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      行業(yè)動(dòng)態(tài)

      雷達是什么

      雷達,是英文Radar的音譯,源于radio detection and ranging的縮寫(xiě),意思為"無(wú)線(xiàn)電探測和測距",即用無(wú)線(xiàn)電的方法發(fā)現目標并測定它們的空間位置。因此,雷達也被稱(chēng)為“無(wú)線(xiàn)電定位”。雷達是利用電磁波探測目標的電子設備。雷達發(fā)射電磁波對目標進(jìn)行照射并接收其回波,由此獲得目標至電磁波發(fā)射點(diǎn)的距離、距離變化率(徑向速度)、方位、高度等信息。

      起源


       


      雷達的出現,是由于一戰期間當時(shí)英國和德國交戰時(shí),英國急需一種能探測空中金屬物體的雷達(技術(shù))能在反空襲戰中幫助搜尋德國飛機。二戰期間,雷達就已經(jīng)出現了地對空、空對地(搜索)轟炸、空對空(截擊)火控、敵我識別功能的雷達技術(shù)。

      二戰以后,雷達發(fā)展了單脈沖角度跟蹤、脈沖多普勒信號處理、合成孔徑和脈沖壓縮的高分辨率、結合敵我識別的組合系統、結合計算機的自動(dòng)火控系統、地形回避和地形跟隨、無(wú)源或有源的相位陣列、頻率捷變、多目標探測與跟蹤等新的雷達體制。
      后來(lái)隨著(zhù)微電子等各個(gè)領(lǐng)域科學(xué)進(jìn)步,雷達技術(shù)的不斷發(fā)展,其內涵和研究?jì)热荻荚诓粩嗟赝卣?。雷達的探測手段已經(jīng)由從前的只有雷達一種探測器發(fā)展到了紅外光、紫外光、激光以及其他光學(xué)探測手段融合協(xié)作。
      當代雷達的同時(shí)多功能的能力使得戰場(chǎng)指揮員在各種不同的搜索/跟蹤模式下對目標進(jìn)行掃描,并對干擾誤差進(jìn)行自動(dòng)修正,而且大多數的控制功能是在系統內部完成的。
      自動(dòng)目標識別則可使武器系統最大限度地發(fā)揮作用,空中預警機和JSTARS這樣的具有戰場(chǎng)敵我識別能力的綜合雷達系統實(shí)際上已經(jīng)成為了未來(lái)戰場(chǎng)上的信息指揮中心。

      發(fā)展歷史


       


      1842年,奧地利物理學(xué)家多普勒(Christian Andreas Doppler)率先提出利用多普勒效應的多普勒式雷達。

      1864年,英國物理學(xué)家麥克斯韋(James Clerk Maxwell)推導出可計算電磁波特性的公式。
      1886年,德國物理學(xué)家赫茲(Heinerich Hertz)展開(kāi)研究無(wú)線(xiàn)電波的一系列實(shí)驗。
      1888年赫茲成功利用儀器產(chǎn)生無(wú)線(xiàn)電波。
      1897年湯姆遜(JJ Thomson)展開(kāi)對真空管內陰極射線(xiàn)的研究。
      1904年侯斯美爾(Christian Hülsmeyer)發(fā)明電動(dòng)鏡(telemobiloscope),是利用無(wú)線(xiàn)電波回聲探測的裝置,可防止海上船舶相撞。
      1906年德弗瑞斯特(De Forest Lee)發(fā)明真空三極管,是世界上第一種可放大信號的主動(dòng)電子元件。
      1916年馬可尼( Marconi)和富蘭克林(Franklin)開(kāi)始研究短波信號反射。
      1917年羅伯特·沃特森·瓦特(Robert Watson-Watt)成功設計雷暴定位裝置。
      1922年馬可尼在美國電氣及無(wú)線(xiàn)電工程師學(xué)會(huì )(American Institutes of Electrical and Radio Engineers)發(fā)表演說(shuō),題目是可防止船只相撞的平面角雷達。
      1922年美國泰勒和楊建議在兩艘軍艦上裝備高頻發(fā)射機和接收機以搜索敵艦
      1924年英國阿普利頓和巴尼特通過(guò)電離層反射無(wú)線(xiàn)電波測量賽層(ionosphere)的高度。美國布萊爾和杜夫用脈沖波來(lái)測量亥維塞層。
      1925年貝爾德(John L. Baird)發(fā)明機動(dòng)式電視(現代電視的前身)。
      1925年伯烈特(Gregory Breit)與杜武(Merle Antony Tuve)合作,第一次成功使用雷達,把從電離層反射回來(lái)的無(wú)線(xiàn)電短脈沖顯示在陰極射線(xiàn)管上。
      1931年美國海軍研究實(shí)驗室利用拍頻原理研制雷達,開(kāi)始讓發(fā)射機發(fā)射連續波,三年后改用脈沖波。
      1935年法國古頓研制出用磁控管產(chǎn)生16厘米波長(cháng)的信號,可以在霧天或黑夜發(fā)現其他船只。這是雷達和平利用的開(kāi)始。
      1935年英國羅伯特·沃特森·瓦特發(fā)明第一臺實(shí)用雷達。
      1936年1月英國羅伯特·沃特森·瓦特在索夫克海岸架起了英國第一個(gè)雷達站。英國空軍又增設了五個(gè),它們在第二次世界大戰中發(fā)揮了重要作用。
      1937年馬可尼公司替英國加建20個(gè)鏈向雷達站。
      1937年美國第一個(gè)軍艦雷達XAF試驗成功。
      1937年瓦里安兄弟(Russell and Sigurd Varian)研制成高功率微波振蕩器,又稱(chēng)速調管(klystron)。
      1939年布特(Henry Boot)與蘭特爾(John T. Randall)發(fā)明電子管,又稱(chēng)共振穴磁控管(resonant-cavity magnetron )。
      1941年蘇聯(lián)最早在飛機上裝備預警雷達。
      1943年美國麻省理工學(xué)院研制出機載雷達平面位置指示器,預警雷達。
      1944年馬可尼公司成功設計、開(kāi)發(fā)并生產(chǎn)「布袋式」(Bagful)系統,以及「地氈式」(Carpet)雷達干擾系統。前者用來(lái)截取德國的無(wú)線(xiàn)電通訊,而后者則用來(lái)裝備英國皇家空軍(RAF)的轟炸機隊。
      1945年二次大戰結束后,全憑裝有特別設計的真空管──磁控管的雷達,盟軍得以打敗德國。
      1947年美國貝爾電話(huà)實(shí)驗室研制出線(xiàn)性調頻脈沖雷達。50年代中期美國裝備了超距預警雷達系統,可以探尋超音速飛機。不久又研制出脈沖多普勒雷達。
      1959年美國通用電器公司研制出彈道導彈預警雷達系統,可發(fā)跟蹤3000英里外,600英里高的導彈,預警時(shí)間為20分鐘。
      1964年美國裝置了第一個(gè)空間軌道監視雷達,用于監視人造地球衛星或空間飛行器。
      1971年加拿大伊朱卡等3人發(fā)明全息矩陣雷達。與此同時(shí),數字雷達技術(shù)在美國出現。
      1993年美國曼徹斯特市德雷爾·麥吉爾發(fā)明了多塔查克超智能雷達。

      工作原理

      編輯 播報


      各種雷達的具體用途和結構不盡相同,但基本形式是一致的,包括:發(fā)射機、發(fā)射天線(xiàn)、接收機、接收天線(xiàn),處理部分以及顯示器。還有電源設備、數據錄取設備、抗干擾設備等輔助設備。

      雷達所起的作用跟眼睛和耳朵相似,當然,它不再是大自然的杰作,同時(shí),它的信息載體是無(wú)線(xiàn)電波。 事實(shí)上,不論是可見(jiàn)光或是無(wú)線(xiàn)電波,在本質(zhì)上是同一種東西,都是電磁波,在真空中傳播的速度都是光速C,差別在于它們各自的頻率和波長(cháng)不同。其原理是雷達設備的發(fā)射機通過(guò)天線(xiàn)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;雷達天線(xiàn)接收此反射波,送至接收設備進(jìn)行處理,提取有關(guān)該物體的某些信息(目標物體至雷達的距離,距離變化率或徑向速度、方位、高度等)。
      測量速度原理是雷達根據自身和目標之間有相對運動(dòng)產(chǎn)生的頻率多普勒效應。雷達接收到的目標回波頻率與雷達發(fā)射頻率不同,兩者的差值稱(chēng)為多普勒頻率。從多普勒頻率中可提取的主要信息之一是雷達與目標之間的距離變化率。當目標與干擾雜波同時(shí)存在于雷達的同一空間分辨單元內時(shí),雷達利用它們之間多普勒頻率的不同能從干擾雜波中檢測和跟蹤目標。測量目標方位原理是利用天線(xiàn)的尖銳方位波束,通過(guò)測量仰角靠窄的仰角波束,從而根據仰角和距離就能計算出目標高度。
      測量距離原理是測量發(fā)射脈沖與回波脈沖之間的時(shí)間差,因電磁波以光速傳播,據此就能換算成雷達與目標的精確距離。

      分類(lèi)


       


      雷達的種類(lèi)繁多,分類(lèi)的方法也非常復雜。一般為軍用雷達。通??梢园凑绽走_的用途分類(lèi),如預警雷達、搜索警戒雷達、引導指揮雷達、炮瞄雷達、測高雷達、戰場(chǎng)監視雷達、機載雷達、無(wú)線(xiàn)電測高雷達、雷達引信、氣象雷達、航行管制雷達、導航雷達以及防撞和敵我識別雷達等。

      1.按照雷達信號形式分類(lèi),有脈沖雷達、連續波雷達、脈部壓縮雷達和頻率捷變雷達等。
      2.按照角跟蹤方式分類(lèi),有單脈沖雷達、圓錐掃描雷達和隱蔽圓錐掃描雷達等。
      3.按照目標測量的參數分類(lèi),有測高雷達、二坐標雷達、三坐標雷達和敵我識對雷達、多站雷達等。
      4.按照雷達采用的技術(shù)和信號處理的方式有相參積累和非相參積累、動(dòng)目標顯示、動(dòng)目標檢測、脈沖多普勒雷達、合成孔徑雷達、邊掃描邊跟蹤雷達。
      5.按照天線(xiàn)掃描方式分類(lèi),分為機械掃描雷達、相控陣雷達等。
      6.按雷達頻段分,可分為超視距雷達、微波雷達、毫米波雷達以及激光雷達等。
      其中,相控陣雷達又稱(chēng)作相位陣列雷達,是一種以改變雷達波相位來(lái)改變波束方向的雷達,因為是以電子方式控制波束而非傳統的機械轉動(dòng)天線(xiàn)面方式,故又稱(chēng)電子掃描雷達相控陣技術(shù),早在30年代后期就已經(jīng)出現。1937年,美國首先開(kāi)始這項研究工作。但一直到50年代中期才研制出2部實(shí)用型艦載相控陣雷達。80年代,相控陣雷達由于具有很多獨特的優(yōu)點(diǎn),得到了更進(jìn)一步的應用。在已裝備和正在研制的新一代中、遠程防空導彈武器系統中多采用多功能相控陣雷達,它已成為第三代中、遠程防空導彈武器系統的一個(gè)重要標志。從而,大大提高了防空導彈武器系統的作戰性能。在21世紀,相控陣雷達隨著(zhù)科技的不斷發(fā)展和現代戰爭兵器的特點(diǎn),其制造和研究將會(huì )更上一層樓 [1]  。

      波段劃分

       
      雷達傳感器雷達傳感器


      最早用于搜索雷達的電磁波波長(cháng)度為23cm,這一波段被定義為L(cháng)波段(英語(yǔ)Long的字頭),后來(lái)這一波段的中心波長(cháng)度變?yōu)?2cm。 當波長(cháng)為10cm的電磁波被使用后,其波段被定義為S波段(英語(yǔ)Short的字頭,意為比原有波長(cháng)短的電磁波)。

      在主要使用3cm電磁波的火控雷達出現后,3cm波長(cháng)的電磁波被稱(chēng)為X波段,因為X代表坐標上的某點(diǎn)。
      為了結合X波段和S波段的優(yōu)點(diǎn),逐漸出現了使用中心波長(cháng)為5cm的雷達,該波段被稱(chēng)為C波段(C即Compromise,英語(yǔ)“結合”一詞的字頭)。
      在英國人之后,德國人也開(kāi)始獨立開(kāi)發(fā)自己的雷達,他們選擇1.5cm作為自己雷達的中心波長(cháng)。這一波長(cháng)的電磁波就被稱(chēng)為K波段(K = Kurz,德語(yǔ)中“短”的字頭)。
      “不幸”的是,德國人以其日爾曼民族特有的“精確性”選擇的波長(cháng)可以被水蒸氣強烈吸收。結果這一波段的雷達不能在雨中和有霧的天氣使用。戰后設計的雷達為了避免這一吸收峰,通常使用頻率略高于K波段的Ka波段(Ka,即英語(yǔ)K-above的縮寫(xiě),意為在K波段之上)和略低(Ku,即英語(yǔ)K-under的縮寫(xiě),意為在K波段之下)的波段。
      最后,由于最早的雷達使用的是米波,這一波段被稱(chēng)為P波段(P為Previous的縮寫(xiě),即英語(yǔ)“以往”的字頭)。
      該系統十分繁瑣、而且使用不便。終于被一個(gè)以實(shí)際波長(cháng)劃分的波分波段系統取代,這兩個(gè)系統的換算如下。
      原 P波段 = 現 A/B波段
      原 L波段 = 現 C/D 波段
      原 S波段 = 現 E/F 波段
      原 C波段 = 現 G/H 波段
      原 X波段 = 現 I/J 波段
      原 K波段 = 現 K 波段

      波段標準

      編輯 播報


      二戰后雷達的波段有三種標準,德國標準、美國標準和歐洲標準。由于德國和美國的標準提出的較早,大多數使用的是歐洲新標準:

      歐洲新標準下的部分波段表
      波段
      類(lèi)型
      波長(cháng)[cm]
      頻率[GHz]
      A
      米波

      <0.25
      B
      米波

      0.25-0.5
      C
      分米波
      30-60
      0.5-1
      D
      分米波
      15-30
      1-2
      E
      分米波
      10-15
      2-3
      F
      分米波
      7.5-10
      3-4
      G
      分米波
      5-7.5
      4-6
      H
      厘米波
      4-5
      6-8
      I
      厘米波
      3-4
      8-10
      J
      厘米波
      1.5-3
      10-20
      K
      厘米波
      0.75-1.5
      20-40
      L
      毫米波
      0.5-0.75
      40-60
      M
      毫米波
      0.3-0.5
      60-100
      現用微波分波段代號
      波段代號
      標稱(chēng)波長(cháng)(cm)
      頻率范圍(GHz)
      波長(cháng)范圍(cm)
      L
      22
      1-2
      30-15
      S
      10
      2-4
      15-7.5
      C
      5
      4-8
      7.5-3.75
      X
      3
      8-12
      3.75-2.5
      Ku
      2
      12-18
      2.5-1.67
      K
      1.25
      18-27
      1.67-1.11
      Ka
      0.8
      27-40
      1.11-0.75
      U
      0.6
      40-60
      0.75-0.5
      V
      0.4
      60-80
      0.5-0.375
      W
      0.3
      80-100
      0.375-0.3
      我國的頻率劃分方法
      名稱(chēng)
      符號
      頻率
      波段
      波長(cháng)
      傳播特性
      主要用途
      甚低頻
      VLF
      3-30KHz
      超長(cháng)波
      1kkm-100km
      空間波為主
      海岸潛艇通信;遠距離通信;超遠距離導航
      低頻
      LF
      30-300KHz
      長(cháng)波
      10km-1km
      地波為主
      越洋通信;中距離通信;地下巖層通信;遠距離導航
      中頻
      MF
      0.3-3MHz
      中波
      1km-100m
      地波與天波
      船用通信;業(yè)余無(wú)線(xiàn)電通信;移動(dòng)通信;中距離導航
      高頻
      HF
      3-30MHz
      短波
      100m-10m
      天波與地波
      遠距離短波通信;國際定點(diǎn)通信
      甚高頻
      VHF
      30-300MHz
      米波
      10m-1m
      空間波
      電離層散射(30-60MHz);流星余跡通信;人造電離層通信(30-144MHz);對空間飛行體通信;移動(dòng)通信
      特高頻
      UHF
      0.3-3GHz
      分米波
      1m-0.1m
      空間波
      小容量微波中繼通信;(352-420MHz);對流層散射通信(700-10000MHz);中容量微波通信(1700-2400MHz)
      超高頻
      SHF
      3-30GHz
      厘米波
      10cm-1cm
      空間波
      大容量微波中繼通信(3600-4200MHz);大容量微波中繼通信(5850-8500MHz);數字通信;衛星通信;國際海事衛星通信(1500-1600MHz)
      極高頻
      EHF
      30-300GHz
      毫米波
      10mm-1mm
      空間波
      載入大氣層時(shí)的通信;波導通信


      雷達的優(yōu)點(diǎn)是白天黑夜均能探測遠距離的目標,且不受霧、云和雨的阻擋,具有全天候、全天時(shí)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,而且廣泛應用于社會(huì )經(jīng)濟發(fā)展(如氣象預報、資源探測、環(huán)境監測等)和科學(xué)研究(天體研究、大氣物理、電離層結構研究等)。星載和機載合成孔徑雷達已經(jīng)成為當今遙感中十分重要的傳感器。以地面為目標的雷達可以探測地面的精確形狀。其空間分辨力可達幾米到幾十米,且與距離無(wú)關(guān)。雷達在洪水監測、海冰監測、土壤濕度調查、森林資源清查、地質(zhì)調查等方面也顯示出了很好的應用潛力。



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