雷达原理及系统课件第5章雷达作用距离new.ppt

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1、第五章第五章 雷达作用距离雷达作用距离第一节第一节 雷达方程雷达方程5.1.1 基本雷达方程基本雷达方程224(4)ttrrrPG APA SR距离距离R 处任一点处的雷达发射信号处任一点处的雷达发射信号功率密度：功率密度：考虑到定向天线增益考虑到定向天线增益Gt：以目标为圆心，雷达处散射的功率密度：以目标为圆心，雷达处散射的功率密度：雷达收到功率：雷达收到功率：最大测量距离最大测量距离接收功率接收功率Pr 为接收机最小检测功率为接收机最小检测功率Simin雷达天线接收面积雷达天线接收面积124tPSR 12222444tPGSSRRR124ttPGSR14max2min(4)ttriPG A

2、RS目标接收到的功率：目标接收到的功率：1S目标的雷达散射面积目标的雷达散射面积n收发同天线时收发同天线时rtAAArtGGGn收发不同天线时，最大作用距离收发不同天线时，最大作用距离当接收功率为接收机最小检测功率当接收功率为接收机最小检测功率Simin时时 Rmax14max2min(4)ttriPG ARS雷达实际作用距离受目标后向散射截面积雷达实际作用距离受目标后向散射截面积、Simin、噪声和、噪声和其他干扰的影响，具有不确定性，服从统计学规律。其他干扰的影响，具有不确定性，服从统计学规律。1122244max32minmin(4)4ttiiPGPARSS 1122244max32mi

3、nmin(4)4ttiiPGPARSS R4max 1/2天线面积不变时，波长天线面积不变时，波长增加天线增益下降，增加天线增益下降，Rmax下降；天下降；天线增益不变时，波长线增益不变时，波长增加要求天线面积增加，天线有效面增加要求天线面积增加，天线有效面积增加积增加 Rmax增加。增加。R4max2n总结：总结：u基本雷达方程给出了作用距离和各参数间的定量关系，基本雷达方程给出了作用距离和各参数间的定量关系，但由于未考虑设备的实际损耗和环境因素，且目标有效反但由于未考虑设备的实际损耗和环境因素，且目标有效反射面积射面积和最小可检测信号和最小可检测信号Simin不能准确预定，因此仅用来不能准

4、确预定，因此仅用来作估算的公式，考察各参数对作用距离的影响。作估算的公式，考察各参数对作用距离的影响。u雷达在噪声和其他干扰背景下检测目标，同时，复杂目雷达在噪声和其他干扰背景下检测目标，同时，复杂目标的回波信号本身存在起伏，因此，接收机输出的是一个标的回波信号本身存在起伏，因此，接收机输出的是一个随机量。雷达作用距离也不是一个确定值而是统计量，通随机量。雷达作用距离也不是一个确定值而是统计量，通常只在概率意义上讲，当虚警概率（如常只在概率意义上讲，当虚警概率（如10-6）和发现概率）和发现概率（如（如90%）给定时的作用距离是多大。）给定时的作用距离是多大。5.1.2 目标的雷达截面积目标的

5、雷达截面积n目标的雷达截面积定义：目标的雷达截面积定义：n实际测量：实际测量：在远场条件（平面波照射的条件）下，目标处每单在远场条件（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的单位立体角内产生的位入射功率密度在接收机处的单位立体角内产生的反射功率乘以反射功率乘以4。4*返回接收机每单位立体角内的回波功率返回接收机每单位立体角内的回波功率入射功率密度入射功率密度 导电良好、各向同性的金属球导电良好、各向同性的金属球=球体几何投影面积。球体几何投影面积。外形复杂的实际目标，不同照射方向有不同的外形复杂的实际目标，不同照射方向有不同的值。值。散射总功率散射总功率照射功率密度照射功率密

6、度习题习题n设单基地雷达目标距离为设单基地雷达目标距离为R0，当标准金属圆，当标准金属圆球（截面积为球（截面积为）置于目标方向离雷达）置于目标方向离雷达R0/2处处时，目标回波的平均强度正好与金属球的回波时，目标回波的平均强度正好与金属球的回波强度相同，试求目标的雷达横截面积。强度相同，试求目标的雷达横截面积。2222434300(4)(4)2tttrPGPGPRR ，解：解：第二节第二节 最小可检测信号最小可检测信号 接收仅为回波信号，任何微弱信号都可被检测接收仅为回波信号，任何微弱信号都可被检测 接收接收=回波回波+噪声噪声(干扰干扰)，微弱信号检测困难，微弱信号检测困难噪声是限制微弱信号

7、检测的基本因素噪声是限制微弱信号检测的基本因素雷达检测取决于信噪比雷达检测取决于信噪比首先决定可靠检测的信噪比要求首先决定可靠检测的信噪比要求0minoiminnoSSFkT BNn信噪比表示的雷达方程信噪比表示的雷达方程5.2.1 最小可检测信噪比最小可检测信噪比匹配接收机匹配接收机检波器检波器检波后积累检波后积累检测装置检测装置门限门限SiminKT0Bn识别系数识别系数M灵敏度灵敏度miniiSNminooSNiiooSNFSNoiioSSFNN0onoSFkT BN灵敏度灵敏度检测因子检测因子min0mininnoSSkT B FN信噪比的接收信号能量表示形式信噪比的接收信号能量表示形

8、式SN0SN0rEN0nSN B简单矩形脉冲：简单矩形脉冲：功率功率能量能量脉冲宽度脉冲宽度min0minrooESNN0min0minrooESDNN噪声功率谱密度噪声功率谱密度检测目标信号所需的最小输出信噪比检测目标信号所需的最小输出信噪比D0表示的雷达方程表示的雷达方程11222244max33min0min(4)(4)()ttinnoPGPGRSkT B F S N 能量形式的雷达方程能量形式的雷达方程n接收检测系统方框图接收检测系统方框图在中频部分对单个脉冲在中频部分对单个脉冲信号进行匹配滤波信号进行匹配滤波检出信号包络检出信号包络对检波后的对检波后的n个脉个脉冲进行加权积累冲进行加

9、权积累将积累输出与某一将积累输出与某一门限电压比较门限电压比较输出包络超输出包络超过门限，认过门限，认为目标存在为目标存在匹配接收机匹配接收机检波器检波器检波后积累检波后积累检测装置检测装置门限门限SiminKT0BnminiiSNminooSN5.2.2 门限检测门限检测n信号是否超出门限判断目标有无的四种情况信号是否超出门限判断目标有无的四种情况发现：存在目标，判为目标发现：存在目标，判为目标Pd漏报：存在目标，判为无目标漏报：存在目标，判为无目标Pla正确不发现：不存在目标，判为无目标正确不发现：不存在目标，判为无目标Pan虚警：不存在目标，判为目标虚警：不存在目标，判为目标Pfa显然显

10、然PdPla1，PanPfa1n检测准则检测准则门限检测采用门限检测采用奈曼奈曼-皮尔逊准则皮尔逊准则：在给定的信噪比条件：在给定的信噪比条件下，在满足一定的虚警概率时的发现概率最大，或者下，在满足一定的虚警概率时的发现概率最大，或者漏警概率最小。漏警概率最小。降低门限的缺点：只要有噪声存在，其尖峰超过门限降低门限的缺点：只要有噪声存在，其尖峰超过门限电平的概率增加，虚警相应增加。电平的概率增加，虚警相应增加。5.2.2 检测性能和信噪比检测性能和信噪比由：由：PdPla1，PanPfa1雷达信号的检测性能由其发现概率雷达信号的检测性能由其发现概率Pd和和虚警概率虚警概率Pfa定义定义2222

11、2()expexp22TTfaTVVrrPP Vrdr n虚警概率虚警概率Pfa接收机中放上的噪声通常是宽带高斯噪声，其概率密度接收机中放上的噪声通常是宽带高斯噪声，其概率密度函数：函数：高斯噪声通过窄带中频滤波器（带宽高斯噪声通过窄带中频滤波器（带宽噪声中心频率）噪声中心频率）后加到包络检波器，输出噪声电压包络振幅的概率密度后加到包络检波器，输出噪声电压包络振幅的概率密度函数：函数：设置门限电平设置门限电平VT，则，则Pfa（噪声包络超（噪声包络超过门限的面积）即虚警概率：过门限的面积）即虚警概率：当噪声分布函数一定时，虚警大小完全取决于门限当噪声分布函数一定时，虚警大小完全取决于门限221

12、()exp22vp v222()exp02rrp rrn虚警大小的其他表示方法虚警大小的其他表示方法虚警总数：虚警总数：11limNfakNkTTNfafTn虚警时间：虚假回波（噪声超过门限）之间的平均间隔虚警时间：虚假回波（噪声超过门限）之间的平均间隔faIFTB1faPn发现概率发现概率Pd振幅为振幅为A的正弦信号同高斯噪声一起输入到中频滤波器的正弦信号同高斯噪声一起输入到中频滤波器设信号的频率是中频滤波器的中心频率设信号的频率是中频滤波器的中心频率fIF，则包络检，则包络检波器的输出包络的概率密度函数为：波器的输出包络的概率密度函数为：设置门限电平设置门限电平VT，发现概率，发现概率Pd

13、（r超过门限的概率）为：超过门限的概率）为：式中式中220222()02drrArAprexpIr2020()2!nnnzIzn nP137，图，图5-7门限电平门限电平VT一定时，发现概率一定时，发现概率Pd随信噪比增大而增大随信噪比增大而增大信噪比一定时，虚警概率信噪比一定时，虚警概率Pfa越小（越小（VT越高），越高），Pd越小越小虚警概率虚警概率Pfa一定，门限电平一定，门限电平VT随之确定随之确定22222()expexp22TTfaTVVrrPP Vrdr 结论：结论：n例：设要求虚警总数为例：设要求虚警总数为108，求，求50和和90发现概率所需的最小信噪比。发现概率所需的最小信

14、噪比。解：解：由图由图5.7可得可得90%1ffanPmin12.3SNmin14.2SN 50%810faP习题习题n某雷达要求虚警时间为某雷达要求虚警时间为2 小时，接收机带宽为小时，接收机带宽为1MHz，求虚警概率。若要求虚警时间大于，求虚警概率。若要求虚警时间大于10 小时，问门限电平小时，问门限电平VT/应取多少？应取多少？1faffaIFfaTnTBP解：解：10611.39 103600 2 10 1fafaIFPTB102ln2ln 1.39 106.737TfaVPn恒虚警恒虚警 若噪声电压的变化导致一定门限值的虚警概率若噪声电压的变化导致一定门限值的虚警概率Pfa发生变化发

15、生变化 检测系统要求虚警保持一个恒定的值；检测系统要求虚警保持一个恒定的值；噪声电平变化时，系统门限电平应相应变化以噪声电平变化时，系统门限电平应相应变化以获得恒虚警获得恒虚警第三节第三节 积累对作用距离的改善积累对作用距离的改善n积累的作用：提高信噪比，改善检测性能积累的作用：提高信噪比，改善检测性能n积累的方法：相干积累，非相干积累积累的方法：相干积累，非相干积累相干积累相干积累非相干积累非相干积累在检波前完成，亦称检波前积累或中频在检波前完成，亦称检波前积累或中频积累，相干积累要求信号间有严格的相积累，相干积累要求信号间有严格的相位关系，即信号是相干的。位关系，即信号是相干的。在检波后完

16、成，亦称检波后积累或视频在检波后完成，亦称检波后积累或视频积累，由于信号在检波后只保留幅度信积累，由于信号在检波后只保留幅度信息，因而检波后积累无需信号间有严格息，因而检波后积累无需信号间有严格的相位关系。的相位关系。5.3.1 积累效果积累效果n相干积累相干积累噪声功率增大噪声功率增大M 倍倍M个中频回波信号同相相加个中频回波信号同相相加信号电压增加为信号电压增加为M倍倍信号功率增加为信号功率增加为M2倍倍相邻相邻Tr噪声统计独立噪声统计独立M个脉冲的中频理想积累使信噪比提高为原来的个脉冲的中频理想积累使信噪比提高为原来的M倍倍思考：检测因子的变化思考：检测因子的变化n非相干积累非相干积累包络检波非线性作用包络检波非线性作用影响检波器输出端信噪比影响检波器输出端信噪比信号信号+噪声通过检波器，增加信号与噪声的相互作用项噪声通过检波器，增加信号与噪声的相互作用项输出信噪比增加为输出信噪比增加为 倍倍MM思考：检测因子的变化思考：检测因子的变化n积累对作用距离的改善积累对作用距离的改善结论：结论：1122244max320000(4)4ttnnnnPGP ARkT B F DkT B F