方面来讲，千方百计地削弱雷达的效能乃至使其完 全丧失作用，这是电子战中电子干扰的根本目的。在雷达 方面，为了有效地对付各种电子干扰，就必须考虑相应的 电子反干扰措施。雷达与电子