雷达系统及雷达方程

雷达系统

雷达系统的基本组成如下图所示。主要包括发射机、天线、接收机、信号处理、数据处理等部分。发射机对激励信号进行放大，再由天线辐射到空间中，目标返回的回波信号经过天线接收后到达接收机，经过混频滤波后进行AD采样，采样后的信号由信号处理系统进行处理得到点迹信息，再由数据处理系统处理得到目标信息。

• 发射机：

发射机的主要功能是对频综产生的激励信号放大、滤波，提供大功率的射频信号，经过馈线传输到天线并由天线辐射到空间中。

发射机主要包括脉冲调制式发射机和连续波发射机，脉冲调制式发射机主要包括单级振荡式和主振放大式。现代雷达常用主振放大式发射机，其具有较高的频率稳定度、发射相参信号、产生复杂波形等优点。

发射机的主要性能指标：输出功率、信号稳定性、相位噪声、杂散...

• 接收机：

接收机的主要功能是对天线接收的信号进行混频、滤波、放大，并发送给信号处理系统，一般采用超外差式接收机。

接收机的主要性能指标：噪声系数、灵敏度、动态范围、带宽...

• 天线：

天线的主要功能是发射和接收电磁波，发射时将发射机的导行波转换为无线电波并辐射到空间，接收时将空间的无线电波转换为高频电流并发送给接收机。

天线的主要性能指标：增益、方向图、波束宽度、极化...

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雷达方程

雷达方程定量地描述了作用距离和雷达参数之间的关系，用来计算雷达的作用距离和威力，是雷达系统最基本的方程。

假设雷达发射功率为Pt，如果采用全向辐射天线，那么距离雷达R处的功率密度为：

为了在某方向增强能量，通常采用定向增益为G的天线，天线增益G和天线等效面积Ae之间的关系为：

那么采用定向天线后，距离R处的功率密度为：

当发射信号到达目标后，散射的电磁波将向各个方向传播，目标的散射截面积（RCS）表征了目标散射信号的强度，因此散射的信号功率密度为：

那么距离目标R处的接收天线接收到的回波功率为：

只有当接收信号功率大于最小可检测信号功率时，才能检测到目标，因此：

在实际工作中，回波信号总是会受到接收机噪声的影响，接收机输入噪声功率正比于带宽和绝对温度（k为玻尔兹曼常数）：

我们用噪声系数来描述回波信号经过接收机后信噪比的变化情况：

那么当接收机输出信号为雷达的最小可检测信噪比时，输入的最小可检测信号为：

考虑到雷达在实际工作过程中，存在系统损耗（目标起伏、大气传播衰减、传输损耗、处理损耗...），用Ls表示，那么雷达方程可写为：