什么是雷达(一)

雷达,是英文Radar的音译,源于radio detection and ranging的缩写,意思为"无线电探测和测距",即用无线电的方法发现目标并测定它们的空间位置。因此,雷达也被称为“无线电定位”。雷达是利用电磁波探测目标的电子设备。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。

起源

    雷达的出现,是由于一战期间当时英国和德国交战时,英国急需一种能探测空中金属物体的雷达(技术)能在反空袭战中帮助搜寻德国飞机。二战期间,雷达就已经出现了地对空、空对地(搜索)轰炸、空对空(截击)火控、敌我识别功能的雷达技术。

    二战以后,雷达发展了单脉冲角度跟踪、脉冲多普勒信号处理、合成孔径和脉冲压缩的高分辨率、结合敌我识别的组合系统、结合计算机的自动火控系统、地形回避和地形跟随、无源或有源的相位阵列、频率捷变、多目标探测与跟踪等新的雷达体制。

    后来随着微电子等各个领域科学进步,雷达技术的不断发展,其内涵和研究内容都在不断地拓展。雷达的探测手段已经由从前的只有雷达一种探测器发展到了红外光、紫外光、激光以及其他光学探测手段融合协作。

    当代雷达的同时多功能的能力使得战场指挥员在各种不同的搜索/跟踪模式下对目标进行扫描,并对干扰误差进行自动修正,而且大多数的控制功能是在系统内部完成的。

    自动目标识别则可使武器系统最大限度地发挥作用,空中预警机和JSTARS这样的具有战场敌我识别能力的综合雷达系统实际上已经成为了未来战场上的信息指挥中心。

雷达原理的物理基础

    雷达的基本工作原理很容易理解。然而,这个理论可能相当复杂。为了能够正确指导和操作雷达系统,对其理论的理解是很有必要的。雷达系统的实施和操作涉及广泛的学科,例如建筑工程、重型机械和电气工程、高功率微波工程以及先进的高速信号和数据处理技术。一些自然法则在这起到更重要的作用。


图1 雷达原理:测量微波脉冲的往返时间

    由于辐射电磁能的特性,使得雷达测量距离成为了可能。

    1. 电磁波的反射。如果电磁波遇到电引导的表面,则它会被反射;如果这些反射波在它们初始的地方被接收到,则意味着在传播方向上有障碍物。

    2. 电磁的能量以恒定的速度在空气中传播,接近于光速,约为3*10^8m/s。这种恒定速度允许通过测量发射脉冲的运行时间来确定反射物体(飞机、轮船、或汽车)与雷达站点之间的距离。

    3. 能量在空间中沿直线传播,会因为大气和天气条件而有略微变化。通过使用特殊的雷达天线,这种能量可以集中到所需的方向。因此可以测量反射物体的方向(方位角和仰角)。

    这些原理基本上可以在雷达系统中实现,并且可以确定反射物体的距离、方向和高度。

    雷达相较于视觉观察有以下优势

    · 雷达能够在白天或黑夜中进行远距离工作;

    · 雷达能够在任何天气下工作,在雾和雨中,它甚至可以穿透墙壁或雪层;

    · 雷达覆盖范围很广;可以观察整个半球;

    · 雷达检测并跟踪移动物体,可以进行高分辨率成像,从而识别物体;

    · 雷达可以每周 7 天、每天 24 小时无人操作。

雷达的工作原理

    雷达工作的电子原理与声波反射的原理非常相似。如果你朝一个能反射声音的物体(如岩石峡谷或洞穴)的方向大喊,你会听到回声。如果你知道空气中的声速,则可以估算物体的距离和大致方向。如果已知声速,则回声返回所需的时间可以粗略地转换为距离。雷达以几乎相同的方式使用电磁能量脉冲,如图2所示。


图2 雷达工作原理

    射频(RF)能量被传输到反射物体,并从反射物体反射。一小部分反射能量返回雷达装置。这种返回的能量被称为Echo,就像声学中的术语一样。雷达装置使用回波来确定反射物体的方向和距离。

    RADARRadioDetectionandRanging的缩写,指的就是无线电检测和测距。1940年11月,美国海军中校Samuel M. Tucker和F. R. Furth正式创造了“雷达”这词作为首字母缩略词。

    RADAR是指利用反射的电磁能检测物体存在的电子设备。在某些条件下,雷达系统可以测量这些物体的方向、高度、距离、航向和速度。雷达所使用的电磁能频率不受黑暗影响,也能穿透雾和云。这允许雷达系统确定飞机、轮船和其他障碍物,即使它们因为距离,黑暗或天气等原因而无法被肉眼所看见。

    现代雷达可以从目标的回波信号中提取除了距离以外更多的信息。但是通过测量时间的延迟来计算距离是重要的功能之一。

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