【正文】 雷達(dá)原理簡(jiǎn)介 雷 達(dá) 的 任 務(wù) 雷達(dá)回波中的可用信息 當(dāng)雷達(dá)探測(cè)到目標(biāo)后 , 就要從目標(biāo)回波中提取有關(guān)信息 : 可對(duì)目標(biāo)的距離和空間角度定位 , 目標(biāo)位置的變化率可由其距離和角度隨時(shí)間變化的規(guī)律中得到 ， 并由此建立對(duì)目標(biāo)跟蹤 。 雷達(dá)的測(cè)量如果能在一維或多維上有足夠的分辨力 , 則可得到目標(biāo)尺寸和形狀的信息 。 采用不同的極化 ， 可測(cè)量目標(biāo)形狀的對(duì)稱性 。 原理上 ， 雷達(dá)還可測(cè)定目標(biāo)的表面粗糙度及介電特性等 。 目標(biāo)在空間 、 陸地或海面上的位置 , 可以用多種坐標(biāo)系來表示 。 最常見的是直角坐標(biāo)系 , 即空間任一點(diǎn)目標(biāo) P的位置可用 x、 y、 z三個(gè)坐標(biāo)值來決定 。 在雷達(dá)應(yīng)用中 , 測(cè)定目標(biāo)坐標(biāo)常采用極 (球 )坐標(biāo)系統(tǒng) , 如圖 。 圖中 , 空間任一目標(biāo) P所在位置可用下列三個(gè)坐標(biāo)確定 : (1) 目標(biāo)的斜距 R： 雷達(dá)到目標(biāo)的直線距離 OP。 (2) 方位角 α：目標(biāo)斜距 R在水平面上的投影 OB與某一起始方向 (正北 、 正南或其它參考方向 )在水平面上的夾角 。 圖 用極 (球 )坐標(biāo)系統(tǒng)表示目標(biāo)位置 目標(biāo)PHRBD?aO正北雷達(dá) (3) 仰角 β：斜距 R與它在水平面上的投影 OB在鉛垂面上的夾角 , 有時(shí)也稱為傾角或高低角 。 如需要知道目標(biāo)的高度和水平距離 , 那么利用圓柱坐標(biāo)系統(tǒng)就比較方便 。 在這種系統(tǒng)中 , 目標(biāo)的位置由以下三個(gè)坐標(biāo)來確定 : 水平距離 D， 方位角 α， 高度 H。 這兩種坐標(biāo)系統(tǒng)之間的關(guān)系如下 : D=R cosβ， H=Rsinβ， α=α 上述這些關(guān)系僅在目標(biāo)的距離不太遠(yuǎn)時(shí)是正確的 。 當(dāng)距離較遠(yuǎn)時(shí) , 由于地面的彎曲 , 必須作適當(dāng)?shù)男薷?。 圖 12 雷達(dá)的原理及其基本組成 目標(biāo)發(fā)射機(jī)接收機(jī)顯示器發(fā)射的電磁波接收的電磁波信號(hào) 處理機(jī)天線收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)噪聲R 由雷達(dá)發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的電磁能 , 經(jīng)收發(fā)開關(guān)后傳輸給天線 , 再由天線將此電磁能定向輻射于大氣中 。 電磁能在大氣中以光速(約 3 108m/s)傳播 , 如果目標(biāo)恰好位于定向天線的波束內(nèi) , 則它將要截取一部分電磁能 。 目標(biāo)將被截取的電磁能向各方向散射 , 其中部分散射的能量朝向雷達(dá)接收方向 。 雷達(dá)天線搜集到這部分散射的電磁波后 , 就經(jīng)傳輸線和收發(fā)開關(guān)饋給接收機(jī) 。 接收機(jī)將這微弱信號(hào)放大并經(jīng)信號(hào)處理后即可獲取所需信息 , 并將結(jié)果送至終端顯示 。 1. 目標(biāo)斜距的測(cè)量 雷達(dá)工作時(shí) , 發(fā)射機(jī)經(jīng)天線向空間發(fā)射一串重復(fù)周期一定的高頻脈沖 。 如果在電磁波傳播的途徑上有目標(biāo)存在 , 那么雷達(dá)就可以接收到由目標(biāo)反射回來的回波 。 由于回波信號(hào)往返于雷達(dá)與目標(biāo)之間 , 它將滯后于發(fā)射脈沖一個(gè)時(shí)間 tr, 如圖 示 。 我們知道電磁波的能量是以光速傳播的 , 設(shè)目標(biāo)的距離為R, 則傳播的距離等于光速乘上時(shí)間間隔 , 即 2R=ctr 或 2rctR ?式中 , R為目標(biāo)到雷達(dá)站的單程距離 , 單位為 m。 tr為電磁波往返于目標(biāo)與雷達(dá)之間的時(shí)間間隔 , 單位為 s。 c為光速 ， c=3 108m/s。 由于電磁波傳播的速度很快 , 雷達(dá)技術(shù)常用的時(shí)間單位為 μs, 回波脈沖滯后于發(fā)射脈沖為一個(gè)微秒時(shí) , 所對(duì)應(yīng)的目標(biāo)斜距離 R為 kmmtcR r ??? 能測(cè)量目標(biāo)距離是雷達(dá)的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn) , 測(cè)距的精度和分辨力與發(fā)射信號(hào)帶寬 (或處理后的脈沖寬度 )有關(guān) 。 脈沖越窄 , 性能越好 。 圖 雷達(dá)測(cè)距 發(fā)射脈沖回波噪聲trtrtt 2. 目標(biāo)角位置的測(cè)量 目標(biāo)角位置指方位角或仰角 , 在雷達(dá)技術(shù)中測(cè)量這兩個(gè)角位置基本上都是利用天線的方向性來實(shí)現(xiàn)的 。 雷達(dá)天線將電磁能量匯集在窄波束內(nèi) , 當(dāng)天線波束軸對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)時(shí) , 回波信號(hào)最強(qiáng) , 如圖 。 當(dāng)目標(biāo)偏離天線波束軸時(shí)回波信號(hào)減弱 , 如圖上虛線所示 。 根據(jù)接收回波最強(qiáng)時(shí)的天線波束指向 , 就可確定目標(biāo)的方向 , 這就是角坐標(biāo)測(cè)量的基本原理 。 天線波束指向?qū)嶋H上也是輻射波前的方向 。 圖 角坐標(biāo)測(cè)量 目標(biāo)O 3. 相對(duì)速度的測(cè)量 有些雷達(dá)除確定目標(biāo)的位置外 , 還需測(cè)定運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的相對(duì)速度 , 例如測(cè)量飛機(jī)或?qū)楋w行時(shí)的速度 。 當(dāng)目標(biāo)與雷達(dá)站之間存在相對(duì)速度時(shí) , 接收到回波信號(hào)的載頻相對(duì)于發(fā)射信號(hào)的載頻產(chǎn)生一個(gè)頻移 , 這個(gè)頻移在物理學(xué)上稱為多卜勒頻移 , 它的數(shù)值為 ?rdvf 2?式中 , fd為多卜勒頻移 ， 單位為 Hz。 vr為雷達(dá)與目標(biāo)之間的徑向速度 ， 單位為 m/s。 λ為載波波長(zhǎng) ， 單位為 m。 當(dāng)目標(biāo)向著雷達(dá)站運(yùn)動(dòng)時(shí) , vr＞ 0, 回波載頻提高 。 反之 vr ＜ 0, 回波載頻降低 。 雷達(dá)只要能夠測(cè)量出回波信號(hào)的多卜勒頻移 fd , 就可以確定目標(biāo)與雷達(dá)站之間的相對(duì)速度 。 徑向速度也可以用距離的變化率來求得 , 此時(shí)精度不高但不會(huì)產(chǎn)生模糊 。 無論是用距離變化率或用多卜勒頻移來測(cè)量速度 , 都需要時(shí)間 。 觀測(cè)時(shí)間愈長(zhǎng) ， 則速度測(cè)量精度愈高 。 多卜勒頻移除用作測(cè)速外 , 更廣泛的是應(yīng)用于動(dòng)目標(biāo)顯示(MTI)、 脈沖多卜勒 (PD)等雷達(dá)中 ， 以區(qū)分運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波和雜波 。 4. 目標(biāo)尺寸和形狀 如果雷達(dá)測(cè)量具有足夠高的分辨力 , 就可以提供目標(biāo)尺寸的測(cè)量 。 由于許多目標(biāo)的尺寸在數(shù)十米量級(jí) , 因而分辨能力應(yīng)為數(shù)米或更小 。 目前雷達(dá)的分辨力在距離維已能達(dá)到 , 但在通常作用距離下切向距離 (RQ)維的分辨力還遠(yuǎn)達(dá)不到 , 增加天線的實(shí)際孔徑來解決此問題是不現(xiàn)實(shí)的 。 然而當(dāng)雷達(dá)和目標(biāo)的各個(gè)部分有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí) , 就可以利用多卜勒頻率域的分辨力來獲得切向距離維的分辨力 。 例如 ， 裝于飛機(jī)和宇宙飛船上的 SAR(綜合孔徑 )雷達(dá) , 與目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是由雷達(dá)的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的 。 高分辨力雷達(dá)可以獲得目標(biāo)在距離和切向距離方向的輪廓 (雷達(dá)成像 )。 此外 , 比較目標(biāo)對(duì)不同極化波 (例如正交極化等 )的散射場(chǎng) , 就可以提供目標(biāo)形狀不對(duì)稱性的量度 。 復(fù)雜目標(biāo)的回波振幅隨著時(shí)間會(huì)變化 , 例如 ， 螺旋槳的轉(zhuǎn)動(dòng)和噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)將使回波振幅的調(diào)制各具特點(diǎn) , 可經(jīng)過譜分析檢測(cè)到 。 這些信息為目標(biāo)識(shí)別提供了相應(yīng)的基礎(chǔ) 。 雷達(dá)探測(cè)能力 —— 基本雷達(dá)方程 設(shè)雷達(dá)發(fā)射機(jī)功率為 Pt,當(dāng)用各向均勻輻射的天線發(fā)射時(shí) , 距雷達(dá) R遠(yuǎn)處任一點(diǎn)的功率密度 等于功率被假想的球面積4πR2所除 , 即 39。1S239。1 4 RPS t??實(shí)際雷達(dá)總是使用定向天線將發(fā)射機(jī)功率集中輻射于某些方向上 。 天線增益 G用來表示相對(duì)于各向同性天線 , 實(shí)際天線在輻射方向上功率增加的倍數(shù) 。 因此當(dāng)發(fā)射天線增益為 G時(shí) , 距雷達(dá) R處目標(biāo)所照射到的功率密度為 21 4 RGPS t??目標(biāo)截獲了一部分照射功率并將它們重新輻射于不同的方向 。 用雷達(dá)截面積 σ來表示被目標(biāo)截獲入射功率后再次輻射回雷達(dá)處功率的大小 , 或用下式表示在雷達(dá)處的回波信號(hào)功率密度 : 22212 444 RRGPRSSt????? ???σ的大小隨具體目標(biāo)而異 , 它可以表示目標(biāo)被雷達(dá) “ 看見 ” 的尺寸 。 雷達(dá)接收天線只收集了回波功率的一部分 , 設(shè)天線的有效接收面積為 Ae, 則雷達(dá)收到的回波功率 Pr為 422 )4( RGAPSAP eter ????當(dāng)接收到的回波功率 Pr等于最小可檢測(cè)信號(hào) Smin時(shí) , 雷達(dá)達(dá)到其最大作用距離 Rmax, 超過這個(gè)距離后 , 就不能有效地檢測(cè)到目標(biāo) 。 4/1m i n21m a x )π4( ???????SGAPR e? 雷達(dá)的基本組成 圖 脈沖雷達(dá)基本組成框圖 調(diào)制器 電源收發(fā)開關(guān)高頻和混頻激勵(lì)器中放同步器信號(hào)處理高放激勵(lì)和同步微波顯示器底座和伺服發(fā)射機(jī)操作員天線接收機(jī) 雷達(dá)的工作頻率 按照雷達(dá)的工作原理 , 不論發(fā)射波的頻率如何 , 只要是通過輻射電磁能量和利用從目標(biāo)反射回來的回波 , 以便對(duì)目標(biāo)探測(cè)和定位 , 都屬于雷達(dá)系統(tǒng)工作的范疇 。 常用的雷達(dá)工作頻率范圍為220~35 000MHz(220MHz~35GHz), 實(shí)際上各類雷達(dá)工作的頻率在兩頭都超出了上述范圍 。 例如天波超視距 (OTH)雷達(dá)的工作頻率為 4MHz或 5MHz, 而地波超視距的工作頻率則低到 2MHz。 在頻譜的另一端 , 毫米波雷達(dá)可以工作到 94 GHz, 激光 (Laser)雷達(dá)工作于更高的頻率 。 工作頻率不同的雷達(dá)在工程實(shí)現(xiàn)時(shí)差別很大 。 雷達(dá)的工作頻率和整個(gè)電磁波頻譜示于圖 , 實(shí)際上絕大部分雷達(dá)工作于 200 MHz至 10 000MHz頻段 。 由于 70年代中制成能產(chǎn)生毫米波的大功率管 , 毫米波雷達(dá)已獲得試制和應(yīng)用 。 目前在雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域里常用頻段的名稱 ,用 L、 S、 C、 X等英文字母來命名 。 這是在第二次世界大戰(zhàn)中一些國(guó)家為了保密而采用的 , 以后就一直延用下來 , 我國(guó)也經(jīng)常采用 。 圖 雷達(dá)頻率和電磁波頻譜 甚低頻(超長(zhǎng)波)低頻(長(zhǎng)波)中頻(中波)高頻(短波)甚高頻(超短波)特高頻(分米波)超高頻(厘米波)極高頻(毫米波)亞毫米波100 km 10 km 1 km 100 m 10 m 1 m 10 c m 1 c m 1 m m m m雷達(dá)頻率廣播段紅外線音頻視頻 微波段頻率3 kH z 30 kH z 300 kH z 3 M H z 30 M H z 300 M H z 3 G H z 30 G H z 300 G H z 3000 G H z波長(zhǎng)表 雷達(dá)頻段和對(duì)應(yīng)的頻率 22 cm為中心的 20~25 cm(S代表 10 cm為中心 , 相應(yīng)地 , C代表5cm, X代表 3 cm, Ku代表 cm, Ka代表 8 mm等 )。 表中還列出國(guó)際電信聯(lián)盟分配給雷達(dá)的具體波段 , 例如 , L波段包括的頻率范圍應(yīng)是 1000 MHz到 2022MHz, 而 L波段雷達(dá)的工作頻率卻被約束在 1215MHz到 1400MHz的范圍 。 雷達(dá)的應(yīng)用和發(fā)展 應(yīng)用情況 軍用雷達(dá)按戰(zhàn)術(shù)來分可有下列主要類型 : 1) 預(yù)警雷達(dá) (超遠(yuǎn)程雷達(dá) ) 它的主要任務(wù)是發(fā)現(xiàn)洲際導(dǎo)彈 , 以便及早發(fā)出警報(bào) 。 它的特點(diǎn)是作用距離遠(yuǎn)達(dá)數(shù)千公里 , 至于測(cè)定坐標(biāo)的精確度和分辨力是次要的 。 目前應(yīng)用預(yù)警雷達(dá)不但能發(fā)現(xiàn)導(dǎo)彈 , 而且可用以發(fā)現(xiàn)洲際戰(zhàn)略轟炸機(jī) 。 2) 搜索和警戒雷達(dá) 其任務(wù)是發(fā)現(xiàn)飛機(jī) , 一般作用距離在 400 km以上 , 有的可達(dá) 600 km。 對(duì)于測(cè)定坐標(biāo)的精確度 、 分辨力要求不高 。 對(duì)于擔(dān)當(dāng)保衛(wèi)重點(diǎn)城市或建筑物任務(wù)的中程警戒雷達(dá)要求有方位 360176。 的搜索空城 。 3) 引導(dǎo)指揮雷達(dá) (監(jiān)視雷達(dá) ) 這種雷達(dá)用于對(duì)殲擊機(jī)的引導(dǎo)和指揮作戰(zhàn) , 民用的機(jī)場(chǎng)調(diào)度雷達(dá)亦屬這一類 。 其特殊要求是 : (1)對(duì)多批次目標(biāo)能同時(shí)檢測(cè) 。 (2)測(cè)定目標(biāo)的三個(gè)坐標(biāo) , 要求測(cè)量目標(biāo)的精確度和分辨力較高 , 特別是目標(biāo)間的相對(duì)位置數(shù)據(jù)的精度要求較高 。 4) 火控雷達(dá) 其任務(wù)是控制火炮 (或地空導(dǎo)彈 )對(duì)空中目標(biāo)進(jìn)行瞄準(zhǔn)攻擊 , 因此要求它能夠連續(xù)而準(zhǔn)確地測(cè)定目標(biāo)的坐標(biāo) , 并迅速地將射擊數(shù)據(jù)傳遞給火炮 (或地空導(dǎo)彈 )。 這類雷達(dá)的作用距離較小 , 一般只有幾十公里 , 但測(cè)量的精度要求很高 。 5) 制導(dǎo)雷達(dá) 它和火控雷達(dá)同屬精密跟蹤雷達(dá) , 不同的是制導(dǎo)雷達(dá)對(duì)付的是飛機(jī)和導(dǎo)彈 , 在測(cè)定它們的運(yùn)動(dòng)軌跡的同時(shí) , 再控制導(dǎo)彈去攻擊目標(biāo) 。 制導(dǎo)雷達(dá)要求能同時(shí)跟蹤多個(gè)目標(biāo) , 并對(duì)分辨力要求較高 。 這類雷達(dá)天線的掃描方式往往有其特點(diǎn) , 并隨制導(dǎo)體制而異 。 6) 戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視雷達(dá) 這類雷達(dá)用于發(fā)現(xiàn)坦克 、 軍用車輛 、 人和其它在戰(zhàn)場(chǎng)上的運(yùn)動(dòng)目標(biāo) 。 7) 機(jī)載雷達(dá) 這類雷達(dá)除機(jī)載預(yù)警雷達(dá)外 ， 主要有下列數(shù)種類型 : (1) 機(jī)載截?fù)衾走_(dá) 。 當(dāng)殲擊機(jī)按照地面指揮所命令 , 接近敵機(jī)并進(jìn)入有利空域時(shí) , 就利用裝在機(jī)上的截?fù)衾走_(dá) , 準(zhǔn)確地測(cè)量敵機(jī)的位置 , 以便進(jìn)行攻擊 。 它要求測(cè)量目標(biāo)的精確度和分辨率高 。 (2) 機(jī)載護(hù)尾雷達(dá) 。 它用來發(fā)現(xiàn)和指示機(jī)尾后面一定距離內(nèi)有無敵機(jī) 。 這種雷達(dá)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單 ,