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黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（文獻(xiàn)綜述） 第 6 頁(yè)
畢業(yè)設(shè)計(jì)
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(jì)制造及其自動(dòng)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(shuō)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(guò)介紹雷達(dá)的作用、工作原理、發(fā)展過(guò)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(duì)雷達(dá)整體的了解，為后邊的設(shè)計(jì)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(shí)，它的信息載體是無(wú)線電波。 事實(shí)上，不論是可見光或是無(wú)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(guò)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(cè)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(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(yīng)用于社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展(如氣象預(yù)報(bào)、資源探測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)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(cè)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(wú)關(guān)。雷達(dá)在洪水監(jiān)測(cè)、海冰監(jiān)測(cè)、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(jiǎn)述
雷達(dá)是利用無(wú)線電波來(lái)測(cè)定物體位置的無(wú)線電設(shè)備。英文radar原是“無(wú)線電探測(cè)與定位”的英文縮寫，其基本任務(wù)是探測(cè)感興趣的目標(biāo)，測(cè)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(hào)處理機(jī)）和顯示器等部分組成。
雷達(dá)工作是通過(guò)發(fā)射機(jī)產(chǎn)生足夠的電磁能量，經(jīng)過(guò)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(gè)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(gè)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(guò)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(hào)。由于在傳播過(guò)程中電磁波會(huì)隨著傳播距離而衰減，雷達(dá)回波信號(hào)非常微弱，幾乎被噪聲所淹沒(méi)。接收機(jī)放大微弱的回波信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)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(cè)定目標(biāo)的距離，雷達(dá)需要準(zhǔn)確測(cè)量從電磁波發(fā)射時(shí)刻到接收到回波時(shí)刻的延遲時(shí)間，這個(gè)延遲時(shí)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(shí)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(shí)間
C：光速
雷達(dá)測(cè)定目標(biāo)的方向是利用天線的方向性來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)機(jī)械和電氣上的組合作用，雷達(dá)把天線轉(zhuǎn)向要探測(cè)的方向，一旦發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，雷達(dá)讀出天線轉(zhuǎn)過(guò)的指向角，就是目標(biāo)的方向角。兩坐標(biāo)雷達(dá)只能測(cè)定目標(biāo)的方位角，三坐標(biāo)雷達(dá)可以測(cè)定方位角和俯仰角。
測(cè)定目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)速度是雷達(dá)的一個(gè)重要功能，雷達(dá)測(cè)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(duì)位置運(yùn)動(dòng)時(shí)，目標(biāo)回波的頻率就會(huì)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(duì)徑向速度。具有測(cè)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(jiǎn)述
雷達(dá)的用途廣泛，種類繁多，分類的方法也非常復(fù)雜。通常可以按照雷達(dá)的用途分類，如預(yù)警雷達(dá)、搜索警戒雷達(dá)、無(wú)線電測(cè)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(chǎng)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(shí)別雷達(dá)等。除了按用途分，還可以從工作體制對(duì)雷達(dá)進(jìn)行區(qū)分。這里就對(duì)一些新體制的雷達(dá)進(jìn)行簡(jiǎn)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(gè)或多個(gè)地點(diǎn)上，地點(diǎn)可以設(shè)在地面、空中平臺(tái)或空間平臺(tái)上。由于隱身飛行器外形的設(shè)計(jì)主要是不讓入射的雷達(dá)波直接反射回雷達(dá)，這對(duì)于單基地雷達(dá)很有效。但入射的雷達(dá)波會(huì)朝各個(gè)方向反射，總有部分反射波會(huì)被雙/多基地雷達(dá)中的一個(gè)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(gè)小眼組成，每個(gè)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(gè)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(gè)到幾萬(wàn)個(gè)。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(guò)計(jì)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(hào)送入主機(jī)，完成雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的搜索、跟蹤和測(cè)量。每個(gè)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(guò)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(wú)慣性快速掃描，數(shù)據(jù)率高；
（2）一個(gè)雷達(dá)可同時(shí)形成多個(gè)獨(dú)立波束，分別實(shí)現(xiàn)搜索、識(shí)別、跟蹤、制導(dǎo)、無(wú)源探測(cè)等多種功能；
（3）目標(biāo)容量大，可在空域內(nèi)同時(shí)監(jiān)視、跟蹤數(shù)百個(gè)目標(biāo)；
（4）對(duì)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(chǎng)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(cè)量、靶場(chǎng)測(cè)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(duì)付工作在某一波段的雷達(dá)是有效的，而面對(duì)覆蓋波段很寬的雷達(dá)就無(wú)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(cè)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(cè)到小目標(biāo)。目前美國(guó)正在研制、試驗(yàn)超寬帶雷達(dá)，已完成動(dòng)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(dòng)的空中或空間平臺(tái)上，利用雷達(dá)與目標(biāo)間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，將雷達(dá)在每個(gè)不同位置上接收到的目標(biāo)回波信號(hào)進(jìn)行相干涉處理，就相當(dāng)于在空中安裝了一個(gè)“大個(gè)”的雷達(dá)，這樣小孔徑天線就能獲得大孔徑天線的探測(cè)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(cè)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(chǎng)偵察、火控、制導(dǎo)、導(dǎo)航、資源勘測(cè)、地圖測(cè)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(shí)它工作在目前隱身技術(shù)所能對(duì)抗的波段之外，因此它能探測(cè)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(guó)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(tái)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(lái)的光脈沖還原成電脈沖，送到顯示器。隱身兵器通常是針對(duì)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(cè)量精度高、分辨率高，因而它能有效地探測(cè)隱身目標(biāo)。激光雷達(dá)在軍事上主要用于靶場(chǎng)測(cè)量、空間目標(biāo)交會(huì)測(cè)量、目標(biāo)精密跟蹤和瞄準(zhǔn)、目標(biāo)成像識(shí)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(cè)、局部風(fēng)場(chǎng)測(cè)量、水下目標(biāo)探測(cè)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(gè)嚴(yán)重缺陷。傳統(tǒng)的雷達(dá)已經(jīng)不能滿足日益增長(zhǎng)的要求，如何解決這些問(wèn)題已經(jīng)迫在眉睫。
雷達(dá)是通過(guò)天線輻射電磁波搜尋目標(biāo)的，天線的性能會(huì)直接影響雷達(dá)的工作性能。通過(guò)增大雷達(dá)天線的輻射面積是擴(kuò)大搜索范圍的一個(gè)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(wú)限制的增大。因此要通過(guò)其他方法解決這一問(wèn)題。
本次設(shè)計(jì)就是通過(guò)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(shí)以一定的頻率作俯仰運(yùn)動(dòng)，將雷達(dá)波束以天線面為基礎(chǔ)整體以一定的頻率震動(dòng)，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(huì)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(dòng)態(tài)及發(fā)展趨勢(shì)
早期廣泛運(yùn)用的測(cè)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(guò)整個(gè)天線結(jié)構(gòu)擺動(dòng)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(shí)，主瓣返回的目標(biāo)回波通過(guò)距離——高度顯示器（RHI）顯示給操縱員，并通過(guò)被稱為“波束分層”的處理，即通過(guò)測(cè)量顯示的目標(biāo)視頻信號(hào)的中心，操縱員可精確地直接測(cè)量目標(biāo)的高度。盡管一些點(diǎn)頭式天線測(cè)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(guò)兩坐標(biāo)監(jiān)視雷達(dá)觀察探測(cè)對(duì)象，同時(shí)由測(cè)高雷達(dá)測(cè)量高度。測(cè)高雷達(dá)旋轉(zhuǎn)到所需的方位從而得到高度和距離的測(cè)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(cè)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(cè)高雷達(dá)，如著名的英國(guó)13型雷達(dá)（AMES 13型雷達(dá)）和得到廣泛應(yīng)用的美國(guó)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(cè)高雷達(dá)系列被AN/FPS—6，即一種專為美軍設(shè)計(jì)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(dòng)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(gè)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(hào)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(cè)高雷達(dá)由計(jì)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(gè)高度測(cè)量值。
當(dāng)然，利用機(jī)電手段代替通過(guò)機(jī)械擺動(dòng)的整個(gè)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(cè)高雷達(dá)已經(jīng)成功地應(yīng)用了許多年。兩個(gè)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(lái)實(shí)現(xiàn)仰角上波束的快速掃描。
五、參考文獻(xiàn)
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