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雷达在陆地、空中和海上的应用

2019-07-30 15:11
来源: 与非网

使用多年的雷达技术仍是当今军队的关键战术。那雷达技术的基本原理是什么?本文就带你从入门开始了解雷达。

雷达是无线电探测和测距的统称,其历史可以追溯到20世纪早期。它最初是为军事服务开发的,后来在第二次世界大战中被用于战争。自早期以来,雷达技术已经发生了巨大的变化。如今,雷达不仅应用于军事,还有许多民用用途。

像上面所说的,雷达技术最初是为军事目的而开发的。今天,陆地、空中和海上的军事应用都依赖于雷达,因此军事服务仍是它的主要应用领域。其中包括威胁探测,导弹制导,空中和海上导航等。

尽管雷达技术随着时间的推移而改变,但其总体概念仍保持不变。典型的雷达系统由发射器和接收器组成。发射器的作用是向目标物体方向发射信号,该目标可以在离发射器很远的位置。因此这个信号必须足够强,以到达预定目标的位置。

当发射信号到达目标时,部分信号被反射,然后被雷达接收器检测到,这种反射信号也称为回波。为了成功探测远程目标,雷达接收器必须高度灵敏。一旦接收器检测到反射信号,就可以获得关于目标的各种类型的信息。这些信息包括目标的大小、距离、位置和速度。图1为一个基本的雷达系统。

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1、典型雷达系统运行情况

雷达也在不同的频段上工作。下表列出了不同的雷达频段。

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雷达方程

接收器输入端的检测信号明显弱于发送信号。该接收信号的功率级由几个因素决定,可以通过以下方程(也称为雷达方程)进行数学定义:

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pt=传输功率

G=天线增益

λ=发射信号的波长

σ=雷达截面

R=天线与目标之间的距离(距离)

该方程表明发射和接收天线是相同的,通常被称为单基地雷达系统。双基地雷达系统使用独立的天线进行发射和接收。

当发射信号击中目标时,能量被分散到各个方向,部分能量重新折回雷达系统。雷达散射截面(RCS)是一个重要的雷达参数,它决定了目标反射能量的大小。RCS的单位是m2。

因此,雷达接收器必须非常灵敏,以便能够检测远距离目标反射的信号。由于所有接收器都会产生一定量的噪声,当信号通过接收器时,信噪比会降低。成功检测反射信号需要使接收器输出最小信噪比。

最小信噪比对应信号的最小功率级,该信号可应用于接收器的输入以进行适当的检测。如果已知最小功率级,就可以重新排列雷达方程,以确定雷达系统的最大射程。该方程式如下:

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PEmin =接收器输入端的最小功率电平

应说明的是,图中所示的最大目标距离方程用简化术语描述了雷达性能。而传播效果等其他因素也会影响性能。

确定范围和径向速度

范围由发射信号传播到目标再返回接收器所需要的时间来确定。目标的径向速度与多普勒频移有关。从本质上说,移动目标所产生的返回信号频率与发送信号频率不同。该频率称为多普勒频率(fd),可以通过以下方程来定义:

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v=目标的径向速度

fo=发送信号的频率

C=光速

正多普勒频率表示接近雷达系统目标,负多普勒频率表示远离目标。因此,当目标接近雷达系统时,接收信号的频率等于发射信号的频率加上多普勒频率。当目标远离雷达时,接收信号的频率等于发射信号的频率减去多普勒频率。

连续波雷达信号

发射连续波信号的雷达系统可以确定目标速度,速度是由多普勒频率决定的,基于连续波的雷达系统虽然能确定目标速度,但由于缺乏定时基准,无法获取目标距离信息。

频率调制连续波信号本质上是一个频率变化的波形。与连续波信号相比,利用频率调制连续波信号的雷达系统可以确定目标的速度和距离。

脉冲射频信号

脉冲射频信号是雷达应用中较为常见的信号形式,脉冲射频信号可以描述为周期性的射频能量爆发,因为信号是在一段时间内“打开”,然后在另一段时间内“关闭”。

图2为理想脉冲,图3为理想脉冲射频信号。脉冲有许多特性定义,如峰值功率、平均功率、脉冲重复频率、脉冲重复间隔、脉冲宽度、占空比、上升时间和下降时间。这些脉冲特性对雷达系统本身的性能非常重要。

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2、理想脉冲

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3、脉冲调制射频信号是雷达应用中常用的一种信号

脉冲重复频率是产生脉冲的速率。与它成反比的脉冲重复间隔可以描述为脉冲之间的时间间隔。雷达参数的最大明确范围也非常重要,它由脉冲重复间隔确定。最大明确范围可以定义为脉冲到达目标的最大距离,以便在发送下一个脉冲之前接收到回波。位于该距离之外的目标可能导致模糊的回波响应,因为在先前发送的脉冲被反射回接收器之前,会先发送新的脉冲。因此,增加脉冲重复间隔会增加明确的范围,其数学定义如下:

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C=光速

分辨率是雷达的另一个重要参数。分辨率决定了雷达系统能在多大程度上区分两个不同的目标。换句话说,两个彼此接近的目标可能与雷达系统有一定距离,一个具有足够分辨率的雷达系统将能够区分两个目标。但是,如果分辨率不够,雷达系统只能看到一个错误目标,而不能正确看到两个独立的目标。

减小发射信号的脉冲宽度可以提高雷达系统的分辨率。然而,减小脉冲宽度也会对可传输的功率量产生限制,从而限制雷达系统的范围。通过增加发射信号的脉冲宽度,可以实现较长的距离。短脉冲允许更好的分辨率,而长脉冲允许更长的范围,因此,雷达性能方面的权衡非常重要。

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