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雷達在陸地、空中和海上的應用

2019-07-29 09:12:03 來源:EEFOCUS
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使用多年的雷達技術仍是當今軍隊的關鍵戰術。那雷達技術的基本原理是什么?本文就帶你從入門開始了解雷達。

 

雷達是無線電探測和測距的統稱,其歷史可以追溯到20世紀早期。它最初是為軍事服務開發的,后來在第二次世界大戰中被用于戰爭。自早期以來,雷達技術已經發生了巨大的變化。如今,雷達不僅應用于軍事,還有許多民用用途。

 

像上面所說的,雷達技術最初是為軍事目的而開發的。今天,陸地、空中和海上的軍事應用都依賴于雷達,因此軍事服務仍是它的主要應用領域。其中包括威脅探測,導彈制導,空中和海上導航等。

 

盡管雷達技術隨著時間的推移而改變,但其總體概念仍保持不變。典型的雷達系統由發射器和接收器組成。發射器的作用是向目標物體方向發射信號,該目標可以在離發射器很遠的位置。因此這個信號必須足夠強,以到達預定目標的位置。

 

當發射信號到達目標時,部分信號被反射,然后被雷達接收器檢測到,這種反射信號也稱為回波。為了成功探測遠程目標,雷達接收器必須高度靈敏。一旦接收器檢測到反射信號,就可以獲得關于目標的各種類型的信息。這些信息包括目標的大小、距離、位置和速度。圖1為一個基本的雷達系統。

 

1、典型雷達系統運行情況

 

雷達也在不同的頻段上工作。下表列出了不同的雷達頻段

 

 

雷達方程
接收器輸入端的檢測信號明顯弱于發送信號。該接收信號的功率級由幾個因素決定,可以通過以下方程(也稱為雷達方程)進行數學定義:

 

 

 

pt=傳輸功率
G=天線增益
λ=發射信號的波長
σ=雷達截面
R=天線與目標之間的距離(距離)

 

該方程表明發射和接收天線是相同的,通常被稱為單基地雷達系統。雙基地雷達系統使用獨立的天線進行發射和接收。

 

當發射信號擊中目標時,能量被分散到各個方向,部分能量重新折回雷達系統。雷達散射截面(RCS)是一個重要的雷達參數,它決定了目標反射能量的大小。RCS的單位是m2。

 

因此,雷達接收器必須非常靈敏,以便能夠檢測遠距離目標反射的信號。由于所有接收器都會產生一定量的噪聲,當信號通過接收器時,信噪比會降低。成功檢測反射信號需要使接收器輸出最小信噪比。

 

最小信噪比對應信號的最小功率級,該信號可應用于接收器的輸入以進行適當的檢測。如果已知最小功率級,就可以重新排列雷達方程,以確定雷達系統的最大射程。該方程式如下:

 

 

PEmin =接收器輸入端的最小功率電平

 

應說明的是,圖中所示的最大目標距離方程用簡化術語描述了雷達性能。而傳播效果等其他因素也會影響性能。

 

確定范圍和徑向速度
范圍由發射信號傳播到目標再返回接收器所需要的時間來確定。目標的徑向速度與多普勒頻移有關。從本質上說,移動目標所產生的返回信號頻率與發送信號頻率不同。該頻率稱為多普勒頻率(fd),可以通過以下方程來定義:

 

 

v=目標的徑向速度
fo=發送信號的頻率
C=光速

 

正多普勒頻率表示接近雷達系統目標,負多普勒頻率表示遠離目標。因此,當目標接近雷達系統時,接收信號的頻率等于發射信號的頻率加上多普勒頻率。當目標遠離雷達時,接收信號的頻率等于發射信號的頻率減去多普勒頻率。

 

連續波雷達信號
發射連續波信號的雷達系統可以確定目標速度,速度是由多普勒頻率決定的,基于連續波的雷達系統雖然能確定目標速度,但由于缺乏定時基準,無法獲取目標距離信息。

 

頻率調制連續波信號本質上是一個頻率變化的波形。與連續波信號相比,利用頻率調制連續波信號的雷達系統可以確定目標的速度和距離。

 

脈沖射頻信號
脈沖射頻信號是雷達應用中較為常見的信號形式,脈沖射頻信號可以描述為周期性的射頻能量爆發,因為信號是在一段時間內“打開”,然后在另一段時間內“關閉”。

 

圖2為理想脈沖,圖3為理想脈沖射頻信號。脈沖有許多特性定義,如峰值功率、平均功率、脈沖重復頻率、脈沖重復間隔、脈沖寬度、占空比、上升時間和下降時間。這些脈沖特性對雷達系統本身的性能非常重要。

 

2、理想脈沖

 

3、脈沖調制射頻信號是雷達應用中常用的一種信號

 

脈沖重復頻率是產生脈沖的速率。與它成反比的脈沖重復間隔可以描述為脈沖之間的時間間隔。雷達參數的最大明確范圍也非常重要,它由脈沖重復間隔確定。最大明確范圍可以定義為脈沖到達目標的最大距離,以便在發送下一個脈沖之前接收到回波。位于該距離之外的目標可能導致模糊的回波響應,因為在先前發送的脈沖被反射回接收器之前,會先發送新的脈沖。因此,增加脈沖重復間隔會增加明確的范圍,其數學定義如下:

 

 

C=光速

 

分辨率是雷達的另一個重要參數。分辨率決定了雷達系統能在多大程度上區分兩個不同的目標。換句話說,兩個彼此接近的目標可能與雷達系統有一定距離,一個具有足夠分辨率的雷達系統將能夠區分兩個目標。但是,如果分辨率不夠,雷達系統只能看到一個錯誤目標,而不能正確看到兩個獨立的目標。

 

減小發射信號的脈沖寬度可以提高雷達系統的分辨率。然而,減小脈沖寬度也會對可傳輸的功率量產生限制,從而限制雷達系統的范圍。通過增加發射信號的脈沖寬度,可以實現較長的距離。短脈沖允許更好的分辨率,而長脈沖允許更長的范圍,因此,雷達性能方面的權衡非常重要。

 

脈沖壓縮
采用不同的調制技術可以實現脈沖壓縮,它是一種可以用來克服距離和分辨率之間的權衡技術。脈沖壓縮使長脈沖能夠傳輸,然后在接收端進行壓縮,從而使雷達系統同時實現遠程和高分辨率。

 

單脈沖壓縮技術基于線性頻率調制(圖4)。使用這種技術,脈沖從某個射頻載波頻率開始,在整個脈沖持續時間內線性增加頻率,接收端的匹配濾波負責壓縮接收到的信號。線性調頻脈沖也稱為調頻啁啾。此外,另一種脈沖壓縮技術是基于非線性調頻。

 

4、脈沖壓縮的線性調頻方法

 

脈沖壓縮也可以基于相位調制。其中一種技術采用二進制相移鍵控調制,使用巴克碼序列。這種方法用于產生可壓縮脈沖。


天線和相控陣系統
雷達系統中還有一個方面沒有詳細討論,那就是天線。適當的天線性能對任何雷達系統都至關重要。前面介紹的雷達方程顯示了雷達系統的性能是如何取決于天線增益的。天線增益越大,雷達系統的射程就越遠。此外,縮小天線的波束寬度也會增加其增益。

 

在雷達應用中,天線波束通常是動態控制的,以覆蓋整個感興趣的區域。使用這種動態波束控制是因為靜態波束不具備覆蓋整個區域的能力。傳統上,可控光束通過機械定位系統完成。然而,現代雷達系統通常利用相控陣天線系統來控制電子波束。

 

相控陣天線系統可定義為天線陣列或輻射元件(圖5)。這些元件可以在矩形網格中相鄰放置,最簡單的情況下甚至僅在一條直線上。根據施加到各個天線元件的信號相位,獨立的天線束會有建設性和破壞性地相互干擾,因此,天線波束可以組合成一個特定方向的窄波束,而在其他方向發生抵消。波束的方向可以通過調整應用于天線元件的信號相位來改變。

 

5、相控陣天線系統的簡化框圖

 

相控陣系統可以改變波束方向,而無需物理移動天線。此外,這些系統可以有數百甚至數千個單獨的天線元件組成。與機械系統相比,相控陣系統具有幾個優點。首先,它們更快,此外,相控陣系統消除了機械故障的可能性。

 

雷達測試儀器
雷達系統測試可以通過各種測試儀器進行信號生成和分析。隨著雷達系統變得越來越復雜,現代測試儀器的功能也能滿足這些需求。可用于生成和分析雷達信號的不同類型的儀器包括矢量信號發生器、任意波形發生器、示波器、功率表、頻譜分析儀和矢量信號分析儀。

 

雷達信號產生
產生雷達信號可以通過幾種不同的方法來實現。在雷達測試方面,垂直地面雷達無疑是一種重要的儀器。它們可以產生調制信號,例如雷達應用中使用的脈沖射頻信號。

 

AWG也是雷達信號產生的重要測試儀器。傳統的雷達信號產生方法是利用AWG產生基帶信號,然后將其應用于射頻調制器。該方法產生的調制信號可用于雷達測試環境。然而,更新的AWG可以直接生成用于雷達測試的射頻信號。

 

頻譜分析儀和矢量信號分析儀
頻譜分析儀用于分析頻域中的脈沖射頻信號。圖6是脈沖射頻信號頻譜分析儀示意圖,光譜分量之間的距離由脈沖重復頻率決定。主瓣和旁瓣的寬度與脈沖寬度有關。當使用頻譜分析儀測量脈沖射頻信號時,分辨率帶寬必須低于脈沖重復頻率,以便區分每個頻譜分量。

 

6、脈沖射頻信號頻譜分析儀示意圖

 

VSA提供了頻譜分析儀以外的測量功能,因為它們可以捕獲信號的幅度和相位信息。除頻域分析外,還可以在時域和調制域中顯示測量結果,對于分析當今復雜的脈沖雷達信號也非常有效。

 

功率計
功率計是另一種可以用來測量雷達信號的儀器。平均功率計可以測量脈沖射頻信號的平均功率。如果已知占空比,也可以確定峰值功率。但是,任何脈沖異常都會導致測量結果不準確,只有理想脈沖才能進行精確測量。因此,平均功率計并非是用于測量脈沖射頻信號峰值功率的最佳儀器。

 

峰值功率計可直接測量脈沖射頻信號的峰值功率電平。峰值功率計通常具有跟蹤顯示功能,使人們可以看到脈沖射頻信號的包絡。視頻帶寬也是一個重要參數,它必須足夠精確地跟蹤脈沖射頻信號的包絡。

 

示波器
示波器測量可以追溯到早期的雷達脈沖,今天的一些示波器提供了毫米波頻率的測量能力。最后,雖然VSA和示波器都具有許多相同的測量功能,但在每個測量能力方面也存在權衡。

 

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