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  • 1 # 如來之眼

    雷達,是英文 Radar 的音譯,源於 radio detection and ranging 的縮寫,意思為"無線電探測和測距",即用無線電的方法發現目標並測定它們的空間位置。因此,雷達也被稱為“無 線電定位”。 雷達是利用電磁波探測目標的電子裝置。雷達發射電磁波對目標進行照射並接 收其回波,由此獲得目標至電磁波發射點的距離、距離變化率(徑向速度)、方位、高度等 資訊。

    1、典型雷達應用 監視——軍事、民用航空交通管制、地面、空中、沿海警戒、衛星 搜尋和跟蹤——軍事目標搜尋和跟蹤 火控——為火控系統提供資訊(主要包括目標方位、仰角、距離和速度)。 導航——衛星、航空、航海、陸地導航 汽車——碰撞警告,自適應巡航控制(ACC),避免碰撞液位距離測量——液體的液位監控,距離測量等等。 近炸引信——軍事用途: 制導武器系統需要一個接近觸發引信爆炸彈頭高度計——飛機或太空船的高度計,為民用和軍用使用 地形迴避——機載軍事應用 二次雷達——異頻雷達收發機,接收目標反射的編碼訊號 氣象——避免風暴,變風警告,氣象測繪 空間遙感——軍事基地監視、地面測繪,空間環境探索 安全——隱藏武器檢測、軍事基地監視。

    2、雷達頻段和應用

    3、常見雷達型別連續波雷達 固定頻率的連續波(CW 型)雷達系統可用於測量速度。但是,它不能提供任何距離資訊。天線發射某一固定頻率的訊號。 在移動目標(例如汽車)上反射回來的訊號產生了多普勒頻移。 也就是說會在略微偏移的頻率上接收到反射訊號。 透過比較收發訊號的頻率,我們可以確定目標的徑向速度(而不是距離)。基於這個原理,一個典型的應用是交通監測雷達。 雷達移動感測器也是基於相同的原理,但由於可能存在變化的干擾環境,它們還必須具有能 夠檢測緩慢變化場強的能力。 交警使用的超速檢測雷達(speed traps)也是採用這種技術。如果一個特定距離的目標超速了,攝影機就拍下照片。

    軍事上的應用: 連續波雷達也用於目標雷達波束照射。這是一個簡明應用:利用一個目標跟蹤雷達,雷達波 束保持在目標上。 制導的防空導彈就是利用此目標的反射。 連續波雷達比較難以被探測到,因此,它們歸類為低截獲機率雷達。 連續波雷達很適合檢測低空飛行的飛機,這些飛機試圖透過貼近地面的飛行來克服敵方的防 衛。 脈衝雷達很難區分地面回波和低空飛機的反射波。連續波雷達克服了這一點,因為它可以忽略那些緩慢變化的地面回波而只對移動目標的反射訊號進行精準定位。 捕獲的資訊可再 傳送給協同作業的脈衝雷達進行進一步的分析和處理

    調頻連續波雷達 連續波雷達系統的缺點是由於缺少一個時間參考因而不能用來測量距離。然而, 可以利用 “調頻連續波”雷達產生時間參考來測量靜止目標的距離。此方法的原理是:傳送一頻率呈週期性變化的訊號。 當接收到回波訊號時,就會得到一個類似脈衝雷達的延遲。可以透過比較收發訊號的頻率來確定延時從而得到距離。 可以採用更加複雜的調頻模式(如噪聲雷達), 使得在相同的重複週期內得到最大的無模糊測量距離。 然而,最簡單的情況是採用基本的鋸齒波或三角波調頻,這隻能得到相對比較小的無模糊測量距離。

    目標距離是基於發射訊號和回波之間的延遲計算得到 此類測距原理有以下應用:例如,在飛機上測量高度(無線高度表)或用地面跟蹤雷達來保持 固定的離地高度。 相比脈衝測量雷達而言,它的優點是可提供連續的測量結果(相對於各種脈衝重複頻率下的離散時刻)。 調頻連續波雷達也常用於另一些民用的測距應用,如物位指示器。

    脈衝多普勒雷達 除了提供目標距離資訊(以及方向資訊),脈衝多普勒雷達還提供目標徑向速度資訊,雷達 發射機和接收機相參工作時, 速度資訊就可以從脈衝和脈衝之間的相位變化中獲得。通常使 用 I/Q 解調的方式。為了避免距離和速度模糊, 最新的脈衝多普勒雷達根據需要採用變脈衝重頻(PRF)的技術,脈衝重複頻率變化範圍一般從幾百 Hz 到 500 KHz。 另外,更為先進的脈衝多普勒雷達系統採用一種“交錯”的脈衝重頻(PRF),即根據探測過程需要,交替變換脈衝重頻。 要獲得脈衝多普勒系統高的效能,需要非常低的本振(LO) 相位噪聲,低的接收機噪聲,低的 I/Q 增益相位不平衡度 (以避免虛假的目標資訊)。 脈衝壓縮雷達 傳統的脈衝雷達和脈衝多普勒雷達,為了獲得高的距離解析度,需要發射非常短的脈衝,但 短脈衝意味著發射的訊號能量低,作用距離減小。增加脈衝功率,可以增加作用距離,但發 射功率的提高, 是很有限的,而且成本會很高。遠的作用距離和高距離解析度之間在實現中 存在矛盾。 脈衝壓縮體制利用脈衝內的調製,很大程度上解決了作用距離和距離解析度之間矛盾。充分 利用了寬脈衝提供的大的作用距離和短脈衝提供的高的解析度分別帶來的好處。並可以使用 低的脈衝功率。 透過調製脈衝,在脈衝之間建立時間上的參考,和調頻連續波(FMCW)的情況類似。常用的 調製方式:線性調頻,非線性調頻,脈衝相位編碼,多相調製和時-頻編碼調製 儘管脈衝壓縮雷達具有低脈衝功率時獲得遠的作用距離和高的解析度的優點,但也存在一個 明顯的不足,最短的作用距離受到脈衝寬度的限制,在脈衝發射時間,接收機是阻塞的。 在 空中交通管制的應用中,由於脈衝壓縮雷達這一主要不足,往往採用兩種技術,遠距離時採 用調頻脈衝,而近距離時則採用非常短的脈衝,而近距離時,不需要大的發射功率。 線性調頻應用最廣泛;非線性調頻儘管有許多優點,但迄今用的很少;脈衝相位編碼應用非常廣泛,尤其長度為 11 和 13 碼元的巴克碼(Barker)調製; 先進的軍用雷達系統中,特殊編碼的多相調製的脈衝壓縮技術的應用正逐步增加。 捷變頻雷達(FAR)(抗阻塞干擾和雜波抑制) 跳頻是雷達系統對付阻塞干擾和電子對抗(ECCM)的有效方法,通常用在軍用雷達技術中。 採用 FAR 還具有到雜波抑制的功能。典型引數:小於 1us 的切換時間,X 波段幾百 MHz 的跳變頻寬,W 波段(95GHz)2GHz 的跳變頻寬。 步進跳頻雷達 步進跳頻雷達多見成像應用,跳頻頻寬從幾百 MHz 到 2GHz,解析度達到 10cm 脈衝到脈衝之間,頻率以固定步進變化。典型應用一個跳變週期包括 128 個脈衝。步進跳頻的優點是,寬頻範圍內頻率跳變獲得很寬的頻寬,從而獲得高的解析度,而無需很大的瞬時 頻寬。 由於發射機和接收機的要求很大的射頻頻寬,這些子系統必須具有非常好的幅度和相位穩定 性,以獲得高的解析度。因此,測量脈衝-脈衝之間幅度相位穩定性非常重要。又如捷變頻 雷達(FAR)一樣,本振在跳變過程中的設定時間也是一個重要的測量引數。 活動目標指示雷達(MTI) 活動目標指示雷達(MTI)的基本思想是抑制固定的或慢速運動的目標的反射,如固定建築物、山體、雲、水波等雜波,以獲取運動目標,如飛行物、車輛的反射並指示。此時,由於 多普勒效應使得相對於雷達徑向運動的目標回波與發射機頻率之間產生頻差,這一頻差正比 於相對徑向速度(對線性調頻雷達而言)。對脈衝雷達系統,運動目標的回波相對於發射信 號而言,產生脈衝之間相位變化。 相控陣雷達 和反射天線只有一個輻射單元不同,相控陣雷達天線具有幾百甚至幾千個獨立的輻射單元。饋送到每個輻射單元訊號的幅度、相位可以分別獨立控制,從而可以獲得任何所需要的輻射方向形狀(方向圖)。實際應用中,方向輻射可以在±60°範圍內調整。與傳統機械掃描天線不同,相控陣天線方向圖的調整透過改變各單元饋電幅度和相位實現,所需時間非常短, 幾乎沒有延時。 相控陣造價非常高,主要應用於軍事領域和合成孔徑雷達(SAR)的衛星應用。有源相控陣 (ASEA)每個輻射單元都有獨立的發射/接收模組(T/R),而無源相控陣(PESA)則使用共 同的 RF 訊號,每個單元透過移相器進行調整。 對 ASEA 而言,不同 T/R 模組的幅相一致性非常重要,需要精確測試和測量 合成孔徑雷達(SAR) 合成孔徑雷達(SAR),與真實孔徑雷達(RAR)一樣,都屬於成像雷達。此類雷達系統安裝 於機載或星載平臺,透過電磁波掃描地球表面,而獲得地面二維圖象 SAR 基本原理是,包含一個沿輻射方向垂直的路徑移動的天線,位置全程已知,運動方向通常稱為“跡軌方向(Along Track)”或方位方向,而相應垂直於運動的方向稱為“斜距方向(Cross Track)”。而所謂“腳印(footprint)”是指真實孔徑照射的區域,所謂“刈幅 (swath)”則指沿運動方向掃過的一個條帶。 SAR 讓雷達在軌道上運動,並按一定的重複頻率發射雷達訊號,將連續的不同位置的訊號加以綜合,增加了時間頻寬積。可以等效為天線長度在運動方向增加,等效波束變窄,提高分 辨率。在距離方向,SAR 的訊號仍可以採用寬頻訊號,以獲得高的解析度。沿運動方向的解析度可以達到真實天線尺寸的一半。真實天線的長度減小一半,解析度改善一倍。 如果需要達到 1m 的解析度,訊號頻寬達到 150MHz。現代的 SAR 頻寬大於 1GHz,(有時需要 2GHz 頻寬),解析度達到小於 10cm。 訊號頻寬通常由脈衝壓縮獲得,如線性調頻。更先進的 SAR 採用步進跳頻、極化開關,以及其他複雜技術。 雙基地/多基地雷達 大多數情況下,雷達發射機和接收機利用同一天線,透過時間上的切換實現多工。這種雷達稱作“單基地雷達”,雙基地雷達具有一部發射機,而在另外的地點具有一部或多部接收機。 收發天線之間相隔很遠距離或很大的空間角。單基地雷達透過增加另外的接收機就很容易構成一部多基地雷達。或者,採用兩部工作於同頻率的單基地雷達構成一部多基地雷達 多基地雷達收發部分距離很遠或具有很大的空間角。這就意味著,在某些情況下,由於目標 反射等原因,單基地雷達無法接收到訊號時,多基地雷達仍能接收到訊號。所以,這種雷達 往往應用於氣象雷達和軍用反隱身雷達。 無源(被動)雷達 無源(被動)雷達是一種定位技術,不同於傳統的雷達,無源雷達不發射電磁波訊號,而是 接收、跟蹤已知的廣播發射機、移動電臺和其他系統所發射出來的訊號照射到目標上後產生 的反射和多普勒效應。無源(被動)雷達很難被偵查到,因為它不發射任何訊號。這在軍事 上具有重要應用。另一軍事應用是無源(被動)雷達在對隱身飛機探測,目前有源雷達技術 對此問題的解決是有限的。 當然,由於無源(被動)雷達無發射機,接收機測量將會是非常複雜。在測量解決方案中, 常常包含多路相干的訊號源。 低截獲率雷達 低截獲率(LPI)雷達是面向電子戰環境發展的軍用雷達系統。或多或少地,這種 LPI 雷達, 躲過電子情報系統(ELINT)的偵測。LPI 雷達採用瞭如下技術:多基地雷達 超低副瓣天線,超寬頻訊號,長脈衝,低功率,無源雷達多模雷達 現今,許多軍用雷達系統需要完成大量的任務,所以必須採用多種模式。目標搜尋和跟蹤,武器制導,高解析度地面測繪,惡劣天氣預測,電子對抗 在這些應用中,採用不同的脈衝重複頻率(PRF)和調製模式。調頻脈衝(Chirp)、脈內巴克碼(Barker)調製以及複雜調製、AESA 天線、SAR、跳頻、變極化等。測量這樣的多模雷達系統是複雜,費用很高的 未來雷達技術展望 未來,我們期待見到包含有雷達系統和紅外系統的多感測器系統,這樣可以將各自的優點緊 密的連線在一起,以克服各自特定的缺點。 軍用機載雷達系統將會不斷面臨先進戰鬥機隱蔽偷襲的威脅。今後,一架戰鬥機既要有隱蔽 偷襲功能,又不能在使用機載雷達時暴露自己,這是一對必須要解決的矛盾。解決這個問題 的可能就是採用雙基地雷達,即在飛機上只有發射機或只有接收機。 雷達天線將不再作為一個放在罩子裡獨立的部件單元,它將和飛機(輪船或其他平臺)的幾何結構共形。下一代 AESA 機載雷達系統將會有多幅天線陣列,從而獲得更大的空間掃描角。 雷達的資料處理部分的速度將大大提高(透過並行處理的方式),以適應處理更高的資料率, 從而可得到更高的解析度。

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