雷達接收機主要進行的是濾波、放大、頻率轉換等信號處理,而固有噪聲存在于整個接收機前端系統,從而對接收的雷達信號產生影響,降低了輸入射頻信號的信噪比。
接收機的性能關系到雷達的正常工作,接收機根據系統架構可以分成:超外差接收機、寬帶中頻接收機、零中頻接收機、數字中頻接收機等。接收機在朝著高集成度、低功耗、射頻前端的軟件化、數字化發展。
所有接收機的靈敏度都受到熱噪聲的限制,而在雷達中,主要是來自接收機的熱噪聲(而不是外部噪聲源)。所以,系統的噪聲系數決定了最小可檢測有用信號或者叫接收機的靈敏度。噪聲系數的線性描述:噪聲因子,是一個無單位的量,它是接收機所有的輸出噪聲(包括輸入信號引入的噪聲和接收器本身產生的噪聲)和僅有輸入噪聲產生的輸出噪聲之比。級聯系統的噪聲系數可由如下公式表征:假設在一系列放大器鏈路中,第一級放大器的增益是G1、噪聲系數為F1,第二級放大器的的增益是G2、噪聲系數為F2,第三級放大器的增益是G3、噪聲系數為F3,以此類推,那么總的噪聲系數F如下式所示:
如果G1值很高,那么除了F1之外,其他項的貢獻都可以忽略不計,這是一個良好設計系統追求的目標。因此,系統噪聲系數很大程度上取決于接收機鏈路的第一級。 在大多數現代雷達系統中,采用基于砷化鎵(GaAs)或氮化鎵(GaN)的半導體低噪聲放大器(LNA)。這些部件徹底改變了雷達接收機的設計,使雷達接收機噪聲系數輕松提高1dB,這比以前的系統好10倍左右。 當然,做任何事情都是需要代價的,避免失真也是至關重要的,因此低噪聲放大器具有線性是至關重要的。一個非常高的增益器件(大的G1)往往缺乏線性度,因此,在線性度和噪聲系數之間進行權衡是接收機設計的一個重要方面。系統所能接收的信號越微弱,則表示接收機的靈敏度越高。常溫下的接收機靈敏度由噪聲系數、匹配帶寬和所需信噪比決定。下面是案例計算: 低PRF的C波段雷達工作頻率為6.0GHz,拋物面天線直徑2m,發射脈沖串的峰值功率為1MW,脈沖寬度2us,PRF是250Hz。假設等效噪聲溫度為600K,總的信號損失為20dB,目標的RCS為10m2,請計算:當目標在最大無模糊距離一半的位置時,求接收機的輸出信噪比。目標距離為R,雷達接收到的回波功率:
當接收到的回波功率等于最小可檢測信號時,雷達達到最大作用距離。
其中F為噪聲系數,也就是接收機輸入端信號噪聲比與輸出端信噪比的比值,表示由于接收機內部噪聲的影響。T0為室溫290K。理想情況下F=1,但實際總不會理想,這里給出的是等效噪聲溫度為600K。這里也默認了噪聲帶寬與信號的半功率帶寬一樣。
在噪聲背景下檢測目標,接收機輸出端的信噪比要達到所需的數值,該最低要求決定了輸入端的最小可檢測信號,從而確定了最大探測距離。也就是目標距離如果超過了該距離,雷達雖然可能也接收到了回波信號,但是雷達已經檢測不出來了。 這個最小可檢測信號功率即接收機的靈敏度,表示接收機接收微弱信號的能力,取決于輸出信噪比(SNR)和內部噪聲。為了提高接收機靈敏度,具體的方法有:1,降低接收機的總噪聲系數,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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原文標題:雷達接收機靈敏度由哪些因素決定,如何計算?
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