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雷达的常见分类以及典型应用

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发表于 2017-2-20 13:27:25 | 显示全部楼层 |阅读模式
雷达,是英文Radar的音译,源于radio detection and ranging的缩写,意思为"无线电探测和测距",即用无线电的方法发现目标并测定它们的空间位置。因此,雷达也被称为“无线电定位”。雷达是利用电磁波探测目标的电子设备。雷达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。

1、典型雷达应用

监视——军事、民用航空交通管制、地面、空中、沿海警戒、卫星
搜索和跟踪——军事目标搜索和跟踪
火控——为火控系统提供信息(主要包括目标方位、仰角、距离和速度)。
导航——卫星、航空、航海、陆地导航
汽车——碰撞警告,自适应巡航控制(ACC),避免碰撞
液位距离测量——液体的液位监控,距离测量等等。
近炸引信——军事用途: 制导武器系统需要一个接近触发引信爆炸弹头
高度计——飞机或太空船的高度计,为民用和军用使用
地形回避——机载军事应用
二次雷达——异频雷达收发机,接收目标反射的编码信号
气象——避免风暴,变风警告,气象测绘
空间遥感——军事基地监视、地面测绘,空间环境探索
安全——隐藏武器检测、军事基地监视

2、雷达频段和应用

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3、常见雷达类型

连续波雷达

固定频率的连续波(CW型)雷达系统可用于测量速度。但是,它不能提供任何距离信息。天线发射某一固定频率的信号。在移动目标(例如汽车)上反射回来的信号产生了多普勒频移。也就是说会在略微偏移的频率上接收到反射信号。通过比较收发信号的频率,我们可以确定目标的径向速度(而不是距离)。基于这个原理,一个典型的应用是交通监测雷达。

雷达移动传感器也是基于相同的原理,但由于可能存在变化的干扰环境,它们还必须具有能够检测缓慢变化场强的能力。

交警使用的超速检测雷达(speed traps)也是采用这种技术。如果一个特定距离的目标超速了,摄影机就拍下照片。
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现代交通监视雷达


军事上的应用:

连续波雷达也用于目标雷达波束照射。这是一个简明应用:利用一个目标跟踪雷达,雷达波束保持在目标上。制导的防空导弹就是利用此目标的反射。

连续波雷达比较难以被探测到,因此,它们归类为低截获概率雷达。

连续波雷达很适合检测低空飞行的飞机,这些飞机试图通过贴近地面的飞行来克服敌方的防卫。脉冲雷达很难区分地面回波和低空飞机的反射波。连续波雷达克服了这一点,因为它可以忽略那些缓慢变化的地面回波而只对移动目标的反射信号进行精准定位。捕获的信息可再传送给协同作业的脉冲雷达进行进一步的分析和处理

调频连续波雷达

连续波雷达系统的缺点是由于缺少一个时间参考因而不能用来测量距离。然而, 可以利用“调频连续波”雷达产生时间参考来测量静止目标的距离。此方法的原理是:发送一频率呈周期性变化的信号。当接收到回波信号时,就会得到一个类似脉冲雷达的延迟。可以通过比较收发信号的频率来确定延时从而得到距离。可以采用更加复杂的调频模式(如噪声雷达),使得在相同的重复周期内得到最大的无模糊测量距离。然而,最简单的情况是采用基本的锯齿波或三角波调频,这只能得到相对比较小的无模糊测量距离。

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调频连续波雷达的基本工作原理


目标距离是基于发射信号和回波之间的延迟计算得到

此类测距原理有以下应用:例如,在飞机上测量高度(无线高度表)或用地面跟踪雷达来保持固定的离地高度。相比脉冲测量雷达而言,它的优点是可提供连续的测量结果(相对于各种脉冲重复频率下的离散时刻)。

调频连续波雷达也常用于另一些民用的测距应用,如物位指示器。

脉冲和脉冲多普勒雷达
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简单的脉冲雷达系统的基本原理


一个简单的脉冲雷达系统只能通过测量脉冲发送和接收的时间差来提供被测目标的距离信息,它不能确定目标的速度。脉冲宽度决定了空间分辨率。

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带旋转天线的雷达系统测量方位角信息


接收脉冲时,每个瞬间旋转天线指向特定的辐射方向,因此可得到方向信息(方位角φ)。此类(非相干)雷达设备的主要测试包括:距离精度和分辨率,接收机自动增益控制(AGC)处理时间、峰值功率、频率稳定度,本振相位噪声以及所有的脉冲参数。

脉冲多普勒雷达

除了提供目标距离信息(以及方向信息),脉冲多普勒雷达还提供目标径向速度信息,雷达发射机和接收机相参工作时,速度信息就可以从脉冲和脉冲之间的相位变化中获得。通常使用I/Q解调的方式。为了避免距离和速度模糊,最新的脉冲多普勒雷达根据需要采用变脉冲重频(PRF)的技术,脉冲重复频率变化范围一般从几百Hz到500 KHz。

另外,更为先进的脉冲多普勒雷达系统采用一种“交错”的脉冲重频(PRF),即根据探测过程需要,交替变换脉冲重频。要获得脉冲多普勒系统高的性能,需要非常低的本振(LO)相位噪声,低的接收机噪声,低的I/Q增益相位不平衡度(以避免虚假的目标信息)。

脉冲压缩雷达

传统的脉冲雷达和脉冲多普勒雷达,为了获得高的距离分辨率,需要发射非常短的脉冲,但短脉冲意味着发射的信号能量低,作用距离减小。增加脉冲功率,可以增加作用距离,但发射功率的提高,是很有限的,而且成本会很高。远的作用距离和高距离分辨率之间在实现中存在矛盾。

脉冲压缩体制利用脉冲内的调制,很大程度上解决了作用距离和距离分辨率之间矛盾。充分利用了宽脉冲提供的大的作用距离和短脉冲提供的高的分辨率分别带来的好处。并可以使用低的脉冲功率。

通过调制脉冲,在脉冲之间建立时间上的参考,和调频连续波(FMCW)的情况类似。常用的调制方式:

• 线性调频
• 非线性调频
• 脉冲相位编码
• 多相调制和时-频编码调制

尽管脉冲压缩雷达具有低脉冲功率时获得远的作用距离和高的分辨率的优点,但也存在一个明显的不足,最短的作用距离受到脉冲宽度的限制,在脉冲发射时间,接收机是阻塞的。在空中交通管制的应用中,由于脉冲压缩雷达这一主要不足,往往采用两种技术,远距离时采用调频脉冲,而近距离时则采用非常短的脉冲,而近距离时,不需要大的发射功率。

-线性调频应用最广泛;
-非线性调频尽管有许多优点,但迄今用的很少;
-脉冲相位编码应用非常广泛,尤其长度为11和13码元的巴克码(Barker)调制;
-先进的军用雷达系统中,特殊编码的多相调制的脉冲压缩技术的应用正逐步增加。

捷变频雷达(FAR)(抗阻塞干扰和杂波抑制)

跳频是雷达系统对付阻塞干扰和电子对抗(ECCM)的有效方法,通常用在军用雷达技术中。采用FAR还具有到杂波抑制的功能。典型参数:小于1us的切换时间,X波段几百MHz的跳变带宽,W波段(95GHz)2GHz的跳变带宽。

另外一些与FAR相关的测量参数包括,频率切换时间、频率跳变序列、切换杂散以及宽带幅度相位稳定性等。

步进跳频雷达

步进跳频雷达多见成像应用,跳频带宽从几百MHz到2GHz,分辨率达到10cm。
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步进跳频时域示意图


脉冲到脉冲之间,频率以固定步进变化。典型应用一个跳变周期包括128个脉冲。步进跳频的优点是,宽带范围内频率跳变获得很宽的带宽,从而获得高的分辨率,而无需很大的瞬时带宽。

由于发射机和接收机的要求很大的射频带宽,这些子系统必须具有非常好的幅度和相位稳定性,以获得高的分辨率。因此,测量脉冲-脉冲之间幅度相位稳定性非常重要。又如捷变频雷达(FAR)一样,本振在跳变过程中的设定时间也是一个重要的测量参数。

活动目标指示雷达(MTI)

活动目标指示雷达(MTI)的基本思想是抑制固定的或慢速运动的目标的反射,如固定建筑物、山体、云、水波等杂波,以获取运动目标,如飞行物、车辆的反射并指示。此时,由于多普勒效应使得相对于雷达径向运动的目标回波与发射机频率之间产生频差,这一频差正比于相对径向速度(对线性调频雷达而言)。对脉冲雷达系统,运动目标的回波相对于发射信号而言,产生脉冲之间相位变化。
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活动目标指示雷达


MTI的优化应用,需要一些经验,如交错PRF(脉冲之间的时间间隔可按一定规律变化)从而避开所谓的盲速。对优化的MTI或杂波抑制而言,重要的测量参数有:对发射信号脉冲-脉冲之间的幅度相位稳定性;本振信号的相位噪声和高稳定性,尤其对测量慢速运动的目标探测而言,低的相位噪声尤其重要。

单脉冲雷达
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单脉冲雷达天线


单脉冲雷达系统中,至少需要采用空间分离的两组天线。通过比较和差通道,可以定位雷达波束照射范围内的目标。左右通道的反相耦合形成差通道(ΔAz),即方位差通道。在指向的方向上,和通道得到最大值,同时差通道最小值。由于和通道(Σ)和差通道(Δ)在一个脉冲回波就可以得到结果。所以,一个脉冲就可足以计算目标位置。(常常将这样组合天线的方式称为单脉冲天线)。和通道与差通道的比值提供了实际目标的指向和天线轴线(“前视”)的偏离程度,天线前视和目标实际的方位角之间的差别就是大家所熟知的“前视偏向角”。

三维雷达系统中,俯仰角测量采用相同的技术,需要一个俯仰差通道作为第二差通道(ΔEI)。通道之间的一致性,对象单脉冲雷达这样的多通道系统而言至关重要,为此,通常要求相位相参的合成器的相位偏差可调。

相控阵雷达

和反射天线只有一个辐射单元不同,相控阵雷达天线具有几百甚至几千个独立的辐射单元。馈送到每个辐射单元信号的幅度、相位可以分别独立控制,从而可以获得任何所需要的辐射方向形状(方向图)。实际应用中,方向辐射可以在±60°范围内调整。与传统机械扫描天线不同,相控阵天线方向图的调整通过改变各单元馈电幅度和相位实现,所需时间非常短,几乎没有延时。

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有源电扫描相控阵天线(AESA)


相控阵造价非常高,主要应用于军事领域和合成孔径雷达(SAR)的卫星应用。有源相控阵(ASEA)每个辐射单元都有独立的发射/接收模块(T/R),而无源相控阵(PESA)则使用共同的RF信号,每个单元通过移相器进行调整。

对ASEA而言,不同T/R模块的幅相一致性非常重要,需要精确测试和测量。

合成孔径雷达(SAR)

合成孔径雷达(SAR),与真实孔径雷达(RAR)一样,都属于成像雷达。此类雷达系统安装于机载或星载平台,通过电磁波扫描地球表面,而获得地面二维图象。

SAR基本原理是,包含一个沿辐射方向垂直的路径移动的天线,位置全程已知,运动方向通常称为“迹轨方向(Along Track)”或方位方向,而相应垂直于运动的方向称为“斜距方向(Cross Track)”。而所谓“脚印(footprint)”是指真实孔径照射的区域,所谓“刈幅(swath)”则指沿运动方向扫过的一个条带。

SAR让雷达在轨道上运动,并按一定的重复频率发射雷达信号,将连续的不同位置的信号加以综合,增加了时间带宽积。可以等效为天线长度在运动方向增加,等效波束变窄,提高分辨率。在距离方向,SAR的信号仍可以采用宽带信号,以获得高的分辨率。沿运动方向的分辨率可以达到真实天线尺寸的一半。真实天线的长度减小一半,分辨率改善一倍。

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方位向分辨率


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距离分辨率


如果需要达到1m的分辨率,信号带宽达到150MHz。现代的SAR带宽大于1GHz,(有时需要2GHz带宽),分辨率达到小于10cm。

信号带宽通常由脉冲压缩获得,如线性调频。更先进的SAR采用步进跳频、极化开关,以及其他复杂技术。

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TERRA SAR 城市区域成像结果


双基地/多基地雷达

大多数情况下,雷达发射机和接收机利用同一天线,通过时间上的切换实现多工。这种雷达称作“单基地雷达”,双基地雷达具有一部发射机,而在另外的地点具有一部或多部接收机。收发天线之间相隔很远距离或很大的空间角。单基地雷达通过增加另外的接收机就很容易构成一部多基地雷达。或者,采用两部工作于同频率的单基地雷达构成一部多基地雷达。

多基地雷达收发部分距离很远或具有很大的空间角。这就意味着,在某些情况下,由于目标反射等原因,单基地雷达无法接收到信号时,多基地雷达仍能接收到信号。所以,这种雷达往往应用于气象雷达和军用反隐身雷达。

当系统采用多个分布的接收机时,我们称之为多基地雷达。

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德国FGAN 开展的机载双基SAR 成像结果


无源(被动)雷达

无源(被动)雷达是一种定位技术,不同于传统的雷达,无源雷达不发射电磁波信号,而是接收、跟踪已知的广播发射机、移动电台和其他系统所发射出来的信号照射到目标上后产生的反射和多普勒效应。无源(被动)雷达很难被侦查到,因为它不发射任何信号。这在军事上具有重要应用。另一军事应用是无源(被动)雷达在对隐身飞机探测,目前有源雷达技术对此问题的解决是有限的。

当然,由于无源(被动)雷达无发射机,接收机测量将会是非常复杂。在测量解决方案中,常常包含多路相干的信号源。
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外辐射源双基SAR 实验图像


低截获率雷达

低截获率(LPI)雷达是面向电子战环境发展的军用雷达系统。或多或少地,这种LPI雷达,躲过电子情报系统(ELINT)的侦测。LPI雷达采用了如下技术:

• 多基地雷达
• 超低副瓣天线
• 超宽带信号
• 长脉冲
• 低功率
• 无源雷达
多模雷达

现今,许多军用雷达系统需要完成大量的任务,所以必须采用多种模式。

• 目标搜索和跟踪
• 武器制导
• 高分辨率地面测绘
• 恶劣天气预测
• 电子对抗
在这些应用中,采用不同的脉冲重复频率(PRF)和调制模式。调频脉冲(Chirp)、脉内巴克码(Barker)调制以及复杂调制、AESA天线、SAR、跳频、变极化等。测量这样的多模雷达系统是复杂,费用很高的。

未来雷达技术展望

未来,我们期待见到包含有雷达系统和红外系统的多传感器系统,这样可以将各自的优点紧密的连接在一起,以克服各自特定的缺点。

军用机载雷达系统将会不断面临先进战斗机隐蔽偷袭的威胁。今后,一架战斗机既要有隐蔽偷袭功能,又不能在使用机载雷达时暴露自己,这是一对必须要解决的矛盾。解决这个问题的可能就是采用双基地雷达,即在飞机上只有发射机或只有接收机。

雷达天线将不再作为一个放在罩子里独立的部件单元,它将和飞机(轮船或其他平台)的几何结构共形。下一代AESA机载雷达系统将会有多幅天线阵列,从而获得更大的空间扫描角。

雷达的数据处理部分的速度将大大提高(通过并行处理的方式),以适应处理更高的数据率,从而可得到更高的分辨率。

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