雷達目標和雜波:雷達探測的對象一般稱為雷達目標。凡能散射電磁波的物體都可 -百科知識中文網

雷達目標和雜波

正文

雷達探測的對象一般稱為雷達目標。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圖像（或其他形式的雷達輸出信號）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布散射體。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，則須當作分布散射體處理。分布散射體又分為面分布散射體（如地面、海面等）和體分布散射體（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布散射體。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信息。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)

分布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)

體分布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)

不同類型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、空間分布情況、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矢量和。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。通常是用機率密度函式P(σ)描述雷達目標截面積起伏幅度分布；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布。面分布和體分布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間均勻分布。合成回波的瞬時值服從常態分配，包絡服從瑞利分布，雷達截面積（即回波功率）服從指數分布。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布。又如，雷達分辨力不高（τ＞1微秒,θa＞1°）時,低海情（分辨單元大于海浪波長）的海面回波和平坦地面(如沙漠、農田等)的回波，也都服從瑞利分布。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機率密度可用4自由度的χ2-分布近似表示（準確的機率密度應為賴斯分布）。當雷達觀測飛機的側面時，其回波起伏符合這種分布。在觀測形狀簡單的大型目標時，測得的大幅度起伏出現的機率比上述模型給出的大，即實際機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。在適當選擇參數時,χ2-分布和對數常態分配可以很好地擬合這類目標的實測數據。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常態分配來擬合。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布（尾部較低）和對數常態分配（尾部較高）之間。用威布爾分布（形狀參數α在2～0.8之間）能更好的擬合其機率分布。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都卜勒頻移σf為都卜勒頻移的散布寬度。固定目標(如地物等)的平均都卜勒頻移fd為零，而其散布寬度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布，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－都卜勒圖像。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信息。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。

雜波類型和強度　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、海面污染等因素有關，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。圖中數據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。