雷達(dá)技術(shù)綜述樣本

雷達(dá)技術(shù)綜述OverviewofRadarTechnology摘要：雷達(dá)被廣泛用于軍事預(yù)警、導(dǎo)彈制導(dǎo)、民航管制、地形測(cè)量、氣象、航海等眾多領(lǐng)域。本文一方面概述了雷達(dá)發(fā)展歷程并總結(jié)了雷達(dá)技術(shù)發(fā)展成因，然后對(duì)雷達(dá)基本工作原理和基本雷達(dá)方程作了簡要簡介。最后簡介了幾種實(shí)際雷達(dá)并指出了雷達(dá)將來發(fā)展方向。核心詞：雷達(dá)技術(shù)；工作原理；雷達(dá)應(yīng)用；發(fā)展趨勢(shì)Abstract：Radariswidelyusedinmanyfieldsofmilitaryearlywarning，missileguidance，aviationcontrol，topographicsurveying，meteorology，navigationandsoon.Thispaperoutlinesthedevelopmentprocessofradarandsummarizesthecausesofthedevelopmentofradartechnology,thenbrieflyintroducesthebasicprincipleofradarandbasicradarequation.Finally，introducesseveralkindsofpracticalradarandpointsoutthefuturedevelopmentdirectionofradar.Keywords：radartechnology；workingprinciples；radarapplications；trendindevelopment引言雷達(dá)是英文Radar音譯，源于radiodetectionandranging縮寫，原意為"無線電探測(cè)和測(cè)距"，即用無線電辦法發(fā)現(xiàn)目的并測(cè)定它們空間位置。因而，雷達(dá)也被稱為“無線電定位”。雷達(dá)最先是作為一種軍事裝備服務(wù)于人類，重要用來實(shí)行國土防空警戒，指揮和引導(dǎo)己方作戰(zhàn)飛機(jī)以及各種地面防空武器。隨著雷達(dá)技術(shù)不斷改進(jìn)，如今雷達(dá)被廣泛用于民航管制、地形測(cè)量、氣象、航海等眾多領(lǐng)域。隨著高科技不斷發(fā)展，雷達(dá)技術(shù)將在21世紀(jì)得到更廣泛應(yīng)用。1雷達(dá)發(fā)展歷程雷達(dá)誕生于20世紀(jì)30年代，從美、歐等發(fā)達(dá)國家雷達(dá)裝備技術(shù)發(fā)展來看，雷達(dá)發(fā)展歷程大體經(jīng)歷了4個(gè)階段：第1個(gè)階段是從20世紀(jì)30年代到50年代，為實(shí)行國土防空警戒，指揮和引導(dǎo)己方作戰(zhàn)飛機(jī)以及各種地面防空武器(高炮、高射機(jī)槍、探照燈等)，西方大量研制布置米波段雷達(dá)和以磁控管為發(fā)射機(jī)微波雷達(dá)。當(dāng)時(shí)雷達(dá)探測(cè)目的種類簡樸，重要是飛機(jī)，此外尚有少量飛艇和氣球，雷達(dá)典型技術(shù)特性是電子管、非相參，這種雷達(dá)被稱為第1代。第2個(gè)階段是從20世紀(jì)50年代到80年代，防空作戰(zhàn)對(duì)雷達(dá)提出了由粗略定位到精準(zhǔn)引導(dǎo)規(guī)定，直升機(jī)、超音速作戰(zhàn)飛機(jī)等目的種類大量浮現(xiàn)，各種遠(yuǎn)距離增援和隨隊(duì)干擾手段已成為一種基本作戰(zhàn)樣式，使非相參技術(shù)體制逐漸被西方裁減，轉(zhuǎn)而開始發(fā)展穩(wěn)定性和可靠性較高全相參微波雷達(dá)，發(fā)射機(jī)大量使用速調(diào)管、行波管、前向波管等，其技術(shù)特性是半導(dǎo)體、全相參，這種雷達(dá)被稱為第2代。第3個(gè)階段是從20世紀(jì)80年代到20世紀(jì)末，為滿足當(dāng)代空戰(zhàn)對(duì)雷達(dá)高精度、高辨別力、高抗干擾能力、多目的跟蹤能力、高可靠性和維修性規(guī)定，有效應(yīng)對(duì)復(fù)雜電磁環(huán)境下探測(cè)低空巡航導(dǎo)彈、超音速第3代戰(zhàn)機(jī)、高空無人飛機(jī)等規(guī)定，西方開始發(fā)展大規(guī)模集成電路、全固態(tài)、相控陣技術(shù)，這就是第3代雷達(dá)。隨著隱身目的、低空低速和高空高速巡航導(dǎo)彈以及無人作戰(zhàn)飛機(jī)等目的浮現(xiàn)、電磁環(huán)境日益惡劣，當(dāng)前西方國家正在向以多功能、自適應(yīng)、目的記別為代表第4代雷達(dá)發(fā)展?？倎碚f，戰(zhàn)場(chǎng)上對(duì)目的精準(zhǔn)探測(cè)和定位需求推動(dòng)了雷達(dá)迅速發(fā)展，特別是二戰(zhàn)中雷達(dá)廣泛使用推動(dòng)了雷達(dá)技術(shù)迅速進(jìn)步。另一方面，電真空技術(shù)、微電子技術(shù)、光電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)和軟件技術(shù)發(fā)展，大大增進(jìn)了雷達(dá)發(fā)展。2雷達(dá)基本工作原理雷達(dá)是運(yùn)用電磁波探測(cè)目的電子設(shè)備。發(fā)射電磁波對(duì)目的進(jìn)行照射并接受其回波，由此獲得目的至電磁波發(fā)射點(diǎn)距離、距離變化率（徑向速度）、方位、高度等信息。雷達(dá)工作原理如圖1所示。圖1雷達(dá)工作原理雷達(dá)基本工作原理如下：1)由雷達(dá)發(fā)射機(jī)產(chǎn)生電磁能，經(jīng)收發(fā)開關(guān)后傳播給天線，再由天線將此電磁能定向輻射于大氣中；2)電磁能在大氣中以光速(約3×108m/s)傳播，如果目的正好位于定向天線波束內(nèi)，則它將要截取一某些電磁能；3)目的將被截取電磁能向各方向散射，其中某些散射能量朝向雷達(dá)接受方向。雷達(dá)天線收集到這某些散射電磁波后，就經(jīng)傳播線和收發(fā)開關(guān)饋給接受機(jī)；4)接受機(jī)將這薄弱信號(hào)放大并經(jīng)信號(hào)解決后即可獲取所需信息，并將成果送至終端顯示；2.1目的斜距測(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)周期一定高頻脈沖。如果在電磁波傳播途徑上有目的存在，那么雷達(dá)就可以接受到由目的反射回來回波。由于回波信號(hào)來回于雷達(dá)與目的之間，它將滯后于發(fā)射脈沖一種時(shí)間tr，如圖2所示。咱們懂得電磁波能量是以光速傳播，設(shè)目的距離為R，則傳播距離等于光速乘上時(shí)間間隔，即式中R為目的到雷達(dá)站單程距離，單位為m；tr為電磁波來回于目的與雷達(dá)之間時(shí)間間隔，單位為s；c為光速，c=3×108m/s。由于電磁波傳播速度不久，雷達(dá)技術(shù)慣用時(shí)間單位為μs，回波脈沖滯后于發(fā)射脈沖為一種微秒時(shí)，所相應(yīng)目的斜距離R為能測(cè)量目的距離是雷達(dá)一種突出長處，測(cè)距精度和辨別力與發(fā)射信號(hào)帶寬(或解決后脈沖寬度)關(guān)于。脈沖越窄，性能越好。圖2雷達(dá)測(cè)距2.2目的角位置測(cè)量目的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)角位置基本上都是運(yùn)用天線方向性來實(shí)現(xiàn)。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)目的時(shí)，回波信號(hào)最強(qiáng)，如圖3實(shí)線所示。當(dāng)目的偏離天線波束軸時(shí)回波信號(hào)削弱，如圖上虛線所示。依照接受回波最強(qiáng)時(shí)天線波束指向，就可擬定目的方向，這就是角坐標(biāo)測(cè)量基本原理。天線波束指向事實(shí)上也是輻射波前方向。圖3角坐標(biāo)測(cè)量2.3相對(duì)速度測(cè)量有些雷達(dá)除擬定目的位置外，還需測(cè)定運(yùn)動(dòng)目的相對(duì)速度，例如測(cè)量飛機(jī)或?qū)楋w行時(shí)速度。當(dāng)目的與雷達(dá)站之間存在相對(duì)速度時(shí)，接受到回波信號(hào)載頻相對(duì)于發(fā)射信號(hào)載頻產(chǎn)生一種頻移，這個(gè)頻移在物理學(xué)上稱為多卜勒頻移，它數(shù)值為式中，fd為多譜勒頻移，單位為Hz，vr為雷達(dá)與目的之間徑向速度，單位為m/s，λ為載波波長，單位為m。當(dāng)目的向著雷達(dá)站運(yùn)動(dòng)時(shí)，vr＞0，回波載頻提高；反之vr＜0，回波載頻減少。雷達(dá)只要可以測(cè)量出回波信號(hào)多譜勒頻移fd，就可以擬定目的與雷達(dá)站之間相對(duì)速度。徑向速度也可以用距離變化率來求得，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，則速度測(cè)量精度愈高。2.4目的尺寸和形狀如果雷達(dá)測(cè)量具備足夠高辨別力，就可以提供目的尺寸測(cè)量。由于許多目的尺寸在數(shù)十米量級(jí)，因而辨別能力應(yīng)為數(shù)米或更小。當(dāng)前雷達(dá)辨別力在距離維已能達(dá)到，但在普通作用距離下切向距離(RQ)維辨別力還遠(yuǎn)達(dá)不到，增長天線實(shí)際孔徑來解決此問題是不現(xiàn)實(shí)。然而當(dāng)雷達(dá)和目的各個(gè)某些有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，就可以運(yùn)用多鋪勒頻率域辨別力來獲得切向距離維辨別力。例如，裝于飛機(jī)和宇宙飛船上SAR(綜合孔徑)雷達(dá)，與目的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是由雷達(dá)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生。高辨別力雷達(dá)可以獲得目的在距離和切向距離方向輪廓(雷達(dá)到像)。此外，比較目的對(duì)不同極化波(例如正交極化等)散射場(chǎng)，就可以提供目的形狀不對(duì)稱性量度。復(fù)雜目的回波振幅隨著時(shí)間會(huì)變化，例如，螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)和噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)將使回波振幅調(diào)制各具特點(diǎn)，可通過譜分析檢測(cè)到。這些信息為目的記別提供了相應(yīng)基本。3基本雷達(dá)方程設(shè)雷達(dá)發(fā)射機(jī)功率為Pt，當(dāng)用各向均勻輻射天線發(fā)射時(shí)，距雷達(dá)R遠(yuǎn)處任一點(diǎn)功率密度等于功率被假想球面積4πR2所除，即實(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用來表達(dá)相對(duì)于各向同性天線，實(shí)際天線在輻射方向上功率增長倍數(shù)。因而當(dāng)發(fā)射天線增益為G時(shí)，距雷達(dá)R處目的所照射到功率密度為目的截獲了一某些照射功率并將它們重新輻射于不同方向。用雷達(dá)截面積σ來表達(dá)被目的截獲入射功率后再次輻射回雷達(dá)處功率大小，或用下式表達(dá)在雷達(dá)處回波信號(hào)功率密度：σ大小隨詳細(xì)目的而異，它可以表達(dá)目的被雷達(dá)“看見”尺寸。雷達(dá)接受天線只收集了回波功率一某些，設(shè)天線有效接受面積為Ae，則雷達(dá)收到回波功率Pr為當(dāng)接受到回波功率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)到目的。4雷達(dá)應(yīng)用舉例4.1脈沖多普勒雷達(dá)雷達(dá)要探測(cè)目的普通是運(yùn)動(dòng)著物體，如空中飛行導(dǎo)彈、飛機(jī)，海上艦船以及地面車輛等，因而，雷達(dá)測(cè)速是其基本重要功能。雷達(dá)測(cè)速原理就是運(yùn)用了電磁波多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)是指當(dāng)發(fā)射源和接受者之間有相對(duì)徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)，接受信號(hào)頻率將發(fā)生變化。為了以便對(duì)多普勒頻率測(cè)量，雷達(dá)普通應(yīng)采用持續(xù)波信號(hào)形式，但持續(xù)波信號(hào)，又難以測(cè)定目的距離，因而，當(dāng)代雷達(dá)多采用脈沖多普勒雷達(dá)，即采用脈沖波形來完畢多普勒頻率解決，同步實(shí)現(xiàn)測(cè)距和測(cè)速功能。脈沖多普勒雷達(dá)需要采集一串脈沖回波信號(hào)，才干通過復(fù)雜信號(hào)解決技術(shù)從中提取目的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生多普勒頻率，因而，它構(gòu)造要比普通普通測(cè)速雷達(dá)，如交通用測(cè)速雷達(dá)復(fù)雜多。脈沖多普勒雷達(dá)作用并不但在于測(cè)定目的運(yùn)動(dòng)速度，當(dāng)前脈沖多普勒技術(shù)更多地在機(jī)載雷達(dá)中得到應(yīng)用，它可以協(xié)助雷達(dá)從很強(qiáng)地物雜波中探測(cè)到目的。由于地物等雜波信號(hào)強(qiáng)度非常大，常規(guī)雷達(dá)主線無法在強(qiáng)雜波中監(jiān)測(cè)到目的固波。但由于載機(jī)相對(duì)于地物和目的運(yùn)動(dòng)速度不同，因而產(chǎn)生多普勒頻率也不同，雷達(dá)可以依照載機(jī)自身運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算出地物雜波多普勒頻率，從而可以設(shè)計(jì)針對(duì)雜波濾波器，將雜波濾除，使目的回波顯示出來。因而，脈沖多普勒雷達(dá)可以廣泛應(yīng)用于下視機(jī)載火控雷達(dá)到機(jī)載預(yù)警系統(tǒng)中。圖4為蘇27裝備脈沖多普勒雷達(dá)。圖4蘇27裝備脈沖多普勒雷達(dá)4.2相控陣?yán)走_(dá)雷達(dá)在搜索目的時(shí)，需要不斷變化波束方向。變化波束方向老式辦法是轉(zhuǎn)動(dòng)天線，使波束掃過一定空域、地面或海面，稱為機(jī)械掃描。把天線做成一種平面，上面有規(guī)則地排列許各種輻射單元和接受單元，稱為陣元。運(yùn)用電磁波相干原理，通過計(jì)算機(jī)控制輸往天線各陣元電流相位變化來變化波束方向，同樣可進(jìn)行掃描，稱為電掃描。接受單元將收到雷達(dá)回波送入主機(jī)，完畢雷達(dá)搜索、跟蹤和測(cè)量任務(wù)。這就是相控陣技術(shù)。運(yùn)用相控陣技術(shù)雷達(dá)稱為相控陣?yán)走_(dá)。與機(jī)械掃描雷達(dá)相比，相控陣?yán)走_(dá)天線無需轉(zhuǎn)動(dòng)，波掃描更靈活，能跟蹤更多目的，抗干擾性能好，還能發(fā)現(xiàn)隱形目的。相控陣?yán)走_(dá)軍事應(yīng)用十分廣泛，在地面遠(yuǎn)程預(yù)警、機(jī)載和艦載預(yù)警、地面和艦艇防空系統(tǒng)、機(jī)載和艦載火控系統(tǒng)、炮位測(cè)量、靶場(chǎng)測(cè)量等領(lǐng)域，都已經(jīng)使用相控陣?yán)走_(dá)。圖5為美國nmd系統(tǒng)陸基相控陣?yán)走_(dá)。圖5美國nmd系統(tǒng)陸基相控陣?yán)走_(dá)4.3合成孔徑雷達(dá)合成孔徑雷達(dá)普通安裝在移動(dòng)空中或空間平臺(tái)上，運(yùn)用雷達(dá)與目的間相對(duì)運(yùn)動(dòng)，將雷達(dá)在每個(gè)不同位置上接受到目的回波信號(hào)進(jìn)行相干解決，就相稱于在空中安裝了一種“大個(gè)”雷達(dá)，這樣小孔徑天線就能獲得大孔徑天線探測(cè)效果，具備很高目的方位辨別率，再加上應(yīng)用脈沖壓縮技術(shù)又能獲得很高距離辨別率，因而能探測(cè)到隱身目的。合成孔徑雷達(dá)在軍事上和民用領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用，如戰(zhàn)場(chǎng)偵察、火控、制導(dǎo)、導(dǎo)航、資源勘測(cè)、地圖測(cè)繪、海洋監(jiān)視、環(huán)境遙感等。美國聯(lián)合監(jiān)視與目的襲擊雷達(dá)系統(tǒng)飛機(jī)新安裝了一部AN／APY3型X波段多功能合成孔徑雷達(dá)，英、德、意聯(lián)合研制“旋風(fēng)”襲擊機(jī)正在試飛合成孔徑雷達(dá)。圖6為衛(wèi)星上合成孔徑雷達(dá)。圖6衛(wèi)星上合成孔徑雷達(dá)4.4激光雷達(dá)工作在紅外和可見光波段雷達(dá)稱為激光雷達(dá)。它由激光發(fā)射機(jī)、光學(xué)接受機(jī)、轉(zhuǎn)臺(tái)和信息解決系統(tǒng)等構(gòu)成，激光器將電脈沖變成光脈沖發(fā)射出去，光接受機(jī)再把從目的反射回來光脈沖還原成電脈沖，送到顯示屏。隱身兵器普通是針對(duì)微波雷達(dá)，因而激光雷達(dá)很容易“看穿”隱身目的所玩“把戲”；再加上激光雷達(dá)波束窄、定向性好、測(cè)量精度高、辨別率高，因而它能有效地探測(cè)隱身目的。激光雷達(dá)在軍事上重要用于靶場(chǎng)測(cè)量、空間目的交會(huì)測(cè)量、目的精密跟蹤和瞄準(zhǔn)、目的成像辨認(rèn)、導(dǎo)航、精準(zhǔn)制導(dǎo)、綜合火控、直升機(jī)防撞、化學(xué)戰(zhàn)劑監(jiān)測(cè)、局部風(fēng)場(chǎng)測(cè)量、水下目的探測(cè)等。美國國防部正在開發(fā)用于目的探測(cè)和辨認(rèn)激光雷達(dá)技術(shù)，已進(jìn)行了前視／下視激光雷達(dá)實(shí)驗(yàn)，重要探測(cè)偽裝樹叢中目的。法國和德國正在積極進(jìn)行使用激光雷達(dá)探測(cè)和辨認(rèn)直升機(jī)聯(lián)合研究工作。圖7為激光雷達(dá)。圖7激光雷達(dá)5將來雷達(dá)技術(shù)發(fā)展將來，雷達(dá)探測(cè)技術(shù)發(fā)展將突破老式思維束縛，向二維多視角布局、多探測(cè)器共形構(gòu)型和多維信號(hào)空間解決方向發(fā)展，也許會(huì)浮現(xiàn)扁平網(wǎng)絡(luò)化多站雷達(dá)、共形相控陣?yán)走_(dá)，信號(hào)解決技術(shù)開始使用跟蹤后檢測(cè)，距離一方位一時(shí)間三維跟蹤檢測(cè)，三維SAR，距離一方位一時(shí)間三維解決，多波段、多極化、多波形等構(gòu)成多維信號(hào)空間解決技術(shù)等，并且開始向網(wǎng)絡(luò)化與多平臺(tái)聯(lián)合、認(rèn)知與智能方向發(fā)展，最后將走向探測(cè)、干擾、通信綜合一體化。從總體來看，將來雷達(dá)典型技術(shù)特性可歸納為網(wǎng)絡(luò)化、協(xié)同化、智能化。代表將來雷達(dá)發(fā)展方向典型系統(tǒng)有MIMO雷達(dá)和認(rèn)知雷達(dá)等。5.1MIMO雷達(dá)MIMO雷達(dá)又稱分布式雷達(dá)系統(tǒng)，是一種由各種發(fā)射/接受單元構(gòu)成雷達(dá)系統(tǒng)。M個(gè)發(fā)射單元發(fā)射M個(gè)互相正交信號(hào)，運(yùn)用發(fā)射單元稀疏排列實(shí)現(xiàn)空間(角度)分集，使雷達(dá)從不同方位照射目的；N個(gè)接受單元運(yùn)用正交性對(duì)來自不同觀測(cè)角度回波進(jìn)行分離。由于從不同角度接受到回波服從記錄獨(dú)立分布，因而同步浮現(xiàn)衰落概率很小。因而，MIMO雷達(dá)可合并這些回波并抑制目的閃爍，進(jìn)而提高檢測(cè)性能。由于每個(gè)發(fā)射信號(hào)相應(yīng)N個(gè)接受樣本，系統(tǒng)能同步接受M*N個(gè)信號(hào)，明顯增長了雷達(dá)接受信息量，從而提高目的記別能力。MIMO雷達(dá)系統(tǒng)如圖8。MIMO雷達(dá)本質(zhì)上是一種多通道發(fā)射、多通道接受全新雷達(dá)技術(shù)體制，是雷達(dá)組網(wǎng)最高層次。圖8MIMO雷達(dá)系統(tǒng)5.2認(rèn)知雷達(dá)認(rèn)知雷達(dá)是一種具備高環(huán)境適應(yīng)能力雷達(dá)體制，它通過對(duì)周邊電磁環(huán)境歷史和當(dāng)前狀況進(jìn)行檢測(cè)、分析、學(xué)習(xí)、推理和規(guī)劃，運(yùn)用相應(yīng)成果自適應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)接受和發(fā)射，使用最適合系統(tǒng)配備(涉及頻率、信號(hào)形式