雷达系统分析与建模

本书在全面归纳雷达系统原理的基础上，对雷达性能进行了分析与数学建模。全书前6章为基础理论部分，包括：雷达距离方程，目标检测理论，目标、杂波和干扰分析，雷达天线分析，雷达信号波形设计和信号处理，传播特性分析。第7章和第8章分别介绍了雷达监视、雷达测量与跟踪方法。*后一章对雷达损耗进行了分析。本书覆盖了雷达系统性能分析和数学模型建设，内容系统、完整。每章后都附有参考文献、习题、仿真程序及其说明，便于读者进一步学习和研究。

David K. Barton，雷达系统咨询专家，现已从马萨诸塞州ANRO工程有限公司退休。1992年被推选为IEEE会士，并于1997年成为美国工程院院士。2002年获得IEEE Dennis J. Picard关于雷达技术和应用奖章。曾服务于美国空军科学咨询委员会、防御情报局和陆军研究实验室。 David K. Barton，雷达系统咨询专家，现已从马萨诸塞州ANRO工程有限公司退休。1992年被推选为IEEE会士，并于1997年成为美国工程院院士。2002年获得IEEE Dennis J. Picard关于雷达技术和应用奖章。曾服务于美国空军科学咨询委员会、防御情报局和陆军研究实验室。

第1章 雷达距离方程1
1.1 雷达基础 1
1.1.1 基本功能1
1.1.2 雷达应用3
1.1.3 雷达频段3
1.2 距离方程的推导5
1.2.1 接收到的信号功率5
1.2.2 双基地雷达方程6
1.2.3 应答机和电子战方程6
1.2.4 接收机噪声7
1.2.5 信噪比8
1.2.6 射频损耗因子9
1.2.7 最大作用距离的解10
1.2.8 利用Blake图进行距离计算10
1.2.9 一般解法10
1.3 搜索雷达方程13
1.3.1 均匀搜索的推导13
1.3.2 搜索雷达方程的重要性13
1.4 有源干扰时的雷达作用距离14
1.4.1 远距离噪声干扰的等效温度 14
1.4.2 干扰有效性15
1.4.3 欺骗性干扰16
1.4.4 自屏蔽和护卫干扰16
1.5 有杂波时的雷达作用距离17
1.5.1 空域杂波：降雨或箔条17
1.5.2 空域杂波中的探测距离19
1.5.3 距离上模糊的杂波20
1.5.4 表面杂波：陆地和海面21
1.6 组合干扰下的探测距离23
参考文献24
附录1A：关于雷达方程的习题24
附录1B：提供的Mathcad工具26
附录1C：习题的解27
第2章 目标检测理论28
2.1 噪声统计29
2.2 对伴有噪声的信号的一个采样进行检波30
2.2.1 理想的相参检波过程30
2.2.2 实际检波过程31
2.2.3 相对于理想系统的检波器损耗33
2.2.4 匹配滤波器及匹配损耗33
2.3 脉冲串的积累34
2.3.1 相参积累35
2.3.2 视频信号积累36
2.3.3 二进制积累38
2.3.4 累积积累 39
2.3.5 积累器加权损耗40
2.3.6 虚警时间40
2.3.7 折叠损耗41
2.4 起伏目标的检测43
2.4.1 单个采样检测43
2.4.2 起伏损耗43
2.4.3 情况1信号的积累43
2.4.4 其他目标模型45
2.4.5 分集增益47
2.4.6 c2目标的通用方程式48
2.4.7 起伏目标的二进制积累49
2.4.8 起伏目标的累积积累49
2.5 顺序检测50
2.5.1 两步顺序探测概率50
2.5.2 有快速确认的顺序检测50
2.5.3 延迟确认顺序检测51
2.5.4 顺序检测的能量和时间要求51
2.6 恒虚警率检测52
2.6.1 单元平均的CFAR52
2.6.2 双参数CFAR54
2.6.3 时间平均CFAR 55
2.6.4 非参量CFAR55
2.7 有效可检测性因子55
参考文献56
附录2A：关于目标检测的习题58
附录2B：提供的Mathcad工具60
附录2C：习题的解60
第3 章 目标和干扰61
3.1 雷达横截面积的定义61
3.1.1 等效球体61
3.1.2 等效天线 62
3.2 简单物体的雷达横截面积63
3.2.1 峰值RCS和波瓣结构63
3.2.2 RCS与波长和姿态角的关系63
3.2.3 谐振现象65
3.2.4 RCS 的极化依赖性 66
3.3 复杂目标的RCS67
3.3.1 Swerling目标模型 68
3.3.2 通用目标模型70
3.3.3 目标谱和相关时间70
3.3.4 相关频率71
3.4 横截面积的空间分布71
3.4.1 目标闪烁71
3.4.2 二元目标72
3.4.3 角度、距离和多普勒闪烁73
3.4.4 闪烁谱74
3.5 双基地横截面积75
3.5.1 前向散射RCS75
3.5.2 双基地增强的范围 75
3.6 雷达杂波76
3.6.1 面杂波77
3.6.2 海杂波 78
3.6.3 地杂波79
3.6.4 面杂波幅度分布 81
3.6.5 面杂波的速度谱82
3.6.6 降雨杂波84
3.6.7 箔条85
3.6.8 体杂波的空间和速度范围 85
3.6.9 体杂波的幅度分布87
3.6.10 离散杂波源 87
3.7 干扰88
3.7.1 噪声干扰 88
3.7.2 欺骗干扰 89
3.7.3 诱饵 89
参考文献90
附录 3A：关于目标和干扰的习题91
附录3B：提供的Mathcad工具94
附录3C：习题的解95
第4章 雷达天线96
4.1 四个坐标上的雷达响应96
4.1.1 雷达分辨力96
4.1.2 可分离角度响应 97
4.1.3 天线方向图的互易性99
4.2 天线和阵列99
4.2.1 均匀照射孔径99
4.2.2 锥削式孔径照射100
4.2.3 椭圆形孔径和圆形孔径103
4.2.4 天线副瓣103
4.2.5 反射面天线104
4.2.6 透镜天线108
4.2.7 平面阵列天线108
4.3 相控阵109
4.3.1 单元和阵列因子110
4.3.2 相扫110
4.3.3 频率扫描 112
4.3.4 稀疏阵列113
4.3.5 移相器114
4.3.6 阵列馈电系统115
4.3.7 放大器阵列117
4.3.8 波束形成矩阵118
4.3.9 相位和幅度误差效应119
4.3.10 阵列带宽 121
4.4 超低副瓣天线123
4.4.1 定义123
4.4.2 扫描的超低副瓣天线系统设计124
4.4.3 超低副瓣反射面天线126
4.5 多波束天线128
4.5.1 堆积波束系统 128
4.5.2 单脉冲天线130
4.5.3 焦平面阵列馈源133
4.5.4 数字波束形成134
参考文献135
附录4A：关于雷达天线的习题135
附录4B：提供的Mathcad工具138
附录4C：习题的解140
第5章 波形和信号处理141
5.1 模糊函数141
5.1.1 匹配滤波器的实现 142
5.1.2 矩形脉冲的响应143
5.1.3 简单脉冲的分辨力特性145
5.2 脉冲压缩146
5.2.1 相位编码脉冲压缩147
5.2.2 线性调频脉冲压缩148
5.2.3 非线性调频脉冲波形151
5.2.4 脉冲压缩波形的多普勒容差154
5.3 动目标显示157
5.3.1 脉冲串的频谱157
5.3.2 脉冲串的模糊函数159
5.3.3 最佳MTI滤波器160
5.3.4 实用MTI滤波器的实现161
5.3.5 参差PRF和PRF分集MTI163
5.3.6 带脉冲振荡发射机的MTI163
5.3.7 非相干MTI165
5.3.8 区域MTI165
5.3.9 相干MTI的性能165
5.3.10 非相干MTI的性能170
5.3.11 存在移动杂波时的MTI170
5.3.12 MTI系统的损耗170
5.3.13 MTI系统中的可检测性因子172
5.4 脉冲多普勒172
5.4.1 定义172
5.4.2 低-PRF PD雷达174
5.4.3 中-PRF PD雷达176
5.4.4 高-PRF PD雷达179
5.4.5 振荡器对PD雷达性能的影响180
5.4.6 滤波器副瓣对PD雷达性能的影响183
5.4.7 PD雷达中的损耗因子184
5.4.8 PD雷达的探测距离186
参考文献187
附录5A：关于波形和信号处理的习题188
附录5B：提供的Mathcad工具191
附录5C：习题的解194
第6章 雷达传播195
6.1 大气衰减195
6.1.1 晴朗的大气195
6.1.2 气象衰减199
6.1.3 穿过潮湿天线罩的衰减201
6.1.4 电离层衰减201
6.1.5 箔条的衰减201
6.1.6 预测衰减时探测距离的Blake方法202
6.1.7 大气噪声温度202
6.1.8 大气透镜损耗203
6.2 表面反射效应204
6.2.1 传播因子204
6.2.2 表面反射几何图204
6.2.3 反射系数206
6.2.4 粗糙表面208
6.2.5 植被因子210
6.2.6 方向图传播因子对雷达探测范围的影响210
6.3 绕射211
6.3.1 光滑球面绕射211
6.3.2 从绕射区到干涉区的过渡212
6.3.3 刀锋绕射213
6.3.4 粗糙表面效应215
6.4 大气折射216
6.4.1 指数形式基准大气层217
6.4.2 仰角和距离偏移误差218
6.4.3 偏移误差的校正220
6.4.4 对流层起伏220
6.4.5 大气波导221
6.4.6 电离层绕射221
6.4.7 法拉第旋转222
参考文献224
附录6A：关于雷达传播的习题225
附录6B：提供的Mathcad工具226
附录6C：习题的解227
第7章 雷达监视228
7.1 监视雷达基础228
7.2 两坐标对空监视雷达230
7.2.1 两坐标搜索问题的定义230
7.2.2 驻留时间与波束宽度232
7.2.3 孔径面积的限制233
7.2.4 两坐标监视的最小平均功率233
7.2.5 功率与孔径两者之间经济上的折中方案233
7.2.6 两坐标雷达中传播与杂波上的考虑233
7.2.7 中程两坐标空中交通管制雷达的实例235
7.3 堆积波束三坐标监视雷达237
7.3.1 三坐标搜索问题的定义237
7.3.2 驻留时间与波束宽度238
7.3.3 孔径面积与平均功率238
7.3.4 堆积波束三坐标雷达中杂波方面的考虑239
7.3.5 远程堆积波束三坐标雷达的实例239
7.3.6 脉冲内扫描的三坐标雷达241
7.4 波束扫描的三坐标监视雷达241
7.4.1 扫描的波束驻留时间与波束宽度242
7.4.2 孔径面积与平均功率243
7.4.3 波束扫描三坐标雷达杂波上的考虑244
7.4.4 波束扫描三坐标雷达的实例244
7.4.5 多功能雷达的搜索模式245
7.5 混合型三坐标监视雷达系统247
7.5.1 多仰角扇区中的堆积波束247
7.5.2 多重扫描波束247
7.6 地平线扫描248
7.6.1 帧时间与仰角波束宽度248
7.6.2 典型的水平线扫描问题248
7.7 海用导航雷达250
7.7.1 搜索空域的定义250
7.7.2 驻留时间与方位波束宽度250
7.7.3 海用导航雷达的雷达方程250
7.7.4 远程海用导航雷达的实例251
7.8 表面监视雷达252
7.8.1 战场监视252
7.8.2 具有实孔径的机载表面监视253
7.8.3 合成孔径雷达的机载表面监视255
7.8.4 空对面目标瞄准255
7.9 利用监视雷达数据进行跟踪256
7.9.1 目标报告误差256
7.9.2 边扫描边跟踪滤波器257
7.9.3 跟7