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黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（文獻(xiàn)綜述） 第 6 頁 畢業(yè)設(shè)計 文獻(xiàn)綜述 院（系）名稱 工學(xué)院機(jī)械系 專業(yè)名稱 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 2012年 03 月 15 日 摘要：隨著科技的不斷發(fā)展，雷達(dá)的應(yīng)用也愈加廣泛。如果說雷達(dá)是其他設(shè)備的眼睛，那么天線就是雷達(dá)的眼睛。本文通過介紹雷達(dá)的作用、工作原理、發(fā)展過程及發(fā)展現(xiàn)狀等凸顯雷達(dá)在現(xiàn)代技術(shù)行業(yè)的重要性以及雷達(dá)性能改進(jìn)的必要性，增強(qiáng)對雷達(dá)整體的了解，為后邊的設(shè)計做好鋪墊 關(guān)鍵詞：雷達(dá) 點(diǎn)頭搜索 俯仰角 前言：雷達(dá)所起的作用和眼睛相似，但它已經(jīng)不是大自然的杰作，同時，它的信息載體是無線電波。 事實(shí)上，不論是可見光或是無線電波，在本質(zhì)上是同一種東西，都是電磁波，傳播的速度都是光速C,差別在于它們各自占據(jù)的波段不同。其工作原理是雷達(dá)設(shè)備的發(fā)射機(jī)通過天線把電磁波能量射向空間某一方向，處在此方向上的物體反射碰到的電磁波；雷達(dá)天線接收此反射波，送至接收設(shè)備進(jìn)行處理，提取有關(guān)該物體的某些信息(目標(biāo)物體至雷達(dá)的距離，距離變化率或徑向速度、方位、高度等)。 雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)是白天黑夜均能探測遠(yuǎn)距離的目標(biāo)，且不受霧、云和雨的阻擋，具有全天候、全天時的特點(diǎn)，并有一定的穿透能力。因此，它不僅成為軍事上必不可少的電子裝備，而且廣泛應(yīng)用于社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展(如氣象預(yù)報、資源探測、環(huán)境監(jiān)測等)和科學(xué)研究(天體研究、大氣物理、電離層結(jié)構(gòu)研究等)。星載和機(jī)載合成孔徑雷達(dá)已經(jīng)成為當(dāng)今遙感中十分重要的傳感器。以地面為目標(biāo)的雷達(dá)可以探測地面的精確形狀。其空間分辨力可達(dá)幾十米到幾米，且與距離無關(guān)。雷達(dá)在洪水監(jiān)測、海冰監(jiān)測、土壤濕度調(diào)查、森林資源清查、地質(zhì)調(diào)查等方面顯示了很好的應(yīng)用潛力。 一、雷達(dá)的簡述 雷達(dá)是利用無線電波來測定物體位置的無線電設(shè)備。英文radar原是“無線電探測與定位”的英文縮寫，其基本任務(wù)是探測感興趣的目標(biāo)，測定有關(guān)目標(biāo)的距離、方位、速度等狀態(tài)參數(shù)。主要由天線、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)（包括信號處理機(jī)）和顯示器等部分組成。 雷達(dá)工作是通過發(fā)射機(jī)產(chǎn)生足夠的電磁能量，經(jīng)過收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)傳送給天線。天線將這些電磁能量輻射至大氣中，集中在某一個很窄的方向上形成波束，向前傳播。電磁波遇到波束內(nèi)的目標(biāo)后，將沿著各個方向產(chǎn)生反射，其中的一部分電磁能量反射回雷達(dá)的方向，被雷達(dá)天線獲取。天線獲取的能量經(jīng)過收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)送到接收機(jī)，形成雷達(dá)的回波信號。由于在傳播過程中電磁波會隨著傳播距離而衰減，雷達(dá)回波信號非常微弱，幾乎被噪聲所淹沒。接收機(jī)放大微弱的回波信號，經(jīng)過信號處理機(jī)處理，提取出包含在回波中的信息，送到顯示器，顯示出目標(biāo)的距離、方向、速度等。 為了測定目標(biāo)的距離，雷達(dá)需要準(zhǔn)確測量從電磁波發(fā)射時刻到接收到回波時刻的延遲時間，這個延遲時間是電磁波從發(fā)射機(jī)到目標(biāo)，再由目標(biāo)返回雷達(dá)接收機(jī)的傳播時間。根據(jù)電磁波的傳播速度，可以確定目標(biāo)的距離為： S=CT/2 其中S：目標(biāo)距離 T：電磁波從雷達(dá)到目標(biāo)的往返傳播時間 C：光速 雷達(dá)測定目標(biāo)的方向是利用天線的方向性來實(shí)現(xiàn)的。通過機(jī)械和電氣上的組合作用，雷達(dá)把天線轉(zhuǎn)向要探測的方向，一旦發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，雷達(dá)讀出天線轉(zhuǎn)過的指向角，就是目標(biāo)的方向角。兩坐標(biāo)雷達(dá)只能測定目標(biāo)的方位角，三坐標(biāo)雷達(dá)可以測定方位角和俯仰角。 測定目標(biāo)的運(yùn)動速度是雷達(dá)的一個重要功能，雷達(dá)測速利用了物理學(xué)中的多普勒原理。當(dāng)目標(biāo)和雷達(dá)之間存在著相對位置運(yùn)動時，目標(biāo)回波的頻率就會發(fā)生改變，頻率的改變量稱為多普勒頻移，多用于確定目標(biāo)的相對徑向速度。具有測速能力的雷達(dá)，例如脈沖多普勒雷達(dá)，要比一般雷達(dá)復(fù)雜得多。 二、雷達(dá)的分類及應(yīng)用簡述 雷達(dá)的用途廣泛，種類繁多，分類的方法也非常復(fù)雜。通?？梢园凑绽走_(dá)的用途分類，如預(yù)警雷達(dá)、搜索警戒雷達(dá)、無線電測高雷達(dá)、氣象雷達(dá)、航管雷達(dá)、引導(dǎo)雷達(dá)、炮瞄雷達(dá)、雷達(dá)引信、戰(zhàn)場監(jiān)視雷達(dá)、機(jī)載截?fù)衾走_(dá)、導(dǎo)航雷達(dá)以及防撞和敵我識別雷達(dá)等。除了按用途分，還可以從工作體制對雷達(dá)進(jìn)行區(qū)分。這里就對一些新體制的雷達(dá)進(jìn)行簡單的介紹。 ⒈雙/多基地雷達(dá) 普通雷達(dá)的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)安裝在同一地點(diǎn)，而雙/多基地雷達(dá)是將發(fā)射機(jī)和接收機(jī)分別安裝在相距很遠(yuǎn)的兩個或多個地點(diǎn)上，地點(diǎn)可以設(shè)在地面、空中平臺或空間平臺上。由于隱身飛行器外形的設(shè)計主要是不讓入射的雷達(dá)波直接反射回雷達(dá)，這對于單基地雷達(dá)很有效。但入射的雷達(dá)波會朝各個方向反射，總有部分反射波會被雙/多基地雷達(dá)中的一個接收機(jī)接收到。 ⒉相控陣?yán)走_(dá) 我們知道，蜻蜓的每只眼睛由許許多多個小眼組成，每個小眼都能成完整的像，這樣就使得蜻蜓所看到的范圍要比人眼大得多。與此類似，相控陣?yán)走_(dá)的天線陣面也由許多個輻射單元和接收單元（稱為陣元）組成，單元數(shù)目和雷達(dá)的功能有關(guān)，可以從幾百個到幾萬個。這些單元有規(guī)則地排列在平面上，構(gòu)成陣列天線。利用電磁波相干原理，通過計算機(jī)控制反饋往各輻射單元電流的相位，就可以改變波束的方向進(jìn)行掃描，故稱為電掃描。輻射單元把接收到的回波信號送入主機(jī)，完成雷達(dá)對目標(biāo)的搜索、跟蹤和測量。每個天線單元除了有天線振子之外，還有移相器等必須的器件。不同的振子通過移相器可以被反饋入不同的相位電流，從而在空間輻射出不同方向性的波束。天線的單元數(shù)目越多，則波束在空間可能的方位就越多。這種雷達(dá)的工作基礎(chǔ)是相位可控的陣列天線，“相控陣”由此得名。 相控陣?yán)走_(dá)的優(yōu)點(diǎn)如下： （1）波束指向靈活，能實(shí)現(xiàn)無慣性快速掃描，數(shù)據(jù)率高； （2）一個雷達(dá)可同時形成多個獨(dú)立波束，分別實(shí)現(xiàn)搜索、識別、跟蹤、制導(dǎo)、無源探測等多種功能； （3）目標(biāo)容量大，可在空域內(nèi)同時監(jiān)視、跟蹤數(shù)百個目標(biāo)； （4）對復(fù)雜目標(biāo)環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)； （5）抗干擾性能好。 相控陣?yán)走_(dá)與機(jī)械掃描雷達(dá)相比，掃描更靈活、性能更可靠、抗干擾能力更強(qiáng)，能快速適應(yīng)戰(zhàn)場條件的變化。多功能相控陣?yán)走_(dá)已廣泛用于地面遠(yuǎn)程預(yù)警系統(tǒng)、機(jī)載和艦載防空系統(tǒng)、機(jī)載和艦載系統(tǒng)、炮位測量、靶場測量等。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，固體有源相控陣?yán)走_(dá)得到了廣泛應(yīng)用，是新一代的戰(zhàn)術(shù)防空、監(jiān)視、火控雷達(dá)。 ⒊寬帶／超寬帶雷達(dá) 工作頻帶很寬的雷達(dá)稱為寬帶／超寬帶雷達(dá)。隱身兵器通常對付工作在某一波段的雷達(dá)是有效的，而面對覆蓋波段很寬的雷達(dá)就無能為力了，它很可能被超寬帶雷達(dá)波中的某一頻率的電磁波探測到。另一方面，超寬帶雷達(dá)發(fā)射的脈沖極窄，具有相當(dāng)高的距離分辨率，可探測到小目標(biāo)。目前美國正在研制、試驗(yàn)超寬帶雷達(dá)，已完成動目標(biāo)顯示技術(shù)的研究，將要進(jìn)行雷達(dá)波形的試驗(yàn)。 ⒋合成孔徑雷達(dá) 合成孔徑雷達(dá)通常安裝在移動的空中或空間平臺上，利用雷達(dá)與目標(biāo)間的相對運(yùn)動，將雷達(dá)在每個不同位置上接收到的目標(biāo)回波信號進(jìn)行相干涉處理，就相當(dāng)于在空中安裝了一個“大個”的雷達(dá)，這樣小孔徑天線就能獲得大孔徑天線的探測效果，具有很高的目標(biāo)方位分辨率，再加上應(yīng)用脈沖壓縮技術(shù)又能獲得很高的距離分辨率，因而能探測到隱身目標(biāo)。合成孔徑雷達(dá)在軍事上和民用領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，如戰(zhàn)場偵察、火控、制導(dǎo)、導(dǎo)航、資源勘測、地圖測繪、海洋監(jiān)視、環(huán)境遙感等。 ⒌毫米波雷達(dá) 工作在毫米波段的雷達(dá)稱為毫米波雷達(dá)。它具有天線波束窄、分辨率高、頻帶寬、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，同時它工作在目前隱身技術(shù)所能對抗的波段之外，因此它能探測隱身目標(biāo)。毫米波雷達(dá)還具有能力，特別適用于防空、地面作戰(zhàn)和靈巧武器，已獲得了各國的高度重視。 ⒍激光雷達(dá) 工作在紅外和可見光波段的雷達(dá)稱為激光雷達(dá)。它由激光發(fā)射機(jī)、光學(xué)接收機(jī)、轉(zhuǎn)臺和信息處理系統(tǒng)等組成，激光器將電脈沖變成光脈沖發(fā)射出去，光接收機(jī)再把從目標(biāo)反射回來的光脈沖還原成電脈沖，送到顯示器。隱身兵器通常是針對微波雷達(dá)的，因此激光雷達(dá)很容易“看穿”隱身目標(biāo)所玩的“把戲”；再加上激光雷達(dá)波束窄、定向性好、測量精度高、分辨率高，因而它能有效地探測隱身目標(biāo)。激光雷達(dá)在軍事上主要用于靶場測量、空間目標(biāo)交會測量、目標(biāo)精密跟蹤和瞄準(zhǔn)、目標(biāo)成像識別、導(dǎo)航、精確制導(dǎo)、綜合火控、直升機(jī)防撞、化學(xué)試劑監(jiān)測、局部風(fēng)場測量、水下目標(biāo)探測等。 三、雷達(dá)天線點(diǎn)頭技術(shù) 隨著雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用的越加廣泛，雷達(dá)系統(tǒng)的不足也越加凸顯。其中掃描范圍的不足就是雷達(dá)技術(shù)的一個嚴(yán)重缺陷。傳統(tǒng)的雷達(dá)已經(jīng)不能滿足日益增長的要求，如何解決這些問題已經(jīng)迫在眉睫。 雷達(dá)是通過天線輻射電磁波搜尋目標(biāo)的，天線的性能會直接影響雷達(dá)的工作性能。通過增大雷達(dá)天線的輻射面積是擴(kuò)大搜索范圍的一個途徑。但受到安裝空間及環(huán)境等因素的影響，雷達(dá)天線的面積不可能無限制的增大。因此要通過其他方法解決這一問題。 本次設(shè)計就是通過另一途徑改善雷達(dá)天線的工作模式，實(shí)現(xiàn)天線的點(diǎn)頭技術(shù)，擴(kuò)大電磁波的輻射范圍，增大雷達(dá)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的概率。所謂的天線點(diǎn)頭技術(shù)就是在雷達(dá)天線周向掃瞄的同時以一定的頻率作俯仰運(yùn)動，將雷達(dá)波束以天線面為基礎(chǔ)整體以一定的頻率震動，從而增大天線在垂直方向上的掃描范圍。應(yīng)用雷達(dá)天線的點(diǎn)頭搜索機(jī)構(gòu)增大雷達(dá)的掃描面積不會受到空間等因素的限制，更加利于實(shí)現(xiàn)。 四、雷達(dá)點(diǎn)頭技術(shù)的發(fā)展動態(tài)及發(fā)展趨勢 早期廣泛運(yùn)用的測量目標(biāo)高度的雷達(dá)是點(diǎn)頭式雷達(dá)。這種雷達(dá)通過整個天線結(jié)構(gòu)擺動或“點(diǎn)頭”，使具有窄垂直波束寬度的扇狀水平波束在仰角上實(shí)現(xiàn)機(jī)械掃描，如圖4.1所示。當(dāng)雷達(dá)天線連續(xù)不斷地向目標(biāo)發(fā)射脈沖時，主瓣返回的目標(biāo)回波通過距離——高度顯示器（RHI）顯示給操縱員，并通過被稱為“波束分層”的處理，即通過測量顯示的目標(biāo)視頻信號的中心，操縱員可精確地直接測量目標(biāo)的高度。盡管一些點(diǎn)頭式天線測高雷達(dá)有一種慢方位旋轉(zhuǎn)搜索模式，但大多數(shù)仍依靠操縱員的方位指示。操縱員通過兩坐標(biāo)監(jiān)視雷達(dá)觀察探測對象，同時由測高雷達(dá)測量高度。測高雷達(dá)旋轉(zhuǎn)到所需的方位從而得到高度和距離的測量值。和3D雷達(dá)相比，這種操作方法速度較慢且在多方位目標(biāo)跟蹤能力上受到限制，從而嚴(yán)重限制了人工點(diǎn)頭式天線的測高雷達(dá)在軍事上的使用。 4.1點(diǎn)頭天線示意圖 有幾種采用點(diǎn)頭式天線的測高雷達(dá)，如著名的英國13型雷達(dá)（AMES 13型雷達(dá)）和得到廣泛應(yīng)用的美國AN/TPS—10雷達(dá)出現(xiàn)在20世紀(jì)40年代的中后期，且高頻技術(shù)也開始出現(xiàn)[6]。AN/TPS—10 X波段點(diǎn)頭式天線測高雷達(dá)系列被AN/FPS—6，即一種專為美軍設(shè)計的S波段點(diǎn)頭式天線雷達(dá)所取代。AN/MPS—14雷達(dá)是這種雷達(dá)的移動型，AN/FPS—89是其改進(jìn)的固定型。AN/FPS—6雷達(dá)的仰角波束寬度是0.9°，方位波束寬度是3.2°，整個天線以每分鐘20～30次的速率點(diǎn)頭。這種雷達(dá)能以每秒45°的速率進(jìn)行方位掃描，以300～400Hz的重復(fù)頻率發(fā)射2ms的脈沖，其峰值功率為4.5MW。 后繼型號的點(diǎn)頭式雷達(dá)數(shù)據(jù)率比它的先輩有了明顯的提高。例如，S600系列C波段點(diǎn)頭式天線測高雷達(dá)由計算機(jī)控制和管理，以便最大限度地提高數(shù)據(jù)率，每分鐘能夠獲得22個高度測量值。 當(dāng)然，利用機(jī)電手段代替通過機(jī)械擺動的整個天線結(jié)構(gòu)，也可使得在仰角上快速掃描水平扇狀波束成為可能。許多使用巧妙的波束掃描方法的點(diǎn)頭波束測高雷達(dá)已經(jīng)成功地應(yīng)用了許多年。兩個著名的例子是二戰(zhàn)中使用的SCI雷達(dá)和AN/SPS—8艦載雷達(dá)，它們都運(yùn)用Robinson型的機(jī)電方式來實(shí)現(xiàn)仰角上波束的快速掃描。 五、參考文獻(xiàn) [1] 丁鷺飛, 張平編. 雷達(dá)系統(tǒng)[M]. 西安：西北電訊工程學(xué)院出版社, 1984 [2] 劉永坦. 雷達(dá)成像技術(shù)[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社, 1999. [3] 張直中, 合成孔徑、逆合成孔徑和成像雷達(dá). 現(xiàn)代雷達(dá)編輯部, 1986 [4] http://wenku.baidu.com/view/32f10d7202768e9951e738f8.html [5] 林瑞平，火控雷達(dá)搜捕目標(biāo)的方式. 桂林空軍學(xué)院，2003 [6] S.A. 霍凡尼斯恩, 合成陣與成象雷達(dá)導(dǎo)論[M]. 北京: 宇航出版社, 1986 [7] 保錚, 邢孟道, 王彤. 雷達(dá)成像技術(shù)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2005