文档介绍：第1章雷达概论
Merrill I. Skolnik
雷达描述
雷达的基本概念相对简单,但在许多场合下它的实现并不容易。它以辐射电磁能量并检测反射体(目标)反射的回波的方式工作。回波信号的特性提供有关目标的信息。通过测量辐射能量传播到目标并返回的时间可得到目标的距离。目标的方位通过方向性天线(具有窄波束的天线)测量回波信号的到达角来确定。如果是动目标,雷达能推导出目标的轨迹或航迹,并能预测它未来的位置。动目标的多普勒效应使接收的回波信号产生频移,因而即使固定回波信号幅度比动目标回波信号幅度大多个数量级时,雷达也可根据频移将希望检测的动目标(如飞机)和不希望的固定目标(如地杂波和海杂波)区分开。当雷达具有足够高的分辨力时,它能识别目标尺寸和形状的某些特性。雷达可在距离上、角度上或这两方面都获得分辨力。距离分辨力要求雷达具有大的带宽,角度分辨力要求大的电尺寸雷达天线。在横向尺度上,雷达获得的分辨力通常不如其在距离上获得的分辨力高。但是当目标的各个部分与雷达间存在相对运动时,可运用多普勒频率固有的分辨力来分辨目标的横向尺寸。虽然人们通常认为SAR是通过在存储器中存储接收到的信号,从而产生大的“合成”天线,但是用于成像(如地形成像)的合成孔径雷达在横向尺度上获得的分辨力仍可解释为,是由于利用了多普勒频率分辨力的结果。这两种观点(多普勒分辨力和合成天线)是等效的。展望用于目标成像的ISAR所能得到的横向分辨力的途径,理所当然应该是多普勒频率分辨力。
雷达是一种有源装置,它有自己的发射机而不像大多数光学和红外传感器那样依赖于外界的辐射。在任何气象条件下,雷达都能探测或远或近的小目标,并精确测量它们的距离,这是雷达和其他传感器相比具有的主要优势。
雷达原理已在几兆赫兹(高频或电磁频谱的高频端)到远在光谱区外(激光雷达)的频率范围内得到应用。这范围内的频率比高达109:1。在如此宽的频率范围内,为实现雷达功能而应用的具体技术差别巨大,但是基本原理是相同的。
最初,雷达是为了满足对空监视和武器控制的军事需求而研制的。军事应用使雷达技术的开发得到大量的财政支持。但是雷达同时也被用于许多重要的民用场合,如飞机、轮船、宇宙飞船的安全飞行;环境遥感,特别是气象遥感;法律的施行及许多其他应用。
雷达框图
(在手册中可见到雷达框图的其他实例)。发射机产生的雷达信号(通常是重复的窄脉冲串)由天线辐射到空间。收发开关使天线时分复用于发射和接收。反射物或目标截获并辐射一部分雷达信号,其中少量信号沿着雷达的方向返回。雷达天线收集回波信号,再经接收机加以放大。如果接收机输出的信号幅度足够大,就说明目标已被检测。雷达通常测定目标的方位和距离,但回波信号也包含目标特性的信息。显示器显示接收机的输出,操纵员根据显示器的显示判断目标存在与否,或者采用电子设备处理接收机的输出,以便自动判断目标的存在与否,并根据发现目标后的一段时间内的检测建立目标的航迹。使用自动检测和跟踪(ADT)设备时,通常向操纵员提供处理后的目标航迹,而不是原始雷达检测信号。在某些应用中,处理后的雷达输出信号可直接用于控制一个系统(如制导导弹),而无需操纵员的干预。
采用功率放大发射机和超外差接收机雷达的简化框图
下面对雷达的工作进行更详细的介绍,从发射机开始。
发射机
(参见第4章)是一个功率放大器,例如速调管、行波管、正交场放大器或固态器件(参见第5章)。磁控管等构成的功率振荡器也能用做发射机,但与功率放大器相比,磁控管的平均功率有限。而功率放大器(特别是速调管)不仅可产生大的平均功率而且稳定度高(雷达性能的度量标准是平均功率,而不是峰值功率)。基本波形在送往功率放大器之前是在低功率电平上产生的,因而极易得到脉冲压缩和相参系统(如MTI雷达和脉冲多普勒雷达)所要求的特定波形。尽管磁控管振荡器也能用于脉冲压缩雷达和MTI雷达,但是采用功率放大器结构的雷达能获得更好的性能。当雷达对简易性和机动性要求较高,而并不需要大的平均功率、好的MTI性能或脉冲压缩时,雷达也可采用磁控管振荡器。
典型的地面对空监视雷达发射的平均功率可以是几千瓦。近程雷达的平均功率可以是毫瓦数量级的。探测空间物体的雷达(参见第22章)和高频(HF)超视距雷达(参见第24章)的平均功率可达兆瓦数量级。
雷达方程()说明雷达的探测距离与发射功率4次方根成正比。所以,为了将探测距离提高1倍,发射功率要提高16倍。这意味着,为提高雷达探测距离应使用的发射功率总量通常受到实际的和经济的条件限制。
发射机不仅要能产生大功率、高稳定的波形,而且常常还要在很宽的频率范围内高效、长时间无故障工作。
收发开关
它是用于保护接收机免受