文档介绍：雷达系统
微波通信系统
微波遥感系统
第10章微波应用系统
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第10章微波应用系统
雷达系统
雷达(RADAR)是微波的最早应用之一。RADAR一词是英文无线电探测与测距(Radio Detection And Ranging)的缩写。雷达的工作机理是: 电磁波在传播过程中遇到物体会产生反射, 当电磁波垂直入射到接近理想的金属表面时所产生的反射最强烈, 于是可根据从物体上反射回来的回波获得被测物体的有关信息。
因此,雷达必须具有产生和发射电磁波的装置(即发射机和天线), 以及接收物体反射波(简称回波)并对其进行检测、显示的装置(即天线、接收机和显示设备。由于无论发射与接收电磁波都需要天线, 根据天线收发互易原理, 一般收发共用一部天线, 这样就需要使用收发开关实现收发天线的共用。
另外, 天线系统一般需要旋转扫描, 故还需天线控制系统。雷达系统的基本组成框图如图 10 - 1所示。
传统的雷达主要用于探测目标的距离、方位、速度等尺度信息, 随着计算机技术、信号处理技术、电子技术、通信技术等相关技术的发展, 现代雷达系统还能识别目标的类型、姿态, 实时显示航迹甚至实现实时图像显示。
图 10 – 1 雷达系统的基本组成框图
所以, 现代雷达系统一般由天馈子系统、射频收发子系统、信号处理子系统、控制子系统、显示子系统及中央处理子系统等组成, 其原理框图如图 10 - 2 所示。
大多数雷达工作于超短波或微波波段, 因此在不同的雷达系统中, 既有各种微波传输系统(包括矩形波导、阻抗匹配器、功率分配器等), 又有线天线、阵列天线及面天线等天线系统。在这里就不一一罗列, 而把重点放在介绍几种典型雷达系统的工作原理, 以使读者对雷达系统有所了解。
1. 雷达探测原理
由于电磁波具有幅度信息、相位信息、频率信息、时域信息及极化信息等多种信息, 雷达就是利用从目标反射或散射回来的电磁波中提取相关信息, 从而实现测距、测向、测速及目标识别与重建等。下面就基本探测原理加以介绍。
图 10 – 2 现代雷达系统的组成框图
(1) 测距
电磁波在自由空间是以光速这一有限速度传播的。设雷达与目标之间的距离为s, 则由发射机经天线发射的雷达脉冲经目标反射后回到雷达, 共走了2s的距离。若能测得发射脉冲与回波脉冲之间的时间间隔Δt, 则目标距雷达的距离可由下式求得:
传统的雷达采用同步扫描显示方式, 使回波脉冲和发射脉冲同时显示在屏上, 并根据时间比例刻度读出时差或距离, 现代雷达则通过数字信号处理器将所测距离直接显示或记录下来。
由天线理论可知, 在工作频率一定时, 波束越窄, 要求天线的口径越大, 反之, 天线口径一定, 则要求的频率越高, 因此雷达一般在微波波段工作。为了实现窄波束全方位搜索, 传统的雷达系统必须使天线波束按一定规律在要搜索的空间进行扫描以捕获目标。
当发现目标时, 停止扫描, 微微转动天线, 使接收信号最强时, 天线所指的方向就是目标所在方向。从原理上讲,利用天线波束尖端的最强方向指向目标从而测定目标的方位是准确的, 但由天线方向图可知, 波束最强的方向附近, 对方向性是很不敏感的, 这给测向带来了较大的误差, 因此这种方法适合搜索雷达而不适合跟踪雷达。单脉冲技术是解决测向精度的有效方法, 这部分内容在后面叙述。
(3) 测速
由振荡源发射的电磁波以不变的光速c传播时, 如果接收者相对振荡源是不动的, 那么它在单位时间内所收到的振荡数目与振荡源产生的相同; 如果振荡源与接收者之间有相对接近运动, 则接收者在单位时间内接收的振荡数目比它不动时要多一点, 也就是接收到的频率升高, 当两者相反方向运动时接收到的频率会下降。这就是多卜勒效应。可以证明, 当飞行目标向雷达靠近运动时, 接收到的频率f与雷达振荡源发出的频率f0的频差为
式中, fd称为多卜勒频率, vr为飞行目标相对雷达的运动速度。可见, 只要测得飞行目标的多卜勒频率,就可利用上式求得飞行目标的速度。这就是雷达测速原理。
(4) 目标识别原理
所谓目标识别就是利用雷达接收到的飞行目标的散射信号, 从中提取特征信息并进行分析处理, 从而分辨出飞行目标的类别和姿态。目标识别的关键是目标特征信息的提取, 这涉及到对目标的编码、特征选择与提取、自动匹配算法的研制等过程。
由于目标识别涉及到电磁散射理论、模式识别理论、数字信号处理及合成孔径技术等多学科知识, 而且特征信息提取的原理、方法也很多, 因此在这里不一一介绍, 仅对频域极点特征提取法加以简单介绍。