機載雷達探地及其特性分析

摘 要：針對機載雷達探地時的不同背景噪音情況,討論了雷達雜波對雷達接收機工作的影響,分析了常規雷達在毫米波波段,信雜比、信噪比、雜噪比和信號雜波噪聲比與雷達工作頻率、雷達方位角、俯仰角的關系,根據雷達分辨率和工作頻率的不同,推導了具體公式。在給定有關參數的前提下,給出這些量隨距離變化的關系曲線,得知不同比值隨距離的增加是逐漸下降的,而且雜波和噪聲對目標信號產生同樣的影響。在低分辨率雷達情況下,地雜波的影響是主要的。

關鍵詞：雷達；雜波；信噪比；分辨率；信雜比

中圖分類號：TP273文獻標識碼：A

文章編號：1004-373X(2009)05-034-02

Airborne Radar Grounding and Its Characteristics Analysis

LIU Dejun

(Civil Aviation Flight University of China,Guanghan,618307,China)

Abstract：The influence of clutter on radars is discussed according to different noise when airborne radar is grounding.The relationship among millimeter waves of radar,signal clutter ratio,signal noise ratio,clutter noise ratio,signal clutter noise,and radar frequency,azimuth,and elevation are analyzed.In the end,curves of these parameters with distance are showed under the given parameters different ratios increase with the distance gradually decreased.From the curves,the influence of clutters in normal resolution radars is the main points.

Keywords：radar;clutter;signal noise ratio;resolution;signal clutter ratio

在雷達接收機中,除有用的目標信號外，其他所有干擾統稱為“噪聲”,這些噪聲包括背景雜亂回波、大氣噪聲或雷達接收機噪聲等。通常背景雜波視雷達照射情況如不同，可以分為地雜波、海雜波和氣象雜波。這些雜波直接與雷達作用距離(R)、雷達方位角(α)和俯視角(β)有關,而且隨著雷達分辨率(ΔR)的提高和雷達工作頻率(f)的增加,將會變得越來越復雜,其統計分布也將發生較大的變化［1］。因此,必須深入分析雜波與這些因素的關系。

1 機載狀態下雷達雜波特點

雷達接收機接收到的信號主要來自于目標,而噪聲的來源有很多,通常包括接收機與天線的熱噪聲、外界雜波(地、空、海等)、各種無源與有源干擾、假目標誘餌等。所以,如果將這些無用的信號源在接收機中都看作噪聲的話,那么通常接收機輸入端的信號雜噪比為：

SN璉=P璗P璖N+P璆+P＜sub>S＜/sub>+P璊+…

(1)

式中:P璗代表目標功率；P璖N代表系統熱噪聲功率；P璆代表地雜波功率；P＜sub>S＜/sub>代表天線噪聲功率；P璊代表各種有源和無源干擾功率。

對于低分辨雷達(LRR)來說,目標沿徑向的尺寸比雷達距離單元的長度要小得多,因而目標可等效看作點目標。假設雷達處于機載狀態,如圖1所示,這時的地雜波反射就完全由波束擦地徑向距離和波束橫向長度來確定了,所以只考慮系統熱噪聲P璖N和外界地雜波(包括砂石、樹林、草地等) P璆的影響［2］。式(1)變成：

SN璉=P璗P璖N+P璆

(2)

圖1 飛機上的雷達與目標幾何配置

根據雷達接收機的工作原理：

P璗=P瑼G2λ2σ璗(4π)3R4

(3)

式中:P瑼為雷達發射機功率；λ為雷達工作波長；G為對準接收機方向的天線增益；σ璗為目標的后向散射截面積；R為雷達功率作用到目標的距離。

同樣,雷達接收機對應的熱噪聲功率為：

P璖N=kT0B璶

式中:k=1.38×10－23 J/K為波爾茲曼常數；T0=290 K為標準參考溫度；B璶為匹配接收機帶寬。

同理,假設地雜波后向散射截面積為σ璆,則雷達接收到的地雜波功率為：

P璆=P瑼G2λ2σ璆(4π)3R4

(4)

2 不同雜波及距離背景下的雜波分析

由圖1所給的雷達與目標幾何配置可以得到：

σ璆=A璆σ0

式中:A璆為波束打地對應的有效雜波反射面積；σ0為歸一化雜波散射截面積,它與背景反射率γ0的關系為［3］：

γ0=σ0/sin β

式中:β為雷達波束俯角。

表1給出了幾種雜波背景下反射率γ0的典型值。

表1 不同雜波背景下反射率γ0的典型值

反射率

類 別

路面草地沙地砂礫樹林

γ0 /dB-12.2-15.2-27-21-18.9

由圖1可知：

A璆=14πABCD = 14πRθ璪sin βRθ璪

=14πR2θ2璪sin β

(5)

故:

σ璆 = A璆σ0 = 14πR2θ2璪γ0

式中:θ璪為波束半功率寬度；R為雷達至主雜波距離。

這樣式(4)變為：

P璆 = P瑼G2λ2(4π)3R4 · 14πR2θ2璪γ0 = P瑼G2λ2θ2璪γ044π2R2

(6)

式(1)又變為：

SN璉 = 4P瑼G2λ2σ璗44π3R4kT0B璶 + P瑼G2λ2πR2θ2璪γ0

(7)

顯然,由式(7)可見,在遠距離時,系統熱噪聲是占主要的；而在近距離時,地雜波回波功率是占主要的。如果單獨考慮

S/C,C/N或S/N,并且考慮系統熱噪聲(F璶)、系統損耗(L璖)和毫米波大氣傳播的影響［4］,則有：

SC=P璗P璆=4σ璗πθ2璪γ0R2

(8)

CN=P璆P璖N=P瑼G2λ2θ2璪γ0×10－0.2αR44π2R2kT0B璶F璶L璖

(9)

SN=P璗P璖N=P瑼G2λ2σ璗×10－0.2αR(4π)3R4kT0B璶F璶L璖

(10)

式中:α代表電磁波在大氣中的衰減系數。

應該指出,這3個比值在考慮信號檢測性能時,常常要用到。如果將雷達接收機輸入端的信號雜噪比S/N璉等效到接收機中放輸出(或檢波器輸人端)來看［5］,則有：

SN璉=P瑼G2λ2σ璗×10－0.2αRR4(4π)3(P＜sub>S＜/sub>N+P璆)F璶L璖

(11)

根據常規雷達系統和目標對應的有關參數,圖2給出了在接收機中放輸出端所得到的S/C,C/N,S/N和S/N璉與距離(以km為單位)的關系曲線。

圖2 S/C,C/N,S/N和S/N璉與距離的關系曲線

3 結 語

由圖2可以看出,這4個比值隨著距離的增加是逐漸下降的,而且雜波和噪聲對目標信號產生同樣的影響。在低分辨率雷達情況下,地雜波的影響是主要的,一般S/C都取很小的值,且隨波束寬度θ璪的增加而逐漸下降。

參考文獻

［1］Huang D S,Ma S D.Linear and Nonlinear Feed Forward Neural Network Classifiers:A Comprehensive Understanding ［C］.Journal of Intelligent Systems,1999,9(1):1-38.

［2］丁鷺飛,張平.雷達系統［M］.西安：西北電訊工程學院出版社,1984.

［3］傅京孫.模式識別應用［M］.北京：北京大學出版社,1994.

［4］李德雙.雷達智能信號處理技術［M］.北京：機械工業出版社,2002.

［5］Kang M,Cha E.Multiple Target Tracking in Clutter Backgrounds Using Self-organizing Feature Map.The 1998 IEEE Int.Joint Conf.on Neural Networks［C］.Anchorage,Alaska,1998:4-9.

［6］黃知濤,周一宇,姜文利.基于相對無模糊相位重構的自動脈內調制特性分析［J］.通信學報,2003,24(4):153-156.

［7］朱江,張軍,趙永波.恒虛警檢測在DSP芯片上的實現［J］.現代雷達,2005,27(4):35-38.

［8］李嘉,郭成超,王復明,等.探地雷達應用概述［J］.地球物理學進展,2007(2)：42-45.

［9］劉峰.標準化、模塊化、可擴展、可重構雷達數字信息處理系統的設計［D］.北京:北京理工大學,2004.

［10］何友,孟祥偉.雷達自動檢測和CFAR處理方法綜述［J］.系統工程與電子技術,2001,23(1):9-13.

作者簡介 劉德軍 男,1968年出生,四川人,中國民航飛行學院中級實驗師。主要從事航管方向的教學和研究工作。