雷达,Radar,Radio Detection and Ranging,即“无线电探测和定距”,雷达发射电磁波,并接收折返的回波,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,以地面为目标的雷达用于探测地表的精确形貌。现代雷达系统集电磁、通信、电子、材料、信号处理等各学科的最新研究成果于一体,在发现目标、测距、定向、测速、成像和识别目标属性等任务中发挥着核心作用。

1. 雷达回波中的可用信息

  • 目标斜距

  • 目标方位角和仰角

  • 目标相对径向速度

  • 目标尺寸和形状

2. 雷达的起源和发展

  • 起源

雷达的出现,是由于二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。目前,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雷达、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。

  • 发展

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。

1916年:马可尼( Marconi)和富兰克林(Franklin)开始研究短波信号反射。

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的高度。美国布莱尔和杜夫用脉冲波来测量亥维塞层。

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:A.L.Samuel最早研制出多腔磁控管的模型。同年法国Gutton用磁控管产生16厘米波长,11月29日德国人H.E. Hollmann注册了一项更为出色的多腔磁控管专利。

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,它们在二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)制成了完全达到实用标准的多腔磁控管,使得大战中美国的分米级别雷达技术突飞猛进。

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,发明了可同时分辨几十个目标的微波预警雷达。

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。

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。

1993年:美国曼彻斯特市德雷尔·麦吉尔发明了多塔查克超智能雷达。

早期的雷达天线是固定的、无方向的阵列,只有距离信息。天线在一定的时间间隔内发射射频脉冲,将接收到的回波放大,并在示波器的CRT上显示(即常称的A显示),产生一个与目标位置对应的水平线,供雷达操作员识别目标的大致距离。

但由于当时所用的射频电波频率较低,为了有效地发射和接收射频信号,雷达系统需要一个很大的天线,这种天线不能迁移或者改变方向,而且只能探测到大目标,且距离信息的精度也很低。

到二战结束时,现在熟悉的微波频率、抛物面天线和PPI显示等雷达系统特征,已建立起来。

3. 雷达探测能力–基本雷达方程

设雷达发射机功率为\(P_t\) (瓦特,W),当用各向均匀辐射的天线发射时,距雷达\(R\) (米,m)远处任一点的功率密度\(S’ _1\)(瓦特/米\(^2\),W/m\(^2\))等于功率被假想的球面积\(4 \pi R^2\)所除,即

\(S’ _1=\frac{P _t}{4 \pi R^2}\)

实际雷达总是使用定向天线将发射机功率集中辐射于某些方向上。天线增益\(G\) (分贝,dB)用来表示相对于各向同性天线,实际天线在辐射方向上功率增加的倍数。因此,当发射天线增益为\(G\)时,距雷达\(R\)处目标所照射到的功率密度为

\(S _1=\frac{P _tG}{4 \pi R^2}\)

目标截获了一部分照射功率并将它们重新辐射于不同方向。用雷达截面积\(\sigma\)(“雷达反射截面,RCS”,平方米,m\( ^2\))来表示被目标截获照射功率后再次辐射回雷达处功率的大小,或,用下式表示在雷达处的回波信号功率密度:

\(S _2 = S _1 \frac{\sigma}{4 \pi R^2}=\frac{P _tG}{4 \pi R^2}·\frac{\sigma}{4 \pi R^2}\)

\(\sigma\)的大小随具体目标而异,它可以表示目标被雷达“看见”的尺寸。雷达接收天线只收集了回波功率的一部分,设天线的有效接收面积为\(A_e\)(平方米,m\( ^2\)),则雷达收到的回波功率\(P _r\)为

\(P_r=A_eS_2=\frac{P_tGA_e\sigma}{(4 \pi )^2R^4}\)

当接收到的回波功率\(P_r\)等于最小可检测信号\(S_{min}\)时,雷达达到其最大作用距离\(R_{max}\),超过这个距离后,就不能有效地检测到目标:

\(R_{max}=[\frac{P_tGA_e\sigma}{(4 \pi )^2S_{min}}]^{1 \over 4}\)

通常收发共用天线,天线增益\(G\)和它的有效接收面积\(A_e\)具有以下关系:

\(G=\frac{4 \pi A_e}{\lambda^2}\)

因此,雷达基本方程可写成以下形式:

$$R_{max}=[\frac{P_tGA_e\sigma}{(4 \pi )^2S_{min}}]^{1 \over 4}=[\frac{P_tA^2_e\sigma}{4 \pi \lambda^2S_{min}}]^{1 \over 4}$$

该方程可以正确地反映雷达各参数对其检测能力影响的程度,但并不能充分反映实际雷达的性能,这是因为该方程并没有考虑工作环境、设备精度等实际影响因素。