(完整版)雷达原理_第五章-雷达作用距离
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雷达侦察作用距离(本科)
切线信号灵敏度PTSS和工作灵敏度POPS定义
在输入脉冲功率电平作用下,接收机输出端 脉冲与噪声叠加后信号的底部与基线噪声( 只有接收机内噪声时)的顶部在一条直线上( 相切),则称此输入脉冲信号功率为切线信号 灵敏度PTSS。
当输入信号处 于切线电平时, 接收机输出端 视频信号与噪 声的功率比约 为8dB。
修正的侦察方程
(1)雷达发射机到雷达发射天线间的馈线损耗L1≈3.5dB; (2)雷达发射天线波束非矩形损失L2≈1.6～2dB; (3)侦察天线波束非矩形损失L3≈1.6～2dB; (4)侦察天线增益频带内变化所引起损失L4≈2～3dB;
(5)侦察天线与雷达信号极化失配损失L5≈3dB;
(6)从侦察天线到接收机输入端的馈线损耗L6≈3dB
工作灵敏度POPS的定义为:接收机输入端在 脉冲信号作用下,其视频输出端信号与噪声 的功率比为14dB时,输入脉冲信号功率为接 收机工作灵敏度POPS。 工作灵敏度的换算 PTSS+3dB 平方律检波 POPS= PTSS+6dB 线性检波
5.2 侦察作用距离
简化的侦察方程
假设侦察机和雷达的空间位置如图5―5所示,雷 达的发射功率为Pt,天线的增益为Gt,雷达与侦察 机之间的距离为R,当雷达与侦察天线都以最大增 益方向互指。
2 PG t t Rr 2 0.1L (4 ) P 10 r min 1 2
侦察的直视距离
在微波频段以上,电波是近似直线传播的,地球表面 的弯曲对传播有遮蔽, 侦察机与雷达间的直视距离 受到限制。假设雷达天线和侦察天线高度分别为 Ha,Hr, R为地球半径, 直视距离为
侦察接收天线收到的雷达信号功率
第5章 雷达侦察作用距离与截获概率
第5章 雷达侦察作用距离与截获概率
5.1.2 切线信号灵敏度PTSS的分析计算 侦察接收机与雷达接收机有两点明显的不同。首 先,雷达接收机的检波前滤波器、检波后滤波器都与其 接收信号处于准匹配状态;而对于侦察接收机来说,由于 侦收的都是未知信号,检波前和检波后的滤波器都与其 接收的雷达信号处于严重失配状态,检波前的滤波器带 , 宽∆fR 与检波后的视放带宽∆fV之比相差很大(雷达接收 机中∆fR/∆fV≈2);
2bPTSS b 1+ ≈ 1 + PTSS a a
代入(5―16)式,经配方整理,可得
2 2 KC KC ∆ f R2 A∆ fV = KT0 FR [ + 2 2 ]W ∆ f R + KC 2 f R ∆ fV − ∆ fV2 + 2 4 GR FR
PTSS
第5章 雷达侦察作用距离与截获概率
(5―21)
第5章 雷达侦察作用距离与截获概率
4. 检波前增益很高 A∆ fV 检波前增益很高, 2 2 GR FR 很小,切线信号灵敏度可按下式近似: 2 A∆ fV KC ∆ f R2 时, 当 ∆ fV ≤ ∆ f R ≤ 2∆ fV , 2 2 << 2∆ f R ∆ fV − ∆ fV2 +
第5章 雷达侦察作用距离与截获概率
图5―3 输入信号、噪声功率谱及放大器的幅频特性 (a)输入信号功率谱;(b)输入噪声功率谱; (c)放大器的幅频特性
第5章 雷达侦察作用距离与截获概率
因此,检波输出的噪声功率谱F(f)由下式给出:
γ2 ∆ fR 2 2 R [W0 ( ∆ f R − f ) + PS 0W0 ] 0 ≤ f ≤ 2 V F( f ) = 2 ∆ fR γ [W 2 ( ∆ f − f )] < f < ∆ fR 0 R 2 RV 2
雷达原理教学课件—第五章 雷达作用距离
可以得出以下结论：
① 虚警概率（门限）一定时，信噪比越大，发 现概率越大。信噪比对发现概率的影响较大。
② 虚警率越低，则门限电平越高。
第五章 雷达作用距离
雷达系统中采用的是CFAR检测器（ 恒虚警检测器） 检测概率和虚警概率(采样)的直观 理解(A/D变换后回波的离散采样)
作业
第五章 雷达作用距离
的噪声是宽带高斯噪声, 其概率密度函数由下
式给出:
p(v)
1
2
exp(
v2
2 2
)
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(瑞利分布)为
p(r)
r
2
exp(
r2
2 2
)
r0
第五章 雷达作用距离
1、雷达带宽B=50kHz,平均虚警时间为10分钟，则该 雷达的虚警概率是多少？虚警总数又是多少？
解：
雷达的虚警概率为： Pfa
1
BIF Tfa
1 50 103 10 60
3.33 108
雷达的虚警总数为： nf
1
Pfa
3 107
第五章 雷达作用距离
★ 脉冲积累NS o对min ＝D检o 测性能的改善
虚警 真实目标A、B、C
第五章 雷达作用距离
当按图中所设的门限电平2来进行检测判决时，此时会出现 虚警现象，即
除了目标A、B和C三个真实目标可以被检出外，在D和E 处的噪声电平因为超过门限值，因而也被误认为是目标信号
检测判决准则
第五章 雷达作用距离
雷达系统中主要使用检测概率和虚警概率 这两个物理量。
① 虚警概率（门限）一定时，信噪比越大，发 现概率越大。信噪比对发现概率的影响较大。
② 虚警率越低，则门限电平越高。
第五章 雷达作用距离
雷达系统中采用的是CFAR检测器（ 恒虚警检测器） 检测概率和虚警概率(采样)的直观 理解(A/D变换后回波的离散采样)
作业
第五章 雷达作用距离
的噪声是宽带高斯噪声, 其概率密度函数由下
式给出:
p(v)
1
2
exp(
v2
2 2
)
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(瑞利分布)为
p(r)
r
2
exp(
r2
2 2
)
r0
第五章 雷达作用距离
1、雷达带宽B=50kHz,平均虚警时间为10分钟，则该 雷达的虚警概率是多少？虚警总数又是多少？
解：
雷达的虚警概率为： Pfa
1
BIF Tfa
1 50 103 10 60
3.33 108
雷达的虚警总数为： nf
1
Pfa
3 107
第五章 雷达作用距离
★ 脉冲积累NS o对min ＝D检o 测性能的改善
虚警 真实目标A、B、C
第五章 雷达作用距离
当按图中所设的门限电平2来进行检测判决时，此时会出现 虚警现象，即
除了目标A、B和C三个真实目标可以被检出外，在D和E 处的噪声电平因为超过门限值，因而也被误认为是目标信号
检测判决准则
第五章 雷达作用距离
雷达系统中主要使用检测概率和虚警概率 这两个物理量。
电子科技大学-雷达原理XXXX
– PRF: 25 and 12.5 Hz – 脉宽: 20 us – 探测距离: 200 nmi
绪论——雷达的历史与发展
二次大战中和大战后
– 微波雷达（1941，英美S/X波段雷达） – PPI显示 – 超外差接收
绪论——现代雷达
AN TPS-75v长程对搜索雷达(台空军东引岛)
绪论——现代雷达
绪论——现代雷达
中国炮瞄雷达
绪论——现代雷达
美国炮瞄雷达
绪论——现代雷达
雷神GBR
绪论——现代雷达
雷神GBR
绪论——现代雷达
AN FPS-85 相控阵空间监视雷达
绪论——现代雷达
COSMO-SkyMed 雷达卫星
绪论——现代雷达
美军天基雷达
绪论——现代雷达
美军SBX雷达
天线噪声：主要包括热噪声和宇宙噪声，当接收机电阻与天线辐 射电阻匹配时，功率NA=kTABn
等效噪声带宽：
H ( f ) 2df
Bn 0 H ( f0 ) 2
雷达接收机——接收机噪声系数
噪声系数与噪声温度
噪声系数：
F Si / Ni Si No 1 NiG N 1 N 1 N
So / No So Ni G Ni
工作带宽
接收机频率变化范围 抗干扰性能：需要大带宽 高灵敏度：窄带宽
动态范围
接收机正常工作容许的输入信号强度的变化范围 从Si,min-接收机过载时的输入信号功率
中频的选择和滤波特性
接收机中频的选择：取决于发射波形、接收机工作带宽、前端器 件性能 滤波特性：匹配滤波
雷达接收机——主要技术指标
tr：电磁波往返时间
雷达的距离分辨力为：
R
c
2
绪论——雷达的历史与发展
二次大战中和大战后
– 微波雷达（1941，英美S/X波段雷达） – PPI显示 – 超外差接收
绪论——现代雷达
AN TPS-75v长程对搜索雷达(台空军东引岛)
绪论——现代雷达
绪论——现代雷达
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绪论——现代雷达
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绪论——现代雷达
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绪论——现代雷达
美军天基雷达
绪论——现代雷达
美军SBX雷达
天线噪声：主要包括热噪声和宇宙噪声，当接收机电阻与天线辐 射电阻匹配时，功率NA=kTABn
等效噪声带宽：
H ( f ) 2df
Bn 0 H ( f0 ) 2
雷达接收机——接收机噪声系数
噪声系数与噪声温度
噪声系数：
F Si / Ni Si No 1 NiG N 1 N 1 N
So / No So Ni G Ni
工作带宽
接收机频率变化范围 抗干扰性能：需要大带宽 高灵敏度：窄带宽
动态范围
接收机正常工作容许的输入信号强度的变化范围 从Si,min-接收机过载时的输入信号功率
中频的选择和滤波特性
接收机中频的选择：取决于发射波形、接收机工作带宽、前端器 件性能 滤波特性：匹配滤波
雷达接收机——主要技术指标
tr：电磁波往返时间
雷达的距离分辨力为：
R
c
2
雷达原理_第五章-雷达作用距离
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。
Si min kT0BnFn
S N omin＝Do
匹配 接收 机
检波 器
n
检波 后 积累
图 5.2 接收信号处理框图
检测 装置
检测 门限
5.2 最小可检测信号
1.检测因子 D o
4返回接收机每单 角位 内立 的体 回波功率(5.1.10)
入射功率密度
5.1 雷 达 方 程
R
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
P
S1
图 5.1 目标的散射特性
5.1 雷 达 方 程
σ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4π。
为了进一步了解σ的意义, 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4π立体角内, 根 据式(5.1.10)，可定义
第 5 章 雷达作用距离
5.1 雷达方程 5.2 显小可检测信号 5.3 脉冲积累对检测性能的改善 5.4 目标截面积及其起伏特性 5.5 系统损耗 5.6 传播过程中各种因素的影响 5.7 雷达方程的几种形式
5.1 雷 达 方 程
一、概述 二、基本雷达方程 三、由方程得出的主要结论 四、方程的其它形式 五、其它雷达方程 六、目标的雷达截面积 (RCS)
5.2 最小可检测信号
3、标称距离 R o
Do 1 时的灵敏度称为临界灵敏度，临界灵敏
雷达原理第三版丁鹭飞精品PPT课件
设雷达发射功率为Pt, 雷达天线的增益为Gt, 则在自由空间
工作时, 距雷达天线R远的目标处的功率密度S1为
S1
PtGt
4R2
(5.1.1)
目标受到发射电磁波的照射, 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S1以及目标 的特性有关。用目标的散射截面积σ(其量纲是面积)来表征其散
Pr
Si min
PtAr2 42Rm4 ax
PtG 22 (4 )3 Rm4 ax
(5.1.7)
第 5 章 雷达作用距离
或
1
Rmax
PtAr2
42
Si
min
4
1
Rmax
PtG 22 (4 )3 Si min
4
(5.1.8) (5.1.9)
式(5.1.8)、(5.1.9)是雷达距离方程的两种基本形式, 它表明了作 用距离Rmax和雷达参数以及目标特性间的关系。
第 5 章 雷达作用距离
5.2 最小可检测信号
5.2.1 典型的雷达接收机和信号处理框图如图5.2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。
第 5 章 雷达作用距离
Si min
kT0BnF
n
S N o min＝Do
Pr
Ar S2
PtGtA (4R2 )2
(5.1.4)
第 5 章 雷达作用距离
由天线理论知道, 天线增益和有效面积之间有以下关系:
G
4A 2
式中λ为所用波长, 则接收回波功率可写成如下形式:
Pr
PtGtGr2 (4 )3 R4
《雷达作用距离》PPT课件
D0
Er N0
o min
S N
o min
(5.2.5)
Si min
kT0BnF
n
S N o min ＝Do
匹配 接收机
检波器
检波后 积累
检测 装置
检测门限
Si min
kT0 Bn Fn
S N
o min
Pr
Simin
Pt Ar2
4
2
R4 max
Pt G 2 2
(4
)3
R4 max
Do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 率比值, 如图5.2所示。检测因子Do就是满足所需检测性能(以检测概 率Pd和虚警概率Pfa表征)时, 在检波器输入端单个脉冲所需要达到的 最小信号噪声功率比值。
将(5.2.3)式代入(5.1.8)式, (5.1.9)式即可获得用(S/N)o min表示的距离方
程,
1/4
1/ 4
Rmax
PtG2 2
(4
)3
kT0
Bn
Fn
S N
o min
Pt Ar2
4 2kT0Bn Fn
S N
o min
(5.2.6)
当用(5.2.4)式的方式, 用信号能量
从一个简单的矩形脉冲波形来看：
若其宽度为τ、信号功率为S, 则接收信号能量Er=Sτ; 噪声功率N和噪声功率谱密度 No之间的关系为N=NoBn。Bn为接收机噪声带宽, 一般情况下可认为Bn≈1/τ。这样可 得到信号噪声功率比的表达式如下:
S S S Er
N N0Bn N0 N0
(5.2.4)
S1
PtGt
4R2
(5.1.1)
雷达原理课件第5章雷达作用距离
⎢⎣ 4πλ 2 S i min
⎤4 ⎥ ⎥⎦
(5.1.8)
程的两种形式。两式中 Rmax与λ1/2分别成反比 和正比。这是因为由于
当天线面积不变、波长
λ增加时天线增益下
降，导致作用距离减
1
Rmax
=
⎡ ⎢ ⎣
Pt G 2λ2σ (4π )3 Si min
⎤4 ⎥ ⎦
小；而当天线增益不 (5.1.9) 变，波长增大时要求的
天线面积亦相应增大， 有效面积增加，其结果
是作用距离加大。
§5.2 最小可检测信号
z 最 小 可 检 测 信 号 Simin=kT0BnFn(S/N)0min, 其 中：
z Fn为接收机的噪声系数； z Bn为噪声带宽； z T0为标准室温，一般取290K； z (S/N)0min为最小输出信噪比
1：存在目标时判为有目标，这是一 种正确判断，称为发现，其概率称为发现 概率
2：存在目标时判为无目标，这是错 误判断，称为漏报，其概率称为漏报概率
3：不存在目标时判为无目标，称为 正确不发现，其概率称为正确不发现概率
4：不存在目标时判为有目标，称为 虚警，这也是错误判断，其概率称为虚警 概率
§5.3 脉冲积累 对检测性能的改善
第五章
雷达作用距离
z 第一节 雷达方程 z 第二节 最小可检测信号 z 第三节 脉冲积累对检测性能的改善 z 第四节 目标截面积及其起伏特性 z 第五节 系统损耗 z 第六节 传播过程中各种因素的影响 z 第七节 雷达方程的几种形式
§5.1 雷达方程
1
这就是雷达距离方
R max
=
⎡ ⎢
Ptσ Ar2
z 引起损耗的因素包括：波导传输损耗、接 收机失配损耗、天线波束形状损耗、 操纵 员损耗、设备工作不完善损耗。
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5.1 雷 达 方 程
一、概述
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
5.1 雷 达 方 程
•天线增益与面积的关系
G
4 2
Ae
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。
Pt Gt 4R 2
5.1 雷 达 方 程
3.设：目标将截获功率全部无耗均匀辐射
则：雷达天线处回波功 率密度为
P2
4R 2
Pt Gt (4R2 )2
设：雷达天线的有效接收面积为 则：在雷达接收处回波功率为：
Ar
j
Pr
Pt Gt Ar 4R 2 2
R
5.1 雷 达 方 程
•由天线理论知道：
G
4A 2
——与发射机输出脉冲功率的四次方根成正比
2、
Rmax
[Si
min]
1 4
——与接收机灵敏度的四次方根成反比
3、 Rmax
1
[G] 2
或
1
Rmax [ A] 2
——与天线增益或有效接收面积的平方根成正比
5.1 雷 达 方 程
4、Rmax
1
[ ] 4
——与目标截面积的四次方根成正比
1
5、与 2有关
P2
S1
5.1 雷 达 方 程
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PΔ为
P
P2
4
S1
4
据此, 又可定义雷达截面积σ为
返回接收机每单位立体 角内的回波功率
4
入射功率密度
(5.1.10)
5.1 雷 达 方 程
R
P
S1
图 5.1 目标的散射特性
5.1 雷 达 方 程
σ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4π。
(2)下行作用距离 Rm ax
已知：应答器发射功率 Pt ，应答器天线增益 Gt ， 雷达天线接收增益 G r ，雷达接收机灵敏度 Si min
则：下行作用距离
Rm ax
PtGtGr 2 4 2 Si min
5.1 雷 达 方 程
二次雷达的作用距离 Rmax
Rmax min{Rmax , Rm ax }
——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。
1.二次雷达的特点 •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
5.1 雷 达 方 程
2、二次雷达方程的推导
上行R
下行R
为了进一步了解σ的意义, 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4π立体角内, 根 据式(5.1.10)，可定义
5.1 雷 达 方 程
i
4
S1A1 /(4 )
雷达 S imin Pt G
应答器 Simin Pt G
5.1 雷 达 方 程
(1)上行作用距离 Rmax
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 Ar'
，应答器的灵敏度
P' r min
则：上行作用距离
Rmax
Pt Gt Gr2 4 2 Simin
5.1 雷 达 方 程
5.1 雷 达 方 程
二、基本雷达方程
1、设：雷达发射功率为 Pt 天线的增益为 Gt
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S1
S1
Pt Gt
4R 2
j R
5.1 雷 达 方 程
2. 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
P2
S1
∴
Pr
Si min
Pt A2r
4
2
R
4 m
ax
Pt G 22
4
R 3 4 max
5.1 雷 达 方 程
——雷达方程的两种基本形式
Rmax
4
Pr A2 42 Si min
Rmax
4
Pt G 2 2
4
S3 i min
5.1 雷 达 方 程
三、由方程得出的主要结论
1、 Rmax1源自Pt ] 4一般要求Rm ax Rmax
5.1 雷 达 方 程
六、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
了描述目标的后向散射特性, 在雷达方程的推导过程中, 定义了“点”目标的雷达截面积σ,
P2=S1σ
P2为目标散射的总功率, S1为照射的功率密度。雷达 截面积σ又可写为
当
Rmax 4
Pr A2 4 2Si min
时，呈反比关系
当
Rmax
4
Pt G 2 2
4
S3 i min
时，呈正比关系
5.1 雷 达 方 程
四、方程的其它形式
1.用信噪比表示雷达方程
Si min
KT0 Bn F0
S0 N0
m in
KT0 Bn F0 M
Rmax 4
Pt G 2 2 4 3 KT0 Bn F0M
4.单基地雷达收发共用天线，即：
Gt Gr G
At Ar A
所以：
Pr
Pt G 22
4 3 R4
或者：
Pr
Pt A2 4 2 R 4
5.1 雷 达 方 程
5.根据接收机信号检测理论
•当 Pr Simin 时，雷达才能可靠地发现目标
•当 Pr Si min
•当 Pr Si min
时，雷达发现目标的距离Rmax 时，雷达不能检测目标
——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
5.1 雷 达 方 程
2.用信号能量表示雷达方程
∵ E Pt ； Bn 1
Rmax 4
EGt22 4 3 KToBn FoM
——提高作用距离的实质是提高雷达发射机辐射信 号的能量
5.1 雷 达 方 程
五、其它雷达方程 二次雷达方程
第 5 章 雷达作用距离
5.1 雷达方程 5.2 最小可检测信号 5.3 脉冲积累对检测性能的改善 5.4 目标截面积及其起伏特性 5.5 系统损耗 5.6 传播过程中各种因素的影响 5.7 雷达方程的几种形式
5.1 雷 达 方 程
一、概述 二、基本雷达方程 三、由方程得出的主要结论 四、方程的其它形式 五、其它雷达方程 六、目标的雷达截面积 (RCS)