机载雷达探地及其特性分析

摘 要：针对机载雷达探地时的不同背景噪音情况,讨论了雷达杂波对雷达接收机工作的影响,分析了常规雷达在毫米波波段,信杂比、信噪比、杂噪比和信号杂波噪声比与雷达工作频率、雷达方位角、俯仰角的关系,根据雷达分辨率和工作频率的不同,推导了具体公式。在给定有关参数的前提下,给出这些量随距离变化的关系曲线,得知不同比值随距离的增加是逐渐下降的,而且杂波和噪声对目标信号产生同样的影响。在低分辨率雷达情况下,地杂波的影响是主要的。

关键词：雷达；杂波；信噪比；分辨率；信杂比

中图分类号：TP273文献标识码：A

文章编号：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

在雷达接收机中,除有用的目标信号外，其他所有干扰统称为“噪声”,这些噪声包括背景杂乱回波、大气噪声或雷达接收机噪声等。通常背景杂波视雷达照射情况如不同，可以分为地杂波、海杂波和气象杂波。这些杂波直接与雷达作用距离(R)、雷达方位角(α)和俯视角(β)有关,而且随着雷达分辨率(ΔR)的提高和雷达工作频率(f)的增加,将会变得越来越复杂,其统计分布也将发生较大的变化［1］。因此,必须深入分析杂波与这些因素的关系。

1 机载状态下雷达杂波特点

雷达接收机接收到的信号主要来自于目标,而噪声的来源有很多,通常包括接收机与天线的热噪声、外界杂波(地、空、海等)、各种无源与有源干扰、假目标诱饵等。所以,如果将这些无用的信号源在接收机中都看作噪声的话,那么通常接收机输入端的信号杂噪比为：

SN璉=P璗P璖N+P璆+P＜sub>S＜/sub>+P璊+…

(1)

式中:P璗代表目标功率；P璖N代表系统热噪声功率；P璆代表地杂波功率；P＜sub>S＜/sub>代表天线噪声功率；P璊代表各种有源和无源干扰功率。

对于低分辨雷达(LRR)来说,目标沿径向的尺寸比雷达距离单元的长度要小得多,因而目标可等效看作点目标。假设雷达处于机载状态,如图1所示,这时的地杂波反射就完全由波束擦地径向距离和波束横向长度来确定了,所以只考虑系统热噪声P璖N和外界地杂波(包括砂石、树林、草地等) P璆的影响［2］。式(1)变成：

SN璉=P璗P璖N+P璆

(2)

图1 飞机上的雷达与目标几何配置

根据雷达接收机的工作原理：

P璗=P瑼G2λ2σ璗(4π)3R4

(3)

式中:P瑼为雷达发射机功率；λ为雷达工作波长；G为对准接收机方向的天线增益；σ璗为目标的后向散射截面积；R为雷达功率作用到目标的距离。

同样,雷达接收机对应的热噪声功率为：

P璖N=kT0B璶

式中:k=1.38×10－23 J/K为波尔兹曼常数；T0=290 K为标准参考温度；B璶为匹配接收机带宽。

同理,假设地杂波后向散射截面积为σ璆,则雷达接收到的地杂波功率为：

P璆=P瑼G2λ2σ璆(4π)3R4

(4)

2 不同杂波及距离背景下的杂波分析

由图1所给的雷达与目标几何配置可以得到：

σ璆=A璆σ0

式中:A璆为波束打地对应的有效杂波反射面积；σ0为归一化杂波散射截面积,它与背景反射率γ0的关系为［3］：

γ0=σ0/sin β

式中:β为雷达波束俯角。

表1给出了几种杂波背景下反射率γ0的典型值。

表1 不同杂波背景下反射率γ0的典型值

反射率

类 别

路面草地沙地砂砾树林

γ0 /dB-12.2-15.2-27-21-18.9

由图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璪为波束半功率宽度；R为雷达至主杂波距离。

这样式(4)变为：

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

(6)

式(1)又变为：

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

(7)

显然,由式(7)可见,在远距离时,系统热噪声是占主要的；而在近距离时,地杂波回波功率是占主要的。如果单独考虑

S/C,C/N或S/N,并且考虑系统热噪声(F璶)、系统损耗(L璖)和毫米波大气传播的影响［4］,则有：

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代表电磁波在大气中的衰减系数。

应该指出,这3个比值在考虑信号检测性能时,常常要用到。如果将雷达接收机输入端的信号杂噪比S/N璉等效到接收机中放输出(或检波器输人端)来看［5］,则有：

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

(11)

根据常规雷达系统和目标对应的有关参数,图2给出了在接收机中放输出端所得到的S/C,C/N,S/N和S/N璉与距离(以km为单位)的关系曲线。

图2 S/C,C/N,S/N和S/N璉与距离的关系曲线

3 结 语

由图2可以看出,这4个比值随着距离的增加是逐渐下降的,而且杂波和噪声对目标信号产生同样的影响。在低分辨率雷达情况下,地杂波的影响是主要的,一般S/C都取很小的值,且随波束宽度θ璪的增加而逐渐下降。

参考文献

［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］丁鹭飞,张平.雷达系统［M］.西安：西北电讯工程学院出版社,1984.

［3］傅京孙.模式识别应用［M］.北京：北京大学出版社,1994.

［4］李德双.雷达智能信号处理技术［M］.北京：机械工业出版社,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］黄知涛,周一宇,姜文利.基于相对无模糊相位重构的自动脉内调制特性分析［J］.通信学报,2003,24(4):153-156.

［7］朱江,张军,赵永波.恒虚警检测在DSP芯片上的实现［J］.现代雷达,2005,27(4):35-38.

［8］李嘉,郭成超,王复明,等.探地雷达应用概述［J］.地球物理学进展,2007(2)：42-45.

［9］刘峰.标准化、模块化、可扩展、可重构雷达数字信息处理系统的设计［D］.北京:北京理工大学,2004.

［10］何友,孟祥伟.雷达自动检测和CFAR处理方法综述［J］.系统工程与电子技术,2001,23(1):9-13.

作者简介 刘德军 男,1968年出生,四川人,中国民航飞行学院中级实验师。主要从事航管方向的教学和研究工作。