雷达是利用无线电作为探测手段的传感设备,其已有一百多年的发展历史。雷达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。随着数字信号处理技术的飞速发展以及相应的硬件水平不断提升,当前雷达系统已应用普及到诸多领域,如汽车辅助驾驶、遥测遥感、地质勘探、大气探测等。  然而,随着电磁环境逐渐复杂,各种干扰技术层出不穷,具有灵活对抗干扰能力、更强的目标检测性能、适应多变环境的新体制雷达成为各大应用领域的迫切需求。多输入多输出(Multiple-input
Multiple-output)雷达就是把无线通信系统中的多个输入和多个输出技术引入到雷达领域,并和数字阵列技术相结合而产生的一种新体制雷达,简称“MIMO雷达”。  2003年,美国林肯实验室的Bliss和Forsythe首次提出MIMO雷达的概念,其是指同时发射多种雷达信号波形,一般采用的是多个天线同时发射不同的波形,“Multiple-output”是指多个天线同时接收回波信号,并通过多路接收机输出以获得多通道空间采样信号。根据发射和接收天线中各单元的间距大小,可以将MIMO雷达分为分布式MIMO雷达和集中式MIMO雷达两类。分布式MIMO雷达中收发天线各单元分布式布局,带来对目标的多角度探测视野,
提高雷达对目标的探测性能;集中式MIMO雷达的收发天线各单元相距较近,,各个天线单元对目标的视角近似相同,但是每个阵元可以发射不同的信号波形,
从而获得波形分集,通过不同波形的特征来集中分析目标特性。这就带来许多优良特点,如改善系统的能量利用率、提高测角精度、提高杂波抑制能力及低截获能力。  MIMO雷达改良了传统雷达的相关缺陷,具有良好的应用发展前景。早期的扫描雷达只发射一种频率的信号波形,配合单一的接收机接收,可以看做单输入单输出雷达;单脉冲雷达只发射一种信号波形,
一般有两路(和波束与差波束或者左波束和右波束)接收机输出,,其属于单输入双输出雷达。MIMO雷达综合了上述雷达的优缺点,在输入输出端都采用了多路收发技术,具有极大的应用潜力。

原标题:机载雷达的时间简史

    雷达概念形成于20世纪初。雷达是英文radar的音译,为Radio Detection And
Ranging的缩写,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。

姓名:彭帅                     学号:17021210850

来源:航空知识、电波之矛

  • 组成

【嵌牛导读】:聚类方法是将物理或抽象对象的集合组成为由类似的对象组成的多个类的过程被成为聚类。

作者:曹晨

   
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。还有电源设备、数据录取设备、抗干扰设备等辅助设备。

【嵌牛鼻子】:雷达

从地基起步

  • 原理

【嵌牛提问】:MIMO雷达简介

蝙蝠,虽然像人一样拥有双眼,但它看起东西来,用到的却不是眼睛。蝙蝠从鼻子里发出的超声波在传输过程中遇到物体后会立刻反弹,根据声波发射和回波接收之间的时间差,蝙蝠就可以轻易地判断出物体的位置。这一工作原理与人类发明的雷达如出一辙。

   
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)。  

【嵌牛正文】:

从蝙蝠的生存技能来理解雷达,无疑是一个很有意思的捷径。不过把雷达的发明说成是仿生学的结果,却是一种牵强附会。如果时间倒退到七十多年前,英国的雷达先驱者们听到这种说法,也一定会笑着解释说,“不,不,是轰炸机让我们发明了雷达,而不是蝙蝠。”

   
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。  

雷达作为20世纪初以来高速发展的近现代科学技术,其在警戒、引导、火控、航行、气象等方面得到了广泛的应用,近年来,无人驾驶技术的兴起,使得雷达更贴近于人们的日常生活。

1935年,英国科学家罗伯特.沃森.瓦特爵士(发明蒸汽机的那位瓦特先生的后代),显然继承了其祖先的优秀基因,成为世界上第一部雷达的研制者。当时正值第二次世界大战前。那时的轰炸机在战争中已经扮演了重要的角色,为了发现入侵的轰炸机,最初只能利用光学(如探照灯)或声学的手段,显然,这种方法提供的预警时间太短,不能满足防空需要。为了缓解巨大的防空压力,英国人可谓绞尽脑汁。

   
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。  

雷达是现代战争中重要的军事手段,一战中飞机的出现使得军事上迫切需要一种能探测高空物体的手段。在前人的理论和实验基础上,世界上第一个雷达站出现在英国的索夫克海岸,从此开始,雷达与现代战争密不可分,在二战期间发挥了无法替代的作用。

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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。

雷达作为一种军事手段,那么交战中的另一方必然需要一种能对抗雷达的手段,以保证自身的飞行物,如轰炸机、运输机、导弹等不被雷达探测到。二战中,雷达起到了重要的侦测作用,对抗雷达侦测的方法主要是特种部队突袭雷达基站、飞机投放锡条干扰雷达等方式对抗雷达的探测。

1935年初,瓦特开发出一部能够接收电磁波的设备。当年6月,瓦特领导的团队赶制出了世界上的第一部雷达。多座高塔是这部雷达的最显著特征,高塔之间挂列着平行放置的发射天线,而接收天线则放置在另外的高塔上。7月,这部雷达探测到海上的飞机。1936年5月,英国空军决定在本土大规模部署这种雷达,称为“本土链”(Chain
Home),到1937年4月,本土链雷达工作状态趋于稳定,能够探测到160千米以外的飞机;到了8月,已经有3个本土链雷达站部署完毕。而到了1939年初,投入使用的雷达站增加到20个,形成贯通英国南北的无线电波防线。

  • 应用  

为了在雷达侦测中提高战机的生存率,雷达对抗应运而生,二战时期,日本偷袭珍珠港就采用了电子欺骗技术。二战后发展的隐身技术极大降低了隐身轰炸机等的雷达反射面积,要检测到这样的目标,传统的雷达需要增大其发射功率,然而增大雷达发射功率就会导致雷达发射波易被截获,增大了被敌方发现的概率,使得雷达基地处于易被反辐射导弹攻击的境地。

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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。

随着集成电路技术的高速发展,现代化雷达有了实现的可能,芯片的运算速度提高、体积减小、成本降低,使得中央处理器可以处理大量数据,一些新型雷达如:MIMO(多输入多输出)雷达,正交组网雷达、数字阵列雷达等都得到了很大的发展。

1939年,二战爆发。英德之间的不列颠空战成为雷达大显身手的舞台。本土链雷达网多次探测到德军的空袭,并为己方拦截机提供引导信息。也许,德国人并没有真正理解本土链的威力,因此自始至终都没有对那一个个看来莫名其妙的高塔进行轰炸或干扰。

  • 种类  

MIMO雷达是本世纪提出的雷达体制,受MIMO通信技术的启发,该雷达使用了多个雷达发射机和接收机,发射机发射多个相互正交的信号对目标进行检测,由接收机接收这些发射信号照射目标散射的多路回波。MIMO雷达对各回波信号进行综合处理,可以得到较稳定的信噪比,以消除因地理环境因素和目标RCS的起伏造成的回波性能降低,从而提高目标检测性能。

雷达先驱者们的不幸

   
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)按用途可分为: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。

与传统雷达相比,MIMO雷达具有很多的优点,它可以对抗隐性技术,同时也有效的降低发射功率,与相控阵雷达相比,其峰值功率大大降低,同时其接收机和发射机可以不在同一位置,即采用多基地雷达的配置,这些特点增加了其在电子战中的存活率,有着十分重要的战略意义。

雷达在战争中展露头角,使得英国人也想把雷达装上飞机。在空战中,如果在晴朗的白天,飞行员一般都能比较顺利地发现敌机,但如果天气不好或者是在夜晚,发现目标就会变得困难。把雷达装上飞机就能帮助飞行员穿透迷雾和黑夜进行空中拦截作战——空中截击雷达(AI雷达)的概念就出现了。然而,以当时的技术水平,哪个工程师要是被军方派去开发AI雷达,绝对是一种不幸。先不说本土链雷达的巨大天线,仅仅是巨大的耗电量就是个难以解决的事儿了。那么,怎么样才能把雷达做得足够“迷你”够“环保”却又看得足够远呢?

  1. 脉冲测量雷达 (pulse instrumentation radar )
    对飞行器进行跟踪和精密测量的无线电设备。它为航天器定轨和目标特性测量提供测量信息。常用的脉冲测量雷达有圆锥扫描雷达和单脉冲雷达。
      工作原理 脉冲测量雷达通过测量脉冲电磁波往返时间延迟得到目标的距离信息,根据接收脉冲载波中的多普勒频率测量目标的径向速度,利用等信号法获得目标的方位角和俯仰角数据。圆锥扫描雷达的跟踪原理是:天线波束偏离雷达瞄准轴(等信号轴)一个小的角度,并绕瞄准轴快速旋转,在波束最大增益方向扫成一个圆锥体,使目标回波幅度呈正弦调制。对信号解调和鉴相可得到瞄准轴与目标之间的角误差信号,用以控制天线向减小目标偏角的方向转动,实现角度跟踪。单脉冲雷达则用
    4个相对于等信号轴对称配置的接收□叭同时接收回波,上、下对与左、右对□叭所接收到的信号进行比较,得到误差信号,用以控制天线转动,当转动到两对□叭接收到的信号相等时就完成了角度跟踪。在雷达跟踪的同时,可从天线座的角编码器读出方位角和俯仰角数据。单脉冲比圆锥扫描方式测角精度高、数据率高、抗干扰能力强。对目标回波信号波形的测量、分析和处理可以得到有关目标反射截面、翻滚速度、极化特性等信息。
      工作方式 脉冲测量雷达有三种工作方式:①反射式:雷达接收目标的反射信号。这种工作方式常用于近距离目标的跟踪,获得火箭动力段信息和再入目标的特性数据。②应答式:雷达接收飞行器上应答机转发的信号。这种方式转发信号强,雷达作用距离远,抗干扰能力强,用于远距离目标的测量。应答式工作又可分为相参应答式和非相参应答式两种。采用相参应答式工作时,应答机的收、发频率之间保持严格的倍数关系。③信标
    式:雷达只接收飞行器上信标机发射的信号,不能测距,只用于捕获目标。
      为了扩大航区测量范围,常沿航区纵列配置多台雷达,实现对目标的接力跟踪测量,称为雷达链,即当前一站雷达在不能继续跟踪或“看不见”目标之前,后一站雷达已将其捕获。各台雷达同步工作,给出实时截获数据。(见脉冲多普勒雷达、无线电跟踪测量系统)

  2. 脉冲多普勒雷达 (pulsed Doppler radar )
    应用多普勒效应并以频谱分离技术抑制各类背景杂波的脉冲雷达。机载脉冲多普勒雷达具有下视的功能,并能提高预警、空中格斗、对付低空突防目标和攻击地面目标的能力。脉冲多普勒雷达是截击机火力控制系统的重要组成部分。这种雷达除用于空中导航、机载火力控制、空中预警与指挥系统之外,还可用于导弹的主动式导引头和用于登月飞船中的着陆设备。
      1842年奥地利物理学家C.多普勒发现波源和观测者的相对运动会使观测到的频率发生变化,这种现象称为多普勒效应。直到1938年人们才开始研究将这一效应用于无线电设备中。50年代研制成功用于空中导航的机载脉冲多普勒导航雷达和机载相参脉冲多普勒火控截击雷达。60年代以来,为了对付低空突防和提高战略防卫系统效能,研制了新型的空中警戒与指挥系统,采用脉冲多普勒体制的下视雷达,扩大了监视视野,可以发现数百公里以外的低空入侵目标,并能提供适时的空中情报。
      基本原理 当机载雷达发射机以一特定频率发射高频能量脉冲时,在同一距离门内接收的不同径向速度目标回波有不同的多普勒频移。因此,脉冲多普勒雷达具有精确测速和速度分辨能力。发射的脉冲信号谱由载频□□和边频□□DangerCode;□□□上的若干条离散谱线组成,□□是发射脉冲重复频率,□为整数。频谱的包络由发射脉冲形状决定。通常采用矩形脉冲,其频谱包络为sin□□/□。
      接收站要从主波束杂波、垂线杂波和旁瓣杂波的杂波谱背景中分离出有用目标的谱线。接收机中设有多个并联的距离门,每一距离门对应一个距离单元和相应的一条距离通道。每一距离通道中有一个单边带滤波器,通过滤波器后的频谱再经过窄带滤波器组取出所需运动目标回波的一根谱线。这样脉冲多普勒雷达不仅有测量和分辨距离的能力,而且还具有测量和分辨速度的能力。
      组成和体制 机载脉冲多普勒雷达主要由天线、发射机、接收机、伺服系统、数字信号处理机、雷达数据处理机和数据总线等组成。机载脉冲多普勒雷达通常采用相干体制,为了提高雷达在杂波谱中检测有用信号的能力,需要有极高的载频稳定度和频谱纯度,还要有极低的天线旁瓣和采取先进的数字信号处理技术。为了减少旁瓣杂波电平和减少主杂波在频域所占据的相对范围,脉冲多普勒雷达通常采用较高的重复频率。为了在全方位下视和上视方面都有较好的性能,雷达采用多种重复频率和多种发射信号形式。为了消除由于采用较高重复频率带来的测速、测距中的模糊问题(即多值性问题),还能发射多个不同重复频率的信号,在数据处理机中利用代数方法消除模糊。此外还可应用滤波理论在数据处理机中对目标坐标数据作进一步滤波或预测。
    机载脉冲多普勒雷达方框图
      特点 现代机载脉冲多普勒雷达具有下列特点:①采用可编程序信号处理机,以增大雷达信号的处理容量、速度和灵活性,提高设备的复用性,从而使雷达能在跟踪的同时进行搜索并能改变或增加雷达的工作状态,使雷达具有对付各种干扰的能力和超视距的识别目标的能力;②采用可编程序栅控行波管,使雷达能工作在不同脉冲重复频率,具有自适应波形的能力,能根据不同的战术状态选用低、中或高三种脉冲重复频率的波形,并可获得各种工作状态的最佳性能;③采用多普勒波束锐化技术获得高分辨率,在空对地应用中可提供高分辨率的地图测绘和高分辨率的局部放大测绘,在空对空敌情判断状态可分辨出密集编队的群目标。

  3. 目标截获和识别雷达 (target acquisition and identification radar

    在宽广的搜索空域内对来袭目标进行截获、跟踪和识别的雷达。它通常是早期预警雷达网的一个组成部分。它接受早期预警雷达的引导数据,在指定的空域内搜索并截获目标。通过对目标的自动跟踪过程,完成对各种可疑目标的筛选、分类和识别(见目标识别技术)。然后将真实的攻击性目标(弹道导弹的弹头、轰炸机和空地导弹等)分配给反弹道导弹防御系统和防空系统的引导雷达。目标截获和识别雷达是从60年代初发展起来的,采用相控阵体制(见相控阵雷达),工作于P频段(400~500兆赫),作用距离为3000~4500公里。其特点是搜索周期短、截获概率高、反应快、发射波形多变和识别能力强。截获概率等于目标存在于搜索空域内的概率乘以被发现的概率,后一概率完全由雷达的能力和检测装置性能所决定。目标截获和识别雷达根据早期预警雷达的引导数据,在指定的两维角度和径向距离上同时进行快速搜索。针状天线波束有螺旋、扇形和光栅状等多种扫描方式。距离搜索波门一般作匀速运动。目标被截获后,雷达立即转入自动跟踪状态。雷达转入自动跟踪状态后,能够对多个目标进行测距、测速和测角,计算它们的位置和运动参数,同时进行极化状态变换、发射波形变换,并计算目标特征信号,以供识别判断。被截获的目标虽然经过早期预警雷达的初选,但由于电子对抗的发展,真实目标还会伴有许多假目标(如弹体碎块、箔条诱饵和热诱饵等)。目标截获和识别雷达能够识别可疑目标,排除假目标,只留下真目标。

  4. 气象雷达 (meteorological radar )
    探测气象要素和各种天气现象的雷达。气象雷达可提供飞机前方气象情况的准确和连续的图像并以距离和方位的形式显示出来,为飞机改变航道、避开颠簸区域和飞行安全提供保障;为天气预报,火箭、导弹和航天器的发射与飞行提供必要的气象资料;为机场气象保障和气象研究提供资料。气象雷达可分为测雨雷达、测云雷达和测风雷达等。
      测雨雷达 又称天气雷达,是利用雨滴、云状滴、冰晶、雪花等对电磁波的散射作用来探测大气中的降水或云中大滴的浓度、分布、移动和演变,了解天气系统的结构和特征。测雨雷达能探测台风、局部地区强风□、冰雹、□雨和强对流云体等,并能监视天气的变化。
    雷达探测的雷□雨环  测云雷达 工作原理和测雨雷达相同,主要用来探
    测云顶、云底的高度。如空中出现多层云时,还能测出各层的高度。由于云粒子比降水粒子小,测云雷达的工作波长较短。测云雷达只能探测云比较少的高层云和中层云。对于含水量较大的低层云,如积雨云、冰雹等,测云雷达的波束难以穿透,因而只能用测雨雷达探测。
      测风雷达 用来探测高空不同大气层的水平风向、风速以及气压、温度、湿度等气象要素。测风雷达的探测方式一般都是利用跟踪挂在气球上的反射靶或应答器,不断对气球进行定位。根据气球单位时间内的位移,就能定出不同大气层水平风向和风速。在气球上同时挂有探空仪,遥测高空的气压、温度和湿度。
      大多数国家的气象雷达已布设成网,探测范围可覆盖本国国土。先进的飞机上也装有机载天气雷达。

  5. 相控阵雷达 (phased array radar )
    采用阵列天线实现波束在空间电扫描的雷达。高速飞机、导弹和人造地球卫星的出现,要求雷达具有更高的探测能力、更大的覆盖空域、更高的数据率和适应多目标环境。机械扫描雷达惯性大,目标容量有限,无法满足这样的要求。相控阵雷达的波束在几个微秒时间内便可在全空域内跳跃,波束形状灵活多变,并可由计算机直接对信号进行处理和对雷达进行控制,与传统的机械扫描雷达相比发生了根本性的变化。
    相控阵雷达
      特点
    相控阵雷达的主要特点是:①多功能、大空域、多目标:一部相控阵雷达不但能对空域中多个目标完成搜索、截获、识别、跟踪和提供半主动寻的制导系统所需的射频辐射能量,而且可对多枚导弹进行跟踪并发送相应的制导指令。平面型的阵列电扫描空域可达120DangerCode;,球面或柱面阵列可覆盖半球空域。在空域内监视和跟踪目标的数量可达数百个。②大的功率-孔径积:采用多部发射机在空间进行功率合成(每一个天线阵列单元可用一部发射机),增大辐射功率。同时固定不动的电扫描阵列可采用很大的孔径,以形成极高的功率-孔径积,使雷达具有更大的作用距离。③高数据率:波束的扫描是无惯性的,对空域中若干个重点目标可有相当高的数据率,而对空域中的其他目标保持监视所必需的最低数据率。④完善的自适应能力:它能适应复杂的外界目标环境。⑤较强的抗干扰能力:它能在空间形成若干波束零点,自动对准空间的干扰方向,能有效地抑制有源干扰。
      组成和工作原理 相控阵雷达由发射系统、天线阵列和波控机、接收和信号处理系统、中心计算机、数据处理和显示系统等组成。与普通雷达相比,最根本的差别在于它*控制阵列天线各辐射单元的相位来改变相位波前的倾角,以改变波束方向。发射系统产生一定发射波形的高功率射频信号,馈送到所有天线单元,以便向空中辐射。中心计算机计算出规定波束指向的相邻单元的相位差,然后由波控机算出每个辐射单元的移相器应有的相位并控制驱动器使移相器达到该相位,从而使天线波束准确地指向规定的方向。波束跳跃的最大速度由计算机-波控机所需的计算时间和移相器-驱动器转换所需要的最少时间决定。形成波束的天线阵元数可以改变,因此波束形状可以控制。每个天线单元接收来自目标的回波信号,经过相干相加、放大、检波后送给数据处理和显示系统。收发天线可以是分阵的,也可以是合阵的。由于波束运动无惯性,它在计算机控制下可以实现能量在空间与时间上的最佳分配。计算机在相控阵雷达中起关键作用,它控制整个雷达的工作并参与信号处理、数据处理、信息显示和雷达的自动化监测。因此要求计算机灵活、运算速度高和容量大。相控阵雷达的馈电方式通常分为空间馈电和分支强迫馈电两种形式。

  6. 相控阵雷达 (phased array radar )
    采用阵列天线实现波束在空间电扫描的雷达。高速飞机、导弹和人造地球卫星的出现,要求雷达具有更高的探测能力、更大的覆盖空域、更高的数据率和适应多目标环境。机械扫描雷达惯性大,目标容量有限,无法满足这样的要求。相控阵雷达的波束在几个微秒时间内便可在全空域内跳跃,波束形状灵活多变,并可由计算机直接对信号进行处理和对雷达进行控制,与传统的机械扫描雷达相比发生了根本性的变化。
    相控阵雷达
      特点
    相控阵雷达的主要特点是:①多功能、大空域、多目标:一部相控阵雷达不但能对空域中多个目标完成搜索、截获、识别、跟踪和提供半主动寻的制导系统所需的射频辐射能量,而且可对多枚导弹进行跟踪并发送相应的制导指令。平面型的阵列电扫描空域可达120DangerCode;,球面或柱面阵列可覆盖半球空域。在空域内监视和跟踪目标的数量可达数百个。②大的功率-孔径积:采用多部发射机在空间进行功率合成(每一个天线阵列单元可用一部发射机),增大辐射功率。同时固定不动的电扫描阵列可采用很大的孔径,以形成极高的功率-孔径积,使雷达具有更大的作用距离。③高数据率:波束的扫描是无惯性的,对空域中若干个重点目标可有相当高的数据率,而对空域中的其他目标保持监视所必需的最低数据率。④完善的自适应能力:它能适应复杂的外界目标环境。⑤较强的抗干扰能力:它能在空间形成若干波束零点,自动对准空间的干扰方向,能有效地抑制有源干扰。
      组成和工作原理 相控阵雷达由发射系统、天线阵列和波控机、接收和信号处理系统、中心计算机、数据处理和显示系统等组成。与普通雷达相比,最根本的差别在于它*控制阵列天线各辐射单元的相位来改变相位波前的倾角,以改变波束方向。发射系统产生一定发射波形的高功率射频信号,馈送到所有天线单元,以便向空中辐射。中心计算机计算出规定波束指向的相邻单元的相位差,然后由波控机算出每个辐射单元的移相器应有的相位并控制驱动器使移相器达到该相位,从而使天线波束准确地指向规定的方向。波束跳跃的最大速度由计算机-波控机所需的计算时间和移相器-驱动器转换所需要的最少时间决定。形成波束的天线阵元数可以改变,因此波束形状可以控制。每个天线单元接收来自目标的回波信号,经过相干相加、放大、检波后送给数据处理和显示系统。收发天线可以是分阵的,也可以是合阵的。由于波束运动无惯性,它在计算机控制下可以实现能量在空间与时间上的最佳分配。计算机在相控阵雷达中起关键作用,它控制整个雷达的工作并参与信号处理、数据处理、信息显示和雷达的自动化监测。因此要求计算机灵活、运算速度高和容量大。相控阵雷达的馈电方式通常分为空间馈电和分支强迫馈电两种形式。

  7. 气象多普勒雷达 (meteorological Doppler radar )
    除具有一般天气雷达的功能外,还可用多普勒效应来测量云和降水粒子等相对于雷达的径向运动速度(叫作多普勒速度)的雷达。20世纪60年代初期开始研制脉冲多普勒雷达,它是研究云和降水物理学、云动力学、中小尺度天气系统(特别是监视龙卷)的重要工具。
      原理 当雷达发射机和接收机在同一位置时,若目标相对于雷达的径向运动速度为□□,
    则发射波和回波间的频率差(也叫多普勒频偏)为□=2□□/□。其中□是雷达发射波的波长,因此,测定□即可求出速度□□。降水粒子的多普勒速度既受到降水云中气流(包括湍流)的影响,也受到降水粒子自身降落速度的影响,因此在合理的假设下,可以用其推得大气水平风场、铅直气流速度、大气湍流和降水滴谱等信息。在晴空时,还可以借助晴空回波(见气象雷达回波)或撒放的金属箔的回波来取得大气流场的信息。
    脉冲多普勒雷达工作原理图
      性能 早先使用的多普勒雷达,天线是铅直指向的,它测量得到的多普勒速度是降水粒子相对空气的下落速度和铅直气流速度之和。在各种假设之下,根据水滴下落末速度和水滴直径间的已知关系,可以通过铅直指向探测,取得雨滴谱和气流铅直速度的资料。后来进一步发展,将雷达天线的仰角固定在一定值上作方位扫描,这样可以得到一定仰角下目标径向速度随方位的分布。相应的显示方式叫速度-方位显示
    (VAD)。由此所得资料,
    通过数学运算可以推得雷达站上空各高度上的风向、风速和水平散度。这种方法可以快速地测量几公里到几十公里范围内风随高度的分布。风速的测定误差约为
    0.5米/秒。如果将雷达天线的方位固定,不断地改变仰角,由这种扫描方式得到的距离-高度-速度显示RHV),可以给出扫描方位上风速分量的铅直剖面(图2
    风暴内相对速度分量铅直剖面图)。在天线近于水平的情况下作方位扫描时,相应的显示方式为平面切变显示(PSI),它可显示出强风切变和涡旋存在的区域。对监测龙卷(见彩图多普勒雷达探测龙卷风暴的彩色显示图
    回波强度显示 速度
    单位:米/秒,观测仰角:0.01□,距离圈间距:16公里、多普勒雷达探测龙卷风暴的彩色显示图多普勒速度显示
    速度
    单位:米/秒,观测仰角:0.01DangerCode;,距离圈间距:16公里)、冰雹等灾害性天气很有用处。利用双多普勒雷达或三多普勒雷达的联合探测试验,还能够获得降水系统的三维运动的详细结构。
      在多普勒雷达的发展和应用中存在的重要问题之一是多普勒雷达的作用距离和速度最大可测值之间的矛盾。因此,只能根据实际需要,在速度最大可测值和最大作用距离之间采取某种折衷方案。尽管如此,由于多普勒雷达能够确定降水系统的三维运动的详细结构和比较有效的探测龙卷等强天气,它正日益广泛地被应用于许多。

  8. 甚高频和超高频多普勒雷达 (VHF and UHF Doppler radar )
    工作在30~3000兆赫频段的气象多普勒雷达。一般具有很高的探测灵敏度。因探测高度范围可达1~100公里,所以又称为中层-平流层-对流层雷达
    (MST
    radar)。它主要用于探测晴空大气的风、大气湍流和大气稳定度(见大气静力稳定度)等大气动力学参数的铅直分布。
      原理 这类雷达通过以下几类电磁波和大气的相互作用,对晴空大气进行探测:①由大气湍流运动引起的折射率不均匀结构对电磁波的散射;②稳定大气分层结构对入射电磁波的部分反射;③有时出现于中层大气的自由电子对电磁波的散射;④中层大气中的流星余迹散射。散射体积内空气的运动,使雷达回波具有多普勒频偏。
      结构 MST
    雷达的结构和气象多普勒雷达大致相同。其特点在于:它们一般配备了大型天线(天线阵),有些甚高频段雷达的天线阵,尺度达
    30~200米,采用半波振子阵或八木天线振子阵,以相控方式实现波束扫描。超高频段雷达采用直径几十米的可动抛物面天线,这类雷达的发射功率在几百千瓦至
    2兆瓦之间,发射功率和天线面积的乘积值在10□~10□□瓦DangerCode;米□之间。此外,为获得高灵敏度和高空间分辨率,在脉冲发射体制和回波数据处理方面,也采取一些技术措施。
      用途 利用回波的多普勒频谱可以进行下述各项测量:①探测大气风场的铅直分布。同一仰角,空间分辨率约为
    150~1000米,采用脉冲压缩技术后,分辨率已可达到15米。②探测大气湍流结构。可以给出平均折射率湍流结构常数(C□)的铅直分布。再引入一些大气湍流模式后,可以推算出湍流耗散率的铅直分布。③探测对流层顶高度及逆温层的高度和厚度。目前,甚高频和超高频多普勒雷达还只能测定上述气象要素的铅直廓线及
    其时间变化,而不能给出三维空间分布资料。

  9. 甚高频和超高频多普勒雷达 (VHF and UHF Doppler radar )
    工作在30~3000兆赫频段的气象多普勒雷达。一般具有很高的探测灵敏度。因探测高度范围可达1~100公里,所以又称为中层-平流层-对流层雷达
    (MST
    radar)。它主要用于探测晴空大气的风、大气湍流和大气稳定度(见大气静力稳定度)等大气动力学参数的铅直分布。
      原理 这类雷达通过以下几类电磁波和大气的相互作用,对晴空大气进行探测:①由大气湍流运动引起的折射率不均匀结构对电磁波的散射;②稳定大气分层结构对入射电磁波的部分反射;③有时出现于中层大气的自由电子对电磁波的散射;④中层大气中的流星余迹散射。散射体积内空气的运动,使雷达回波具有多普勒频偏。
      结构 MST
    雷达的结构和气象多普勒雷达大致相同。其特点在于:它们一般配备了大型天线(天线阵),有些甚高频段雷达的天线阵,尺度达
    30~200米,采用半波振子阵或八木天线振子阵,以相控方式实现波束扫描。超高频段雷达采用直径几十米的可动抛物面天线,这类雷达的发射功率在几百千瓦至
    2兆瓦之间,发射功率和天线面积的乘积值在10□~10□□瓦DangerCode;米□之间。此外,为获得高灵敏度和高空间分辨率,在脉冲发射体制和回波数据处理方面,也采取一些技术措施。
      用途 利用回波的多普勒频谱可以进行下述各项测量:①探测大气风场的铅直分布。同一仰角,空间分辨率约为
    150~1000米,采用脉冲压缩技术后,分辨率已可达到15米。②探测大气湍流结构。可以给出平均折射率湍流结构常数(C□)的铅直分布。再引入一些大气湍流模式后,可以推算出湍流耗散率的铅直分布。③探测对流层顶高度及逆温层的高度和厚度。目前,甚高频和超高频多普勒雷达还只能测定上述气象要素的铅直廓线及
    其时间变化,而不能给出三维空间分布资料。

  10. 多基地雷达 (multistatic radar )
    由分置于不同基地的发射机和接收机统一组成的雷达系统。它可有多种组成形式,各基地上的发射机和接收机可以是一部或多部,且数量不必相等。多基地雷达适用于对远距离目标精确定位。它同单基地雷达一样,可对目标进行检测、定位、跟踪和测速,但它用目标对各基地的距离、角度和距离差等数据表示目标的坐标。多基地雷达也可用脉冲信号或连续波调频信号测量距离。为测量多普勒频移,可把发射基地的发射信号传送到接收基地作为参考信号。但在接收基地对目标进行角度测量时,这个直接信号有可能对目标回波信号造成干扰,须使直接信号与回波信号隔离。在这里,多普勒频率用于鉴别目标是否为静止,但不能确定目标的径向运动速度。与单基地雷达相比,多基地雷达的数据处理系统要复杂得多,且存在虚假目标现象,需利用其他辅助信息和相应的数据处理方法来消除或减少。多基地雷达除在军事上对入侵目标精确定位、导弹精确制导外,还可用作空间飞行器的精确弹道测量系统等。

在近几年的雷达研究中,MIMO雷达是一个重要的方向,它采用多路正交信号作为发射波形,以形成相互独立的信息通道,各回波之间相互独立,方便了处理核心对回波的处理。

雷达通过发射机产生一定振荡频率的电流,送至天线后通过电磁感应现象把电能变成电磁波辐射到空间;电磁波碰到物体后会向各个方向反射,其中一部分会返回雷达(称为后向散射),被天线接收并送至雷达接收机,在显示器上显示。如果我们能够提高发射机产生的功率,并且使得从天线辐射出去的电波能量在空间尽量集中,就能使得电波能够在更远的距离上触及目标。这正像我们在说话时,如果需要离自己很远的人也能听见,可以做两件事,要么扯起嗓子喊,要么拿一个喇叭。雷达提高探测距离的这两个基本办法,在专业上称为提高“功率孔径积”。

正交波形是雷达中一种非常重要的波形,在综合脉冲孔径雷达(SIAR)、组网雷达、多输入多输出雷达(MIMO)等新体制雷达得到了广泛应用,在民用方面,定位系统和正在研究中的无人驾驶车载雷达系统均采用正交性能良好的波形,以在空间中形成相互独立的通道,方便对回波信号进行分离处理。

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正交波形分为以下几种:正交多频信号、正交离散频率编码信号、正交频分复用线性调频信号、正交多相编码信号、正交噪声信号、正交混沌信号等。

如何提高发射机的功率呢?可以对一定振荡频率(可以认为与雷达在空间辐射的电磁波的频率相同)的电流通过放大器放大,然后再送至天线。实际上这是发射机最主要的功用。但是,放大器的放大能力与电磁波的工作频率直接相关。频率越低,放大越容易。早期的雷达,其电磁波频率只能在300兆赫以下(对应的电磁波波长大于1米,称为米波),本土链雷达的工作频率只有11.5兆赫,波长26米。当然,如果器件水平只允许雷达工作在较低的频率,而雷达工作在较低频率上又没有什么坏处的话,那就让它工作在低频段上好了,但情况并没有那么简单。雷达电磁波的工作频率还直接影响到雷达把能量集中到空中去发射的能力,即天线性能。人们把雷达电波从天线辐射出来的能量在空间的分布用波瓣图来表示。雷达能量最集中的区域称为主瓣,其余的区域就叫副瓣,又叫旁瓣。雷达天线把能量集中到主瓣宽度内发射的能量和雷达向全方位同等辐射能量的比值,称为天线的增益。雷达能量在空间越集中,主瓣宽度(一般为几度以下)就越小,增益就越高。在天线尺寸一定的情况下,雷达波长越长,主瓣波束宽度越宽,增益越小;或者说,在雷达波长选定以后,为了获得尽量窄的波束宽度和尽量高的增益,应该尽量把天线个头做大。

正交波形具有冲激函数样式的自相关函数,在时间延迟零点具有最大值,但一个具有冲激函数样式的自相关函数的信号同时意味着该信号具有无限带宽的功率谱密度函数,这种信号就是理想白噪声。然而,就如理想白噪声不存在一样,理想的正交波形也不存在,这就要求设计出的正交波形有着尽可能趋近于白噪声的自相关特性,旁瓣幅度接近0,同时其互相关幅度也要尽可能趋近于0。

如果要增大天线,飞机上的空间不允许;如果要提高电波频率和发射功率,器件水平又不允许,而且,早期的电子技术,无法直接在一个较高的频率上产生电流振荡,如果要让雷达工作频率提高,就只能采用一级一级的电路逐级提高工作频率,这无疑又会增加设备的数量、重量和体积。因此,早期的机载雷达发展面临严重的困难。

无心插柳的空海监视雷达

1936年,美国无线电公司开发出一种小型电子管,可产生波长1.5米,工作频率200兆赫的电磁波,这成为人们把雷达装上飞机的一根“救命稻草”。1937年8月,世界上第一部机载雷达试验机由英国科学家爱德华•鲍恩领导的研究小组研制成功,并把它安装在一架双发动机的“安森”飞机上,探索作为截击雷达的可能性,这架“安森”飞机便成为最早载有雷达的飞机。不过雷达的功率虽然只有区区100瓦,但却让飞行员们感到不安——他们认为,雷达可能引起火花并点燃油箱,而且,雷达的天线会妨碍飞机的机动飞行。

正式试飞开始以后,结果有些出乎意料。雷达在空中没有发现任何空中飞机,却把海面上的几艘船看得清清楚楚。于是瓦特又特地安排这架飞机做观察英军舰船的进一步实验,结果令人鼓舞。很快,机载雷达的研发重点就从空-空截击转向空-海监视。这种情况发生的原因是,舰船反射雷达回波的能力要比飞机反射回波的能力强几十倍以上。因此,在海情良好的情况下,机载雷达发现舰船的距离要比发现飞机的距离远得多。但当海情恶劣时,舰船回波容易受到海浪的干扰,雷达发现距离会大幅度下降。