雷达原理与发展浅析


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1935年2月25日,英国人为了防御敌机对本土的攻击,开始了第一次实用雷达实验。当时使用的媒体是由BBC广播站发射的50米波长的常规无线电波,在一个事先装有接收设备的货车里,科研人员在显示器上看到了由飞机反射回来的无线电信号的回波,于是雷达产生了。


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。



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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。


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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。(


雷达被人们称为千里眼。在现代战争中,由于雷达技术的进步,使交战双方在相距几十公里,甚至上百公里,人还互相看不到,就已拉开了空战序幕,这就是现代空战利用雷达的一个特点――超视距空战。


由于雷达自身的工作原理,造成了雷达在使用中存在有捕捉对象的盲区,这也就有了在战争中利用雷达盲区偷袭成功的战例。现代战争中,为了躲避雷达的监视,美国生产出了一种隐形轰炸机,它可以有效驱散雷达信号,使它对于常规的雷达系统保持隐形。正是由于这种矛与盾的关系,科学家在这个领域不断探索研制分辨能力更高的雷达。


随着雷达技术的不断改进,如今雷达被广泛用于民航管制、地形测量、气象、航海等众多领域。面对日益拥挤的天空,拥有精密的雷达监测系统至关重要。使用雷达设备可不受天气的影响,不分昼夜进行监测。民航管制员通过雷达直接获取飞机的位置、高度、航行轨迹等信息,及时调节飞行方位和高度。在雷达的使用科学原理中,雷达与目标之间有相地运动,回波信号的频率有多普勒频移,根据多普勒效应的原理可以求得其相对速度。这也是交通警在公路上测量汽车速度的测速雷达工作的原理。


我国在雷达技术方面发展很快,取得了很大成就。探地雷达就是我国研制的,它可适用于不同深度的地下探测。目前,探地雷达已经广泛应用于国防、城市建设、水利、考古等领域。中科院电子所研制成功了星载合成孔径雷达模拟样机,并对1998年长江中下游特大洪涝灾害进行了监测,获取了受灾地区的图像,为抗洪救灾提供了准确的灾情数据。随着高科技的不断发展,雷达技术将在 21世纪得到更广泛的应用。


脉冲多普勒雷达


测量目标的距离是雷达的基本任务之一。无线电波在大气中的传播近似为匀速传播,传播速度约等于光速,每秒30万千米。因此,只要测出雷达发射的无线电波在目标和雷达之间往返一次的时间就可以计算出雷达到目标的距离。根据雷达发射信号的不同,雷达测定电波延迟时间的方法也不同,主要有脉冲法、频率法和相位法。目前广泛使用的主要是脉冲的延测距法。


在脉冲雷达中,目标的反射信号滞后于发射脉冲的回波脉冲。雷达发射信号的少量能量泄漏到接收机,在雷达显示屏上直接显示出来,这个信号通常称为“主波”,它位于显示器的零距离处。


雷达发射的大部分信号能量由天线辐射出去,辐射的电磁波遇到目标后,产生回波信号,回波信号被天线接收后送到接收机,最后在显示屏上显示出来。回波信号在显示屏上滞后于主波信号的时间,这个时间差就是雷达到目标之间往返一次的时间,根据这个延迟时间,就可以计算出雷达到目标的距离。


目标回波的延迟时间通常是非常短促的,一般在几十到几千微秒的量级。例如,一架飞机距离雷达300千米,飞机的回波泳冲延迟时间就是20毫秒。这样短促的时间必须借助快速的计算方法。最初的计算是雷达操作员用眼睛直接估算出来的。现代雷达采用了先进的计算机后,测距的精度大大提高了。



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雷达测角的原理基础是电磁波在均匀介质中的复线性和雷达天绕的方向性。由于电磁波沿直线方向传播,目标散射和反射电波到达雷达的方向,就是目标所在方向。当然,由于大气并不是均匀的介质,密度、湿度以及复杂的地形影响,会造成电波传播路径的偏折,从而造成误差。因此,远距离的测量必须进行必要的修正。


雷达对目标进行测角,实质上就是提取目标相对于雷达天线波束指向的角度偏差。雷达提取角度偏差的方法,经历了顺序救瓣、圆锥扫描和脉冲相技术几个阶段。


脉冲相控阵技术是利用单脉冲信号进行角度测量。其基本陈理是:在雷达天线轴的上、下、左、右同时设置四个对称的偏置波瓣。当目标位于天线轴正方向时,四个波瓣接收到的目标回波信号强度相同;当目标偏离天线的瞄准轴时,如向右偏的,则右波瓣接收到的回波强度比左波瓣接收的大,根据左右固波强度的差别,就可以计算出方位偏离角。


同理,当目标上下偏离时,可以计算出目标相对于天线瞄准轴的俯仰偏离角。这种测角方法的特点就是,雷达只需要接收到目标的一个,而不是一串信号,就可以提取目标的角度信息,因此,被称为单脉冲测角。显然,这利测角方法的精度十分高。目前,可以达到0.1 毫弧度,也就是说,雷达对100千米远的目标进行测角,其横向误差不会超过10米。



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雷达要探测的目标通常是运动着的物体,如空中飞行的导弹、飞机,海上的舰船以及地面车辆等,因此,雷达测速是其基本的重要的功能。雷达测速的原理就是利用了电磁波的多普勒效应。多普勒效应是指当发射源和接收者之间有相对径向运动时,接收信号频率将发生变化。


为了方便对多普勒频率测量,雷达一般应采用连续波的信号形式,但连续波信号,又难以测定目标的距离,因此,现代雷达多采用脉冲多普勒雷达,即采用脉冲波形来完成多普勒频率的处理,同时实现测距和测速的功能。


脉冲多普勒雷达需要采集一串脉冲的回波信号,才能通过复杂的信号处理技术从中提取目标运动产生的多普勒频率,因此,它的构造要比一般普通的测速雷达,如交通用的测速雷达复杂的多。


脉冲多普勒雷达的作用并不仅在于测定目标的运动速度,目前脉冲多普勒技术更多地在机载雷达中得到应用,它可以帮助雷达从很强的地物杂波中探测到目标。因为地物等杂波的信号强度非常大,常规雷达根本无法在强杂波中监测到目标的固波。


但由于载机相对于地物和目标的运动速度不同,因此产生的多普勒频率也不同,雷达可以根据载机自身的运动速度计算出地物的杂波多普勒频率,从而可以设计针对杂波的滤波器,将杂波滤除,使目标回波显示出来。因此,脉冲多普勒雷达可以广泛应用于下视的机载火控雷达成机载预警系统中。


相控阵雷达


机械扫描雷达是目前大多数战斗机和预警机装备的雷达,通过机械驱动雷达天线的转动来进行搜索、截获目标,例如F-16战斗机的APG-68雷达、E-3、A -50装备的预警雷达等。相对于机械扫描雷达的是电子扫描雷达,也就是所谓的相控阵雷达,包括无源和有源两种方式。相控阵雷达的特点是没有转动的天线,雷达天线通过组件的波束方向改变来完成扫描、截获目标,具备扫描范围大、可分区域扫描、反应速度快的特点。以F/A-22为代表的先进战斗机目前都开始装备相控阵雷达,而俄罗斯正在试图用无源相控阵雷达来改装SU-27/30战斗机。



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相控阵雷达相比机械扫描雷达的优势在于:


1.同样的发射机功率下具有较远的作用距离。


2.具有捷束特性。


3.具有较强的对抗多目标的能力,在这方面相控阵具有天然优势


4.具有较强的同时多模式能力


5.ECCM(电子对抗)能力较强,可以采用STAP技术



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有源相控阵对于无源相控阵的优势在于:


1.可靠性大大提高


2.适合于宽带信号,具有高的分辨率的潜力


3.可以通过采用DBF技术形成大的空域覆盖


4.同样的电源功率下作用距离更远


雷达在搜索目标时,需要不断改变波束的方向。改变波束方向的传统方法是转动天线,使波束扫过一定的空域、地面或海面,称为机械扫描。把天线做成一个平面,上面有规则地排列许多个辐射单元和接收单元,称为阵元。利用电磁波的相干原理,通过计算机控制输往天线各阵元电流相位的变化来改变波束的方向,同样可进行扫描,称为电扫描。接收单元将收到的雷达回波送入主机,完成雷达的搜索、跟踪和测量任务。这就是相控阵技术。利用相控阵技术的雷达称为相控阵雷达。与机械扫描雷达相比,相控阵雷达的天线无需转动,波扫描更灵活,能跟踪更多的目标,抗干扰性能好,还能发现隐形目标。


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相控阵雷达的军事应用十分广泛,在地面远程预警、机载和舰载预警、地面和舰艇防空系统、机载和舰载火控系统、炮位测量、靶场测量等领域,都已经使用相控阵雷达。


有代表性的相控阵雷达有美国的“丹麦眼镜蛇”和AN/EPS-115战略预警雷达、“爱国者” 防空导弹系统用的AN/MPQ-53多功能相控阵雷达、“宙斯盾”指挥控制系统的相控阵雷达等。以色列为智利研制的“费尔康”预警机是世界上第一架相控阵雷达预警飞机,已于1995年5月交付智利空军。


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。



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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。



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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。



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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。


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