雷达是什么?关于雷达的详细介绍

创闻科学2020-11-16 15:56:38

雷达是一个采用无线电波来确定物体的范围、角度或速度的探测系统。它可以用来检测飞机,船只,宇宙飞船,制导导弹,汽车,天气形成,地带。雷达系统包括在微波领域产生电磁波的发射机,接收天线(通常使用相同的天线进行发送和接收)和接收器和处理器以确定对象的属性。来自发射器的无线电波(脉冲或连续波)通过物体反射并返回接收器,给出关于物体位置和速度的信息。

在第二次世界大战之前和期间,几个国家秘密开发了用于军事的雷达。一个关键的发展是英国的腔体磁控管,它可以以相对较小的系统创建小于米的分辨率。术语RADAR是美国海军在1940年创造的RAdio Detection And Ranging首字母缩略词。术语RADAR后来进入英语和其他语言作为普通名词,失去了所有大写字母。

雷达的现代用途非常多样,包括空中和地面交通管制,雷达天文学,防空系统,反导系统,船用导航雷达定位地标和其他船只,飞机防撞系统,海洋监视系统,外部空间监视和交会系统,气象的降水监测、测高和飞行控制系统。导弹目标定位系统,以及用于地质观察的探地雷达。高科技雷达系统与数字信号处理及机器学习结合能够从非常高的噪声等级中提取有用信息。雷达是自动驾驶系统使用的关键技术,与声纳和其他传感器一起使用。

类似雷达的其他系统利用了电磁频谱的其他部分。一个例子是“激光雷达”,它主要使用来自激光器的红外光,而不是无线电波。随着无人驾驶汽车的出现,雷达有望帮助自动化平台监控其环境,从而防止不必要的事故发生。

历史首次实验

早在1886年,德国物理学家海因里希·赫兹表明无线电波可以被固体反射。1895年,位于Kronstadt的俄罗斯帝国海军学校的物理教练亚历山大·波波夫(Alexander Popov),开发了一种使用相干管探测远距离雷击的装置。第二年,他又添加了一个火花隙发射器。1897年,在波罗的海测试该设备在两船之间的通信时,他记下了一个由第三艘船通过引起的干涉拍。波波夫在他的报告中写道,这种现象可被用于探测物体,但他对这一现象没有做更多的事情。

德国发明家克里斯蒂安·胡斯迈尔(ChristianHülsmeyer)是第一个使用无线电波来探测“远处金属物体”的人。1904年,他证明了在浓雾中探测船只的可行性,但没有表明它与发射器的距离。1904年4月,他获得了检测装置专利和后来的一项其他专利,用于估计船舶之间距离的相关修正。他还在1904年9月23日获得了英国专利,用于一个完整的雷达系统,称之为远程移动镜。它在50cm波长下工作,其中脉冲雷达信号是通过火花隙产生的。他的系统已经使用带有抛物面反射镜的喇叭天线的经典天线设置,并在科隆和鹿特丹港的实际测试中向德国军方官员展示,但最终遭到拒绝。

1915年,劳勃·沃森-瓦特(Robert Watson-Watt)使用无线电技术向飞行员提供预警,在20世纪20年代,他领导英国的研究机构使用无线电技术取得许多进展,包括探测电离层和远距离探测闪电。通过闪电实验,沃森-瓦特在将他的研究转向短波传输之前,成为了使用无线电测向的专家。他告诉“新来的男孩”阿诺德·弗雷德里克·威尔金斯(Arnold Frederic Wilkins)对可用的短波单元进行广泛的审查,该过程需要一个合适的接收器来进行此类研究。威尔金斯在注意到手册中对飞机在头顶飞行时“衰减”效应(当时干扰的常用术语)的描述后,选择了一个General Post Office模型。

在1922年的横跨大西洋测试中将发射器和接收器放置在波托马克河,美国海军研究人员A. Hoyt Taylor和Leo C. Young发现船只通过波束路径会导致接收到的信号产生衰减。泰勒提交了一份报告,指出这种现象可以被用来在能见度低下的环境中探测船只,但海军没有立即继续这项工作。八年后,Lawrence A. Hyland在海军研究实验室(NRL)观察到过往飞机的类似衰减效应;这一发现产生了一项专利并提议在Taylor和 Young当时居住的NRL中进一步深入研究来自移动目标的无线电回波信号。

在第二次世界大战之前

20世纪30年代末,美国海军研究实验室的位于阿纳卡斯蒂亚特区的实验雷达天线

在第二次世界大战之前,英国、法国、德国、意大利、日本、荷兰、苏联和美国的研究人员独立且高度保密地开发了现代雷达的基本技术。澳大利亚、加拿大、新西兰和南非追随战前英国的雷达发展,此外,匈牙利在战争期间发展其雷达技术。

1934年在法国,在对分裂阳极磁控管进行系统研究之后,由Maurice Ponte和Henri Gutton,Sylvain Berline和M. Hugon领导的CompagnieGénéraledeTélégraphieSansFil(CSF)的研究分支开始开发障碍物定位无线电设备,其于1935年安装在远洋班轮Normandie号上。

在同一时期,苏联军事工程师 P.K. Oshchepkov 与列宁格勒电子物理研究所合作,生产了一种实验设备RAPID,能够探测3公里范围内的飞机。苏联在1939年大规模生产了他们的第一批雷达RUS-1和RUS-2 Redut,但在Oshchepkov被捕和随后的古拉判决后,进一步的发展缓慢。战争期间,总共只生产了607个Redut站。俄罗斯第一台机载雷达Gneiss-2 于1943年6月在 Pe-2 战斗机上投入使用。到1944年底,已经生产了230多个Gneiss-2。然而,法国和苏联的系统以连续波操作为特征,不能提供与现代雷达系统类似的全部性能。

雷达逐渐完全演变为脉冲系统,1934年12月由美国人演示罗伯特·佩奇在海军研究实验室发明了第一个这样的设备。第二年,美国陆军成功测试了一种原始的地对地雷达,以在夜晚瞄准海岸炮台探照灯。这一设计之后,鲁道夫·克恩霍尔德和GEMA[de]公司于1935年5月演示了脉冲系统[ de ],随后在1935年6月由英国的Robert Watson-Watt领导的航天小组也展示了其脉冲系统。

由Robert Watson-Watt和他的团队建造的第一个可使用的单元

英国埃塞克斯郡大巴多的一座Chain Home塔

纪念Robert Watson-Watt和 Arnold Wilkins的牌匾

1935年,沃森-瓦特被要求判断德国无线电广播公司最近报道的死光现象,并将请求移交给威尔金斯。威尔金斯返回了一组计算结果,证明该系统基本上是不可能的。当沃森-瓦特接着问这样的系统可能会做什么时,威尔金斯回忆起以前关于飞机引起无线电干扰的报告。这一发现促使了1935年2月26日的达文特里实验,使用一个强大的BBC 短波发射机作为发射源,并在一个场地内设置了GPO接收器,同时一架轰炸机在该场地周围飞行。当飞机被清楚地探测到时,Hugh Dowding和Air Member for Supply and Research对他们系统的潜力印象深刻,并立即为进一步的发展提供了资金。沃森-瓦特的团队在GB593017中获得了该设备的专利。

1936年9月1日,沃森-瓦特成为英国统治下一个新机构的主管,雷达的发展得到了极大的扩展。空军部鲍德西研究站位于鲍德西庄园萨福克郡费利克斯托附近。在1939年第二次世界大战爆发前,沿着英格兰的东海岸和南岸,安装了名为"Chain Home“的飞机探测和跟踪站。这个系统提供了重要的信息,帮助皇家空军赢得了不列颠之战;如果没有它,敌机的检测只依赖地面个人的观察,大量的战斗机将总是需要在空中快速反应。同样重要的是”探测系统“可以及时进行报告和协调,以便在1936年和1937年的早期部署测试期间最好地利用雷达信息。

考虑到所有需要的资金和开发支持,该小组在1935年生产了工作雷达系统,并开始部署。到1936年,前五个Chain Home系统开始运行,到1940年扩展到整个英国,包括北爱尔兰。即使以那个时代的标准来看,CH也是粗糙的;CH没有使用定向天线进行广播和接收,而是广播一个泛光照亮整个区域,然后使用沃森-瓦特的无线电测向仪来确定回波的方向。这意味着CH发射机必须比竞争对手的系统更强大,拥有更好的天线,允许使用现有技术进行快速引入。

第二次世界大战期间

一个关键的发展是英国的腔体磁控管,它可以以相对较小的系统创建小于米的分辨率。在1940年Tizard任务期间,英国与美国分享了这项技术。

1940年4月,Popular Science在一篇关于防空的文章中展示了一个使用沃森-瓦特专利的雷达单元的例子。同样,在1941年末Popular Mechanics中一位美国科学家在一篇文章中推测英国东海岸的早期预警系统,并阐述了它是什么以及它是如何工作的。沃森-瓦特于1941年被派往美国,在日本偷袭珍珠港后担任防空顾问。 阿尔弗雷德·李·卢米斯(Alfred Lee Loomis)在马萨诸塞州坎布里奇的麻省理工学院组织了秘密麻省理工学院辐射实验室,并在1941-45年期间发展了微波雷达技术。后来,在1943年,Page采用单脉冲技术大大改进了当时雷达的性能,并且延续使用了很多年。

这场战争加速了为雷达寻找更好分辨率、更便携和更多功能的研究,包括英国皇家空军的探路者使用的 Oboe 等辅助导航系统。

应用领域

商用船用雷达天线。旋转天线发射垂直扇形波束。

雷达提供的信息包括来自雷达扫描仪的方位和距离(以及位置)。因此,它被用于许多不同的领域,在这些领域中,定位的需求是至关重要的。雷达的第一个用途是用于军事目的:定位空中、地面和海上目标。民用领域包括民航飞机、船只和道路等。

在航空中,飞机可以配备雷达设备,警告飞机或其他障碍物进入或接近其路径,显示天气信息,并给出准确的高度读数。第一个安装在飞机上的商用设备是1938年在联合航空公司飞机上的贝尔实验室装置。飞机可以在雾中降落在配备有雷达辅助地控进场系统的机场,在该系统中,操作员通过雷达屏幕观察飞机的位置,操作员通过无线电向飞行员发出降落指令,将飞机保持在跑道的规定进场路径上。军用战斗机通常安装有空对空目标雷达,以探测和瞄准敌机。此外,较大的特种军用飞机携带强大的机载雷达来观察大区域的空中交通,并将战斗机引向目标。

海洋雷达用于测量船只的方位和距离,以防止与其他船只碰撞,并在海岸或其他固定参考(如岛屿、浮标和灯船)范围内确定其在海上的位置。在港口或海港,船舶交通服务雷达系统用于监控和调节繁忙水域中的船舶运动。

气象学家用雷达来监控沉淀和风。它已经成为短期内的主要天气预报工具来预报恶劣天气诸如大雷雨,龙卷风,雪暴灾害,降水类型等。地质学家使用专业的探地雷达绘制地壳的组成。警察部队使用雷达枪监控道路上的车速。小型雷达系统用于检测人体运动。例如用于睡眠监测的呼吸模式检测以及用于计算机交互的手和手指手势检测。自动开门、光激活和入侵者检测也很常见。

原则

雷达信号

雷达系统有一个发射机向预定方向发出无线电波。当它们与物体接触时,通常在许多方向上被反射或散射。但是部分散射能量在某种程度上被吸收并渗透到目标中。雷达信号可以被大电导率的材料较好的反射,尤其是被大多数金属、海水和潮湿的地面反射。其中一些使促使了雷达高度计的产生。反射回发射器的雷达信号是使雷达工作的理想信号。如果对象是移动的,无论是朝向还是远离发射机,由于多普勒效应,无线电波的频率都有轻微的变化。

雷达接收机通常(但不总是)与发射机位于同一位置。虽然由接收天线捕获的反射雷达信号通常非常弱,但是它们可以通过电子放大器来增强。为了恢复有用的雷达信号,就需要使用更复杂的信号处理方法。

无线电波通过的介质对无线电波的弱吸收使得雷达设备能够在相对较长的范围内探测物体——在该范围内,其他电磁波长,例如可见光、红外光和紫外光衰减太强。阻挡可见光的雾、云、雨、雪和雨夹雪等天气现象通常对无线电波是透明的。在设计雷达时,除非有意探测,否则是可以避免某些被水蒸气、雨滴或大气气体(特别是氧气)吸收或散射的无线电频率。

照射

雷达依靠自身而不是来自太阳或者月球的能量发射电磁波,或来自辐射体本身发出的波,例如红外线波长(热)。虽然无线电波对人眼或光学照相机是不可见的,但这种将人工无线电波导向物体的过程被称为照射

反射

亮度可以表示反射率,如1960年的天气雷达图像(飓风艾比)。 雷达的频率,脉冲形式,极化,信号处理和天线的性能决定了它可以观察到的东西

如果电磁波穿越一种物质遇到另一种物质,具有不同的介电常数或者反磁性常数,波将从材料之间的边界反射或散射。这意味着空气中或者真空种的物体和其周围物体之间原子密度有显著的变化,从而导致从其表面散射雷达(无线电)波。这对于导电的金属和碳纤维等材料,使雷达非常适合探测飞机和船只。雷达吸收材料,在军用车辆上使用包含电阻或有吸波特性的物质来减少雷达反射。这就相当于在无线电上画一个深色的东西,这样晚上眼睛就看不见了。

雷达波根据无线电波的大小(波长)和目标的形状以多种方式散射。如果波长比目标的尺寸小得多,波将以类似光被镜子反射的方式反射。如果波长比目标的尺寸长得多,由于反射差,目标可能不可见。低频雷达技术依赖共振来探测目标,而不是识别目标。可以用瑞利散射来描述这种创造了地球的蓝天和红色日落的现象。当两个尺度相当时,会产生共振现象。早期的雷达使用比目标更长的波长,因此接收到的信号比较模糊,而许多现代系统使用较短的波长(厘米或者更小),就可以对像面包一样小的物体成像。

短无线电波从曲线和拐角处反射,其方式类似于圆形玻璃片的闪光。短波下反射性最强的目标在反射表面。角反射器由三个平面组成,像盒子的内角一样相交。该结构会将进入其开口的波直接反射回源。它们通常被用作雷达反射镜,使原本难以探测的物体更容易探测。例如,船上的角反射器使它们更容易被发现,以避免碰撞。出于类似的原因,旨在避免检测的对象将不具有垂直于可能的检测方向的内角或表面和边缘,这导致“奇怪”外观的隐形飞机。这些预防措施不能完全消除反射,因为衍射尤其是在较长的波长下。半波长导线或导电材料带,例如箔条,具有很强的反射性,但不会将散射的能量引回发射源。一个物体反射或散射无线电波的程度被称为它的雷达截面积。

雷达距离方程

返回接收天线的能量Pr为:

其中,

  • Pt=发射机功率
  • Gt=发射天线的增益
  • Ar=接收天线的有效孔径(面积);也可以表示为 ,其中
  • 透射波长
  • Gr=接收天线的增益
  • σ= 目标的雷达截面,或散射系数
  • F 模式传播因子
  • rt=发射器到目标的距离
  • rr=从目标到接收器的距离。

在发射器和接收器位于相同位置的常见情况下,rt=rr,术语(rtrr)可以被替换为r,其中r 是距离。从而有:

这表明接收功率随着距离的四次方而下降,意味着来自远处目标的接收功率相对非常小。

对于脉冲多普勒雷达,附加滤波和脉冲积分略微修改雷达方程,可用于增加探测范围并降低发射功率。

上面的等式F= 1是在没有干扰的真空中传输的简化。传播因子考虑了多径和阴影的影响,并取决于环境的细节。在现实情况下,还应考虑路径损耗效应。

多普勒效应

频移是由改变反射器和雷达之间波长数量的引起的。这可能会降低或增强雷达性能,具体取决于它如何影响探测过程。例如,移动目标指示可以与多普勒相互作用,以特定的径向速度产生信号抵消,从而降低了性能。

海基雷达系统、半主动雷达寻的、主动雷达寻的、天气雷达、军用飞机和雷达天文学依赖多普勒效应来提高性能。这在检测过程中产生关于目标速度的信息。也可以探测在附近较大的慢速移动物体环境中的小物体。

多普勒频移取决于雷达配置是主动的还是被动的。主动雷达发射一个反射回接收器的信号。无源雷达依赖于物体向接收器发送信号。

有源雷达的多普勒频移如下,其中 是多普勒频率, 是发射频率, 是径向速度,和 是光速:

无源雷达适用于电子对抗和射电天文学,如下所示:

只有速度的径向分量是相关的。当反射器与雷达波束成直角移动时,它没有相对速度。平行于雷达波束移动的车辆和天气会产生最大多普勒频移。

当发射频率( )是脉冲时,使用的脉冲重复频率为 ,所得频谱将介于谐波频率 - + 之间。只有当多普勒频移小于 的一半时,多普勒测量才是准确的,称为奈奎斯特频率,因为返回的频率不能与谐波频率的偏移区区分开来,因此需要:

或者替换为 (d ):

例如,脉冲频率为2kHz的多普勒天气雷达和1GHz的发射频率,最多可以可靠地测量天气速度150m/s (340mph),而不能可靠地确定飞机运动的径向速度1,000m/s (2,200mph)。

极化

在所有的电磁辐射中,电场垂直于传播方向,电场方向是波的极化方式。对于发射的雷达信号,偏振被控制以产生不同的效果。雷达使用水平、垂直、线性和圆极化来检测不同类型的反射。例如,圆极化用于最小化雨水的干扰。线性极化通常探测金属表面。随机极化返回通常表示一个分形表面,如岩石或土壤,并被导航雷达使用。

限制因素

光束路径和范围

地面回波高度

雷达波束在真空中会遵循线性路径,但由于空气的折射率变化,它在大气中实际上遵循稍微弯曲的路径,这被称为雷达地平线。即使光束平行于地面发射,当地球曲率下沉到地平线以下时,它也会上升到地面之上。此外,信号被它穿过的介质衰减,产生波束分散。

传统雷达的最大射程受到许多因素的限制:

  • 视线,取决于地面高度。这意味着在没有直接的视线下,波束的路径将被阻挡。
  • 最大非模糊范围,由脉冲重复频率决定。最大非模糊范围是脉冲在发出下一个脉冲之前可以行进和返回的距离。
  • 雷达灵敏度类似于雷达方程中计算的回波信号功率。这包括环境条件和目标的大小(或雷达截面)等因素。

噪音

信号噪声是由所有电子元件产生随机变化信号的内部来源。

随着距离的增加,反射信号会迅速下降,因此噪声会限制雷达的射程。噪底和信噪比是影响靶场性能的两种不同的性能指标。太远的反射器产生的信号太少,无法超过噪底,因此无法检测。检测要求信号超过噪底至少信噪比的大小。

噪声通常表现为叠加在雷达接收机中接收的期望回波信号上随机变化的杂波信号。所需信号的功率越低,就越难从噪声中辨别出来。噪声系数是衡量接收器与理想接收器相比产生的噪声指标,需要将其降至最低。

散射噪声是由电子穿越所有探测器中出现的不连续点而产生的。散射噪声是大多数接收器噪声的主要来源。还会有由电子通过放大装置引起的闪烁噪声,使用外差放大可以降低噪声。外差处理的另一个原因是,对于固定的带宽,瞬时带宽在频率上线性增加。这可以提高距离分辨率。外差(下变频)雷达系统的一个显著例外是超宽带雷达。其使用单周期或瞬变波,类似于超宽带通信。

噪声也由外部源产生,最重要的来源是目标周围背景的自然热辐射。在现代雷达系统中,内部噪声通常约等于或低于外部噪声。一个例外是,如果雷达向上瞄准晴朗的天空,那里的环境温度较低,因此产生的热噪声非常小。热噪声由kBT B 决定,其中T 是温度,B带宽(后置匹配滤波器)和kB是玻尔兹曼常数。雷达对这种关系有一个吸引人的直观解释。匹配滤波允许从目标接收的全部能量被压缩到单个仓(无论是距离仓、多普勒仓、仰角仓还是方位角仓)。从表面上看,在固定的时间间隔内,人们可以获得完美的、无错误的检测。要做到这一点,只需将所有能量压缩到无限小的时间片中。在现实世界中限制这种方法的是,虽然时间是可以任意分割的,但电流却不能。电能的量子是一个电子,所以最好的办法是将所有能量匹配过滤成一个电子。由于电子在一定温度(普朗克光谱)下移动,因此这种噪声源不能被进一步侵蚀。然后我们可以看到,雷达像所有宏观实体一样,受到量子理论的影响。

噪声是随机的,而目标信号不是。信号处理可以利用这种现象,使用两种策略来降低噪底。与运动目标指示一起使用的信号集成可以将噪声在每个阶段提高到 倍。该信号还可以在多个滤波器之间进行分割,用于脉冲多普勒信号处理,从而通过滤波器的数量降低了噪底。这些改进还取决于一致性。

干扰

雷达系统必须克服不想要的信号,以便聚焦于感兴趣的目标。这些不想要的信号可能来自无源和有源的内部和外部。雷达系统克服这些无用信号的能力决定了它的信噪比(信噪比)。信噪比定义为所需信号中信号功率与噪声功率的比值;它将所需目标信号的电平与背景噪声电平(大气噪声和接收器内产生的噪声)进行比较。系统的信噪比越高,就越能区分实际目标和噪声信号。

杂波

杂波是指雷达操作员不感兴趣的射频回波。这些目标包括自然物体,如地面、海洋,以及非气象用途时的降水(如雨、雪或冰雹)、沙尘暴、动物(特别是鸟类)、大气湍流和其他大气效应,如电离层反射、流星轨迹和冰雹峰值。杂波也可能从建筑物等人造物体返回,也可能是有意通过雷达的反射回波,例如箔条。

一些杂波也可能由雷达收发机和天线之间的雷达波导引起。在具有旋转天线的典型平面位置指示器 (PPI)雷达中,这通常被视为显示器中心的“太阳”或“太阳爆”,因为接收器响应来自尘埃粒子和波导中错误的射频回波。在发射器发送脉冲和接收器级被启用之间,调整发射时间通常会减少太阳爆,而不影响范围的精度,因为大多数日光猝发是由离开天线之前反射的扩散发射脉冲引起的。杂波被认为是被动干扰源,因为它只响应雷达发送的雷达信号。

杂波可以通过几种方式检测和消除。雷达扫描之间的杂波往往呈现静态;在随后的扫描回波中,期望的目标会出现移动,并且所有静止的回波都可以被消除。海杂波可以通过使用水平极化来减少,而雨杂波可以通过圆极化来减少(气象雷达希望得到相反的效果,因此使用线性极化来检测降水)。其他方法试图通过增加信噪比来提高探测精度。

杂物随风移动或静止不动。在杂乱的环境中,改进度量或性能的两种常见策略是

  • 移动目标指示,集成连续脉冲
  • 多普勒处理,使用滤波器将杂波从理想信号中分离出来。

最有效的杂波抑制技术是脉冲多普勒雷达。多普勒使用一个频谱,因此可以使用速度差将单个信号从位于同一体积中的多个反射器中分离出来。但这需要相干发射机。另一种技术使用移动目标指示器,利用相位差异从两个连续的脉冲中减去接收信号,以减少来自慢速运动物体的信号。这可以适用于缺乏相干发射机的系统,例如时域脉冲幅度雷达。

恒定虚警率,自动增益控制(AGC)系统是一种依赖于杂波返回的方法,可以产生远大于目标特性的回波。接收机的增益被自动调整,以保持整体可见杂波的恒定水平。虽然这无助于检测被更强的周围杂波掩盖的目标,但它确实有助于区分强目标源。过去,雷达自动增益控制是电子控制的,并影响整个雷达接收机的增益。随着雷达的发展,自动增益控制成为计算机软件控制的,并以更大的粒度影响特定检测单元的增益。

来自目标的雷达多径回波导致幽灵出现

杂波也可能源于地面反射、大气管道或电离层反射 / 折射引起的有效目标的多径回波(例如,异常传播)。这种杂波类型特别麻烦,因为它看起来像其他感兴趣的正常(点)目标一样移动和行为。在典型的情况下,飞机回波从下面的地面反射,在接收机看来是正确目标下面的相同目标。雷达可能试图统一目标,在不正确的高度报告目标,或者基于抖动或物理上的不可能性消除目标。地形反弹干扰通过放大雷达信号并将其向下引导来利用这种响应。这些问题可以通过结合雷达周围环境的地形,并消除所有似乎源自地面以下或特定高度以上的回波来克服。单脉冲可以通过改变低仰角时使用的仰角算法来改进。在较新的空中交通管制雷达设备中,算法用于通过比较当前脉冲回波和相邻脉冲回波以及计算回波概率来识别虚假目标。

干扰

雷达干扰是指源自雷达外部源的射频信号,以雷达频率传输,从而掩蔽感兴趣的目标。干扰可能是有意的,如电子战战术,也可能是无意的,如使用相同频率范围发射的友军操作设备。干扰被认为是一种主动干扰源,因为它是由雷达外部的元素发起的,通常与雷达信号无关。

干扰对雷达来说是有问题的,因为干扰信号只需要单向传播(从干扰机到雷达接收机),而雷达回波双向传播(雷达-目标-雷达),因此当它们返回雷达接收机时功率显著降低。因此,干扰器可能比它们被干扰的雷达威力小得多,并且仍然有效地遮蔽从干扰器到雷达的视线目标(主瓣干扰)中。干扰器具有通过雷达接收器的旁瓣影响沿其他视线的雷达的附加效果(旁瓣干扰)中。

主瓣干扰通常只能通过缩小主瓣立体角来减小干扰,并且当直接面对使用与雷达相同频率和极化的干扰机时不能完全消除。旁瓣干扰可以通过降低雷达天线设计中的接收旁瓣和使用全向天线检测并忽略非主瓣信号来克服。其他的抗干扰技术有跳频和极化。

雷达信号处理

距离测量

通过时间

脉冲雷达:测量雷达脉冲到达目标并返回的往返时间。距离与这个时间成正比。

连续波雷达

获得距离测量值的一种方法是基于飞行时间:发射短脉冲无线电信号(电磁辐射),并测量返回所需的时间。距离是往返时间的一半乘以信号速度。这是由于信号必须往返于物体的事实。由于无线电波的传播速度接近光速,精确的距离测量需要高速电子设备。在大多数情况下,当信号正在传输时,接收器不会检测到返回。通过使用双工器,雷达以预定的速率在发射和接收之间切换。类似的效果也会产生最大作用距离。为了使距离最大化,脉冲之间应该使用更长的时间,称为脉冲重复时间或其倒数脉冲重复频率。

这两种效应往往相互矛盾,很难在一个雷达中同时结合好短距离和长距离。这是因为良好的最小距离广播所需的短脉冲具有较少的总能量,使得回报小得多,目标更难检测。这可以通过使用更多脉冲来抵消,但这会缩短最大范围。所以每个雷达都使用一种特定类型的信号。远程雷达倾向于使用长脉冲和长延迟,而短程雷达使用小脉冲和短时间。随着电子技术的进步,许多雷达现在可以改变它们的脉冲重复频率,从而改变它们的射程。最新的雷达可以在一个单元发射两个脉冲,一个用于短程(大约10km (6.2mi))和一个用于远距离(大约100km (62mi))中。

距离分辨率和接收信号相对于噪声的特性取决于脉冲的形状。脉冲通常需要调制,以使用称为脉冲压缩的技术获得更好的性能。

距离也可以作为时间的函数来测量。雷达英里是雷达脉冲每1海里从目标返回的时间。因为一海里被定义为1852m,然后将这个距离除以光速(299792458m/s),然后将结果乘以2得到12.36μs的持续时间。

调频

距离测量雷达的另一种形式是基于频率调制。即使使用旧的电子设备,两个信号之间的频率比较也比信号计时精确得多。通过测量返回信号的频率并将其与原始信号进行比较,可以很容易地测量差异。

这项技术可用于连续波雷达并且经常出现在飞机上雷达测高计中。在这些系统中,“载波”雷达信号以可预测的方式进行频率调制,通常在音频频率下以正弦波或锯齿波模式上下变化。然后,信号从一个天线发出,在另一个通常位于飞机底部的天线上接收,可以使用简单的差频 调制器,从返回的信号和一部分发送的信号中产生音频信号。

由于信号频率在变化,当信号返回飞机时,发射频率已经改变。频移用于测量距离。

接收信号上的调制指数与雷达和反射器之间的时间延迟成正比。随着时间延迟的增加,频移变得更大。频移与行进的距离成正比。该距离可以显示在仪器上,也可以通过转发器获得。这种信号处理类似于速度检测多普勒雷达中使用的信号处理。使用这种方法的示例系统有AZUSA 、MISTRAM 和UDOP 。

另一个优点是雷达可以在相对较低的频率下有效工作。该特性在雷达的早期开发中很重要,是因为当时高频信号产生很困难且很昂贵。

地面雷达使用覆盖更大频率范围的低功率FM信号。对多次反射进行数学分析,以确定多次通过计算机合成图像时的图案变化。多普勒效应被用于检测缓慢移动的物体,并在很大程度上消除水体表面的“噪声”。

速度测量

速度是到物体的距离相对于时间的变化。因此,用于测量距离的系统与用于查看目标最后位置的记录相结合,足以测量速度。有一段时间,记录由用户在雷达屏幕上做油性笔标记,然后使用计算尺计算速度组成。现代雷达系统可以使用计算机更快、更准确地执行等效操作。

如果发射机的输出是相干的(相位同步),还有另一种效应可以用来进行几乎即时的速度测量(不需要存储器),称为多普勒效应。大多数现代雷达系统将这一原理应用于多普勒雷达和脉冲多普勒雷达系统(天气雷达,军用雷达)。多普勒效应只能确定目标沿着雷达到目标的视线的相对速度。垂直于视线的目标速度的任何分量不能仅仅通过使用多普勒效应来确定,但可以通过随着时间的推移跟踪目标的方位角来确定。

制造一个没有任何脉冲的多普勒雷达,称为连续波雷达(连续波雷达),通过发出已知频率的单一信号。连续波雷达是确定目标速度径向分量的理想选择。连续波雷达通常被交通执法部门用来快速准确地测量车速。

当使用脉冲雷达时,连续回波相位之间的变化给出了目标在脉冲之间移动的距离,因此可以计算其速度。雷达信号处理的其他数学发展包括时频分析(Weyl Heisenberg or wavelet),以及利用运动目标的回波频率变化计算(“啁啾”)的线调频小波变换法 。

脉冲多普勒信号处理

脉冲多普勒信号处理。 范围采样轴表示在每个发射脉冲之间采集的各个样本。 范围间隔轴表示采集样本的每个连续发送脉冲间隔。 快速傅立叶变换过程将时域样本转换为频域谱。 有时被称为bed of nails。

脉冲多普勒信号处理包括检测过程中的频率滤波。每个发射脉冲之间的空间被分成范围单元或范围门限。每个单元被独立地过滤,很像频谱分析仪用来产生不同频率波形的显示过程。每个不同的距离产生不同的频谱。这些频谱用于执行检测过程。这是在恶劣环境(包括天气、地形和电子对抗)下实现预先性能所必需的条件。

主要目的是从多个距离测量总反射信号的幅度和频率。这与气象雷达一起用于测量每种不同空气体积中的径向风速和降水率。这与计算系统相联系,产生实时电子天气图。飞机安全取决于能否持续获得准确的天气雷达信息,以防止受伤和事故。气象雷达使用低PRF。一致性要求不像军事系统那样严格,因为单个信号通常不需要分离。与用于跟踪飞行器的军用雷达相比,气象雷达通常不需要进行复杂的滤波以及距离模糊处理。

另一个目的是提高军事空战生存能力所需的“俯视/击落”能力。脉冲多普勒也用于防御人员和车辆所需的地面监视雷达。脉冲多普勒信号处理在飞机驾驶员、船员、步兵和炮兵附近利用较少的辐射来增加最大的探测距离。来自地形、水和天气的反射产生的信号比飞机和导弹大得多,这使得快速移动的飞行器可以利用地球表面的飞行技术和隐身技术来躲避探测,直到攻击飞行器离得太近而无法摧毁为止。脉冲多普勒信号处理结合了更复杂的电子滤波,安全地消除了这种弱点。这需要使用具有大动态范围的相位相干硬件的中等脉冲重复频率。军事应用需要中等PRF ,以防止距离被直接确定,并且需要距离模糊度分辨处理来识别所有反射信号的真实距离。径向移动通常与多普勒频率相关联,以产生雷达干扰信号无法产生的锁定信号。脉冲多普勒信号处理还可以产生用于威胁识别的听觉信号。

减少干扰效应

信号处理用于雷达系统中,以减少。信号处理技术包括运动目标指示、脉冲多普勒信号处理、运动目标检测处理器、二级监视雷达目标相关性、时空自适应处理和跟踪前检测。恒定虚警率和数字地形模型处理也用于杂乱环境。

绘图和轨迹提取

跟踪算法是一种雷达性能增强策略。跟踪算法提供了基于传感器系统报告的单个位置的历史来预测多个运动对象的未来位置的能力。

历史信息被积累并用于预测未来的位置,以用于空中交通管制、威胁估计、作战系统理论、火炮瞄准和导弹制导。雷达传感器可以在几分钟内积累位置数据。

有四种常见的跟踪算法。

  • 最近邻算法
  • 概率数据关联
  • 多重假设跟踪
  • 交互式多模型(IMM)

从飞机返回的雷达视频可以经过图提取过程,从而丢弃虚假和干扰信号。目标返回序列可以通过一种称为绘图提取器的设备来监控。

可以从显示的信息中移除不相关的实时返回,并显示单个图。在一些雷达系统中,或者在雷达连接的指挥和控制系统中,雷达跟踪器用于关联单个目标的图序列,并估计目标的航向和速度。

工程

雷达组件

雷达的组成部分是:

  • 一种利用振荡器如速调管或磁控管产生无线电信号并通过调制器控制其持续时间的发射机。
  • 连接发射器和天线的波导管。
  • 一种双工器,当天线在用作收发时,双工器是天线和信号发射机或接收机之间的开关。
  • 接收器。根据接收信号(脉冲)的形状,可以使用匹配滤波器来设计最佳接收器。
  • 产生人类可读信号的显示处理器输出设备。
  • 控制所有这些设备和天线执行软件命令的雷达扫描的电子部分。
  • 最终用户设备和显示器的链接设备。
天线设计

AS-3263/SPS-49(V)天线。(美国海军)

从单个天线广播的无线电信号将向所有方向传播,同样,单个天线将从所有方向平等地接收信号。这给雷达留下了确定目标物体位置的问题。

早期的系统倾向于使用全向广播天线,具有指向不同方向的定向接收器天线。例如,要部署的第一个系统Chain Home在以下位置使用了两根直角摆放的天线用于接收,显示在不同的显示器上。天线与目标成直角时可以检测到最大回波,天线直接指向目标时(末端朝上)可以检测到最小回波。操作员可以通过以下方式确定目标的方向,因此一个显示器显示最大值,而另一个显示最小值。这种解决方案的一个严重限制是广播向所有方向发送,因此被检查方向的能量是一小部分传输的数据。为了在“目标”上获得合理的功率,发射天线也应该是定向的。

抛物面反射器

现代系统使用可控的抛物线“碟形天线”来创建紧密的广播波束,通常使用与接收器相同的碟形天线。这种系统通常将两个雷达频率组合在同一个天线中,以便自动转向,或者雷达锁定

抛物面反射器可以是对称抛物面,也可以是非严格抛物面: 对称抛物面天线在X和Y维度上都产生窄的“铅笔”波束,因此具有更高的增益。NEXRAD 脉冲多普勒天气雷达使用对称天线对大气进行详细的体积扫描。非严格抛物面天线在一维产生窄波束,在另一维产生相对宽的波束。如果在大角度范围内的目标检测比三维目标定位更重要,则该特性非常有用。大多数2D监视雷达使用非严格的抛物面天线,方位角波束较窄,垂直波束较宽。这种波束配置允许雷达操作员在特定方位但不确定的高度探测飞机。相反,所谓的“nodder”高度探测雷达使用垂直波束较窄和方位角波束较宽的碟形天线来探测特定高度但方位角精度低的飞机。

监视雷达天线

扫描类型

  • 主扫描: 移动主天线以产生扫描波束的扫描技术,例如圆形扫描、扇形扫描等。
  • 二次扫描: 一种扫描技术,其中天线馈源被移动以产生扫描光束,包括圆锥扫描、单向扇形扫描、波瓣切换等。
  • 帕尔默扫描: 一种扫描技术,通过移动主天线及其馈电产生扫描波束。帕默扫描是主扫描和次扫描的组合。
  • 圆锥扫描: 雷达波束围绕指向目标的“视轴”轴旋转一个小圆。

开槽波导

开槽波导天线

类似于抛物面反射镜,开槽波导采用机械扫描,并且特别适用于非跟踪表面扫描系统,其中垂直图案可以保持恒定。由于成本较低和暴露在风中较少,船上、机场地面和港口监视雷达通常使用这种方法,而不是抛物面天线。

相控阵

相控阵:并非所有雷达天线都必须旋转才能扫描天空。

另一种操纵方法用于相控阵雷达。

相控阵天线由均匀间隔的类似天线元件组成,例如天线或开槽波导行。每个天线元件或天线元件组包含一个离散相移,该相移在整个阵列上产生相位梯度。例如,在整个阵列面上为每个波长产生5度相移的阵列元件将产生偏离垂直于阵列面的中心线5度的光束。沿着那条光束传播的信号将被增强。偏离该光束的信号将被抵消。叠加量为天线增益。抵消的量是旁瓣抑制。

相控阵雷达自第二次世界大战早期雷达(Mammut radar )就开始使用,但电子设备的限制导致性能低下。相控阵雷达最初用于导弹防御(Safeguard Program)。它们是舰载神盾战斗系统和爱国者导弹系统的核心。与具有大量阵列元件相关联的大量冗余增加了可靠性,但代价是单个相位元件出现故障时性能逐渐下降。相控阵雷达在较小程度上已经用于天气监视。截至2017年,美国国家海洋和大气管理局计划在10年内在全美国实施多功能相控阵雷达国家网络,用于气象研究和飞行监测。

相控阵天线可以被制造成符合特定场景的形状,如导弹、步兵支援车辆、船只和飞机。

随着电子产品价格的下降,相控阵雷达变得越来越普遍。几乎所有现代军用雷达系统都基于相控阵,其中少量的额外成本被没有运动部件的系统的可靠性提高所抵消。传统的移动天线设计仍然广泛应用,其成本是一个重要因素,如空中交通监控和类似系统。

相控阵雷达由于能跟踪多个目标,所以在飞机上使用很有价值。第一架使用相控阵雷达的飞机是 B-1B Lancer。第一架使用相控阵雷达的战斗机是米格-31战斗机。直到安/APG-77 电子扫描阵列雷达在F-22勐禽战斗机上使用之前,米格-31M的SBI-16 Zaslon 无源电子扫描阵列雷达被认为是世界上最强大的战斗机雷达。

相控阵干涉测量术或孔径合成技术,采用的一系列分阶段进入单个有效孔径的独立碟形天线的技术并不适用于雷达应用,尽管它们被广泛应用于射电天文学。因为稀疏阵列用于发射器时,这种多孔径阵列以降低发射到目标的总功率为代价产生窄光束。原则上,这种技术可以提高空间分辨率,但较低的功率意味着这通常是无效的。

另一方面,通过后处理单个移动源的运动数据进行孔径合成的技术广泛应用于空间和机载雷达系统。

频带

传统的频带名称起源于第二次世界大战期间的代号,至今仍在世界各地的军事和航空中使用。电气和电子工程师学会和国际国际电信联盟已经在美国采用了这些标准。大多数国家都有额外的法规来控制每个波段的哪些部分可用于民用或军用。

无线电频谱的其他用户,如广播和电子对抗行业,已经用自己的系统取代了传统的军事名称。

雷达频带
频段

名称

频率范围 波长范围 应用
HF 3–30 MhZ 10–100 m 沿海雷达系统、超视距雷达 (OTH)雷达;“高频”
VHF 30–300兆赫 1-10m 射程很远,穿透地面;“非常高的频率”
P <300兆赫 >1m “p”表示“先前”,追溯应用于早期雷达系统;本质上是高频+甚高频
UHF 300–1000兆赫 0.3-1米 远程(如弹道导弹预警)、地面穿透、树叶穿透;“超高频”
L 1–2 GHz 15–30 cm 远程空中交通管制和监视;“L代表Long”
S 2–4GHz 7.5–15厘米 中程监视、终端空中交通管制、远程天气、海洋雷达;“S代表short”
C 4–8GHz 3.75–7.5厘米 卫星转发器;X和S波段之间的折衷(C’, compromise);天气;远程跟踪
X 8–12GHz 2.5–3.75厘米 导弹制导、海洋雷达、天气、中分辨率测绘和地面监视;在美国,狭窄的范围是10.525GHz ±25 MHz 用于机场雷达;短程跟踪。命名为X波段是因为频率在二战期间是个秘密。
Ku 12-18GHz 1.67–2.5厘米 高分辨率,也用于卫星转发器,频率在K波段以下(因此是“u”)
K 18-24GHz 1.11–1.67厘米 来自德语 kurz,意思是“短”;由于被水蒸气吸收,所以Ku和Ka被用来监视。气象学家用k波段探测云,警察用k波段探测超速驾驶的人。k波段雷达枪的工作频率为24.150±0.100千兆赫。
Ka 24-40GHz 0.75–1.11厘米 测绘、短程、机场监控;频率刚好高于K波段(因此称为“a”),摄影雷达用于触发拍摄闯红灯汽车牌照的相机,工作频率为34.300±0.100千兆赫。
mm 40–300GHz 1.0–7.5毫米 毫米波段,细分如下。频率范围取决于波导尺寸。将多个字母分配给这些不同的波段。这些来自Baytron,一家现已倒闭的制造测试设备的公司。
V 40-75GHz 4.0–7.5毫米 在60 GHz时产生共振,被大气氧气强烈吸收,
W 75–110GHz 2.7–4.0毫米 用作实验性无人驾驶车辆、高分辨率气象观测和成像的视觉传感器。
调制器

调制器用于提供射频脉冲的波形。有两种不同的雷达调制器设计:

  • 用于非相干键控功率振荡器的高压开关,这些调制器由高压电源形成的高压脉冲发生器、脉冲形成网络和高压开关如闸流管组成。它们产生短脉冲功率馈送给磁控管,一种将DC(通常是脉冲的)转换成微波的特殊类型的真空管。这项技术被称为脉冲功率。通过这种方式,发射的射频辐射脉冲被保持在一个确定的并且通常非常短的持续时间内。
  • 混频器。由波形发生器和激励器为复杂的相干波形供电。该波形可以由低功率/低电压输入信号产生。在这种情况下,雷达发射机必须是功率放大器,例如速调管或固态发射机。这样,发射的脉冲是脉内调制的,并且雷达接收机必须使用脉冲压缩技术。
冷却剂

工作在1000瓦微波输出以上的相干微波放大器,如行波管和速调管,需要液体冷却剂。电子束必须包含比微波输出多5到10倍的功率,微波输出可以产生足够的热量来产生等离子体。这种等离子体从收集器流向阴极。引导电子束的相同磁聚焦迫使等离子体进入电子束的路径,但方向相反。这引入了FM调制,降低了多普勒性能。为了防止这种情况,需要具有最小压力和流速的液体冷却剂,去离子水通常用于大多数利用多普勒处理的高功率地面雷达系统。

冷却剂Coolanol(硅酸酯)在20世纪70年代被用于几种军事雷达。然而,它具有吸湿性,导致水解并形成高度易燃的醇。1978年美国海军飞机的损失归因于硅酸盐酯火灾。冷却液也很贵而且有毒。美国海军制定了一个名为“污染预防”的计划,以消除或减少废物、空气排放和污水排放的数量和毒性。因此,冷却液现在很少使用。

规程

雷达定义,第1.100条的国际电信联盟(国际电联)国际电联无线电条例(RR)为:

一种无线电测定系统,它基于参考信号与从待确定位置反射或重发的无线电信号的比较。 每个无线电测定系统应由其永久或暂时运行的无线电通信业务进行分类。 在无线电定位服务或卫星无线电定位服务中运行的雷达中应包括主、次两种雷达。