雷达系统分析与建模

第1章 雷达距离方程 1

1.1雷达基础 1

1.1.1基本功能 1

1.1.2雷达应用 3

1.1.3雷达频段 3

1.2距离方程的推导 5

1.2.1接收到的信号功率 5

1.2.2双基地雷达方程 6

1.2.3应答机和电子战方程 6

1.2.4接收机噪声 7

1.2.5信噪比 8

1.2.6射频损耗因子 9

1.2.7最大作用距离的解 10

1.2.8利用Blake图进行距离计算 10

1.2.9一般解法 10

1.3搜索雷达方程 13

1.3.1均匀搜索的推导 13

1.3.2搜索雷达方程的重要性 13

1.4有源干扰时的雷达作用距离 14

1.4.1远距离噪声干扰的等效温度 14

1.4.2干扰有效性 15

1.4.3欺骗性干扰 16

1.4.4自屏蔽和护卫干扰 16

1.5有杂波时的雷达作用距离 17

1.5.1空域杂波：降雨或箔条 17

1.5.2空域杂波中的探测距离 19

1.5.3距离上模糊的杂波 20

1.5.4表面杂波：陆地和海面 21

1.6组合干扰下的探测距离 23

参考文献 24

附录1A：关于雷达方程的习题 24

附录1B：提供的Mathcad工具 26

附录1C：习题的解 27

第2章 目标检测理论 28

2.1噪声统计 29

2.2对伴有噪声的信号的一个采样进行检波 30

2.2.1理想的相参检波过程 30

2.2.2实际检波过程 31

2.2.3相对于理想系统的检波器损耗 33

2.2.4匹配滤波器及匹配损耗 33

2.3脉冲串的积累 34

2.3.1相参积累 35

2.3.2视频信号积累 36

2.3.3二进制积累 38

2.3.4累积积累 39

2.3.5积累器加权损耗 40

2.3.6虚警时间 40

2.3.7折叠损耗 41

2.4起伏目标的检测 43

2.4.1单个采样检测 43

2.4.2起伏损耗 43

2.4.3情况1信号的积累 43

2.4.4其他目标模型 45

2.4.5分集增益 47

2.4.6 x2目标的通用方程式 48

2.4.7起伏目标的二进制积累 49

2.4.8起伏目标的累积积累 49

2.5顺序检测 50

2.5.1两步顺序探测概率 50

2.5.2有快速确认的顺序检测 50

2.5.3延迟确认顺序检测 51

2.5.4顺序检测的能量和时间要求 51

2.6恒虚警率检测 52

2.6.1单元平均的CFAR 52

2.6.2双参数CFAR 54

2.6.3时间平均CFAR 55

2.6.4非参量CFAR 55

2.7有效可检测性因子 55

参考文献 56

附录2A：关于目标检测的习题 58

附录2B：提供的Mathcad工具 60

附录2C：习题的解 60

第3章 目标和干扰 61

3.1雷达横截面积的定义 61

3.1.1等效球体 61

3.1.2等效天线 62

3.2简单物体的雷达横截面积 63

3.2.1峰值RCS和波瓣结构 63

3.2.2 RCS与波长和姿态角的关系 63

3.2.3谐振现象 65

3.2.4 RCS的极化依赖性 66

3.3复杂目标的RCS 67

3.3.1 Swerling目标模型 68

3.3.2通用目标模型 70

3.3.3目标谱和相关时间 70

3.3.4相关频率 71

3.4横截面积的空间分布 71

3.4.1目标闪烁 71

3.4.2二元目标 72

3.4.3角度、距离和多普勒闪烁 73

3.4.4闪烁谱 74

3.5双基地横截面积 75

3.5.1前向散射RCS 75

3.5.2双基地增强的范围 75

3.6雷达杂波 76

3.6.1面杂波 77

3.6.2海杂波 78

3.6.3地杂波 79

3.6.4面杂波幅度分布 81

3.6.5面杂波的速度谱 82

3.6.6降雨杂波 84

3.6.7箔条 85

3.6.8体杂波的空间和速度范围 85

3.6.9体杂波的幅度分布 87

3.6.10离散杂波源 87

3.7干扰 88

3.7.1噪声干扰 88

3.7.2欺骗干扰 89

3.7.3诱饵 89

参考文献 90

附录3A：关于目标和干扰的习题 91

附录3B：提供的Mathcad工具 94

附录3C：习题的解 95

第4章 雷达天线 96

4.1四个坐标上的雷达响应 96

4.1.1雷达分辨力 96

4.1.2可分离角度响应 97

4.1.3天线方向图的互易性 99

4.2天线和阵列 99

4.2.1均匀照射孔径 99

4.2.2锥削式孔径照射 100

4.2.3椭圆形孔径和圆形孔径 103

4.2.4天线副瓣 103

4.2.5反射面天线 104

4.2.6透镜天线 108

4.2.7平面阵列天线 108

4.3相控阵 109

4.3.1单元和阵列因子 110

4.3.2相扫 110

4.3.3频率扫描 112

4.3.4稀疏阵列 113

4.3.5移相器 114

4.3.6阵列馈电系统 115

4.3.7放大器阵列 117

4.3.8波束形成矩阵 118

4.3.9相位和幅度误差效应 119

4.3.10阵列带宽 121

4.4超低副瓣天线 123

4.4.1定义 123

4.4.2扫描的超低副瓣天线系统设计 124

4.4.3超低副瓣反射面天线 126

4.5多波束天线 128

4.5.1堆积波束系统 128

4.5.2单脉冲天线 130

4.5.3焦平面阵列馈源 133

4.5.4数字波束形成 134

参考文献 135

附录4A：关于雷达天线的习题 135

附录4B：提供的Mathcad工具 138

附录4C：习题的解 140

第5章 波形和信号处理 141

5.1模糊函数 141

5.1.1匹配滤波器的实现 142

5.1.2矩形脉冲的响应 143

5.1.3简单脉冲的分辨力特性 145

5.2脉冲压缩 146

5.2.1相位编码脉冲压缩 147

5.2.2线性调频脉冲压缩 148

5.2.3非线性调频脉冲波形 151

5.2.4脉冲压缩波形的多普勒容差 154

5.3动目标显示 157

5.3.1脉冲串的频谱 157

5.3.2脉冲串的模糊函数 159

5.3.3最佳MTI滤波器 160

5.3.4实用MTI滤波器的实现 161

5.3.5参差PRF和PRF分集MTI 163

5.3.6带脉冲振荡发射机的MTI 163

5.3.7非相干MTI 165

5.3.8区域MTI 165

5.3.9相干MTI的性能 165

5.3.10非相干MTI的性能 170

5.3.11存在移动杂波时的MTI 170

5.3.12 MTI系统的损耗 170

5.3.13 MTI系统中的可检测性因子 172

5.4脉冲多普勒 172

5.4.1定义 172

5.4.2低-PRF PD雷达 174

5.4.3中-PRF PD雷达 176

5.4.4高-PRF PD雷达 179

5.4.5振荡器对PD雷达性能的影响 180

5.4.6滤波器副瓣对PD雷达性能的影响 183

5.4.7 PD雷达中的损耗因子 184

5.4.8 PD雷达的探测距离 186

参考文献 187

附录5A：关于波形和信号处理的习题 188

附录5B：提供的Mathcad工具 191

附录5C：习题的解 194

第6章 雷达传播 195

6.1大气衰减 195

6.1.1晴朗的大气 195

6.1.2气象衰减 199

6.1.3穿过潮湿天线罩的衰减 201

6.1.4电离层衰减 201

6.1.5箔条的衰减 201

6.1.6预测衰减时探测距离的Blake方法 202

6.1.7大气噪声温度 202

6.1.8大气透镜损耗 203

6.2表面反射效应 204

6.2.1传播因子 204

6.2.2表面反射几何图 204

6.2.3反射系数 206

6.2.4粗糙表面 208

6.2.5植被因子 210

6.2.6方向图传播因子对雷达探测范围的影响 210

6.3绕射 211

6.3.1光滑球面绕射 211

6.3.2从绕射区到干涉区的过渡 212

6.3.3刀锋绕射 213

6.3.4粗糙表面效应 215

6.4大气折射 216

6.4.1指数形式基准大气层 217

6.4.2仰角和距离偏移误差 218

6.4.3偏移误差的校正 220

6.4.4对流层起伏 220

6.4.5大气波导 221

6.4.6电离层绕射 221

6.4.7法拉第旋转 222

参考文献 224

附录6A：关于雷达传播的习题 225

附录6B：提供的Mathcad工具 226

附录6C：习题的解 227

第7章 雷达监视 228

7.1监视雷达基础 228

7.2两坐标对空监视雷达 230

7.2.1两坐标搜索问题的定义 230

7.2.2驻留时间与波束宽度 232

7.2.3孔径面积的限制 233

7.2.4两坐标监视的最小平均功率 233

7.2.5功率与孔径两者之间经济上的折中方案 233

7.2.6两坐标雷达中传播与杂波上的考虑 233

7.2.7中程两坐标空中交通管制雷达的实例 235

7.3堆积波束三坐标监视雷达 237

7.3.1三坐标搜索问题的定义 237

7.3.2驻留时间与波束宽度 238

7.3.3孔径面积与平均功率 238

7.3.4堆积波束三坐标雷达中杂波方面的考虑 239

7.3.5远程堆积波束三坐标雷达的实例 239

7.3.6脉冲内扫描的三坐标雷达 241

7.4波束扫描的三坐标监视雷达 241

7.4.1扫描的波束驻留时间与波束宽度 242

7.4.2孔径面积与平均功率 243

7.4.3波束扫描三坐标雷达杂波上的考虑 244

7.4.4波束扫描三坐标雷达的实例 244

7.4.5多功能雷达的搜索模式 245

7.5混合型三坐标监视雷达系统 247

7.5.1多仰角扇区中的堆积波束 247

7.5.2多重扫描波束 247

7.6地平线扫描 248

7.6.1帧时间与仰角波束宽度 248

7.6.2典型的水平线扫描问题 248

7.7海用导航雷达 250

7.7.1搜索空域的定义 250

7.7.2驻留时间与方位波束宽度 250

7.7.3海用导航雷达的雷达方程 250

7.7.4远程海用导航雷达的实例 251

7.8表面监视雷达 252

7.8.1战场监视 252

7.8.2具有实孔径的机载表面监视 253

7.8.3合成孔径雷达的机载表面监视 255

7.8.4空对面目标瞄准 255

7.9利用监视雷达数据进行跟踪 256

7.9.1目标报告误差 256

7.9.2边扫描边跟踪滤波器 257

7.9.3跟踪的起始与保持 259

7.10监视雷达的ECM与ECCM 260

7.10.1监视雷达的噪声干扰 261

7.10.2在噪声干扰中监视雷达的探测距离 262

7.10.3对监视雷达的欺骗干扰 265

7.10.4监视雷达采用的ECCM措施 266

7.10.5监视雷达ECCM汇总 271

参考文献 271

附录7A：关于监视雷达的习题 273

附录7B：提供的Mathcad工具 278

附录7C：习题的解 280

第8章 雷达跟踪和测量 281

8.1测量的基本原理 281

8.1.1基本测量过程 281

8.1.2测量灵敏度 282

8.1.3噪声环境的最佳估算器 283

8.2角度测量 284

8.2.1顺序和同时波束控制 284

8.2.2圆锥扫描 285

8.2.3扇区扫描 287

8.2.4单脉冲雷达 288

8.2.5单脉冲信号处理 293

8.3距离跟踪和测量 301

8.3.1对单个脉冲的最佳估算器 301

8.3.2对单个脉冲失配的估算器 303

8.3.3脉冲串测距 304

8.3.4数字信号处理机中的距离测量 306

8.4多普勒测量 307

8.4.1对单个脉冲或采样的多普勒测量 307

8.4.2对脉冲串的多普勒测量 309

8.4.3解多普勒模糊 309

8.5雷达误差分析 310

8.5.1测量误差的分类 310

8.5.2动态滞后误差 312

8.5.3多路径反射误差 314

8.5.4杂波引起的误差 323

8.5.5雷达误差预算 324

8.6跟踪雷达的目标截获 325

8.7多功能阵列雷达 328

8.8跟踪雷达的ECM和ECCM 330

8.8.1针对跟踪雷达的ECM的目标 330

8.8.2防止截获 331

8.8.3延迟截获 331

8.8.4距离和多普勒数据的拒绝 332

8.8.5引入距离和多普勒误差或破坏锁定 333

8.8.6引入角度上大的误差或破坏锁定 333

参考文献 337

附录8A：关于跟踪雷达的习题 339

附录8B：提供的Mathcad工具 343

附录8C：习题的解 344

第9章 雷达损耗预算 345

9.1损耗分类 345

9.1.1雷达-目标系统中损耗的位置 345

9.1.2恒定损耗、与目标有关的损耗和统计损耗 346

9.2射频馈线损耗 346

9.2.1发射机馈线损耗 346

9.2.2接收馈线损耗 348

9.3传播损耗 348

9.3.1大气和气象衰减 348

9.3.2不是衰减的其他损耗 349

9.4天线损耗 350

9.4.1天线设计中固有的损耗 350

9.4.2由于实际天线实现所引起的损耗 352

9.4.3由于天线工作引起的损耗 355

9.4.4总天线损耗 357

9.5接收机/处理机损耗 357

9.5.1确定性损耗 357

9.5.2统计损耗 361

9.6损耗在雷达方程中的分配 366

9.6.1天线损耗 366

9.6.2噪声温度 366

9.6.3方向图-传播因子 367

9.6.4可检测性因子 367

9.6.5信号处理损耗 367

9.6.6雷达方程中的独立损耗项 367

9.6.7损耗预算程序 367

9.7典型损耗预算 368

9.7.1机械扫描二维监视雷达的损耗预算 368

9.7.2机械扫描单脉冲跟踪雷达的损耗预算 369

9.7.3空馈多功能阵列雷达的损耗预算 370

9.7.4总结 372

参考文献 372

附录9A：关于损耗预算的习题 373

附录9B：提供的Mathcad工具 374

附录9C：习题的解 376

附录A符号表 377

附录B缩略语和缩写 393