雷達(dá)系統(tǒng)損耗

雷達(dá)系統(tǒng)損耗從狹義上講，是指發(fā)射機(jī)與天線之間的功率損耗或天線與接收機(jī)之間的功率損耗，它包括波導(dǎo)設(shè)備損耗（傳輸線損耗和雙工器損耗）和天線損耗（波束形狀損耗、掃描損耗、天線罩損耗、相控陣損耗）。

從廣義上講，系統(tǒng)損耗還包括信號(hào)處理損耗（如非匹配濾波器、恒虛警處理、積累器、限幅器等產(chǎn)生的損耗，以及跨分辨單元損耗、采樣損耗）。

實(shí)際雷達(dá)系統(tǒng)總是有各種損耗的，這些損耗將降低雷達(dá)的實(shí)際作用距離，因此在雷達(dá)方程中應(yīng)該引入損耗這一修正量。

從雷達(dá)方程可以看出，信噪比與雷達(dá)的損耗成反比，因?yàn)闄z測(cè)概率是信噪比的函數(shù)，雷達(dá)損耗的增加導(dǎo)致信噪比的下降，從而降低檢測(cè)概率。通常，雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的好壞主要體現(xiàn)在雷達(dá)損耗上。

傳輸和接收的損耗

傳輸和接收損耗分別發(fā)生在雷達(dá)發(fā)射機(jī)和天線輸入端口之間及天線輸出端口和接收機(jī)前端之間。這樣的損耗統(tǒng)稱為管道損耗。典型的管道損耗是1-2 dB。

天線波束形狀損耗

在雷達(dá)方程中，我們都假設(shè)天線增益為最大增益，即認(rèn)為最大輻射方向?qū)?zhǔn)目標(biāo)。但在實(shí)際工作中天線是掃描的，當(dāng)天線波束掃過目標(biāo)時(shí)，收到的回波信號(hào)振幅按天線波束形狀進(jìn)行調(diào)制。

實(shí)際收到的回波信號(hào)能量比按最大增益的等幅脈沖串收到的信號(hào)能量要小。信噪比的損耗是由于沒有獲得最大的天線增益而產(chǎn)生的，這種損耗叫做天線波束形狀損耗。

一旦選好了雷達(dá)的天線，天線波束損耗的總量可計(jì)算出來。例如，當(dāng)回波是振幅調(diào)制的脈沖串時(shí)，可以在計(jì)算檢測(cè)性能時(shí)按調(diào)制脈沖串進(jìn)行計(jì)算。在這里采用的辦法是利用等幅脈沖串已得到的檢測(cè)性能計(jì)算結(jié)果，再加上“波束形狀損耗”因子來修正振幅調(diào)制的影響。這個(gè)辦法雖然不夠精確，但卻簡(jiǎn)單實(shí)用。設(shè)單程天線功率方向圖用高斯函數(shù)近似為

式中，是從波束中心開始計(jì)算的角度，是半功率波束寬度。該方向圖如下圖所示。

圖中。設(shè)為半功率波束寬度內(nèi)收到的脈沖數(shù)：為積累脈沖數(shù)，則波束形狀損耗 (相對(duì)于積累個(gè)最大增益時(shí)的脈沖)為

該式適用于中間一個(gè)脈沖出現(xiàn)在波束最大值處的奇數(shù)個(gè)脈沖。例如：若積累個(gè)脈沖，它們均勻地排列在波束寬度以內(nèi)，則其損耗為。

如果天線掃描速度太快，以至于接收時(shí)增益與發(fā)射時(shí)不同，則必須計(jì)算額外的掃描損耗并增加到波束形狀損耗上。掃描損耗可以按照類似的方法換算成波束形狀損耗。相控陣?yán)走_(dá)通常是既有波束形狀損耗又有掃描損耗。

大氣損耗

在后面我們將詳細(xì)介紹大氣損耗和電磁波的傳播影響。大氣衰減是雷達(dá)工作頻率、目標(biāo)距離和仰角的函數(shù)。大氣衰減可以提高到幾個(gè)。

疊加損耗

實(shí)際工作中，參加積累的脈沖，除了“信號(hào)加噪聲”之外，還有單純的“噪聲”脈沖。這種額外噪聲對(duì)天線噪聲進(jìn)行積累，會(huì)使積累后的信噪比變壞，這個(gè)損耗被稱為疊加損耗。

產(chǎn)生疊加損耗可能有以下幾種原因：

在失掉距離信息的顯示器（如方位-仰角顯示器）上，如果不采用距離門選通，則在同一方位和仰角上所有距離單元的噪聲脈沖必然要與目標(biāo)單元上的“信號(hào)加噪聲”脈沖一起積累；

某些三坐標(biāo)雷達(dá)采用單個(gè)平面位置顯示器顯示同方位所有仰角上的目標(biāo)，往往只有一路有信號(hào)，其余各路是單純的噪聲；

如果接收機(jī)視頻帶寬較窄，通過視放后的脈沖將展寬，結(jié)果有目標(biāo)距離單元上的“信號(hào)加噪聲”就要和鄰近距離單元上展寬后的噪聲脈沖相疊加等等。

這些情況都會(huì)產(chǎn)生疊加損耗。

馬卡姆（Marcum）計(jì)算了在平方律檢波條件下的疊加損耗。當(dāng)個(gè)信噪比為的“信號(hào)加噪聲”脈沖和個(gè)噪聲一起積累時(shí)，可以等效為個(gè)“信號(hào)加噪聲”的脈沖積累，但每個(gè)脈沖的信號(hào)噪聲比為。這時(shí)疊加損耗可表示為

其中，是當(dāng)個(gè)額外噪聲參與個(gè)“信號(hào)加噪聲”的脈沖進(jìn)行積累時(shí)，檢測(cè)所需的每個(gè)脈沖的信噪比；是沒有額外噪聲，個(gè)“信號(hào)加噪聲”的脈沖進(jìn)行積累時(shí)，檢測(cè)所需的單個(gè)脈沖信噪比。

定義損耗因子為

雷達(dá)一般通過方位維、距離維或多普勒維的處理來檢測(cè)目標(biāo)。當(dāng)目標(biāo)回波顯示在一維坐標(biāo)中，如距離，在靠近實(shí)際目標(biāo)回波的方位角單元處的噪聲源集中在目標(biāo)附近，從而使得信噪比下降。

如下圖所示，將方位單元1、2、4、5的噪聲集中到目標(biāo)所在方位單元3時(shí)，就增加了該單元的噪聲功率。

信號(hào)處理損耗

檢波器近似

雷達(dá)采用線性接收機(jī)時(shí)，輸出電壓信號(hào)

其中，，是同相和正交分量。對(duì)于平方律檢波器，。在實(shí)際硬件中，平方根運(yùn)算會(huì)占用較多時(shí)間，所以對(duì)檢波器有許多近似的算法。近似的結(jié)果使信號(hào)功率損耗，通常為。

恒虛警概率（CFAR）損耗

在許多情況下，雷達(dá)檢測(cè)門限為保持恒虛警率而作為接收機(jī)噪聲電平的函數(shù)且持續(xù)地調(diào)整。為此目的，使用恒虛警率處理器來控制在變化和未知干擾背景下的虛警數(shù)目。CFAR 處理會(huì)使 SNR 損耗 1dB 的量級(jí)。

目前主要使用三類 CFAR 處理器：自適應(yīng)門限CFAR、非參數(shù) CFAR和非線性接收機(jī)技術(shù)。自適應(yīng)門限 CFAR 處理器假設(shè)干擾的分布是已知的，并對(duì)與這種分布有關(guān)的未知參數(shù)進(jìn)行近似。非參數(shù) CFAR 處理器傾向于適應(yīng)未知的干擾分布。非線性接收機(jī)技術(shù)試圖把干擾的均方根幅度歸一化。

量化損耗

有限字長（位數(shù)）和量化噪聲使得模數(shù) (A/D) 轉(zhuǎn)換器輸出的噪聲功率增加。A/D 的噪聲功率為，其中為量化電平。

距離門跨越

雷達(dá)接收信號(hào)通常包括一系列連續(xù)的距離門（單元）。每個(gè)距離門的作用如同一個(gè)與發(fā)射脈沖寬度相匹配的累加器。因?yàn)槔走_(dá)接收機(jī)的作用如同一個(gè)平滑濾波器對(duì)接收的目標(biāo)回波濾波（平滑）。平滑后的目標(biāo)回波包絡(luò)經(jīng)?？缭揭粋€(gè)以上的距離門。

一般受影響的距離門有三個(gè)，分別叫前（距離）門、中（距離）門（目標(biāo)距離門）和后（距離）門，如下圖所示。

如果一個(gè)點(diǎn)目標(biāo)正好位于一個(gè)距離門中間，那么前距離門和后距離門的樣本是相等的。然而當(dāng)目標(biāo)開始向下一個(gè)門移動(dòng)時(shí)，后距離門的樣本逐漸變大而前距離門的樣本不斷減小。

任何情況下，三個(gè)樣本的幅度相加的數(shù)值是大致相等的。平滑后的目標(biāo)回波包絡(luò)很像高斯分布形狀。在實(shí)際中，三角波包絡(luò)實(shí)現(xiàn)起來更加簡(jiǎn)單和快速。因?yàn)槟繕?biāo)很可能落在兩個(gè)臨界的距離門之間的任何地方，所以在距離門之間會(huì)有信噪比損耗。目標(biāo)回波的能量分散在三個(gè)門間。通常距離跨越損耗大約為。

多普勒跨越

多普勒跨越類似于距離門跨越。然而，在這種情況下，由于采用加窗函數(shù)降低副瓣電平，多普勒頻譜被展寬。因?yàn)槟繕?biāo)多普勒頻率可能落在兩個(gè)多普勒分辨單元之間，所以有信號(hào)損耗。如下圖所示，加權(quán)后，混疊頻率比濾波截止頻率 （相應(yīng)頻率點(diǎn)）要小。

審核編輯 ：李倩