雷达

  雷达(radar)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的电子设备。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。 

历史

  1842年多普勒(Christian Andreas Doppler)率先提出利用多普勒效应的多普勒式雷达。
  1864年马克斯威尔(James Clerk Maxwell)推导出可计算电磁波特性的公式。
雷达
雷达
  1886年赫兹(Heinerich Hertz)展开研究无线电波的一系列实验。
  1888年赫兹成功利用仪器产生无线电波。
  1897年汤普森(JJ Thompson)展开对真空管内阴极射线的研究。
  1904年侯斯美尔(Christian Hülsmeyer)发明电动镜(telemobiloscope),是利用无线电波回声探测的装置,可防止海上船舶相撞。
  1906年德弗瑞斯特(De Forest Lee)发明真空三极管,是世界上第一种可放大信号的主动电子元件。
  1916年马可尼( Marconi)和富兰克林(Franklin)开始研究短波信号反射。
  1917年沃森瓦特(Robert Watson-Watt)成功设计雷暴定位装置。
  1922年马可尼在美国电气及无线电工程师学会(American Institutes of Electrical and Radio Engineers)发表演说,题目是可防止船只相撞的平面角雷达。
  1922年美国泰勒和杨建议在两艘军舰上装备高频发射机和接收机以搜索敌舰。
  1924年英国阿普利顿和巴尼特通过电离层反射无线电波测量赛层(ionosphere)的高度。美国布莱尔和杜夫用脉冲波来测量亥维塞层。
  1925年贝尔德(John L. Baird)发明机动式电视(现代电视的前身)。
  1925年伯烈特(Gregory Breit)与杜武(Merle Antony Tuve)合作,第一次成功使用雷达,把从电离层反射回来的无线电短脉冲显示在阴极射线管上。
  1931年美国海军研究实验室利用拍频原理研制雷达,开始让发射机发射连续波,三年后改用脉冲波。
  1935年法国古顿研制出用磁控管产生16厘米波长的撜习窖捌鲾,可以在雾天或黑夜发现其他船只。这是雷达和平利用的开始。
  1936年1月英国W.瓦特在索夫克海岸架起了英国第一个雷达站。英国空军又增设了五个,它们在第二次世界大战中发挥了重要作用。
  1937年马可尼公司替英国加建20个链向雷达站。
  1937年美国第一个军舰雷达XAF试验成功。
  1937年瓦里安兄弟(Russell and Sigurd Varian)研制成高功率微波振荡器,又称速调管(klystron)。
  1939年布特(Henry Boot)与兰特尔(John T. Randall)发明电子管,又称共振穴磁控管(resonant-cavity magnetron )。
  1941年苏联最早在飞机上装备预警雷达。
  1943年美国麻省理工学院研制出机载雷达平面位置指示器,可将运动中的飞机柏摄下来,他胶发明了可同时分辨几十个目标的微波预警雷达。
雷达
雷达
  1944年马可尼公司成功设计、开发并生产「布袋式」(Bagful)系统,以及「地毡式」(Carpet)雷达干扰系统。前者用来截取德国的无线电通讯,而后者则用来装备英国皇家空军(RAF)的轰炸机队。
  1945年二次大战结束后,全凭装有特别设计的真空管──磁控管的雷达,盟军得以打败德国。
  1947年美国贝尔电话实验室研制出线性调频脉冲雷达。
  50年代中期美国装备了超距预警雷达系统,可以探寻超音速飞机。不久又研制出脉冲多普勒雷达。
  1959年美国通用电器公司研制出弹道导弹预警雷达系统,可发跟踪3000英里外,600英里高的导弹,预警时间为20分钟。
  1964年美国装置了第一个空间轨道监视雷达,用于监视人造地球卫星或空间飞行器。
  1971年加拿大伊朱卡等3人发明全息矩阵雷达。与此同时,数字雷达技术在美国出现。 

组成

  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:发射机、发射天线、接收机、接收天线,处理部分以及显示器。还有电源设备、数据录取设备、抗干扰设备等辅助设备。 

种类

  雷达种类很多,可按多种方法分类:
  (1)按辐射源种类可分为:有源雷达、无源雷达。
雷达
雷达
  (2)按平台可分为;地面雷达、舰载雷达、机载雷达、星载雷达等。
  (3)按照波形可分为: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、厘米波雷达和毫米波雷达等。
  (5)按用途可分为:监视雷达、搜索雷达、火控雷达、制导雷达、气象雷达、导航雷达等。
  (6)按扫描方式可分为:机械扫描雷达和电扫描雷达。
  电扫描雷达是指使用电扫描天线的雷达,典型的方法是用控制天线阵元馈电相位的方法来达到波束指向灵活可控的目的,又叫做相控阵雷达,是未来雷达一个重要的发展方向。  

工作原理

雷达
雷达
  雷达所起的作用和眼睛和耳朵相似,当然,它不再是大自然的杰作,同时,它的信息载体是无线电波。 事实上,不论是可见光或是无线电波,在本质上是同一种东西,都是电磁波,传播的速度都是光速C, 差别在于它们各自占据的频率和波长不同。其原理是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)。
  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。
  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。
  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。

波段划分

  最早用于搜索雷达的电磁波波长度为23cm,这一波段被定义为L波段(英语Long的字头),后来这一波段的中心波长度变为22cm。 当波长为10cm的电磁波被使用后,其波段被定义为S波段(英语Short的字头,意为比原有波长短的电磁波)。
  在主要使用3cm电磁波的火控雷达出现后,3cm波长的电磁波被称为X波段,因为X代表坐标上的某点。
  为了结合X波段和S波段的优点,逐渐出现了使用中心波长为5cm的雷达,该波段被称为C波段(C即Compromise,英语“结合”一词的字头)。
雷达强度回波
雷达强度回波
  在英国人之后,德国人也开始独立开发自己的雷达,他们选择1.5cm作为自己雷达的中心波长。这一波长的电磁波就被称为K波段(K = Kurtz,德语中“短”的字头)。
  “不幸”的是,德国人以其日尔曼民族特有的“精确性”选择的波长可以被水蒸气强烈吸收。结果这一波段的雷达不能在雨中和有雾的天气使用。战后设计的雷达为了避免这一吸收峰,通常使用比K波段波长略长(Ka,即英语K-above的缩写,意为在K波段之上)和略短(Ku,即英语K-under的缩写,意为在K波段之下)的波段。
  最后,由于最早的雷达使用的是米波,这一波段被称为P波段(P为Previous的缩写,即英语“以往”的字头)。
  该系统十分繁琐、而且使用不便。终于被一个以实际波长划分的波分波段系统取代,这两个系统的换算如下。
  原 P波段 = 现 A/B 波段
  原 L波段 = 现 C/D 波段
  原 S波段 = 现 E/F 波段
  原 C波段 = 现 G/H 波段
  原 X波段 = 现 I/J 波段
  原 K波段 = 现 K 波段  

应用

  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。