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)?a target="_blank">檢測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(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(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，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)“信號加噪聲”的脈沖積累，但每個(gè)脈沖的信號噪聲比為。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)“信號加噪聲”的脈沖進(jìn)行積累時(shí)，檢測所需的每個(gè)脈沖的信噪比；是沒有額外噪聲，個(gè)“信號加噪聲”的脈沖進(jìn)行積累時(shí)，檢測所需的單個(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

其中，，是同相和正交分量。對于平方律檢波器，。在實(shí)際硬件中，平方根運(yùn)算會(huì)占用較多時(shí)間，所以對檢波器有許多近似的算法。近似的結(jié)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(dá)檢測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。

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