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1、,第10章 微波應用系統(tǒng),微波應用系統(tǒng),第10章 微波應用系統(tǒng),10.1 雷達系統(tǒng),雷達（RADAR）是微波的最早應用之一。RADAR一詞是英文無線電探測與測距（Radio Detection And Ranging）的縮寫。雷達的工作機理是:電磁波在傳播過程中遇到物體會產生反射,當電磁波垂直入射到接近理想的金屬表面時所產生的反射最強烈,于是可根據從物體上反射回來的回波獲得被測物體的有關信息。,因此，雷達必須具有產生和發(fā)射電磁波的裝置（即發(fā)射機和天線）,以及接收物體反射波（簡稱回波）并對其進行檢測、顯示的裝置（即天線、接收機和顯示設備。由于無論發(fā)射與接收電磁波都需要天線,根據天線收發(fā)互易原理,

2、一般收發(fā)共用一部天線,這樣就需要使用收發(fā)開關實現(xiàn)收發(fā)天線的共用。,另外,天線系統(tǒng)一般需要旋轉掃描,故還需天線控制系統(tǒng)。雷達系統(tǒng)的基本組成框圖如圖 10-1所示。,傳統(tǒng)的雷達主要用于探測目標的距離、方位、速度等尺度信息,隨著計算機技術、信號處理技術、電子技術、通信技術等相關技術的發(fā)展,現(xiàn)代雷達系統(tǒng)還能識別目標的類型、姿態(tài)，實時顯示航跡甚至實現(xiàn)實時圖像顯示。,圖 10 1 雷達系統(tǒng)的基本組成框圖,所以，現(xiàn)代雷達系統(tǒng)一般由天饋子系統(tǒng)、射頻收發(fā)子系統(tǒng)、信號處理子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)、顯示子系統(tǒng)及中央處理子系統(tǒng)等組成,其原理框圖如圖 10-2 所示。,大多數(shù)雷達工作于超短波或微波波段,因此在不同的雷達系統(tǒng)中

3、,既有各種微波傳輸系統(tǒng)(包括矩形波導、阻抗匹配器、功率分配器等),又有線天線、陣列天線及面天線等天線系統(tǒng)。在這里就不一一羅列,而把重點放在介紹幾種典型雷達系統(tǒng)的工作原理,以使讀者對雷達系統(tǒng)有所了解。,1.雷達探測原理,由于電磁波具有幅度信息、相位信息、頻率信息、時域信息及極化信息等多種信息,雷達就是利用從目標反射或散射回來的電磁波中提取相關信息,從而實現(xiàn)測距、測向、測速及目標識別與重建等。下面就基本探測原理加以介紹。,圖 10 2 現(xiàn)代雷達系統(tǒng)的組成框圖,(1)測距,電磁波在自由空間是以光速這一有限速度傳播的。設雷達與目標之間的距離為s,則由發(fā)射機經天線發(fā)射的雷達脈沖經目標反射后回到雷達,共走

4、了2s的距離。若能測得發(fā)射脈沖與回波脈沖之間的時間間隔t,則目標距雷達的距離可由下式求得:,傳統(tǒng)的雷達采用同步掃描顯示方式,使回波脈沖和發(fā)射脈沖同時顯示在屏上,并根據時間比例刻度讀出時差或距離,現(xiàn)代雷達則通過數(shù)字信號處理器將所測距離直接顯示或記錄下來。,由天線理論可知,在工作頻率一定時,波束越窄，要求天線的口徑越大,反之,天線口徑一定,則要求的頻率越高,因此雷達一般在微波波段工作。為了實現(xiàn)窄波束全方位搜索,傳統(tǒng)的雷達系統(tǒng)必須使天線波束按一定規(guī)律在要搜索的空間進行掃描以捕獲目標。,當發(fā)現(xiàn)目標時,停止掃描,微微轉動天線,使接收信號最強時,天線所指的方向就是目標所在方向。從原理上講，利用天線波束尖端

5、的最強方向指向目標從而測定目標的方位是準確的,但由天線方向圖可知,波束最強的方向附近,對方向性是很不敏感的,這給測向帶來了較大的誤差,因此這種方法適合搜索雷達而不適合跟蹤雷達。單脈沖技術是解決測向精度的有效方法,這部分內容在后面敘述。,(3)測速,由振蕩源發(fā)射的電磁波以不變的光速c傳播時,如果接收者相對振蕩源是不動的,那么它在單位時間內所收到的振蕩數(shù)目與振蕩源產生的相同;如果振蕩源與接收者之間有相對接近運動,則接收者在單位時間內接收的振蕩數(shù)目比它不動時要多一點,也就是接收到的頻率升高,當兩者相反方向運動時接收到的頻率會下降。這就是多卜勒效應?？梢宰C明,當飛行目標向雷達靠近運動時,接收到的頻率f

6、與雷達振蕩源發(fā)出的頻率f,0,的頻差為,式中,f,d,稱為多卜勒頻率,vr為飛行目標相對雷達的運動速度?？梢?只要測得飛行目標的多卜勒頻率，就可利用上式求得飛行目標的速度。這就是雷達測速原理。,(4)目標識別原理,所謂目標識別就是利用雷達接收到的飛行目標的散射信號,從中提取特征信息并進行分析處理,從而分辨出飛行目標的類別和姿態(tài)。目標識別的關鍵是目標特征信息的提取,這涉及到對目標的編碼、特征選擇與提取、自動匹配算法的研制等過程。,由于目標識別涉及到電磁散射理論、模式識別理論、數(shù)字信號處理及合成孔徑技術等多學科知識,而且特征信息提取的原理、方法也很多,因此在這里不一一介紹,僅對頻域極點特征提取法加

7、以簡單介紹。,如前所述,從目標反射或散射回來的電磁波包含了幅度、相位、極化等有用信息,其中回波中有限頻率的幅度響應數(shù)據與目標的特征極點有一一對應關系,因此基于頻域極點特征提取的目標識別方法是根據回波中有限頻率的幅度響應數(shù)據提取目標極點,然后將提取的目標極點與各類目標的標準模板庫進行匹配識別,從而實現(xiàn)目標的識別。,現(xiàn)代許多雷達系統(tǒng)正是根據上述原理不僅能探測飛行目標的距離、方位及速度,而且能分辨目標的類別和姿態(tài),以便采取恰當?shù)倪M攻或防御策略。,2.幾種典型的雷達系統(tǒng),科學技術的飛速發(fā)展,使雷達系統(tǒng)不斷推陳出新,雷達的用途也越來越廣,品種繁多,在此不可能全面、系統(tǒng)地介紹所有的雷達系統(tǒng),下面僅對單脈沖

8、跟蹤雷達、相控陣雷達及合成孔徑雷達的工作原理加以簡單介紹。,(1)單脈沖雷達,前面在探測原理中講到,用尖銳的方向圖的最大值來測向的誤差是較大的,對跟蹤雷達來說是不合適的。單脈沖技術是提高測向誤差的有效手段。由此技術構成的雷達稱為單脈沖雷達。下面簡單分析其中一種單脈沖雷達的工作原理。,圖 10-3饋源口面不對稱照射激起TE,10,、TE,20,模單脈沖雷達采用的天線一般為卡塞格倫天線,其饋源為矩形多模喇叭。當天線完全對準目標方向時,接收的電磁波在喇叭饋源中激發(fā)的電磁場只有主模TE,10,模,當天線偏離目標方向時,除主模外還會產生高次模,其中TE,20,模會隨著天線角度的變化而變化。對如圖 10-

9、3 所示的矩形喇叭饋源,當目標在喇叭中心線右面時,使喇叭右側的能量較大而左側較小,這時等效為主模TE,10,和高次模TE,20,按圖中相位關系疊加,即右側是兩個模式分量的相加,而左側是兩個模式分量的相減;當目標在喇叭中心線左面時,激起的TE,20,模極性與上述情形相反。,圖 10 3 饋源口面不對稱照射激起TE,10,、TE,20,模,于是只要設法從喇叭饋源中取出TE20模,它的幅度隨目標偏離天線軸而增加,相位取決于偏離方向而相差180,從而為單脈沖接收機提供了方向性。檢測到的角度誤差信號去控制驅動機構使天線轉動,改變其方位和俯仰,當誤差為零時天線瞄準目標,從而實現(xiàn)自動跟蹤的目的。這就是單脈沖

10、雷達的工作原理。,(2)相控陣雷達,一般雷達對目標的搜索是用機械掃描來實現(xiàn)的,但這種搜索的速度有限,而且一旦發(fā)現(xiàn)目標進入跟蹤狀態(tài),就不能顧及來自不同方向的其他目標。相控陣雷達就能實現(xiàn)多個目標的同時跟蹤,而且采用自動波束掃描方式實現(xiàn)快速搜索。,相控陣雷達實際上是陣列天線的一種應用,它由為數(shù)眾多的天線單元組成的陣列,在計算機的控制下對各天線單元的射頻功率和相位進行控制，從而實現(xiàn)波束的掃描。由前面陣列天線的原理可知：當饋送給陣列天線單元的微波載波幅度與相位不同時,就得到不同的天線陣列輻射方向圖,當隨著時間的變化連續(xù)不停地改變單元之間的相位時,便能使形成的波束在一定的空間范圍內掃描。這就是稱其為“相控

11、陣雷達”的原因。,相控陣雷達的組成原理與其他雷達一樣,但相對要復雜一些,實質上它是由多部“子雷達”組成的“母雷達”,天線波束的掃描、組合和賦形以及雷達工作狀態(tài)的選擇、轉換、目標的識別等均由計算機來完成。它能在幾微秒之內,使波束從一個方向變換到另一個方向,其掃描速度之快是機械掃描雷達望塵莫及的。,(3)合成孔徑雷達,要提高雷達的角分辨率,必須增大天線的口徑或采用更短的工作波長。這兩方面的努力都受到實際條件的限制,而用于衛(wèi)星和飛機上的雷達對天線的限制就更嚴了。,合成孔徑雷達是一種相干多卜勒雷達,它分為不聚焦型和聚焦型兩種。不聚焦型合成孔徑雷達是利用雷達天線隨運載工具的有規(guī)律運動而依次移動到若干位置

12、上,在每個位置上發(fā)射一個相干脈沖信號,并依次對一連串回波信號進行接收存儲,存儲時保持接收信號的幅度和相位。當雷達天線移動一段相當長的距離L后,合成接收信號就相當于一個天線尺寸為L的大天線收到的信號,從而提高了分辨率。所謂聚焦型合成孔徑雷達是在數(shù)據存儲后,扣除接收到的回波信號中由雷達天線移動帶來的附加相移,使其同相合成,分辨率更高,當然處理也就變得更復雜了。,10.2 微波通信系統(tǒng),利用微波的寬頻帶特性可以實現(xiàn)多路信號共用同一信道,具有較大的通信容量,但微波具有視距傳播的局限性,因此如何克服地球曲率和地面上各種障礙物的影響是建立微波遠距離通信的首要條件,其中微波中繼通信系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)和對流層

13、散射通信系統(tǒng)是實現(xiàn)微波遠距離通信的典型。下面就對微波中繼通信系統(tǒng)做以簡單介紹。,微波中繼通信也稱為微波接力通信。由第7章可知,微波在空間是直線傳播的,設地球上A,B兩點天線的架設高度分別為h,1,h,2,則由式（7-2-2）可得兩者間的最大傳輸距離為,天線架設高度一般在100m以下,所以一般視距為50km左右。因此要利用微波進行遠距離傳輸,必須在遠距離的兩個微波站之間設置許多中間站（即中繼站）,以接力的方式將信號一站一站地傳遞下去,從而實現(xiàn)遠距離通信,這種通信方式就稱為微波中繼通信。下面就微波中繼的轉接方式及SDH數(shù)字微波通信系統(tǒng)組成做一介紹。,1.微波中繼轉接方式,按傳輸信號的形式，微波中繼

14、通信可分為模擬微波中繼通信和數(shù)字微波中繼通信。按中繼方式可分為基帶轉接、中頻轉接和微波轉接三種。,所謂基帶轉接，是在中繼站首先將接收到載頻為f,I,的微波信號經混頻變成中頻信號,然后經中放送到解調器,解調還原出基帶信號,然后又對發(fā)射機的載波進行調制,并經微波功率放大后,以載頻f,I,發(fā)射出去。所謂中頻轉接，是指在中繼站將接收到的載頻為fI的微波信號經混頻變成中頻信號,然后經中放后直接上變頻得到載頻為f,I,微波信號,最后經微波功率放大后發(fā)射出去。顯然它沒有上下話路分離與信碼再生的功能,只起到了增加通信距離的作用，這樣設備就相對簡單了。所謂微波轉接,是在中繼站直接對接收到的微波信號放大、變頻后再

15、經微波功率放大后直接發(fā)射出去,這種轉接的設備更為簡單?；鶐мD接方式的框圖如圖 10-4 所示。,圖 10-4 基帶轉接的原理框圖,無論數(shù)字信號還是模擬信號,經過長距離的傳輸,經一站一站轉接后,原始信號將疊加上各種干擾與噪聲,使信號質量下降。對數(shù)字系統(tǒng)一般采用基帶轉接方式,它可利用數(shù)字差錯控制技術實現(xiàn)基帶信號再生,從而避免了噪聲的沿站積累,這也是數(shù)字微波中繼系統(tǒng)主要采用基帶轉接方式的主要原因,將帶再生技術的中繼站稱為再生中繼站，有時為了簡化設備，降低功耗,也可采用混合中繼方式,即在兩個再生中繼站之間的一些中繼站采用中頻轉接或微波轉接。對模擬系統(tǒng)，由于基帶電平變化積累、基帶頻響偏移等原因,一般不宜

16、用基帶轉接方式,而采用中頻轉接或微波轉接。,2.SDH數(shù)字微波通信系統(tǒng),數(shù)字微波中繼通信與光纖通信、衛(wèi)星通信一起被稱為現(xiàn)代通信傳輸?shù)娜笾饕侄巍?它具有傳輸容量大、長途傳輸質量穩(wěn)定、投資少、建設周期短、維護方便等特點,因此受到各國普遍重視。,同步數(shù)字系列（SDH）是新一代數(shù)字傳輸網體制,它是通信容量迅速增長、光纖通信持續(xù)發(fā)展的產物。SDH的應用很廣泛,它不僅可用于光纖通信系統(tǒng),而且在微波傳輸中也被大量采用,從而成為數(shù)字微波中繼通信的主要方式。SDH數(shù)字微波中繼通信系統(tǒng)廣泛采用一些新技術，諸如:全新的基帶數(shù)字信號處理方式、高效率的數(shù)字載波調制技術、自適應的發(fā)信功率控制技術等。SDH數(shù)字微波中繼通信系統(tǒng)一般由終端站、樞紐站、分路站及若干中繼站組成,如圖 10-5 所示。,圖 10-5SDH數(shù)字微波中繼通信系統(tǒng)組成框圖,處于線路兩端或分支線路終點的站稱為終端站,它可上、下全部支路信號,配備SDH數(shù)字微波傳輸設備和復用設備;處于線路中間,除了可以在本站上、下某收、發(fā)信波道的部分支路外,還可以溝通干線上兩個方向之間通信的站稱為分路站,有時還完成部分波道的信號再生后繼續(xù)傳輸,一般配備SDH數(shù)字微