雷达技术综述

雷达技术综述OverviewofRadarTechnology摘要：雷达被广泛用于军事预警、导弹制导、民航管制、地形测量、气象、航海等众多领域。本文首先概述了雷达发展历程并总结了雷达技术发展的成因，然后对雷达的基本工作原理和基本雷达方程作了简要的介绍。最后介绍了几种实际雷达并指出了雷达的未来发展方向。关键词：雷达技术；工作原理；雷达应用；发展趋势Abstract:Radariswidelyusedinmanyfieldsofmilitaryearlywarning,missileguidance,aviationcontrol,topographicsurveying,meteorology,navigationandsoon.Thispaperoutlinesthedevelopmentprocessofradarandsummarizesthecausesofthedevelopmentofradartechnology,thenbrieflyintroducesthebasicprincipleofradarandbasicradarequation.Finally,introducesseveralkindsofpracticalradarandpointsoutthefuturedevelopmentdirectionofradar.Keywords:radartechnology;workingprinciples;radarapplications;trendindevelopment引言雷达是英文Radar的音译，源于radiodetectionandranging的缩写，原意为无线电探测和测距，即用无线电的方法发现目标并测定它们的空间位置。因此，雷达也被称为“无线电定位”。雷达最先是作为一种军事装备服务于人类，主要用来实施国土防空警戒，指挥和引导己方作战飞机以及各种地面防空武器。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。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。1雷达的发展历程雷达诞生于20世纪30年代，从美、欧等发达国家的雷达装备技术发展来看，雷达的发展历程大致经历了4个阶段：第1个阶段是从20世纪30年代到50年代，为实施国土防空警戒，指挥和引导己方作战飞机以及各种地面防空武器(高炮、高射机枪、探照灯等)，西方大量研制部署米波段雷达和以磁控管为发射机的微波雷达。当时雷达探测目标的种类简单，主要是飞机，此外还有少量的飞艇和气球，雷达的典型技术特征是电子管、非相参，这种雷达被称为第1代。第2个阶段是从20世纪50年代到80年代，防空作战对雷达提出了由粗略定位到精确引导的要求，直升机、超音速作战飞机等目标种类大量出现，各种远距离支援和随队干扰手段已成为一种基本作战样式，使非相参技术体制逐渐被西方淘汰，转而开始发展稳定性和可靠性较高的全相参微波雷达，发射机大量使用速调管、行波管、前向波管等，其技术特征是半导体、全相参，这种雷达被称为第2代。第3个阶段是从20世纪80年代到20世纪末，为满足现代空战对雷达高精度、高分辨力、高抗干扰能力、多目标跟踪能力、高可靠性和维修性的要求，有效应对复杂电磁环境下探测低空巡航导弹、超音速第3代战机、高空无人飞机等的要求，西方开始发展大规模集成电路、全固态、相控阵技术，这就是第3代雷达。随着隐身目标、低空低速和高空高速巡航导弹以及无人作战飞机等目标的出现、电磁环境的日益恶劣，目前西方国家正在向以多功能、自适应、目标识别为代表的第4代雷达发展。总的来说，战场上对目标的精确探测和定位的需求推动了雷达的快速发展，特别是二战中雷达的广泛使用推动了雷达技术的快速进步。另一方面，电真空技术、微电子技术、光电子技术、计算机和软件技术的发展，大大促进了雷达的发展。2雷达的基本工作原理雷达是利用电磁波探测目标的电子设备。发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率（径向速度）、方位、高度等信息。雷达的工作原理如图1所示。目标发射机接收机显示器发射的电磁波接收的电磁波信号处理机天线收发转换开关噪声R图1雷达的工作原理雷达的基本工作原理如下：1)由雷达发射机产生的电磁能，经收发开关后传输给天线，再由天线将此电磁能定向辐射于大气中；2)电磁能在大气中以光速(约3×108m/s)传播，如果目标恰好位于定向天线的波束内，则它将要截取一部分电磁能；3)目标将被截取的电磁能向各方向散射，其中部分散射的能量朝向雷达接收方向。雷达天线搜集到这部分散射的电磁波后，就经传输线和收发开关馈给接收机；4)接收机将这微弱信号放大并经信号处理后即可获取所需信息，并将结果送至终端显示；2.1目标斜距的测量雷达工作时，发射机经天线向空间发射一串重复周期一定的高频脉冲。如果在电磁波传播的途径上有目标存在，那么雷达就可以接收到由目标反射回来的回波。由于回波信号往返于雷达与目标之间，它将滞后于发射脉冲一个时间tr，如图2所示。我们知道电磁波的能量是以光速传播的，设目标的距离为R，则传播的距离等于光速乘上时间间隔，即2rctR式中R为目标到雷达站的单程距离，单位为m；tr为电磁波往返于目标与雷达之间的时间间隔，单位为s；c为光速，c=3×108m/s。由于电磁波传播的速度很快，雷达技术常用的时间单位为μs，回波脉冲滞后于发射脉冲为一个微秒时，所对应的目标斜距离R为kmmtcRr15.01502能测量目标距离是雷达的一个突出优点，测距的精度和分辨力与发射信号带宽(或处理后的脉冲宽度)有关。脉冲越窄，性能越好。发射脉冲回波噪声trtrtt图2雷达测距2.2目标角位置的测量目标角位置指方位角或仰角，在雷达技术中测量这两个角位置基本上都是利用天线的方向性来实现的。雷达天线将电磁能量汇集在窄波束内，当天线波束轴对准目标时，回波信号最强，如图3实线所示。当目标偏离天线波束轴时回波信号减弱，如图上虚线所示。根据接收回波最强时的天线波束指向，就可确定目标的方向，这就是角坐标测量的基本原理。天线波束指向实际上也是辐射波前的方向。目标O图3角坐标测量2.3相对速度的测量有些雷达除确定目标的位置外，还需测定运动目标的相对速度，例如测量飞机或导弹飞行时的速度。当目标与雷达站之间存在相对速度时，接收到回波信号的载频相对于发射信号的载频产生一个频移，这个频移在物理学上称为多卜勒频移，它的数值为rdvf2式中，fd为多谱勒频移，单位为Hz，vr为雷达与目标之间的径向速度，单位为m/s，λ为载波波长，单位为m。当目标向着雷达站运动时，vr＞0，回波载频提高；反之vr＜0，回波载频降低。雷达只要能够测量出回波信号的多谱勒频移fd，就可以确定目标与雷达站之间的相对速度。径向速度也可以用距离的变化率来求得，此时精度不高但不会产生模糊。无论是用距离变化率或用多卜勒频移来测量速度，都需要时间。观测时间愈长，则速度测量精度愈高。2.4目标尺寸和形状如果雷达测量具有足够高的分辨力，就可以提供目标尺寸的测量。由于许多目标的尺寸在数十米量级，因而分辨能力应为数米或更小。目前雷达的分辨力在距离维已能达到，但在通常作用距离下切向距离(RQ)维的分辨力还远达不到，增加天线的实际孔径来解决此问题是不现实的。然而当雷达和目标的各个部分有相对运动时，就可以利用多铺勒频率域的分辨力来获得切向距离维的分辨力。例如，装于飞机和宇宙飞船上的SAR(综合孔径)雷达，与目标的相对运动是由雷达的运动产生的。高分辨力雷达可以获得目标在距离和切向距离方向的轮廓(雷达成像)。此外，比较目标对不同极化波(例如正交极化等)的散射场，就可以提供目标形状不对称性的量度。复杂目标的回波振幅随着时间会变化，例如，螺旋桨的转动和喷气发动机的转动将使回波振幅的调制各具特点，可经过谱分析检测到。这些信息为目标识别提供了相应的基础。3基本雷达方程设雷达发射机功率为Pt，当用各向均匀辐射的天线发射时，距雷达R远处任一点的功率密度等于功率被假想的球面积4πR2所除，即实际雷达总是使用定向天线将发射机功率集中辐射于某些方向上。天线增益G用来表示相对于各向同性天线,实际天线在辐射方向上功率增加的倍数。因此当发射天线增益为G时，距雷达R处目标所照射到的功率密度为目标截获了一部分照射功率并将它们重新辐射于不同的方向。用雷达截面积σ来表示被目标截获入射功率后再次辐射回雷达处功率的大小，或用下式表示在雷达处的回波信号功率密度：σ的大小随具体目标而异,它可以表示目标被雷达“看见”的尺寸。雷达接收天线只收集了回波功率的一部分，设天线的有效接收面积为Ae，则雷达收到的回波功率Pr为当接收到的回波功率Pr等于最小可检测信号Smin时，雷达达到其最大作用距离Rmax，超过这个距离后，就不能有效地检测到目标。4雷达的应用举例4.1脉冲多普勒雷达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2'14RPSt214RGPSt22212444RRGPRSSt422)4(RGAPSAPeter4/1min21max)π4(SGAPRe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。图4为苏27装备脉冲多普勒雷达。图4苏27装备脉冲多普勒雷达4.2相控阵雷达雷达在搜索目标时，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。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。图5为美国nmd系统的陆基相控阵雷达。图5美国nmd系统的陆基相控阵雷达4.3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