雷达基本原理与技术-军用雷达 雷达基本原理

雷达(RADAR)这个名称是英文Radio Detection andRanging(无线电侦测和定距)的缩写。
  雷达概念形成于20世纪初。雷达是英文Radar的音译,意为无线电检测和测距,是利用微波波段电磁波探测目标的电子设备。
结构组成  各种雷达的具体用途和结构不尽相同,但基本形式是一致的,包括
五个基本组成部分:发射机、发射天线、接收机、接收天线以及显示器。
接收发射是核心
还有电源设备、数据录取设备、抗干扰设备等辅助设备。

工作原理

雷达所起的作用和眼睛相似,当然,它不再是大自然的杰作,同时,它的信息载体是无线电波。事实上,不论是可见光或是无线电波,在本质上是同一种东西,都是电磁波,传播的速度都是光速C,差别在于它们各自占据的波段不同。
其原理是雷达设备的发射机通过天线把电磁波能量射向空间某一方向,处在此方向上的物体反射碰到的电磁波;雷达天线接收此反射波,送至接收设备进行处理,提取有关该物体的某些信息(目标物体至雷达的距离,距离变化率或径向速度、方位、高度等)。
  测量距离实际是测量发射脉冲与回波脉冲之间的时间差,因电磁波以光速传播,据此就能换算成目标的精确距离。
  测量目标方位是利用天线的尖锐方位波束测量。测量仰角靠窄的仰角波束测量。根据仰角和距离就能计算出目标高度。
  测量速度是雷达根据自身和目标之间有相对运动产生的频率多普勒效应原理。雷达接收到的目标回波频率与雷达发射频率不同,两者的差值称为多普勒频率。从多普勒频率中可提取的主要信息之一是雷达与目标之间的距离变化率。当目标与干扰杂波同时存在于雷达的同一空间分辨单元内时,雷达利用它们之间多普勒频率的不同能从干扰杂波中检测和跟踪目标。

而雷达的出现,是由于二战期间当时英国和德国交战时,英国急需一种能探测空中金属物体的雷达(技术)能在反空袭战中帮助搜寻德国飞机。二战期间,雷达就已经出现了地对空、空对地(搜索)轰炸、空对空(截击)火控、敌我识别功能的雷达技术。

二战以后,雷达发展了单脉冲角度跟踪、脉冲多普勒信号处理、合成孔径和脉冲压缩的高分辨率、结合敌我识别的组合系统、结合计算机的自动火控系统、地形回避和地形跟随、无源或有源的相位阵列、频率捷变、多目标探测与跟踪等新的雷达体制。

后来随着微电子等各个领域科学进步,雷达技术的不断发展,其内涵和研究内容都在不断地拓展。目前,雷达的探测手段已经由从前的只有雷达一种探测器发展到了雷达、红外、紫外、激光以及其他光学探测手段融合协作。

当代雷达的同时多功能的能力使得战场指挥员在各种不同的搜索/跟踪模式下对目标进行扫瞄,并对干扰误差进行自动修正,而且大多数的控制功能是在系统内部完成的。

自动目标识别则可使武器系统最大限度地发挥作用,空中预警机 和 JSTARS这样的具有战场敌我识别能力的综合雷达系统实际上已经成为了未来战场上的信息指挥中心。

现代雷达影像显示型态

应用

雷达的优点是白天黑夜均能探测远距离的目标,且不受雾、云和雨的阻挡,具有全天候、全天时的特点,并有一定的穿透能力。因此,它不仅成为军事上必不可少的电子装备,而且广泛应用于社会经济发展(如气象预报、资源探测、环境监测等)和科学研究(天体研究、大气物理、电离层结构研究等)。
星载和机载合成孔径雷达已经成为当今遥感中十分重要的传感器。以地面为目标的雷达可以探测地面的精确形状。其空间分辨力可达几米到几十米,且与距离无关。雷达在洪水监测、海冰监测、土壤湿度调查、森林资源清查、地质调查等方面显示了很好的应用潜力。

  (图)(第二次世界大战初期,英国在其东海岸设置的“本土链”雷达系统中的一个雷达站)     

  军用雷达是利用电磁波探测目标的军用电子装备。雷达发射的电磁波照射目标并接收其回波,由此来发现目标并测定位置、运动方向和速度及其它特性。


炮瞄雷达──它是用于自动跟踪空中目标,测定目标坐标,并通过指挥仪控制高射炮瞄准射击的雷达。又称火炮控制雷达。今天,几乎所有的高射炮都装备了炮瞄雷达。在速度快、机动性好的的现代作战飞机面前,没有炮瞄雷达的高炮就如同瞎子一般。
舰载雷达──它是装备在船舶上的各种雷达的总称,它们可探测和跟踪海面、空中目标,为武器系统提供目标数据,引导舰载着舰,躲避海上障碍物,保障舰艇安全航行和战术机动等。
机载雷达──它是装在飞机上的各种雷达的总称。它包括:为空空导弹、火箭和航炮等提供目标数据的截击雷达;为瞄准轰炸地(水)面目标、制导空地导弹和为领航提供目标信息的轰炸雷达;提供地(水)面目标的位置和地形资料的空中侦察与地形测绘雷达;观测气象状况、空中目标和地形地物,保证准确和安全和安全飞行的航行雷达等等。
在现代先进作战飞机上,雷达系统的的造价往往占飞机总造价的1/4─1/3,还出现了综合多种雷达作用的多功能机载雷达。先进机载雷达不仅能发现100多公里以外的敌机,还能对其中最具威胁性的对多个目标同时实施攻击。

雷达种类很多,可按多种方法分类:

(1)按定位方法可分为:有源雷达、半有源雷达和无源雷达。
  (2)按装设地点可分为;地面雷达、舰载雷达、航空雷达、卫星雷达等。
  (3)按辐射种类可分为:脉冲雷达和连续波雷达。
  (4)按工作波长波段可分:米波雷达、分米波雷达、厘米波雷达和其它波段雷达。
  (5)按用途分:目标探测雷达、侦察雷达、武器控制雷达、飞行保障雷达、气象雷达、导航雷达等。
  相控阵雷达是一种新型的有源电扫阵列多功能雷达。它不但具有传统雷达的功能,而且具有其它射频功能。有源电扫阵列的最重要的特点是能直接向空中辐射和接收射频能量。它与机械扫描天线系统相比,有许多显著的优点。

早期的雷达天线是固定的、无方向的阵列,只有距离信息。天线在一定的时间间隔内发射射频脉冲,将接收到的回波放大,并在示波器的 CRT 上显示 (即常称的 A显示),产生一个与目标位置对应的水平线,供雷达操作员识别目标的大致距离。

但由于当时所用的射频电波频率较低,为了有效地发射和接收射频信号,雷达系统需要一个很大的天线,这种天线不能迁移或者改变方向,而且只能探测到大目标,且距离信息的精度也很低。

到二战结束时,雷达系统中那些现在熟悉的特征—微波频率、抛物面天线和 PPI 显示, 已建立起来。

当代雷达的主要特点:

  1. 同时多功能
  2. 传感器融合
  3. 高灵敏度
  4. 隐身
  5. 反隐身
  6. 雷达 ECCM
  7. 自动目标识别
  8. 战场敌我识别
  9. 高可靠性

雷达的历史

1842年多普勒(Christian AndreasDoppler)率先提出利用多普勒效应的多普勒式雷达。
  1864年马克斯威尔(James Clerk Maxwell)推导出可计算电磁波特性的公式。
  1886年赫兹(HeinerichHertz)展开研究无线电波的一系列实验。
  1888年赫兹成功利用仪器产生无线电波。
  1897年汤普森(JJ Thompson)展开对真空管内阴极射线的研究。
  1904年侯斯美尔(ChristianHülsmeyer)发明电动镜(telemobiloscope),是利用无线电波回声探测的装置,可防止海上船舶相撞。
  1906年德弗瑞斯特(De Forest Lee)发明真空三极管,是世界上第一种可放大信号的主动电子元件。
  1916年马可尼(Marconi)和富兰克林(Franklin)开始研究短波信号反射。
  1917年沃森瓦特(Robert Watson-Watt)成功设计雷暴定位装置。
  1922年马可尼在美国电气及无线电工程师学会(AmericanInstitutes of Electrical and RadioEngineers)发表演说,题目是可防止船只相撞的平面角雷达。
雷达基本原理与技术-军用雷达 雷达基本原理
  1922年美国泰勒和杨建议在两艘军舰上装备高频发射机和接收机以搜索敌舰。
  1924年英国阿普利顿和巴尼特通过电离层反射无线电波测量赛层(ionosphere)的高度。美国布莱尔和杜夫用脉冲波来测量亥维塞层。
  1925年贝尔德(John L. Baird)发明机动式电视(现代电视的前身)。
  1925年伯烈特(Gregory Breit)与杜武(Merle AntonyTuve)合作,第一次成功使用雷达,把从电离层反射回来的无线电短脉冲显示在阴极射线管上。
  1931年美国海军研究实验室利用拍频原理研制雷达,开始让发射机发射连续波,三年后改用脉冲波。
  1935年法国古顿研制出用磁控管产生16厘米波长的撜习窖捌鲾,可以在雾天或黑夜发现其他船只。这是雷达和平利用的开始。
  1936年1月英国W.瓦特在索夫克海岸架起了英国第一个雷达站。英国空军又增设了五个,它们在第二次世界大战中发挥了重要作用。
  1937年马可尼公司替英国加建20个链向雷达站。
  1937年美国第一个军舰雷达XAF试验成功。
  1937年瓦里安兄弟(Russell and Sigurd Varian)研制成高功率微波振荡器,又称速调管(klystron)。
  1939年布特(Henry Boot)与兰特尔(John T.Randall)发明电子管,又称共振穴磁控管(resonant-cavity magnetron )。
  1941年苏联最早在飞机上装备预警雷达。
  1943年美国麻省理工学院研制出机载雷达平面位置指示器,可将运动中的飞机柏摄下来,他胶发明了可同时分辨几十个目标的微波预警雷达。
  1944年马可尼公司成功设计、开发并生产「布袋式」(Bagful)系统,以及「地毡式」(Carpet)雷达干扰系统。前者用来截取德国的无线电通讯,而后者则用来装备英国皇家空军(RAF)的轰炸机队。
  1945年二次大战结束后,全凭装有特别设计的真空管──磁控管的雷达,盟军得以打败德国。
  1947年美国贝尔电话实验室研制出线性调频脉冲雷达。
  50年代中期美国装备了超距预警雷达系统,可以探寻超音速飞机。不久又研制出脉冲多普勒雷达。
  1959年美国通用电器公司研制出弹道导弹预警雷达系统,可发跟踪3000英里外,600英里高的导弹,预警时间为20分钟。
  1964年美国装置了第一个空间轨道监视雷达,用于监视人造地球卫星或空间飞行器。
  1971年加拿大伊朱卡等3人发明全息矩阵雷达。与此同时,数字雷达技术在美国出现。

  

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