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行走江湖这么多年,可曾还有人记得我的真名——雷达

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2019-06-03 点击量:51 编辑:

  1. 引言

  小学的时候,我们学过一篇课文《蝙蝠与雷达》,科学家们经过实验发现,蝙蝠通过用嘴发出声波,然后用耳朵接收回声来进行探路,在此基础上,人类发明了自己的“蝙蝠侠”——雷达,让飞机在漆黑的夜空能够安全的飞行(因为雷达不懂夜的黑)。

  这是很多人第一次知道雷达,但是你知道吗?雷达原本不是一个名词,它的全名是“无线电探测与测距”(radio detection and rang),这个词组缩略语的音译就是雷达。

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图1 雷达自述

  雷达是人类根据无线电特性发明的一类重要的工具,事实上,雷达的发展史与电磁学的发展密切相关。德国物理学家赫兹在验证电磁场的实验中就发现了电磁波具有与可见光同样的传播特性。1903年,德国人赫尔斯迈耶,研制出第一部船用防撞雷达。20世纪二十年代,无线电领域另一位众所周知的先驱,马可尼研究了无线电在探测中的应用,并在自己的讲演中强烈推荐其用途,不过在当时没有引起太大反响。

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图2 马可尼与雷达

  在第一次世界大战之后,科学家们发现利用无线电波能够提前探测大型轰炸机的到来,雷达逐渐受到各国重视,在20世纪30年代迎来飞速发展,由于其全天候,远距离的特点,在战争中大放异彩。二战中美国麻省理工学院组建的辐射实验室先后研制了100多种雷达,用于空中预警,船舰探测,拦截等不同目的。值得一提的是,在1941年美国部署的雷达,已经探测到日军飞机对珍珠港的侵袭,但是没有引起重视,以致酿成大错。

  今天雷达在很多场合成了我们离不开的重要帮手,不管白天黑夜,风里雨里,雷达为人类的服务从不缺席。

  2. 雷达系统概述

  2.1雷达系统的基本原理

  雷达的基本功能是利用目标对电磁波的散射而发现目标,并测定目标的空间位置。雷达系统发射电磁波,根据接收到的回波,分析被测物体的距离,速度和形状等参数。

  雷达可以测量目标物体之间的距离,速度和方位,那它是如何做到的呢?

  先来看看雷达是如何进行测距的。雷达向被测物体发射电磁波,经过一段时间(可能是很短的一段时间喔),接收到反射回来的电磁波,记下时间间隔。电磁波行进速度为光速C,很容易计算得到电磁波行进以来回的距离,除以二就得到雷达与被测物体之间的距离。So,easy!

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图3 雷达的基本原理

  解决了测距的问题,记录一段时间的距离变化,根据雷达系统与被测物体之间的几何关系就能估算被测物体的运动速度。的确,早期简单的雷达测速就是这样实现的。自从一位叫多普勒的大咖提出了一项新的理论,命名了一个新的物理量多普勒频移,通过这个物理量,很容易计算得到速度,精度也提高了很多。后来出现了多普勒雷达,目前高性能的检测雷达基本都是依靠多普勒频移实现(世界是由懒人创造的,只是你要够牛)。

  雷达还能为我们测量目标物体的方位,那是因为雷达的天线非常灵敏,天线对准或偏离目标物体时,接收到的信号会有变化。根据变化量,我们就能判别目标物体的形状或是方位。

  根据电磁波的传播规律,雷达工程师推导出经典的雷达方程。简单来说就是,雷达天线增益,天线有效孔径,发射功率,目标的截面积越大,接收微弱信号的能力越强,雷达探测距离越远。

  有了理论的引导,人们为了增大雷达的探测距离和精度,使劲加大发射功率,提高接收灵敏度,设计天线时尽可能增大孔径,使用雷达时,尽可能将天线的最大功率方向对准被测物体。为了搜索或跟踪目标物体,人们需要不断调整天线的方向,早期采用机械式的调整方法。聪明的工程师们发明了相控阵天线,顾名思义,通过改变各个单元的输入电流的相位来改变天线的辐射方向。因此天线的辐射方向可以灵活变化,切换时间每秒钟可以达到几千次。并且抗毁性能好,只要有部分的单元能正常工作,就能保证系统正常运行。相控阵天线的出现大大提高了雷达发现搜索目标的能力。

  在雷达方程的思路指引下,雷达工程师们的创造力也一次次刷新人们的想象力。

  如美国预警雷达fps-115“铺路爪”,工作频段420-450MHz,平均探测距离达到4800KM,峰值功率为582.4KW,TR模块数近2000个单元。

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图4 美国预警雷达fps-115“铺路爪”

  后来为了提高雷达的探测能力和抗干扰能力,科学家们又发明了脉冲压缩雷达信号,频率捷变雷达等新的雷达体制。

  2.2 我国雷达系统的发展

  我国雷达领域的发展史,是众多“雷达人”艰辛的奋斗史,新中国成立后,与苏联签订了有关协定,开始仿制苏式雷达产品。仿制出了警戒雷达、炮瞄雷达、舰用雷达、机载雷达和制导雷达等。1960年苏联撤走全部专家,对我国雷达工业影响较大,形势迫使我国走自力更生的道路。老一辈的科学家为陆、海、空军常规武器装备现代化配套进行了各种雷达的研究、试制和生产。

  90年代之后,雷达领域融合电子技术的发展,在技术上实现了高起步,逐步实现了雷达设计集成化、数字化、自动化、固态化。雷达具备了作用距离远、分辨率高、抗干扰性能强、可靠性高的特点。经过众多“雷达人”的努力,当前中国雷达技术已经与世界先进水平接轨,并在局部领域处于领先地位。

  历经60余年,国产雷达完成了从“跟跑”,“同步”到“赶超”的蜕变。如今在“珠海航展”,以及不久前的“海上阅兵”,我国的飞行器和军舰上都安装了国产的雷达,为我们的装备提供了“火眼金睛”。

  2.3 雷达系统组成

  我们印象中的雷达就是一个圆盘中的亮点,还有各种各样奇形怪状的天线。今天,我们对雷达系统的内部一窥究竟,以较常用的单基脉冲雷达为例,可以简单分成如下几个部分:

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图5 雷达接系统的组成

  1) 双工器是让发射机和接收机共用同一部天线,实现收发隔离。

  2) 发射机将调制后的高频信号送到天线,再辐射到空中。

  3) 接收机用于接收雷达的回波信号。

  4) 信号处理机提取所需要的回波信号。

  5) 数据处理机分离脉冲信号,积累数据,并做出进一步的分析处理。

  2.4 雷达系统分类与应用

  雷达系统不同应用场合有不同的分类方式,按承载物可分为陆基雷达、机载雷达、空载雷达和船载雷达;按用途可分为天气雷达、预警雷达、搜索和警戒雷达、监视雷达、火控雷达、制导雷达;按波形可分为连续波雷达和脉冲雷达。

  在硝烟弥漫的战场上,雷达是重要辅助工具。在和平年代,它逐渐褪去血腥的外衣,为人类改善民生提供帮助。雷达也超出了他本来的含义,依据不同被测物体的散射特性,对电磁波进行进一步的分析,可以提取目标的更多信息,大大拓宽了雷达的用途。在天文,气象,测绘,导航和交通管制等领域,应用越来越广泛。

  今天你超速了吗???

  雷达测速仪是交通部门用于速度限制执法的重要工具,他可能在警车上,也可能隐藏在路边的树丛中,还可能在道路的栏杆上,还可能在交警的手上。总之雷达让超速无处遁逃。

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图6 交通测速雷达

  你那里下雨了吗???

  在天气预报的环节中,对风场信息,降水估测,云层形状速度和其它特征的观察都是依靠气象雷达,雷达对海上浮冰,海况的探测数据都是天气预报的重要输入。

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图7 雷达的各种应用

  雷达助你飞。。。

  飞机上用于指示飞机飞行高度的无线电高度计也是雷达的一种,机场用于航路监视,飞机起降,地面监视等都是利用雷达进行探测。

  跨越三万英尺的距离,雷达依然为你服务。。。

  现在的太空飞行器利用大型的雷达系统对卫星和其它空间物体进行检测和跟踪,也形成了一门叫雷达天文学的学科。

  在其它方面,雷达还用于天然气和石油的探测。动物学家还用雷达研究昆虫和鸟类的迁徙。

  3. 雷达频率

  不同波段的命名方式如L,S,C,X波段,源自二战期间对不同频段微波雷达的代码,后来国际电信联盟(ITU)在每个频段都为雷达业务划定了专用的频率范围。雷达的工作频率范围也从几兆赫兹的超视距雷达至200多G赫兹的毫米波段。

                                  表1 ITU各波段雷达频率

波段名称

标称频(Hz

ITU雷达专用

频率(Hz

典型应用

HF

3-30MHz


超视距雷达

VHF

30--300MHz

138-144MHz

216-225MHz

远预警雷达

UHF

300-1000MHz

420-450MHz

850-942MHz


L

1-2GHz

1215-1400MHz

远程监视

S

2-4GHz

2300-2500MHz

2700-3700MHz

空中交通管制,海洋

C

4-8GHz

5250-5925MHz

气象

X

8-12GHz

8500-10680MHz

导弹,船舶,地面监视

Ku

12-18GHz

13.4-14.0GHz

15.7-17.7GHz

测绘卫星测高,

K

18-27GHz

24.05-24.25GHz

气象检测,超速驾车

Ka

27-40GHz

33.4-36GHz

测绘,短程,场管制

V

40-75GHz

59-64GHz


W

75-110GHz

76-81GHz

92-100GHz

汽车雷达,高分辨率观测

mm

110-300GHz

126-142GHz

144-149GHz

231-235GHz

238-248GHz


  随着雷达应用的飞速发展,对无线电频谱的需求也越来越大,为了实现高分辨率探测,雷达的使用频率也越来越高。因此,加强对雷达用频的监管,也变得尤为重要。

  4. 雷达的未来

  随着电子技术的发展,雷达系统的发射/接收器件,天线,以及后台处理能力都将大幅提高。未来雷达将与红外,激光和光电等多种探测技术融为一体,它的探测区域,目标识别,覆盖空间等能力将变得更加强大。雷达体系网络化,单部雷达与其它探测器将形成探测网,将更高效,更准确的实现目标探测。

  美空军研究实验室(AFRL)提出“频谱拥塞与认知雷达”就是让雷达变得具有认知能力,即可推理,能思考,会记忆,会学习。并且在复杂的电磁环境下,雷达能够找到合适的频率来使用。

  是的,未来雷达将会变的更加“智能”,更加“聪明”,不管在冷酷战场上,还是在日常生活中,雷达都将更好的为我们服务。


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     来源:中国无线电管理



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