雷達(dá)接收機(jī)靈敏度的決定因素及計(jì)算

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。

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。

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：

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：

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

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。

在噪聲背景下檢測目標(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信號(hào)，從而確定了最大探測距離。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)檢測不出來了。 這個(gè)最小可檢測信號(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。