Radar Principles for the NonSpecialist, 3rd edition

296 Pages·2004·2.132 MB·English

by  Toomay, John, Hannen, Paul

Radar Principles
for the Non-Specialist
The SciTech Radar and Defense Series
How to Speak Radar by Arnold Acker
2001 / CDROM / ISBN 1-891121-17-0
Radar Principles for the Non-Specialist, 3rd Ed., by J.C. Toomay and P. J. Hannen
2004 / Softcover / 270 pages / ISBN 1-891121-28-6
Introduction to Airborne Radar, 2nd Ed., by George Stimson
1998 / Hardcover / 592 pages / ISBN 1-891121-01-4 or CDROM 1-891121-14-6
Understanding Radar Systems, by Simon Kingsley and Shaun Quegan
1999 / Hardcover / 392 pages / ISBN 1-891121-05-7
Air and Spaceborne Radar Systems by P. Lacomme et al.
2001 / Hardcover / 496 pages / ISBN 1-891121-13-2
Radar Design Principles, 2nd Ed., by Fred E. Nathanson
1998 / Hardcover / 656 pages / ISBN 1-891121-09-X
Radar Foundations for Imaging and Advanced Concepts by Roger Sullivan
2004 / Softcover / 475 pages / ISBN 1-891121-22-7
Understanding Synthetic Aperture Radar Images, by Chris Oliver and Shaun Quegan
2004 / Hardcover / 512 pages / ISBN 1-891121-31-6
Introduction to RF Stealth by David Lynch, Jr.
2004 / Hardcover / 570 pages / ISBN 1-891121-21-9
Radar Cross Section, 2nd Ed. by E. Knott, J. Shaeffer, and M. Tuley
2004 / Softcover / 611 pages / ISBN 1-891121-25-1
Introduction to Adaptive Arrays by Robert Monzingo and Thomas Miller
2004 / Softcover / 543 pages / ISBN 1-891121-24-3
Low Angle Radar Land Clutter by J. Barrie Billingsley
2002 / Hardcover / 700 pages / ISBN 1-891121-16-2
Airborne Early Warning System Concepts by Maurice Long
2004 / Softcover / 538 pages / ISBN 1-891121-32-4
Microwave Passive Direction Finding by Stephen Lipsky
2004 / Softcover / 320 pages / ISBN 1-891121-23-5
Digital Techniques for Wideband Receivers, 2nd Ed. by James Tsui
2004 / Softcover / 608 pages / ISBN 1-891121-26-X
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Radar Principles
for the Non-Specialist
J. C. Toomay
Paul J. Hannen
Senior Systems Engineer
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Adjunct Professor, Department of Electrical Engineering
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Third Edition
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To Kim, Amanda, and Adam
Special thanks to my colleagues, Mr. Keith Carter, Mr.
Bruce Esken, and Mr. Mike Sutton, for their countless
suggestions and review of the manuscript. Also,
thanks to my family, relatives, friends, colleagues,
students, and anyone who at one time or another
said, “You should just write your own book.” I am not
there yet, but a lot closer.

Contents
Preface.................................................................................................................xi
What Is New in the Third Edition?.......................................................................xv
Symbols.............................................................................................................xvii
Chapter 1 Elementary Electromagnetics and the Radar Range Equation. . . . . . .1
1.1 Radio Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1
1.2 A Simple Radar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3
1.3 The Radar Range Equation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7
1.3.1 Receiver Noise. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9
1.3.2 Signal-to-Noise Ratio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10
1.3.3 Detection Range. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11
1.3.4 Other Forms of the Radar Range Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11
1.4 Surveillance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12
1.5 Tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
1.6 Exercises. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
1.7 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14
Chapter 2 Antennas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
2.1 A Parabolic Reflector. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16
2.2 The Antenna Pattern. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19
2.2.1 Finding Half-Power and Null-to-Null Beamwidths. . . . . . . . . . . . . . . . . .21
2.2.2 Finding Sidelobe Levels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25
2.2.3 Finding the Antenna Gain within the Antenna Gain Pattern . . . . . . . . .29
2.3 Array Radars. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .30
2.3.1 Beam Steering with Phase Shifters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34
2.3.2 Other Beam Steering Approaches. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36
2.3.3 Element Spacing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37
2.3.4 Array Gain and Beamwidth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40
2.3.5 Array Thinning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42
2.3.6 Array Design Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43
2.4 Exercises. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .44
2.5 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46
vii
viii Contents
Chapter 3 Detection and Tracking. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47
3.1 The Problem of Detection. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48
3.2 Noise Distributions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48
3.3 Signal-to-Noise Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51
3.4 Designing Detection Thresholds. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .53
3.5 Some Detection Techniques. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57
3.5.1 Integration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57
3.5.2 Cumulative Probability of Detection. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61
3.5.3 Sequential Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .62
3.5.4 M-out-of-N Detection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63
3.6 Tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .65
3.6.1 Angle Tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66
3.6.2 Range Tracking. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69
3.6.3 Split Gate Range Tracker. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72
3.6.4 Leading Edge Range Tracker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72
3.6.5 Doppler Tracking. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72
3.6.6 Split Gate Doppler Tracker—Speed Gate. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73
3.6.7 Target State Trackers: Alpha-Beta and Kalman Filters. . . . . . . . . . . . . . .73
3.7 Exercises. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .76
3.8 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78
Chapter 4 Radar Cross Section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .79
4.1 RCS of a Sphere. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .82
4.2 RCS of Simple Objects. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .85
4.3 Polarization. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .86
4.4 Chaff Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .89
4.5 Diffuse Targets and Clutter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .91
4.6 Radar Signatures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .95
4.7 Exercises. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .97
4.8 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .98
Chapter 5 Waveforms and Signal Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101
5.1 Waveforms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .101
5.2 Characteristics of the Simple Pulse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .102
5.3 Range Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .106
5.3.1 Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .107
5.3.2 Accuracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .109
5.3.3 Ambiguity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .110
5.3.4 Dead Zone. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .111
5.3.5 Eclipsing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .111
Contents ix
5.4 Doppler Measurements. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .112
5.4.1 Resolution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .113
5.4.2 Accuracy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .114
5.5 Angle Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .115
5.6 Pulse Compression. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .116
5.6.1 FM Chirp. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .116
5.6.2 Features of FM Chirp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .119
5.6.3 Alternate Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .121
5.6.4 Impact of Pulse Compression on S/N. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .123
5.6.5 Range and Doppler Sidelobes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .123
5.7 Pulse Burst Waveforms. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .125
5.8 Ambiguity Functions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .133
5.9 Signal Processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .134
5.9.1 Basic Receiver Chain. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .134
5.9.2 Signal Processing Topics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .137
5.10 Exercises. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .141
5.11 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .142
Chapter 6 Electronic Countermeasures (ECM). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .143
6.1 Mainbeam Jamming. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .145
6.2 Sidelobe Jamming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .151
6.2.1 Sidelobe Cancellers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .151
6.3 Low Probability of Intercept (LPI) Radar and Radar Warning
Receivers (RWRs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .155
6.4 Other Jamming Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .157
6.5 Passive ECM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .158
6.6 Exercises. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .160
6.7 References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .161
Chapter 7 Systems Applications. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .163
7.1 Over-the-Horizon Radars. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .164
7.1.1 Antennas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .165
7.1.2 Waveforms. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .166
7.1.3 Hardware. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .168
7.2 Radar Altimeters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .168
7.2.1 Antennas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .168
7.2.2 Radar Cross Section . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .169
7.2.3 Waveforms. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .170
7.2.4 Hardware. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .171
7.3 Ionospheric Radars . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .172
7.3.1 Mission. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .172
7.3.2 Parameters. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .172