雷達(dá)在陸地、空中和海上的應(yīng)用

使用多年的雷達(dá)技術(shù)仍是當(dāng)今軍隊(duì)的關(guān)鍵戰(zhàn)術(shù)。那雷達(dá)技術(shù)的基本原理是什么？本文就帶你從入門開始了解雷達(dá)。

雷達(dá)是無線電探測和測距的統(tǒng)稱，其歷史可以追溯到 20 世紀(jì)早期。它最初是為軍事服務(wù)開發(fā)的，后來在第二次世界大戰(zhàn)中被用于戰(zhàn)爭。自早期以來，雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)發(fā)生了巨大的變化。如今，雷達(dá)不僅應(yīng)用于軍事，還有許多民用用途。

像上面所說的，雷達(dá)技術(shù)最初是為軍事目的而開發(fā)的。今天，陸地、空中和海上的軍事應(yīng)用都依賴于雷達(dá)，因此軍事服務(wù)仍是它的主要應(yīng)用領(lǐng)域。其中包括威脅探測，導(dǎo)彈制導(dǎo)，空中和海上導(dǎo)航等。

盡管雷達(dá)技術(shù)隨著時(shí)間的推移而改變，但其總體概念仍保持不變。典型的雷達(dá)系統(tǒng)由發(fā)射器和接收器組成。發(fā)射器的作用是向目標(biāo)物體方向發(fā)射信號，該目標(biāo)可以在離發(fā)射器很遠(yuǎn)的位置。因此這個(gè)信號必須足夠強(qiáng)，以到達(dá)預(yù)定目標(biāo)的位置。

當(dāng)發(fā)射信號到達(dá)目標(biāo)時(shí)，部分信號被反射，然后被雷達(dá)接收器檢測到，這種反射信號也稱為回波。為了成功探測遠(yuǎn)程目標(biāo)，雷達(dá)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(guān)于目標(biāo)的各種類型的信息。這些信息包括目標(biāo)的大小、距離、位置和速度。圖 1 為一個(gè)基本的雷達(dá)系統(tǒng)。

1、典型雷達(dá)系統(tǒng)運(yùn)行情況

雷達(dá)也在不同的頻段上工作。下表列出了不同的雷達(dá)頻段。

雷達(dá)方程
接收器輸入端的檢測信號明顯弱于發(fā)送信號。該接收信號的功率級由幾個(gè)因素決定，可以通過以下方程（也稱為雷達(dá)方程）進(jìn)行數(shù)學(xué)定義：

?

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

該方程表明發(fā)射和接收天線是相同的，通常被稱為單基地雷達(dá)系統(tǒng)。雙基地雷達(dá)系統(tǒng)使用獨(dú)立的天線進(jìn)行發(fā)射和接收。

當(dāng)發(fā)射信號擊中目標(biāo)時(shí)，能量被分散到各個(gè)方向，部分能量重新折回雷達(dá)系統(tǒng)。雷達(dá)散射截面（RCS）是一個(gè)重要的雷達(dá)參數(shù)，它決定了目標(biāo)反射能量的大小。RCS 的單位是 m2。

因此，雷達(dá)接收器必須非常靈敏，以便能夠檢測遠(yuǎn)距離目標(biāo)反射的信號。由于所有接收器都會產(chǎn)生一定量的噪聲，當(dāng)信號通過接收器時(shí)，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(yīng)信號的最小功率級，該信號可應(yīng)用于接收器的輸入以進(jìn)行適當(dāng)?shù)臋z測。如果已知最小功率級，就可以重新排列雷達(dá)方程，以確定雷達(dá)系統(tǒng)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(yīng)說明的是，圖中所示的最大目標(biāo)距離方程用簡化術(shù)語描述了雷達(dá)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(fā)射信號傳播到目標(biāo)再返回接收器所需要的時(shí)間來確定。目標(biāo)的徑向速度與多普勒頻移有關(guān)。從本質(zhì)上說，移動目標(biāo)所產(chǎn)生的返回信號頻率與發(fā)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(biāo)的徑向速度
fo=發(fā)送信號的頻率
C=光速

正多普勒頻率表示接近雷達(dá)系統(tǒng)目標(biāo)，負(fù)多普勒頻率表示遠(yuǎn)離目標(biāo)。因此，當(dāng)目標(biāo)接近雷達(dá)系統(tǒng)時(shí)，接收信號的頻率等于發(fā)射信號的頻率加上多普勒頻率。當(dāng)目標(biāo)遠(yuǎn)離雷達(dá)時(shí)，接收信號的頻率等于發(fā)射信號的頻率減去多普勒頻率。

連續(xù)波雷達(dá)信號
發(fā)射連續(xù)波信號的雷達(dá)系統(tǒng)可以確定目標(biāo)速度，速度是由多普勒頻率決定的，基于連續(xù)波的雷達(dá)系統(tǒng)雖然能確定目標(biāo)速度，但由于缺乏定時(shí)基準(zhǔn)，無法獲取目標(biāo)距離信息。

頻率調(diào)制連續(xù)波信號本質(zhì)上是一個(gè)頻率變化的波形。與連續(xù)波信號相比，利用頻率調(diào)制連續(xù)波信號的雷達(dá)系統(tǒng)可以確定目標(biāo)的速度和距離。

脈沖射頻信號
脈沖射頻信號是雷達(dá)應(yīng)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(fā)，因?yàn)樾盘柺窃谝欢螘r(shí)間內(nèi)“打開”，然后在另一段時(shí)間內(nèi)“關(guān)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(fù)頻率、脈沖重復(fù)間隔、脈沖寬度、占空比、上升時(shí)間和下降時(shí)間。這些脈沖特性對雷達(dá)系統(tǒng)本身的性能非常重要。

2、理想脈沖

3、脈沖調(diào)制射頻信號是雷達(dá)應(yīng)用中常用的一種信號

脈沖重復(fù)頻率是產(chǎn)生脈沖的速率。與它成反比的脈沖重復(fù)間隔可以描述為脈沖之間的時(shí)間間隔。雷達(dá)參數(shù)的最大明確范圍也非常重要，它由脈沖重復(fù)間隔確定。最大明確范圍可以定義為脈沖到達(dá)目標(biāo)的最大距離，以便在發(fā)送下一個(gè)脈沖之前接收到回波。位于該距離之外的目標(biāo)可能導(dǎo)致模糊的回波響應(yīng)，因?yàn)樵谙惹鞍l(fā)送的脈沖被反射回接收器之前，會先發(fā)送新的脈沖。因此，增加脈沖重復(fù)間隔會增加明確的范圍，其數(shù)學(xué)定義如下：

C=光速

分辨率是雷達(dá)的另一個(gè)重要參數(shù)。分辨率決定了雷達(dá)系統(tǒng)能在多大程度上區(qū)分兩個(gè)不同的目標(biāo)。換句話說，兩個(gè)彼此接近的目標(biāo)可能與雷達(dá)系統(tǒng)有一定距離，一個(gè)具有足夠分辨率的雷達(dá)系統(tǒng)將能夠區(qū)分兩個(gè)目標(biāo)。但是，如果分辨率不夠，雷達(dá)系統(tǒng)只能看到一個(gè)錯(cuò)誤目標(biāo)，而不能正確看到兩個(gè)獨(dú)立的目標(biāo)。

減小發(fā)射信號的脈沖寬度可以提高雷達(dá)系統(tǒng)的分辨率。然而，減小脈沖寬度也會對可傳輸?shù)墓β柿慨a(chǎn)生限制，從而限制雷達(dá)系統(tǒng)的范圍。通過增加發(fā)射信號的脈沖寬度，可以實(shí)現(xiàn)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(dá)性能方面的權(quán)衡非常重要。

脈沖壓縮
采用不同的調(diào)制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮，它是一種可以用來克服距離和分辨率之間的權(quán)衡技術(shù)。脈沖壓縮使長脈沖能夠傳輸，然后在接收端進(jìn)行壓縮，從而使雷達(dá)系統(tǒng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程和高分辨率。

單脈沖壓縮技術(shù)基于線性頻率調(diào)制（圖 4）。使用這種技術(shù)，脈沖從某個(gè)射頻載波頻率開始，在整個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)線性增加頻率，接收端的匹配濾波負(fù)責(zé)壓縮接收到的信號。線性調(diào)頻脈沖也稱為調(diào)頻啁啾。此外，另一種脈沖壓縮技術(shù)是基于非線性調(diào)頻。

4、脈沖壓縮的線性調(diào)頻方法

脈沖壓縮也可以基于相位調(diào)制。其中一種技術(shù)采用二進(jìn)制相移鍵控調(diào)制，使用巴克碼序列。這種方法用于產(chǎn)生可壓縮脈沖。

天線和相控陣系統(tǒng)
雷達(dá)系統(tǒng)中還有一個(gè)方面沒有詳細(xì)討論，那就是天線。適當(dāng)?shù)奶炀€性能對任何雷達(dá)系統(tǒng)都至關(guān)重要。前面介紹的雷達(dá)方程顯示了雷達(dá)系統(tǒng)的性能是如何取決于天線增益的。天線增益越大，雷達(dá)系統(tǒng)的射程就越遠(yuǎn)。此外，縮小天線的波束寬度也會增加其增益。

在雷達(dá)應(yīng)用中，天線波束通常是動態(tài)控制的，以覆蓋整個(gè)感興趣的區(qū)域。使用這種動態(tài)波束控制是因?yàn)殪o態(tài)波束不具備覆蓋整個(gè)區(qū)域的能力。傳統(tǒng)上，可控光束通過機(jī)械定位系統(tǒng)完成。然而，現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)通常利用相控陣天線系統(tǒng)來控制電子波束。

相控陣天線系統(tǒng)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(wǎng)格中相鄰放置，最簡單的情況下甚至僅在一條直線上。根據(jù)施加到各個(gè)天線元件的信號相位，獨(dú)立的天線束會有建設(shè)性和破壞性地相互干擾，因此，天線波束可以組合成一個(gè)特定方向的窄波束，而在其他方向發(fā)生抵消。波束的方向可以通過調(diào)整應(yīng)用于天線元件的信號相位來改變。

5、相控陣天線系統(tǒng)的簡化框圖

相控陣系統(tǒng)可以改變波束方向，而無需物理移動天線。此外，這些系統(tǒng)可以有數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)單獨(dú)的天線元件組成。與機(jī)械系統(tǒng)相比，相控陣系統(tǒng)具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先，它們更快，此外，相控陣系統(tǒng)消除了機(jī)械故障的可能性。

雷達(dá)測試儀器
雷達(dá)系統(tǒng)測試可以通過各種測試儀器進(jìn)行信號生成和分析。隨著雷達(dá)系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜，現(xiàn)代測試儀器的功能也能滿足這些需求?？捎糜谏珊头治隼走_(dá)信號的不同類型的儀器包括矢量信號發(fā)生器、任意波形發(fā)生器、示波器、功率表、頻譜分析儀和矢量信號分析儀。

雷達(dá)信號產(chǎn)生
產(chǎn)生雷達(dá)信號可以通過幾種不同的方法來實(shí)現(xiàn)。在雷達(dá)測試方面，垂直地面雷達(dá)無疑是一種重要的儀器。它們可以產(chǎn)生調(diào)制信號，例如雷達(dá)應(yīng)用中使用的脈沖射頻信號。

AWG 也是雷達(dá)信號產(chǎn)生的重要測試儀器。傳統(tǒng)的雷達(dá)信號產(chǎn)生方法是利用 AWG 產(chǎn)生基帶信號，然后將其應(yīng)用于射頻調(diào)制器。該方法產(chǎn)生的調(diào)制信號可用于雷達(dá)測試環(huán)境。然而，更新的 AWG 可以直接生成用于雷達(dá)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(fù)頻率決定。主瓣和旁瓣的寬度與脈沖寬度有關(guān)。當(dāng)使用頻譜分析儀測量脈沖射頻信號時(shí)，分辨率帶寬必須低于脈沖重復(fù)頻率，以便區(qū)分每個(gè)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?yàn)樗鼈兛梢圆东@信號的幅度和相位信息。除頻域分析外，還可以在時(shí)域和調(diào)制域中顯示測量結(jié)果，對于分析當(dāng)今復(fù)雜的脈沖雷達(dá)信號也非常有效。

功率計(jì)
功率計(jì)是另一種可以用來測量雷達(dá)信號的儀器。平均功率計(jì)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(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)確，只有理想脈沖才能進(jìn)行精確測量。因此，平均功率計(jì)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(jì)可直接測量脈沖射頻信號的峰值功率電平。峰值功率計(jì)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(luò)。視頻帶寬也是一個(gè)重要參數(shù)，它必須足夠精確地跟蹤脈沖射頻信號的包絡(luò)。

示波器
示波器測量可以追溯到早期的雷達(dá)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(gè)測量能力方面也存在權(quán)衡。

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