高中物理 第4章 电磁波及其应用 雷达原理

高中物理 第4章 电磁波及其应用 雷达原理

雷达原理简介 ‎ ‎　　首先，大家必须先了解雷达的基本原理，因为雷达仍是目前用来侦测移动物体最普遍的方法．雷达英文为RADAR，是Radio Detection And Ranging的缩写．所有利用雷达波来侦测移动物体速度的原理，其理论基础皆源自于“多谱勒效应”，其应该也是一般常见的多谱勒雷达(Doppler Radar)，此原理是在19世纪一位澳地利物理学家所发现的物理现像，后来世人为了纪念他的贡献，就以他的名字来为该原理命名．‎ ‎　　都卜勒的理论基础为时间．波是由频率及振幅所构成，而无线电波是随着波而前进的．当无线电波在行进的过程中，碰到物体时，该无线电波会被反弹，而且其反弹回来的波，其频率及振幅都会随着所碰到的物体的移动状态而改变．若无线电波所碰到的物体是固定不动的，那么所反弹回来的无线电波其频率是不会改变的．然而，若物体是朝着无线电线发射的方向前进时，此时所反弹回来的无线电波会被压缩，因此该电波的率频会随之增加；反之，若物体是朝着远离无线电波方向行进时，则反弹回来的无线电波，其频率则会随之减小．‎ ‎　　速度侦测装置(即台湾警方所使用的测速雷达)所应用的原理，就是可以侦测到发射出现的无线电波，及反弹回来的无浅电波其间的频率变化．由这两个不同频率的差值，便可以依特定的比例关系，而计算是该波所碰撞到物体的速度．当然，此种速度侦测装置可以将所侦测到的速度，转换为「公里/小时」或是「英哩/小时」．也许大家还是无法体会什么是「都卜勒效应」，但每个人在日常生活中应该都有「听」过「都卜勒效应」．例如：当火车鸣笛或救护车的警报声一直朝着你接近时，会发现声音会一直在变化，这就是所谓的「都卜勒效应」，此例子是生活中最常见的例子，因为当声波一直朝着你接近时，该声波的频率会一直增加，所以听到的声音才会一直变．这跟测速雷达所用到的原理是一样的，只不过测速雷达所使用的不是声波，而是无线电波．‎ ‎　　由于警方的测速雷达总是侦测到一个较强的反单电波后，才决定该移动物体(车子)的速度；而通常体积较大的物体其反弹的电波也较强；另外，离发射电波较近的物体，其所反弹的电波也会较强．根据这个原理，若有两辆大小相同的车子，同样都是超速时，测速雷达只会侦测到开在较前面车子的速度；若有一辆未超速的大卡车开在前方，而另一辆已超速的小客车开在后方时，测速雷达是无法侦测出该小客车已超速，除非该小客车已经超越了大卡车而继续超速．‎ ‎　　这告诉我们，利用雷达波来侦测车速时，是无法在车阵中，侦测到特定车辆的速度，而只能侦测到开在车阵最前面，且体积较大的车子的速度．‎ 雷达(radar)原是“无线电探测与定位”的英文缩写.雷达的基本任务是探测感兴趣的目标，测定有关目标的距离、方问、速度等状态参数.雷达主要由天线、发射机、接收机（包括信号处理机）和显示器等部分组成.‎ ‎　　雷达发射机产生足够的电磁能量，经过收发转换开关传送给天线.天线将这些电磁能量辐射至大气中，集中在某一个很窄的方向上形成波束，向前传播.电磁波遇到波束内的目标后，将沿着各个方向产生反射，其中的一部分电磁能量反射回雷达的方向，被雷达天线获取.天线获取的能量经过收发转换开关送到接收机，形成雷达的回波信号.由于在传播过程中电磁波会随着传播距离而衰减，雷达回波信号非常微弱，几乎被噪声所淹没.接收机放大微弱的回波信号，经过信号处理机处理，提取出包含在回波中的信息，送到显示器，显示出目标的距离、方向、速度等.‎ 为了测定目标的距离，雷达准确测量从电磁波发射时刻到接收到回波时刻的延迟时间，这个延迟时间是电磁波从发射机到目标，再由目标返回雷达接收机的传播时间.根据电磁波的传播速度，可以确定目标的距离为：S=CT/2‎ ‎　　其中S：目标距离, T：电磁波从雷达到目标的往返传播时间, C：光速 ‎　　雷达测定目标的方向是利用天线的方向性来实现的.通过机械和电气上的组合作用，雷达把天线的小事指向雷达要探测的方向，一旦发现目标，雷达读出些时天线小事的指向角，就是目标的方向角.两坐标雷达只能测定目标的方位角，三坐标雷达可以测定方位角和俯仰角.‎ ‎　　测定目标的运动速度是雷达的一个重要功能，—‎ 雷达测速利用了物理学中的多普勒原理．当目标和雷达之间存在着相对位置运动时，目标回波的频率就会发生改变，频率的改变量称为多普勒频移，用于确定目标的相对径向速度，通常，具有测速能力的雷达，例如脉冲多普勒雷达，要比一般雷达复杂得多.‎ ‎　　雷达的战术指标主要包括作用距离、威力范围、测距分辨力与精度、测角分辨力与精度、测速分辨力与精度、系统机动性等.‎ ‎　　其中，作用距离是指雷达刚好能够可靠发现目标的距离.它取决于雷达的发射功率与天线口径的乘积，并与目标本身反射雷达电磁波的能力（雷达散射截面积的大小）等因素有关.威力范围指由最大作用距离、最小作用距离、最大仰角、最小仰角及方位角范围确定的区域.‎ ‎　　雷达的技术指标与参数很多，而且与雷达的体制有关，这里仅仅讨论那些与电子对抗关系密切的主要参数.‎ ‎　　根据波形来区分，雷达主要分为脉冲雷达和连续波雷达两大类.当前常用的雷达大多数是脉冲雷达.常规脉冲雷达周期性地发射高频脉冲.相关的参数为脉冲重复周期（脉冲重复频率）、脉冲宽度以及载波频率.载波频率是在一个脉冲内信号的高频振荡频率，也称为雷达的工作频率.‎ 雷达天线对电磁能量在方向上的聚集能力用波束宽度来描述，波束越窄，天线的方向性越好.但是在设计和制造过程中，雷达天线不可能把所有能量全部集中在理想的波束之内，在其它方向上在在着泄漏能量的问题.能量集中在主波束中，我们常常形象地把主波束称为主瓣，其它方向上由泄漏形成旁瓣.为了覆盖宽广的空间，需要通过天线的机械转动或电子控制，使雷达波束在探测区域内扫描.‎ ‎　　概括起来，雷达的技术参数主要包括工作频率（波长）、脉冲重复频率、脉冲宽度、发射功率、天线波束宽度、天线波束扫描方式、接收机灵敏度等.技术参数是根据雷达的战术性能与指标要求来选择和设计的，因此它们的数值在某种程度上反映了雷达具有的功能.例如，为提高远距离发现目标能力，预警雷达采用比较低的工作频率和脉冲重复频率，而机载雷达则为减小体积、重量等目的，使用比较高的工作频率和脉冲重复频率.这说明，如果知道了雷达的技术参数，就可在一定程度上识别出雷达的种类.‎ ‎　　雷达的用途广泛，种类繁多，分类的方法也非常复杂.通常可以按照雷达的用途分类，如预警雷达、搜索警戒雷达、无线电测高雷达、气象雷达、航管雷达、引导雷达、炮瞄雷达、雷达引信、战场监视雷达、机载截击雷达、导航雷达以及防撞和敌我识别雷达等.除了按用途分，还可以从工作体制对雷达进行区分.这里就对一些新体制的雷达进行简单的介绍.（军事观察·warii.net）‎ 双/多基地雷达 ‎　　普通雷达的发射机和接收机安装在同一地点，而双/多基地雷达是将发射机和接收机分别安装在相距很远的两个或多个地点上，地点可以设在地面、空中平台或空间平台上.由于隐身飞行器外形的设计主要是不让入射的雷达波直接反射回雷达，这对于单基地雷达很有效.但入射的雷达波会朝各个方向反射，总有部分反射波会被双/多基地雷达中的一个接收机接收到.美国国防部从七十年代就开始研制、试验双/多基地雷达，较著名的“圣殿”计划就是专门为研究双基地雷达而制定的，已完成了接收机和发射机都安装在地面上、发射机安装在飞机上而接收机安装在地面上、发射机和接收机都安装在空中平台上的试验.俄罗斯防空部队已应用双基地雷达探测具有一定隐身能力的飞机.英国已于70年代末80年代初开始研制双基地雷达，主要用于预警系统.‎ 相控阵雷达 ‎　　我们知道，蜻蜓的每只眼睛由许许多多个小眼组成，每个小眼都能成完整的像，这样就使得蜻蜓所看到的范围要比人眼大得多.与此类似，相控阵雷达的天线阵面也由许多个辐射单元和接收单元（称为阵元）组成，单元数目和雷达的功能有关，可以从几百个到几万个.这些单元有规则地排列在平面上，构成阵列天线.利用电磁波相干原理，通过计算机控制馈往各辐射单元电流的相位，就可以改变波束的方向进行扫描，故称为电扫描.辐射单元把接收到的回波信号送入主机，完成雷达对目标的搜索、跟踪和测量.每个天线单元除了有天线振子之外，还有移相器等必须的器件.不同的振子通过移相器可以被馈入不同的相位的电流，从而在空间辐射出不同方向性的波束.天线的单元数目越多，则波束在空间可能的方位就越多.这种雷达的工作基础是相位可控的阵列天线，“相控阵”由此得名.‎ ‎　　相控阵雷达的优点 ‎　　（1）波束指向灵活，能实现无惯性快速扫描，数据率高；（2）一个雷达可同时形成多个独立波束，分别实现搜索、识别、跟踪、制导、无源探测等多种功能；（3）目标容量大，可在空域内同时监视、跟踪数百个目标；（4）对复杂目标环境的适应能力强；（5）抗干扰性能好.全固态相控阵雷达的可靠性高，即使少量组件失效仍能正常工作.但相控阵雷达设备复杂、造价昂贵，且波束扫描范围有限，最大扫描角为90°～120°.当需要进行全方位监视时，需配置3～4个天线阵面.‎ ‎　　相控阵雷达与机械扫描雷达相比，扫描更灵活、性能更可靠、抗干扰能力更强，能快速适应战场条件的变化.多功能相控阵雷达已广泛用于地面远程预警系统、机载和舰载防空系统、机载和舰载系统、炮位测量、靶场测量等.美国“爱国者”防空系统的AN／MPQ-53雷达、舰载“宙斯盾”指挥控制系统中的雷达、B-1B轰炸机上的APQ-164雷达、俄罗斯C-300防空武器系统的多功能雷达等都是典型的相控阵雷达.随着微电子技术的发展，固体有源相控阵雷达得到了广泛应用，是新一代的战术防空、监视、火控雷达.‎ 宽带／超宽带雷达 ‎　　工作频带很宽的雷达称为宽带／超宽带雷达.隐身兵器通常对付工作在某一波段的雷达是有效的，而面对覆盖波段很宽的雷达就无能为力了，它很可能被超宽带雷达波中的某一频率的电磁波探测到.另一方面，超宽带雷达发射的脉冲极窄，具有相当高的距离分辨率，可探测到小目标.目前美国正在研制、试验超宽带雷达，已完成动目标显示技术的研究，将要进行雷达波形的试验.‎ 合成孔径雷达 ‎　　合成孔径雷达通常安装在移动的空中或空间平台上，利用雷达与目标间的相对运动，将雷达在每个不同位置上接收到的目标回波信号进行相干处理，就相当于在空中安装了一个“大个”‎ 的雷达，这样小孔径天线就能获得大孔径天线的探测效果，具有很高的目标方位分辨率，再加上应用脉冲压缩技术又能获得很高的距离分辨率，因而能探测到隐身目标.合成孔径雷达在军事上和民用领域都有广泛应用，如战场侦察、火控、制导、导航、资源勘测、地图测绘、海洋监视、环境遥感等.美国的联合监视与目标攻击雷达系统飞机新安装了一部AN／APY3型X波段多功能合成孔径雷达，英、德、意联合研制的“旋风”攻击机正在试飞合成孔径雷达.‎ 毫米波雷达 ‎　　工作在毫米波段的雷达称为毫米波雷达.它具有天线波束窄、分辩率高、频带宽、抗干扰能力强等特点，同时它工作在目前隐身技术所能对抗的波段之外，因此它能探测隐身目标.毫米波雷达还具有能力，特别适用于防空、地面作战和灵巧武器，已获得了各国的调试重视.例如，美国的“爱国者”防空导弹已安装了毫米波雷达导引头，目前正在研制更先进的毫米波导引头；俄罗斯已拥有连续波输出功率为10千瓦的毫米波雷达；英、法等国家的一些防空系统也都将采用毫米波雷达.‎ 激光雷达 ‎　　工作在红外和可见光波段的雷达称为激光雷达.它由激光发射机、光学接收机、转台和信息处理系统等组成，激光器将电脉冲变成光脉冲发射出去，光接收机再把从目标反射回来的光脉冲还原成电脉冲，送到显示器.隐身兵器通常是针对微波雷达的，因此激光雷达很容易“看穿”隐身目标所玩的“把戏”；再加上激光雷达波束窄、定向性好、测量精度高、分辨率高，因而它能有效地探测隐身目标.激光雷达在军事上主要用于靶场测量、空间目标交会测量、目标精密跟踪和瞄准、目标成像识别、导航、精确制导、综合火控、直升机防撞、化学战剂监测、局部风场测量、水下目标探测等.美国国防部正在开发用于目标探测和识别的激光雷达技术，已进行了前视／下视激光雷达的试验，主要探测伪装树丛中的目标.法国和德国正在积极进行使用激光雷达探测和识别直升机的联合研究工作.‎