雷達目標和雜波

[拼音]:leida mubiao he zabo

[英文]:radar target and clutter

雷達探測的物件一般稱為雷達目標。凡能散射電磁波的物體都可以作為雷達的目標。空中交通管制雷達以飛機作為目標;艦載雷達以船艦、浮標、海岸線等作為目標;地圖測繪雷達以地面作為目標;氣象雷達以暴風雨等氣象現象作為目標。在雷達目標環境中,目標以外的其他散射體的回波使雷達顯示器上的影象(或其他形式的雷達輸出訊號)變得雜亂,妨礙對目標回波的檢測,稱為雷達雜波。雷達目標和雜波的含義具有相對性,視雷達的用途而定。例如,地面回波對於防空雷達是雜波,而對地形測繪雷達則屬於目標;雲、雨幾乎對所有雷達都是雜波,但對於氣象雷達則屬於目標。

散射體分為點散射體和分佈散射體。當散射體的尺寸比雷達分辨單元小時,雷達無法分辨其細節,只能把它當作一個點散射體來處理。當散射體的尺寸比雷達分辨單元大時,則須當作分佈散射體處理。分佈散射體又分為面分佈散射體(如地面、海面等)和體分佈散射體(如陣雨、鳥群、箔條等)。在多數情況下,雜波是指點目標周圍的分佈散射體。廣義地說,雷達雜波還應包括觀測目標以外的無關目標回波和干擾波。

散射體散射能力

雷達必須在雜波、接收機噪聲和其他干擾中檢測目標並提取關於目標的資訊。研究目標和雜波的各種性質,對於雷達設計和使用非常必要。目標的散射能力用雷達截面積σ 表示(見雷達目標截面積)。若已知雷達發射功率Pt、天線增益G、天線波束寬度θa(方位)和θe(俯仰)、雷達波長λ、雷達到目標的距離R,則雷達收到的回波功率為

雷達目標和雜波

(1)

分佈散射體的後向散射能力,用雷達目標截面積密度,即單位照射面積的雷達截面積σ0表示。如果雷達照射面積為Ac,則雷達目標截面積為σc=σ0Ac。當雷達照射波的入射餘角φ較小時,照射面積受雷達發射脈衝寬度τ和波束方位寬度θa的限制:Ac=Rθa(cτ/2)/cosφ。式中c為電磁波傳播速度。這時,雷達從照射區收到的後向散射功率為

雷達目標和雜波

(2)

體分佈散射體的散射能力用單位照射體積的雷達目標截面積(也稱反射率)η表示。當被照射體積為Vc時,雷達目標截面積為σc=ηVc。雷達波束對空照射時,被照射體積為

雷達目標和雜波

。這時,雷達收到的回波功率

雷達目標和雜波

雷達目標和雜波

(3)

不同型別散射體的回波強度與距離R的關係明顯不同。公式(1)、(2)、(3)是實際測量各種散射體散射能力的基礎。散射能力與散射體的物理性質、空間分佈情況、運動情況及雷達視角、雷達波長和極化等因素有密切關係。

回波起伏特性

點目標的尺寸雖比雷達分辨單元小,但可能比雷達波長大得多,形狀可能很複雜,如飛機、船舶等。對於這樣的目標,雷達不能分辨目標各個部分的散射波,只能收到各部分散射波的向量和。由於目標的運動,雷達照射目標的視角不斷變化。因此,運動目標的回波是起伏的。

回波起伏具有隨機的性質。通常是用概率密度函式P(σ)描述雷達目標截面積起伏幅度分佈;用相關函式或傅立葉變換即功率譜密度函式s(f)描述雷達目標截面積起伏的相關特性或頻率分佈。面分布和體分佈散射體的回波起伏也用同樣方法描述。這些統計性質的實際測量和理論計算是難以做到的。常用理論模型近似地作為實際散射體,以便進行分析和反映回波起伏的基本特點。1960年,P.斯威爾林建立的目標起伏模型有兩種:

(1)把目標看成許多同等大小的獨立散射元的集合,每個散射元的回波幅度相等,相位在0~2π間均勻分佈。合成回波的瞬時值服從正態分佈,包絡服從瑞利分佈,雷達截面積(即回波功率)服從指數分佈。具有這種特點的散射體稱為瑞利型(斯威爾林1、2),降雨降雪是典型的瑞利型。例如,從各種角度觀測飛機回波(除側面觀測以外)時,回波起伏均服從瑞利分佈。又如,雷達分辨力不高(τ>1微秒,θa>1°)時,低海情(分辨單元大於海浪波長)的海面回波和平坦地面(如沙漠、農田等)的回波,也都服從瑞利分佈。

(2)把目標看成一個主要散射元和許多小散射元的集合(斯威爾林3、4)。這時,總的回波功率即散射截面積的概率密度可用4自由度的χ2-分佈近似表示(準確的概率密度應為賴斯分佈)。當雷達觀測飛機的側面時,其回波起伏符合這種分佈。在觀測形狀簡單的大型目標時,測得的大幅度起伏出現的概率比上述模型給出的大,即實際概率密度的尾部比較高。這類目標包括圓柱體和帶翼的圓柱體,如某些衛星體、火箭、艦船和大平板形的目標。在適當選擇引數時,χ2-分佈和對數正態分佈可以很好地擬合這類目標的實測資料。用高分辨力雷達(τ<1微秒,θa<1°)觀察高海情海面、市區、有建築物的郊區地面時,回波起伏也可用對數正態分佈來擬合。這種擬合,僅是用一種便於分析的函式描述實際雜波的起伏特性,而與回波起伏的機理沒有直接的關係。海面雜波和地面雜波往往介於瑞利分佈(尾部較低)和對數正態分佈(尾部較高)之間。用威布林分佈(形狀引數α在2~0.8之間)能更好的擬合其概率分佈。在時間相關性方面,斯威爾林把起伏分為慢起伏和快起伏兩種極端情況。

(1)慢起伏:天線掃描間不相關,掃描內完全相關(斯威爾林1,3);

(2)快起伏:脈衝間不相關(斯威爾林2,4)。實際目標起伏的相關性處於兩者之間。

在分析目標起伏對雷達跟蹤精度的影響和研究抑制雜波的技術時,需要知道目標和雜波起伏功率譜密度函式的具體形式。回波起伏功率譜密度常用高斯函式近似表示為

雷達目標和雜波

。式中fd為目標或雜波的平均多普勒頻移σf為多普勒頻移的散佈寬度。固定目標(如地物等)的平均多普勒頻移fd為零,而其散佈寬度σf則與天線波束寬度和掃描速度、地面植物搖擺、海浪的運動、飛機姿態角變化快慢等因素有關。運動目標和氣象雜波的fd不為零。氣象雜波的σf與雨滴等散射粒相對運動強度有關。

目標識別

當雷達距離分辨力很高時,雷達能觀察到大型目標上各主要散射部位在雷達視線上的分佈,並能估計出目標在視線方向上的投影尺寸,加上單脈衝技術還可以測出目標的三維輪廓。利用相干雷達可以測出目標各部分的距離-多普勒影象。如果雷達發射波中包含低頻調製分量(波長為目標尺寸的0.5~10倍),如斜坡函式調製,則從雷達回波中可以得到目標尺寸和形狀的資訊。這些技術可以用來對目標進行分類和識別。金屬目標上各部分之間的接觸達不到分子水平而間隙又小到 100埃數量級時,其接觸面呈現出非線性效應。這時,散射波中包含入射波的高次諧波和多種頻率入射波的交叉波。諧波的強度不再與入射波強度成正比,而是成非線性函式,即在諧波上雷達截面積與入射功率有關。利用這種效應,在高次諧波上(常用三次諧波)接收目標回波,可以區分金屬與非金屬目標,並可用來抑制雜波。

雷達目標和雜波

雜波型別和強度

海面回波與海浪高度、風速、風的行程和持續時間、雷達波束相對於海浪的方向、漲潮和落潮、海面汙染等因素有關,也與雷達頻率、極化、入射餘角、照射面積等因素有關。海面回波的統計性質決定於海情(海情按風速分級)和雷達分辨能力。在世界各大海洋上,海面回波的性質大致相同。圖1為中等海情(風速為10~20節)時海面雷達截面積密度

雷達目標和雜波

0與雷達頻段、極化和入射餘角的關係。圖中資料是多次測量的平均值。接近垂直照射時,海面的鏡面反射很強。入射餘角很小時,入射波與反射波(兩者反相)發生干涉,使後向散射變弱。測量表明,當風速低於5節時,海面後向散射很小。當風速從5節增大到20節時,後向散射增加很快,到20節時接近飽和。雷達截面積密度σ0與風速的關係是σ0正比於e

雷達目標和雜波

/V。式中V為風速;c為常數。

對於地面回波,不論在理論上還是在實際上都比海面回波存在更多的問題。一般來說,地面回波比海面回波強。只是在垂直照射時地面回波較弱。地面回波隨地形和地貌變化很大。山地、平原、沙漠、耕地、沼澤、不同的植被(樹木、莊稼)、植物的不同生長期、地面上的建築物等,都有不同的散射特性。圖2表示不同地面的散射截面積密度σ0的典型數值範圍。

雷達目標和雜波

降雨、降雪等氣象現象,在微波頻率上有明顯的後向散射。雨的反射率η等於單位體積內雨滴的雷達截面積的總和。通常,雨滴的直徑不到1釐米(0.05~0.7釐米)。當波長大於雨滴周長時,雨滴的散射截面積可用瑞利散射公式計算:

雷達目標和雜波

式中

雷達目標和雜波

;ε為雨滴的介電常數;Di為雨滴直徑。

單隻的鳥和昆蟲的雷達截面積很小,成群的鳥和昆蟲也能嚴重地干擾對目標的觀測。利用靈敏度時間控制電路可以抑制近距離的鳥群回波。

至於由大氣折射係數不均勻和“睛空湍流”造成的後向散射(即“仙波”),只有在雷達發射功率很大時才能觀察得到。

上一篇: 雪茄煙

下一篇:紡織品美術設計