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雷達(dá)接收機(jī)靈敏度的決定因素及計(jì)算

雷達(dá)通信電子戰(zhàn) ? 來源:雷達(dá)通信電子戰(zhàn) ? 2023-02-10 15:58 ? 次閱讀
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雷達(dá)接收機(jī)主要進(jìn)行的是濾波、放大、頻率轉(zhuǎn)換等信號(hào)處理,而固有噪聲存在于整個(gè)接收機(jī)前端系統(tǒng),從而對(duì)接收的雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生影響,降低了輸入射頻信號(hào)的信噪比。

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接收機(jī)的性能關(guān)系到雷達(dá)的正常工作,接收機(jī)根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)可以分成:超外差接收機(jī)、寬帶中頻接收機(jī)、零中頻接收機(jī)、數(shù)字中頻接收機(jī)等。接收機(jī)在朝著高集成度、低功耗、射頻前端的軟件化、數(shù)字化發(fā)展。

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所有接收機(jī)的靈敏度都受到熱噪聲的限制,而在雷達(dá)中,主要是來自接收機(jī)的熱噪聲(而不是外部噪聲源)。所以,系統(tǒng)的噪聲系數(shù)決定了最小可檢測(cè)有用信號(hào)或者叫接收機(jī)的靈敏度。噪聲系數(shù)的線性描述:噪聲因子,是一個(gè)無單位的量,它是接收機(jī)所有的輸出噪聲(包括輸入信號(hào)引入的噪聲和接收器本身產(chǎn)生的噪聲)和僅有輸入噪聲產(chǎn)生的輸出噪聲之比。級(jí)聯(lián)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)可由如下公式表征:假設(shè)在一系列放大器鏈路中,第一級(jí)放大器的增益是G1、噪聲系數(shù)為F1,第二級(jí)放大器的的增益是G2、噪聲系數(shù)為F2,第三級(jí)放大器的增益是G3、噪聲系數(shù)為F3,以此類推,那么總的噪聲系數(shù)F如下式所示:

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如果G1值很高,那么除了F1之外,其他項(xiàng)的貢獻(xiàn)都可以忽略不計(jì),這是一個(gè)良好設(shè)計(jì)系統(tǒng)追求的目標(biāo)。因此,系統(tǒng)噪聲系數(shù)很大程度上取決于接收機(jī)鏈路的第一級(jí)。 在大多數(shù)現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)中,采用基于砷化鎵(GaAs)或氮化鎵(GaN)的半導(dǎo)體低噪聲放大器(LNA)。這些部件徹底改變了雷達(dá)接收機(jī)的設(shè)計(jì),使雷達(dá)接收機(jī)噪聲系數(shù)輕松提高1dB,這比以前的系統(tǒng)好10倍左右。 當(dāng)然,做任何事情都是需要代價(jià)的,避免失真也是至關(guān)重要的,因此低噪聲放大器具有線性是至關(guān)重要的。一個(gè)非常高的增益器件(大的G1)往往缺乏線性度,因此,在線性度和噪聲系數(shù)之間進(jìn)行權(quán)衡是接收機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面。系統(tǒng)所能接收的信號(hào)越微弱,則表示接收機(jī)的靈敏度越高。常溫下的接收機(jī)靈敏度由噪聲系數(shù)、匹配帶寬和所需信噪比決定。下面是案例計(jì)算: 低PRF的C波段雷達(dá)工作頻率為6.0GHz,拋物面天線直徑2m,發(fā)射脈沖串的峰值功率為1MW,脈沖寬度2us,PRF是250Hz。假設(shè)等效噪聲溫度為600K,總的信號(hào)損失為20dB,目標(biāo)的RCS為10m2,請(qǐng)計(jì)算:當(dāng)目標(biāo)在最大無模糊距離一半的位置時(shí),求接收機(jī)的輸出信噪比。目標(biāo)距離為R,雷達(dá)接收到的回波功率:

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當(dāng)接收到的回波功率等于最小可檢測(cè)信號(hào)時(shí),雷達(dá)達(dá)到最大作用距離。

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其中F為噪聲系數(shù),也就是接收機(jī)輸入端信號(hào)噪聲比與輸出端信噪比的比值,表示由于接收機(jī)內(nèi)部噪聲的影響。T0為室溫290K。理想情況下F=1,但實(shí)際總不會(huì)理想,這里給出的是等效噪聲溫度為600K。這里也默認(rèn)了噪聲帶寬與信號(hào)的半功率帶寬一樣。

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在噪聲背景下檢測(cè)目標(biāo),接收機(jī)輸出端的信噪比要達(dá)到所需的數(shù)值,該最低要求決定了輸入端的最小可檢測(cè)信號(hào),從而確定了最大探測(cè)距離。也就是目標(biāo)距離如果超過了該距離,雷達(dá)雖然可能也接收到了回波信號(hào),但是雷達(dá)已經(jīng)檢測(cè)不出來了。 ce966d7a-a8d9-11ed-bfe3-dac502259ad0.png 這個(gè)最小可檢測(cè)信號(hào)功率即接收機(jī)的靈敏度,表示接收機(jī)接收微弱信號(hào)的能力,取決于輸出信噪比(SNR)和內(nèi)部噪聲。為了提高接收機(jī)靈敏度,具體的方法有:1,降低接收機(jī)的總噪聲系數(shù),也就是降低等效噪聲溫度,可采用高增益、低噪聲高頻放大器。 2,接收機(jī)的中頻放大器采用匹配濾波,以便在白噪聲背景下能輸出最大信噪比。

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原文標(biāo)題:雷達(dá)接收機(jī)靈敏度由哪些因素決定,如何計(jì)算?

文章出處:【微信號(hào):雷達(dá)通信電子戰(zhàn),微信公眾號(hào):雷達(dá)通信電子戰(zhàn)】歡迎添加關(guān)注!文章轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明出處。

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