雷达侦察作用距离与截获概率.ppt

第5章 雷达侦察作用距离与截获概率,5.1 侦察系统的灵敏度 5.2 侦察作用距离 5.3 侦察截获概率与截获时间,5.1 侦察系统的灵敏度,雷达侦察系统的灵敏度Prmin是指满足侦察接收机对接收信号能量正常检测的条件下,在侦察接收机输入端的最小输入信号功率。由于被侦收的雷达信号大多是脉冲信号,因此,在雷达侦察系统中采用的灵敏度定义主要是切线信号灵敏度PTSS和工作灵敏度POPS。,5.1.1 切线信号灵敏度PTSS和工作灵敏度POPS的定义 切线信号灵敏度PTSS的定义如图5―1所示。在某一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。不难证明;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。,图5―1 切线信号灵敏度的示意图,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。在已知切线信号灵敏度PTSS时,输出信噪比为8dB的条件下,工作灵敏度POPS的分析可由PTSS换算得来。,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ΔfR与检波后的视放带宽ΔfV之比相差很大(雷达接收机中ΔfR/ΔfV≈2);,其次,表现在接收机的体制上,雷达几乎都采用超外差接收机,检波前具有很高的增益,检波器和视放的噪声特性对输出噪声的影响可以忽略;而侦察接收机可能采用超外差接收机、晶体视频接收机等多种形式,有时在检波前没有很高的增益,检波器和视放的噪声特性对输出噪声有一定的影响。因此,必须推演侦察接收机的切线信号灵敏度。以下仅以晶体视频接收机为例进行定量分析,再将结果推广到其它接收机。,晶体视频接收机的典型方框图如图5―2所示。图中GR、FR和ΔfR分别表示检波前射频放大器的增益、噪声系数和带宽,GV、FV和ΔfV分别表示检波后视放的增益、噪声系数和带宽。为简单起见,假设输入信号功率谱为δ函数,输入噪声功率谱和放大器的幅频特性均为矩形,如图5―3所示,且GＶ=1,检波器工作在平方律区域,肖特基二极管的检波品质因数 式中,γ为检波器的开路电压灵敏度;RV为检波器的视频输出电阻。,(5―1),图5―2 晶体视频接收机的典型方框图,由M和FV决定常数A:,(5―2),式中,K为玻尔兹曼常数(1.38×10-23J/K);T0为环境温度(一般取290K)。当信号与噪声同时作用于平方律检波器时,其输出包含有噪声的自差拍分量、信号的自差拍分量和信号与噪声的互差拍分量,其中信号的自差拍分量作为接收机输出的视频信号,其余两部分均为接收机输出的噪声。,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,因此,检波输出的噪声功率谱F(f)由下式给出:,(5―3),式中,W0,PS0分别为检波器输入噪声的谱密度和输入信号的功率,如图5 ― 4所示。由于该谱在f=ΔfR/2处不连续,所以分析中对ΔfV≤ΔfR≤2ΔfV和ΔfR≥2ΔfV的情况分别进行讨论。,图5―4 检波输出的噪声功率谱,1.ΔfV≤ΔfR≤2ΔfV ΔfV位于ΔfR/2和ΔfR之间,视放将通过射频信号与噪声互差拍的全部视频噪声和射频噪声自差拍的部分视频噪声,其输出视频噪声功率PV为,(5―4),没有信号作用时的基线视频噪声功率为,(5―5),微波检波器和视放所产生的白噪声功率P′V为 P′V=(FV+tVD-1)KT0ΔfV   对于肖特基二极管,相对噪声温度tVD≈1,代入上式得到: P′V=KT0ΔfVFV (5―6) 视放输出的信号功率为,(5―7),在计算噪声功率时,需要同时考虑射频噪声和检波、视放噪声,实际的基线噪声功率为,(5―8),有信号作用时,输出噪声为,(5―9),噪声电压峰值与有效值之比为常数KC(峰值系数)。假设基线噪声电压峰值为Un,有效值为Une,有信号作用时输出噪声电压峰值为Um,有效值为Ume,则,(5―10),切线信号灵敏度时的电压状态为,(5―11),信号功率与其电压有效值之间具有如下关系:,(5―12),代入(5―11)式,(5―13),若忽略Pn,Pm的差异,近似可得,(5―14),在平方律检波的条件下,当接收机输入端的信号功 率为切线信号灵敏度时,,(5―15),将(5―8)、(5―9)、(5―13)各式代入,可得,(5―16),a为噪声作用分量,b为信号与噪声互作用分量。检波前噪声谱W0=KT0FRGR,噪声作用大于信号与噪声互作用(a>b)时,代入(5―16)式,经配方整理,可得,令KC=2.5,ΔfR,ΔfV以MHz为单位,FR以dB为单位,可得,(5―17),2.ΔfR≥2ΔfV 通过视放的视频噪声为,(5―18),类似于上述分析,其最终结果为,或,(5―19),3.检波前增益不足 检波前增益不足, 很大,切线信号灵敏度可按下式近似:,当,(5―20),时,,当,时,,(5―21),4. 检波前增益很高 检波前增益很高,,很小,切线信号灵敏度可按下式近似:,当,时,,(5―22),当,时,,(5―23),5.1.3 工作灵敏度的换算 由于切线信号灵敏度时的输出信噪比近似为8dB,工作灵敏度POPS时的输出信噪比为14dB,所以POPS可以由PTSS直接换算得到: PTSS+3dB 平方律检波 PTSS+6dB 线性检波,POPS=,,(5―24),5.2 侦察作用距离,侦察作用距离是衡量雷达侦察系统对雷达探测能力的一个重要参数。在现代战争中,谁能够率先发现对方,谁就赢得了战场的主动权。从原则上讲,雷达侦察是单程工作,而雷达是双程工作(一次雷达),在作用距离上,雷达侦察掌握优势。但在信号处理上,雷达具有较多的先验知识可用,具有明显的信号处理优势。因此,一般在实际工作中保持侦察作用距离大于雷达作用距离是可能的,但有时也并非轻而易举。,5.2.1 简化侦察方程 所谓简化侦察方程是指不考虑传输损耗、大气衰减以及地面或海面反射等因素的影响而导出的侦察作用距离方程。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时,侦察接收天线收到的雷达信号功率为,(5―25),式中侦察天线有效面积Ar与天线增益Gr、波长λ的关系为,将其代入:,(5―26),若侦察接收机的灵敏度为Prmin,则可求得侦察作用距 离Rr为,(5―27),图5―5 侦察机和雷达的空间位置,5.2.2 修正侦察方程 修正侦察方程是指在考虑有关馈线和装置损耗条件下的侦察方程。其主要损耗如下:  (1)从雷达发射机到雷达发射天线之间的馈线损耗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)侦察天线增益在宽频带内变化所引起的损失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。,总损耗或损失,于是侦察方程修正为,(5―28),5.2.3 侦察的直视距离 由于在微波频段以上,电波是近似直线传播的,地球表面的弯曲对其传播有遮蔽作用,故此侦察机与雷达之间的直视距离受到限制,如图5―6所示。假设雷达天线和侦察天线高度分别为Ha,Hr,R为地球的半径,则其间的直视距离为,(5―29),考虑到大气层引起的电波折射,使直视距离有延伸,如图5―7所示,使等效的地球半径达到8490km,代入(5―29)式,可得,(5―30),式中,RSr以km为单位;Ha,Hr以m为单位。,图5―6 地球曲率对直视距离的影响,图5―7 电波折射对直视距离的影响,对雷达信号的侦察必须要同时满足能量和直视距离的条件,所以实际的侦察作用距离R′r是二者的最小值:,(5―31),5.2.4 侦察作用距离Rr对雷达作用距离Ra的优势   假设载有侦察机的作战平台也是雷达探测的目标。侦察机为了隐蔽工作,需要在雷达作用距离之外完成侦察任务。为了便于比较,双方都采用简化方程。 1.侦察作用距离Rr对雷达作用距离Ra,式中,σ为目标的雷达截面积;Pamin为雷达接收机的灵敏度。设目标的高度为Ht(由于侦察天线在载体平台的安装位置不同,可能使Ht≠Hr),双方的直视距离分别为:,双方实际的作用距离分别为 R′r=min{Rr,RSr}, R′a=min{Ra,RSa} 侦察对雷达作用距离的优势表现为作用距离之比 大于所要求的值r:,(5―32),5.2.5 对雷达旁瓣信号的侦察 一般雷达天线主瓣很窄,又处于空间搜索状态,侦察机要接收到雷达天线主瓣的辐射信号概率很低,往往需要较长时间。有时为了满足战术要求,需要提高侦察系统灵敏度,以实现对雷达天线旁瓣信号的侦收。,旁瓣电平是雷达天线的一项重要指标,许多有源掩护干扰和反辐射导弹都是利用雷达天线旁瓣发挥作用的。为了抗干扰、抗杂波、抗反辐射导弹的攻击,现代雷达都要求其天线的旁瓣电平尽量低,甚至其最大旁瓣都低到-50dB以下。如图5―8所示,天线旁瓣电平有两种表示方法:最大旁瓣电平Gsmax(dB)和平均旁瓣电平Gsave(dBi)。其定义分别为 Gsmax(dB)=Gs(dB)-Gt(dB) Gsave(dBi)=10lg,旁瓣拥有的总功率,总辐射功率,,(dBi),(5―33),式中,Gs(dB)为最大旁瓣增益。Gsave(dBi)是雷达天线的平均旁瓣增益,将其以真值代入(5―28)式,则可得到旁瓣侦察时的侦察作用距离:,(5―34),图5―8 天线旁瓣电平的两种表示方法,比较(5―28)、(5―34)式,可见,若要达到相同的侦察作用距离,必须使侦察接收机的灵敏度提高Gt(dB)-Gsave(dBi)。例如,典型雷达天线的主瓣增益为25~40dB,平均旁瓣电平为-10dBi,实现旁瓣侦察时,侦察接收机的灵敏度需要提高35~50dB。,5.3 侦察截获概率与截获时间,雷达侦察系统要实现对雷达辐射源的侦收,需要经过射频信号接收、检测(称为侦察系统的前端截获)与信号分选、辐射源检测、参数测量和识别(称为侦察机的系统截获)的全过程,并以经过信号处理后的输出结果(系统截获的输出结果)为最终目的。,前端截获是系统截获的前提和保证,它主要是由侦察系统中的硬件电路来实现的,而信号处理主要是由侦察系统中的软件程序完成的。本节首先讨论侦察系统前端的截获概率和截获时间。,5.3.1 前端的截获概率和截获时间 除了能量条件之外(已在侦察作用距离中讨论),雷达侦察系统的前端是一个在时域、空域、频域等多维信号空间中具有一定选择性的动态子空间。该动态子空间也称其为在多维信号空间中的搜索窗。被侦收的雷达辐射源信号则是多维信号空间中的动态点,只有当某一时刻,此动态点落入搜索窗内,才可能发生前端的截获事件。因此,在一般情况下,除了满足信号的能量条件之外,截获事件还包括以下具体含义:,(1)空域截获：一般指侦察天线的半功率波束宽度指向雷达,雷达发射天线的半功率波束宽度指向侦察接收机。全向侦察天线则只需雷达发射天线的半功率波束宽度指向侦察接收机;可旁瓣侦察时,只需侦察天线的半功率波束宽度指向雷达,雷达天线的主瓣或旁瓣指向侦察接收机。 (2)频域截获：指雷达的发射脉冲载频落入侦察机瞬时测频带宽内,且其脉宽满足侦察机测频条件。 (3)其它条件：指雷达发射信号的其它参数能够被侦察机正常检测和测量。,图5―9 多重搜索窗的重合示意图,前端的截获概率和截获时间是一个在多维空间中的几何概率问题,可以采用窗口函数模型描述,如图5―9所示。首先将每一个截获条件i都转换成为一个标准的窗口函数(Ti,τi),其中Ti为截获条件i的平均搜索周期(如天线的平均扫描周期、测频的平均搜索周期、脉冲平均重复周期等),τi为截获条件i的平均窗口宽度(如天线的平均照射时间、测频的平均带内驻留时间、平均脉宽等), τi≤Ti,i。假设n为在多维信号空间中的搜索窗数,每一个窗口函数都是独立、随机工作的,前端的截获事件表现为某一时刻n个窗口重合,则前端的截获事件的统计概率可按以下式分析计算：,1.平均重合宽度,(5―35),2.在任意时刻的重合概率P0,(5―36),3.平均重合周期 由于,所以,(5―37),4.前端截获概率Pk(T) 由于各次截获事件满足独立性和无后效性,可采用泊松(Poisson)流描述,根据该流的性质,在T时间内发生k次重合的事件包括: (1)在起始时刻即发生了一次重合,在后序时间里又发生了k－1次重合; (2)在起始时刻未发生重合,在后序时间里发生了k次重合。该事件的概率为,(5―38),其中λ为单位时间内发生重合的平均数,平均重合 周期 为其倒数,即 ,代入上式:,(5―39),由于在T时间里发生k次和k次以上重合都可以满足前端的截获条件,故前端的截获概率Pk(T)为,(5―40),当k=1时,前端的截获概率为,(5―41),有些侦察系统具有对同时多信号的检测、测量能力,对于发生在重合窗口内的多信号可以同时、准确地测量和分辨,其对信号重叠造成的丢失概率Pmiss=0。也有些侦察系统没有对同时多信号的检测、测量能力,对于发生在重合窗口内的多信号只能造成丢失或检测、测量错误。对此,还需要进一步分析信号重叠造成的丢失概率Pmiss。,假设在侦察系统的检测范围内有N部雷达,在单位时间内,各雷达满足侦察方程的平均脉冲数和平均脉冲宽度分别为Zi, 等效的平均脉冲间隔时间 , 则在i雷达信号脉宽内重合j雷达信号的概率Pi,j为,(5―42),进而i雷达信号脉宽内不重合其它雷达信号的概率Pimiss为,(5―43),该式表明,各雷达信号的重合丢失概率Pmiss受脉宽影响很大,脉宽越宽则丢失概率越大;同时,雷达数量越多、工作比越高,造成其它信号的丢失概率也越大。,如果将前端的截获事件定义为:在给定的截获时间T内,发生k次以上搜索重合,且无重合丢失。则其概率PkAI(T)为,如果前端的截获只需一个脉冲,k=1时,该式可简化为,(5―44),(5―45),对于给定的截获概率P1AI(T),相应的截获时间T为,(5―46),5.3.2 系统截获概率和截获时间 侦察系统的截获概率和截获时间是在前端的截获概率和截获时间基础上,通过信号处理软件来完成的。原则上,只要前端完成了正确的信号检测和测量,后端处理就不会造成丢失。但在指定信号环境下,对于指定辐射源的系统截获概率和截获时间不仅仅取决于信号处理软件的能力和质量,也取决于前端信号检测和测量的概率和质量。前端的截获概率和参数测量质量越高,系统的截获概率也就越高,截获时间也会越短。因此,在侦察系统中也需要制定明确的软件质量指标,并采用软件分析和仿真的方法计算、测量系统的截获概率和截获时间。,