來源 |?雷達信號處理matlab

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雷達系統損耗

雷達系統損耗從狹義上講，是指發射機與天線之間的功率損耗或天線與接收機之間的功率損耗，它包括波導設備損耗（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，系統損耗還包括信號處理損耗（如非匹配濾波器、恒虛警處理、積累器、限幅器等產生的損耗，以及跨分辨單元損耗、采樣損耗）。

實際雷達系統總是有各種損耗的，這些損耗將降低雷達的實際作用距離，因此在雷達方程中應該引入損耗這一修正量。

從雷達方程可以看出，信噪比與雷達的損耗成反比，因為檢測概率是信噪比的函數，雷達損耗的增加導致信噪比的下降，從而降低檢測概率。通常，雷達系統設計的好壞主要體現在雷達損耗上。

傳輸和接收的損耗

傳輸和接收損耗分別發生在雷達發射機和天線輸入端口之間及天線輸出端口和接收機前端之間。這樣的損耗統稱為管道損耗。典型的管道損耗是?1-2 dB。

天線波束形狀損耗

在雷達方程中，我們都假設天線增益為最大增益，即認為最大輻射方向對準目標。但在實際工作中天線是掃描的，當天線波束掃過目標時，收到的回波信號振幅按天線波束形狀進行調制。

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

一旦選好了雷達的天線，天線波束損耗的總量可計算出來。例如，當回波是振幅調制的脈沖串時，可以在計算檢測性能時按調制脈沖串進行計算。在這里采用的辦法是利用等幅脈沖串已得到的檢測性能計算結果，再加上“波束形狀損耗”因子來修正振幅調制的影響。這個辦法雖然不夠精確，但卻簡單實用。設單程天線功率方向圖用高斯函數近似為?

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

圖中??。設??為半功率波束寬度??內收到的脈沖數：??為積累脈沖數，則波束形狀損耗?? (相對于積累??個最大增益時的脈沖)為?

該式適用于中間一個脈沖出現在波束最大值處的奇數個脈沖。例如：若積累??個脈沖，它們均勻地排列在??波束寬度以內，則其損耗為??。

如果天線掃描速度太快，以至于接收時增益與發射時不同，則必須計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。相控陣雷達通常是既有波束形狀損耗又有掃描損耗。

大氣損耗

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

疊加損耗

實際工作中，參加積累的脈沖，除了“信號加噪聲”之外，還有單純的“噪聲”脈沖。這種額外噪聲對天線噪聲進行積累，會使積累后的信噪比變壞，這個損耗被稱為疊加損耗。

產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單元上的“信號加噪聲”脈沖一起積累；

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

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

這些情況都會產生疊加損耗。

馬卡姆（Marcum）計算了在平方律檢波條件下的疊加損耗。當??個信噪比為??的“信號加噪聲”脈沖和??個噪聲一起積累時，可以等效為??個“信號加噪聲”的脈沖積累，但每個脈沖的信號噪聲比為??。這時疊加損耗可表示為?

其中，??是當??個額外噪聲參與??個“信號加噪聲”的脈沖進行積累時，檢測所需的每個脈沖的信噪比；??是沒有額外噪聲，??個“信號加噪聲”的脈沖進行積累時，檢測所需的單個脈沖信噪比。

定義損耗因子為?

雷達一般通過方位維、距離維或多普勒維的處理來檢測目標。當目標回波顯示在一維坐標中，如距離，在靠近實際目標回波的方位角單元處的噪聲源集中在目標附近，從而使得信噪比下降。

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

信號處理損耗

• 檢波器近似

雷達采用線性接收機時，輸出電壓信號?

其中，??，??是同相和正交分量。對于平方律檢波器，??。在實際硬件中，平方根運算會占用較多時間，所以對檢波器有許多近似的算法。近似的結果使信號功率損耗，通常為??。

• 恒虛警概率（CFAR）損耗

在許多情況下，雷達檢測門限為保持恒虛警率而作為接收機噪聲電平的函數且持續地調整。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目。CFAR 處理會使 SNR 損耗 1dB 的量級。

目前主要使用三類 CFAR 處理器：自適應門限CFAR、非參數 CFAR?和非線性接收機技術。自適應門限 CFAR 處理器假設干擾的分布是已知的，并對與這種分布有關的未知參數進行近似。非參數 CFAR 處理器傾向于適應未知的干擾分布。非線性接收機技術試圖把干擾的均方根幅度歸一化。

• 量化損耗

有限字長（位數）和量化噪聲使得模數 (A/D) 轉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

雷達接收信號通常包括一系列連續的距離門（單元）。每個距離門的作用如同一個與發射脈沖寬度相匹配的累加器。因為雷達接收機的作用如同一個平滑濾波器對接收的目標回波濾波（平滑）。平滑后的目標回波包絡經常跨越一個以上的距離門。

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

如果一個點目標正好位于一個距離門中間，那么前距離門和后距離門的樣本是相等的。然而當目標開始向下一個門移動時，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，三個樣本的幅度相加的數值是大致相等的。平滑后的目標回波包絡很像高斯分布形狀。在實際中，三角波包絡實現起來更加簡單和快速。因為目標很可能落在兩個臨界的距離門之間的任何地方，所以在距離門之間會有信噪比損耗。目標回波的能量分散在三個門間。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，由于采用加窗函數降低副瓣電平，多普勒頻譜被展寬。因為目標多普勒頻率可能落在兩個多普勒分辨單元之間，所以有信號損耗。如下圖所示，加權后，混疊頻率比濾波截止頻率 （相應頻率點）要小。

本文參考《雷達系統分析與設計（MATLAB版）（第三版）》，有興趣的可以購買書本幫助理解。

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