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雷达百科-雷达原理及相关应用
时间: 2017-05-18 15:31
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雷达是一个对象检测系统,它可以用来检测飞机、船舶、宇宙飞船,导弹,机动车辆,天气的形成和地形。
远程雷达天线,用来跟踪空间对象和弹道导弹。
用于检测飞机雷达的类型。它旋转稳步席卷领空窄束。
雷达是一个对象检测系统。该系统利用无线电波确定范围、高度、方向或速度的对象。它可以用来检测飞机、船舶、宇宙飞船,导弹,机动车辆,天气的形成和地形。雷达碟或天线传输的无线电波或脉冲微波反弹任何对象的路径。对象返回一个小波的能量的一部分菜或天线通常位于同一地点发射机。
雷达被秘密开发的几个国家之前和期间第二次世界大战。雷达这个术语本身,而不是实际的发展,于1940年创造的美国海军作为一个首字母缩写无线电探测和测距。雷达已经进入了这个词英语和其他语言的普通名词雷达,失去所有的资本化。
现代雷达的使用高度多样化,包括空中交通管制,雷达天文学,防空系统,反导弹系统;船用雷达定位地标和其他船只、飞机防撞系统;海洋监测系统,外太空监视和会合系统;气象降水监测;测高法和飞行控制系统;导弹目标定位系统;和探地雷达地质观测。
高科技雷达系统与相关联数字信号处理并从非常高的提取有用信息的能力噪音的水平。
其他系统类似于雷达使用的其他部分电磁波谱。一个例子是“激光雷达”,它使用可见光激光而不是无线电波。
雷达的历史
早在1886年,德国物理学家海因里希。赫兹显示,无线电波可以反映从固体物体。在1895年,亚历山大波波夫的物理教师俄罗斯帝国海军学校喀琅施塔得,开发了一个设备使用粉末检波器管探测遥远的闪电。第二年,他补充说火花隙发射机。1897年,当测试这两艘船之间的通信设备波罗的海,他的注意干扰击败通过第三个容器造成的。在他的报告中,波波夫写道,这种现象可能是用于检测对象,但他没有更多的观察。
德国发明家基督教Hulsmeyer是第一个使用无线电波来检测“遥远的金属物体的存在”。1904年,他证明了检测船在浓雾的可行性,但不是其距离发射机。他获得了一项专利检测设备在1904年4月,后一项专利[6]为评估相关修正案对船舶的距离。他还有一个英国专利9月23日,1904年一个完整的系统,称为telemobiloscope。
1922年a·霍伊特泰勒和狮子座c .年轻,研究人员使用美国海军,发射机和接收机的两侧波多马克河,发现一艘船通过光束路径导致接收信号时有时无。泰勒提交一份报告,表明这可能是用来探测船舶在能见度低的存在,但美国海军并没有立即继续工作。八年以后,劳伦斯·a·海兰德在海军研究实验室观察到类似的淡入淡出效果从路过的飞机,这导致了专利申请[8]以及建议认真工作海军研究实验室(泰勒和年轻然后在这个实验室)的线电回波信号移动目标。
之前第二次世界大战,研究人员在法国,德国,意大利,日本,荷兰,苏联,联合王国,美国独立在极其保密的情况下,开发技术,导致了现代版的雷达。澳大利亚,加拿大,新西兰,南非跟着战前英国,匈牙利在战争中有相似的发展。
1934年在法国,磁控管系统研究后,研究的分支公司银行de Telegraphie Sans费尔(CSF),由莫里斯桥,亨利·Gutton Berline,和m . Hugon开始开发一个obstacle-locating无线电设备,这是安装在的一部分诺曼底1935年班轮。
在此同时,苏联军事工程师p . k . Oshchepkov与合作列宁格勒电物理研究所,产生一个实验装置,快速,能够检测飞机的3公里内接收器。法国和苏联系统,然而,连续波操作,不能给充分表现,最终在现代雷达的中心。
完整的雷达脉冲系统发展而来,第一个这样的基本装置由美国在1934年12月罗伯特·m·页面工作,海军研究实验室.[14]第二年,美国陆军成功测试了一种原始的地对地的雷达目标沿海电池搜索灯在晚上。这是紧随其后的是一个脉冲系统展示了1935年5月鲁道夫Kuhnhold和公司能1935年6月在德国,然后一个一个空军部领导的团队罗伯特·沃森瓦特在英国。雷达的发展大大扩展了1936年9月1日当Watson-Watt成为新的建立在英国空军部的负责人,Bawdsey研究站位于Bawdsey庄园,费力克斯托港附近,萨福克郡。那里工作导致飞机的设计和安装检测和跟踪站称为链家东部和南部沿海的英格兰在1939年第二次世界大战的爆发。该系统提供了重要的进步信息,帮助英国皇家空军赢得不列颠之战.
英国是第一个充分利用雷达作为一个防御飞机攻击。这是由于担心德国人发展死亡射线.空军部要求在1934年英国科学家研究电磁能量传播的可能性和可能的效果。后研究,他们得出的结论是,死亡射线是不切实际的,但检测飞机似乎可行。[16]罗伯特·沃森瓦特的团展示了他的上司的能力一个工作原型,然后专利设备。[17][18][19]它的基础链家雷达捍卫英国的网络检测到接近德国飞机不列颠之战在1940年。
1940年4月,科普雷达显示的一个例子使用单位Watson-Watt专利在防空的一篇文章,但是不知道,美国陆军和美国海军在雷达使用相同的原则,规定根据插图,“这不是美国陆军装备。”[20]也,1941年末大众机械的一篇文章中,美国科学家推测英国早期预警系统在英国东海岸和接近是什么和它如何工作。[21]阿尔弗雷德·李。鲁姆斯组织辐射实验室剑桥,麻萨诸塞州1941 - 45年的技术开发。之后的1943年,极大地提高了雷达的页单脉冲技术这是多年来在大多数雷达应用程序使用。[22]
战争引发的研究来找到更好的分辨率,更可移植性、雷达和更多的功能,包括导航系统互补双簧管使用的英国皇家空军的探索者.
在航空飞机配有雷达设备,警告说,飞机或其他障碍或接近他们的路径,显示天气信息,给准确的高度读数。第一个商用设备安装单位在某些飞机是1938年贝尔实验室联合航空公司飞机。这样的飞机可以在雾配备radar-assisted机场降落ground-controlled方法系统飞机的飞行雷达屏幕上观察到当运营商无线方向飞行员着陆。
船用雷达用于测量船只的方位和距离与其他船只,防止碰撞,导航,和修复他们的立场在海上等海岸或其他固定引用范围内群岛,浮标,lightships。在港口或港口,船舶交通服务雷达系统用于监控和调节在繁忙水域船舶运动。
气象学家使用雷达监视降水和风能。它已成为短期的主要工具天气预报和看恶劣天气如雷暴,龙卷风,冬季的风暴、降水类型等。地质学家使用专门的地面穿透雷达地图的构成地壳.
警察部队使用雷达枪监控车辆速度在道路上。
弱吸收无线电波的媒介,它通过了是什么使雷达探到物体在相对较长的ranges-ranges其他电磁波波长,等可见光,红外线,紫外线,太强烈。雾等天气现象,云,雨,雪,雨夹雪,阻止可见光无线电波通常是透明的。特定的无线电频率所吸收或散射的水蒸气,雨滴,或大气气体(特别是氧气)避免在设计雷达,除非他们的检测目的。
雷达依靠自己的传输而不是光太阳或月亮,或从电磁波对象本身发出的,如红外波长(热)。指导人工无线电波对对象的过程称为照明,尽管无线电波是人眼不可见或光学相机。
在1960年这个亮度可以表明反射率气象雷达图像(飓风艾比)。雷达的频率、脉冲形式,极化,天线信号处理,确定它可以观察。
如果电磁波穿越一个材料满足另一个,有一个非常不同的介电常数或抗磁性常数从一开始,海浪将从材料之间的边界反射或散射。这意味着一个坚实的对象空气或在一个真空,或者显著改变原子密度之间的对象和它周围,通常会从它的表面散射雷达(广播)的巨浪。这是尤其如此导电金属和碳纤维等材料,使雷达适合飞机和舰船的检测。雷达吸收材料,包含电阻,有时磁物质,用于军用车辆减少雷达反射。这收音机的绘画是一个黑暗的颜色,这样它就不能晚上看到的眼睛。
波雷达散射以各种方式根据大小(波长)的无线电波和目标的形状。如果波长较短的多目标的大小、波反弹将在某种程度上类似于光反射的方式镜子。如果波长更长的时间比目标的大小,目标可能并不明显,因为可怜的反射。低频雷达技术依赖于共振检测,但不是识别、目标。这是所描述的瑞利散射产生影响,造成地球的蓝色天空和红色日落。两个长度尺度相当时,可能会有共振。早期的雷达使用很长的波长大于目标,从而得到一个模糊的信号,而一些现代系统使用较短的波长(几厘米或更少),图像对象和一块面包一样小。
短的无线电波反射曲线和角落的方式类似于从一块圆形的玻璃闪闪发光。最反射目标短的波长有90°之间的角度反射面。一个角反射器包括三个平面会议像一盒里面的角落。结构将反映波进入开放直接回源。他们常用的雷达反射镜使。net framework里否则对象更容易检测到。角反射器在船上,例如,让他们更多的检测,以避免碰撞或救援。出于类似的原因,为了避免检测的对象将无法在角落或表面和边缘垂直于可能检测方向,从而导致“奇怪的”隐形飞机。这些预防措施不能完全消除反射的衍射,特别是在长波长。半波长长电线或条导电材料,如糠非常反射,但不直接分散能源回源。在何种程度上一个对象反射或散射无线电波被称为雷达截面.
雷达方程
多普勒效
多普勒雷达和Pulse-Doppler雷达
频移是由运动引起的变化之间的波长反射器和雷达。能降低或提高雷达性能取决于,如何影响检测过程。作为一个例子,移动目标指示可以取消生产与多普勒信号在一定的径向速度,从而降低性能。
海基雷达系统,半主动雷达寻的,气象雷达、军用飞机和雷达天文学依赖于多普勒效应来提高性能。这个检测过程中产生目标速度信息。这也使得小物体附近被发现包含更大的环境中缓慢移动的物体。
多普勒频移取决于是否主动或被动雷达的配置。主动雷达传输一个信号反射到接收器。无源雷达取决于对象发送一个信号到接收机。
主动雷达的多普勒频移,如下多普勒频率,传输频率,径向速度,光的速度:
适用于被动雷达电子对抗和射电天文学如下:
只有径向速度相关的组件。当反射器在向右移动雷达波束角,它没有相对速度。车辆和天气雷达波束产生平行移动最大的多普勒频移。
多普勒测量是可靠的只有在采样率超过了奈奎斯特频率径向运动产生的频移。作为一个例子,用脉冲多普勒气象雷达的速度2 khz和传输1 ghz的频率可以可靠地测量天气150米/秒(330英里/小时),但不能可靠地确定径向速度的飞机移动1000米/秒(3300英里/小时)。
限制因素
光路和范围
回波高度地面
雷达波束在真空遵循线性路径,但它确实是有点弯曲的路径在大气中,因为变化的折射率的空气,被称为雷达的地平线。即使发出的光束平行于地面,它将超越它地球曲率水槽地平线以下。此外,信号衰减介质的十字架,和光束分散。
传统雷达的最大射程可以受到许多因素:
· 的视线,这取决于地面高度。这意味着与直接的视线光束被阻塞的道路。
· 最大non-ambiguous范围,这是确定的脉冲重复频率。最大non-ambiguous范围是脉冲可以旅行,返回之前的距离下一个脉冲发射。
· 雷达灵敏度和权力的返回信号作为雷达方程计算。这包括环境条件等因素和的大小(或雷达截面)的目标。
噪音
信号噪声是一个内部信号随机变化的来源,这是所有电子元件所产生的。
快速反映信号下降随着距离增加,所以噪声引入了雷达范围限制。的噪声地板和信号噪声比是两个不同的测量的性能影响范围内的性能。反射太远产生信号超过噪声地板太少,不能检测到。检测需要超过一个信号噪声地板通过至少信号噪声比.
噪声通常表现为随机变化叠加在所需的回波信号在雷达接收机收到。期望信号的功率越低,越难分辨的噪音。噪声图是接收器产生的噪声的测量与理接收机相比,这需要最小化。
散粒噪声是在运输途中产生的电子在不连续,这发生在所有探测器。散粒噪声的主要来源是大多数接收器。还会有闪烁噪声造成电子运输通过放大设备,减少使用外差放大。外差处理的另一个原因是,对于固定部分带宽、频率的瞬时带宽线性增加。这允许提高距离分辨率。一个值得注意的例外是外差式(downconversion)雷达系统超宽频雷达。这里一个周期,或瞬态波,是使用类似超宽频通讯,明白了超宽频频道列表.
所产生的噪声也是外部来源,最重要的是周围的自然热辐射背景感兴趣的目标。在现代雷达系统中,内部噪声通常是约等于或低于外部噪音。向上一个例外是,如果雷达的目的是在晴朗的天空,在现场很“冷”,它产生非常小热噪声。热噪声是由kB T B,B T是温度,是带宽(post匹配滤波器)和kB玻耳兹曼常数的。有一个吸引人的直观解释这种关系的雷达。收到一个目标匹配滤波允许整个能源被压缩到一个本(范围、多普勒、高程或方位本)。表面上看来,然后固定间隔的时间内可以获得完美的,无错,检测。这样做一个简单地压缩所有精力投入到无穷小时间片。什么限制了这种方法在现实世界中,虽然时间是任意可分割的,现在不是。电能的量子是一个电子,所以最好能做的就是匹配过滤所有精力投入到一个电子。由于电子转移在一定的温度下(板频谱)这个噪声源不能进一步侵蚀。我们看到,雷达,像所有的大规模的实体,由量子理论深刻地影响。
噪声是随机和目标信号。信号处理可以利用这种现象来减少噪声地板使用两种策略。这种信号集成使用移动目标指示可以改善噪音对于每一个阶段。信号也可以被分配给多个过滤器Pulse-Doppler信号处理,减少了噪声地板的过滤器。这些改进取决于相干性.
干扰
雷达系统必须克服为了不必要的信号只关注感兴趣的实际目标。这些不需要的信号可能来自内部和外部来源,被动和主动。雷达系统的能力定义其克服这些不需要的信号信噪比(信噪比)。信噪比的定义是信号功率之比期望信号中的噪声功率;比较水平所需的目标信号的背景噪音水平(大气噪声和接收机内部噪声产生的)。系统的信噪比越高,就越好隔离实际目标周围噪音信号。
混乱
混乱是指无线电频率(RF)回声返回目标雷达操作员是无趣的。这些目标包括自然对象,如地面、海洋、降水(如雨、雪或冰雹),沙尘暴、动物(特别是鸟类),大气动荡、和其他大气效应等电离层反射,流星小径,三体散射峰值。混乱也可能从人造物体,如建筑和回来,故意,雷达等对策糠.
一些杂物也可能引起的雷达波导雷达收发器和天线。在一个典型的平面位置显示器(PPI)与一个旋转雷达天线,这通常会被视为一个“太阳”或“阳光”的中心作为接收方响应显示回声的尘埃粒子和误导的射频波导。调整当发射机发送一个脉冲之间的时间,当启用了接收机阶段通常会减少阳光而不影响范围的准确性,因为大多数辐射式扩散传输脉冲引起的反映之前离开了天线。混乱是一个被动的干扰来源,因为它只出现在雷达信号的雷达。
检测到混乱和中和在几个方面。杂波雷达扫描之间往往会出现静态;对于后续的扫描回声,理想的目标就会出现移动,和所有固定可以消除回声。海杂波可以减少使用水平极化,而降雨减少圆偏振(注意,气象雷达的愿望相反的效果,因此使用线性极化探测降水)。其他方法试图增加signal-to-clutter比率。
杂乱随风移动或静止。两种常见的策略来改善测量或性能在杂波环境中有:
· 移动目标指示于一体的连续和脉冲
· 多普勒处理,使用过滤器分离杂物从理想的信号。
最有效的杂波技术是减少Pulse-Doppler雷达。从飞机和航天器使用多普勒分离杂物频谱,所以单个信号可以分开多个反射镜位于同一卷使用速度差异。这需要一个连贯的发射机。另一种技术使用地面移动目标指示减去从连续两个接收信号脉冲使用阶段减少信号缓慢移动的物体。这可以用于系统缺乏一个连贯的发射机,等时域脉冲幅度雷达.
恒虚警率的一种形式,自动增益控制(AGC)的方法依赖于杂乱的回报远远超过回声从感兴趣的目标。接收机的增益自动调整,以维持恒定的总体水平可见的杂物。虽然这不能帮助检测目标掩饰了强周围的杂物,它有助于区分强目标的来源。在过去,雷达AGC是电子控制和影响整个雷达接收机的增益。随着雷达的发展,AGC成为computer-software控制和影响更大粒度的获得特定检测细胞。
雷达多路径回声从一个目标使鬼魂出现。
混乱也可能源自多路径从有效目标引起的地面反射回声,大气管道或电离层反射/折射(例如,异常传播)。这种混乱是特别麻烦的,因为它似乎移动,像其他正常(点)感兴趣的目标。在一个典型的场景中,一架飞机从地面回波反射,接收方出现如下一个相同的目标正确的。雷达可能试图统一目标,报告目标在一个不正确的高度,或消除它的基础上抖动或物理上是不可能的。地形反弹干扰利用这种反应放大雷达信号和指导下行。问题是可以克服的,通过融合一个地面雷达地图的环境,消除回声这似乎来自地下或以上一定高度。单脉冲可以提高通过改变海拔算法在低海拔。在更新的空中交通管制雷达设备,算法用于识别假目标通过比较当前脉冲返回那些相邻,以及计算返回这不太可能。
干扰
雷达干扰指无线电频率信号来自来源以外的雷达,雷达发射的频率,从而掩盖了感兴趣的目标。干扰可能是有意的,如同电子战策略,或无意与友军操作设备,传输使用相同的频率范围。干扰被认为是一个活跃的干扰来源,因为它是由元素之外的雷达和一般与雷达信号无关。
雷达干扰是有问题的,因为干扰信号只需要旅行的一种方法(从雷达接收机的干扰机),而雷达回波旅游两种方式(radar-target-radar),因此显著降低掌权的时候他们回到雷达接收机。干扰器因此可能比他们更强大的陆基雷达,还有效地掩盖沿着目标视线从干扰雷达(mainlobe干扰)。干扰器有一个额外的效果影响雷达以及其他行通过雷达接收机的景象旁瓣(旁瓣干扰)。
Mainlobe干扰可以通过缩小Mainlobe通常只会减少立体角并不能完全消除直接面临干扰时使用相同的频率和极化雷达。旁瓣干扰可以克服通过减少接收雷达天线旁瓣的设计和使用全向天线检测和漠视non-mainlobe信号。其他的抗干扰技术是跳频和极化.
渡越时间
脉冲雷达:往返时间的雷达脉冲测量目标并返回。这次的距离成正比。
连续波(CW)雷达
获得的一种方法距离测量是基于飞行时间:传输短脉冲无线电信号(电磁辐射)和测量时间反射回来。距离往返时间的乘积的一半(因为信号前往目标然后回到接收器)和信号的速度。由于无线电波在旅行光的速度,精确的距离测量要求的高性能电子产品。在大多情况下,接收方不检测返回信号被传输。通过使用一个双工器,雷达开关之间的传输和接收预定的速度。类似的效应对最大射程。为了最大化,应该使用脉冲之间的长时间,称为脉冲重复时间,或其倒数,脉冲重复频率。
这两个效应往往是相互矛盾,而且不容易结合良好的短程和长程在一个单一的雷达。这是因为一个好所需的短脉冲最小射程广播总能量较少,使收益较小和目标难以检测。这可以使用更多的脉冲所抵消,但这将缩短最大射程。所以每个雷达使用特定类型的信号。远程雷达倾向于使用长脉冲的延迟,和短程雷达使用较小的脉冲之间的时间更少。随着电子产品的不断改进现在许多雷达可以改变他们的脉冲重复频率,从而改变其范围。最新的雷达火两脉冲在一个细胞,一个用于短程/ 6英里(10公里)和一个单独的信号时间范围(100公里/ 60英里)。
距离决议和接收到的信号与噪声的特点取决于脉冲的形状。脉冲往往调制使用技术,即实现更好的性能脉压缩.
距离也可以测量作为时间的函数。的雷达英里是需要对雷达脉冲的时间旅行海里,反映了一个目标,并返回到雷达天线。因为海里被定义为1852米,那么这个距离除以光速(299792458米/秒),然后结果乘以2收益率12.36微秒时间的结果。
频率调制
另一种形式的测距雷达是基于频率调制。频率比较两个信号之间更加准确,即使旧的电子产品,不是定时信号。通过测量返回的信号的频率与原来的比较,可以很容易地测量的区别。
这种技术可用于连续波雷达而且往往出现在飞机雷达高度计。在这些系统中“载体”雷达信号频率调制的一种可预测的方式,通常是不同的正弦波在音频频率或锯齿模式。然后从一个天线发送信号和接收另一个,通常位于飞机的底部,和信号可以连续使用一个简单的拍频调制器相比,产生音频音调从返回的信号和传输信号的一部分。
由于信号频率改变,时间回到了飞机传送的信号频率发生了变化。的频移量是用来测量距离。
的调制指数骑在接收信号成正比的雷达和反射器之间的时间延迟。频移的数量变得更大更大的时间延迟。的频移量的测量是直接与距离成正比。这个距离可以显示在一个乐器,也可能通过应答器可用。该信号处理类似于用于检测多普勒雷达速度。系统使用这种方法的例子高木,MISTRAM,UDOP.
另一个优势是雷达可以有效地在相对较低的频率。这是非常重要的在这种类型的早期发展高频信号生成困难或昂贵。
地面雷达使用低功率调频信号覆盖更大的频率范围。分析了多次反射数学模式变化与多个通过创建一个计算机合成图像。多普勒效应是缓慢移动的物体可以被使用以及在很大程度上消除表面的“噪音”的水域。
速度测量
速度是物体距离的变化对时间。因此,现有的系统测量距离,加上去年是内存容量看到目标,足以测量速度。一次内存由一个用户油脂铅笔标志着在雷达屏幕上,然后使用一个计算速度计算尺。现代雷达系统执行相同的操作更快、更准确地使用电脑。
如果发射机的输出是一致的(同步阶段),还有一个作用,可以用来制造几乎即时速度测量(不需要内存),被称为多普勒效应。大多数现代雷达系统使用这一原则多普勒雷达和Pulse-Doppler雷达系统(气象雷达、军用雷达等等……)。多普勒效应是唯一能够确定目标的相对速度沿着视线从雷达到目标。任何组件的目标速度垂直于视线不能确定使用普勒效应,但它可以被跟踪目标的确定方位随着时间的推移。
有可能没有任何脉冲多普勒雷达,称为连续波雷达(连续波雷达)发出一个非常纯粹的一个已知频率的信号。连续波雷达是理想的辐射成分的确定目标的速度。连续波雷达通常采用交通执法快速、准确地测量车辆速度范围并不重要。
当使用脉冲雷达、连续的变化之间的阶段之间的距离这一目标已经返回给脉冲,从而可以计算出它的速度。在雷达信号处理包括其他数学发展时频分析 (韦尔海森堡或小波),以及chirplet转换这使得使用频率的变化从移动目标的回报(“唧唧喳喳”)。
Pulse-Doppler信号处理
Pulse-Doppler信号处理。样本范围轴代表个人样本之间传输脉冲。范围区间轴代表每个连续的传输脉冲间隔期间样品。快速傅里叶变换过程将时域样本转化为频域光谱。这是有时被称为钉子的床。
Pulse-Doppler信号处理包括频率过滤检测过程。每个传输脉冲之间的空间分为范围细胞或范围。每个细胞都是使用的过程就像一个独立过滤频谱分析仪生产显示器显示不同的频率。每个不同的距离会产生同的光谱。这些光谱是用来执行检测过程。这是需要在敌对的环境中实现可接受的性能包括天气、地形、和电子对抗。
主要目的是测量的振幅和频率聚合来自多个距离的反射信号。这是使用气象雷达测量径向风速和降水率在不同体积的空气。这是与计算机系统产生一个实时电子天气图。飞机安全取决于连续获得准确的天气雷达信息,用于防止受伤和事故。气象雷达使用低脉冲重复频率。一致性需求并不一样严格的军事系统,因为单个信号通常不需要分离。不那么复杂的过滤是必需的,和范围歧义处理一般不需要与气象雷达和军用雷达相比旨在追踪飞行器。
备用的目的是“look-down /击落”能力需要提高空军作战生存能力。Pulse-Doppler也用于地面监视雷达需要保卫人员和车辆。[25][26]Pulse-Doppler信号处理增加了最大探测距离用更少的辐射接近飞机的飞行员,船上人员,步兵和炮兵。反射从地形、水和天气产生信号远大于飞机和导弹,它允许快速移动的车辆隐藏使用nap-of-the-earth飞行技术和隐身技术为了避免检测到攻击摧毁车太近。Pulse-Doppler信号处理包含更复杂的电子安全过滤,消除了这种弱点。这需要使用介质pulse-repetition频率与相位相干硬件有一个很大的动态范围。军事应用要求中脉冲重复频率直接可以防止范围被确定,消除歧义的范围处理要求确定所有反射信号的真实范围。径向运动通常是与多普勒频率产生一个锁信号,不能由雷达干扰信号。Pulse-Doppler信号处理也会产生声音信号,可用于识别的威胁。[25]
减少干扰的影响
信号处理用于雷达系统减少吗雷达干扰效果。信号处理技术包括移动目标指示,Pulse-Doppler信号处理、移动目标检测处理器、相关性二次监视雷达目标,空时自适应处理,track-before-detect.恒虚警率和数字地形模型处理也在杂波环境中使用。
情节和跟踪提取
主要文章:Track_algorithm
一种跟踪算法是雷达性能增强策略。跟踪算法提供多个移动物体的能力预测未来位置基于单个位置的历史被传感器系统报道。
历史信息积累和用于预测未来位置用于空中交通管制,威胁评估、作战系统学说,枪瞄准,导弹制导。位置数据积累的雷达传感器在几分钟。
有四种常见的跟踪算法。
· 最近邻
· 概率数据关联
· 多假设跟踪
· 交互式多模型(IMM)
雷达视频返回从飞机可以受到情节提取过程虚假和干扰信号被丢弃。一系列目标收益可以通过设备监控称为情节提取器。
非实时返回可以从显示的信息和删除一个情节显示。在某些雷达系统,或者在命令和控制系统的雷达连接雷达跟踪用于关联的序列块属于个人目标和评估目标的标题和速度。
雷达组件
雷达的组件:
· 一个发射机产生的无线电信号振荡器等速调管或者一个磁控管和控制的持续时间调制器.
· 一个波导链接器和天线。
· 一个双工器作为切换天线和信号的发射器或接收器用于天线时的情况。
· 一个接收机。知道的形状所需的接收信号(脉冲),一个最优接收机可以使用而设计的匹配滤波器.
· 人类可读的显示处理器产生的信号输出设备.
· 电子部分控制所有这些设备和执行雷达天线扫描命令由软件。
· 终端用户设备和显示的链接。
天线设计
从单个天线无线电信号广播将从四面八方延伸开去,和同样一个天线将接收信号同样从四面八方。这使得雷达的问题决定目标对象所在地。
早期的系统倾向于使用全向广播天线,定向接收机天线的指向不同的方向。例如,第一个系统部署,链家,使用连续两个天线正确的角度接待,每个不同的显示。最大回报将检测天线成直角的目标,和最小天线直接指着它(结束)。操作员可以确定目标的方向旋转天线,一个显示器显示最大,而其他显示最低。这种类型的解决方案的一个严重的限制是广播发送四面八方,所以方向的能量接受检查一小部分的传播。得到一个合理的权力在“目标”,还应该定向发送天线。
抛物面反射器
更现代的系统使用一个可操纵的抛物线“菜”来创建一个紧广播波束,通常使用相同的菜作为接收机。此类系统通常结合两个雷达频率在同一天线为了允许自动转向,或雷达锁定。
抛物面反射镜可以对称parabolas或变质parabolas:对称抛物面天线产生一个狭窄的“铅笔”梁在X和Y的维度,因而具有更高的增益。的NEXRADPulse-Doppler气象雷达使用对称天线来进行详细的体积扫描的气氛。被宠坏的抛物面天线产生一个窄束在一个维度和一个相对宽梁。这个特性很有用如果目标探测范围广泛的角度比目标更重要位置在三维空间中。大多数2 d监视雷达使用一个被宠坏的抛物面天线窄方位波束宽度和宽垂直波束宽度。这个梁配置允许雷达操作员检测飞机在特定方位,但在一个不确定的高度。相反,所谓的“nodder”高度发现雷达使用一道菜一个狭窄的垂直波束宽度和宽方位波束宽度检测飞机在特定高度但方位精度低。
监视雷达天线
类型的扫描
· 主要扫描:扫描技术,主天线天线移动产生一束扫描,例子包括循环扫描,扇形扫描等。
· 二次扫描:扫描技术在天线馈电移动产生一束扫描,例子包括圆锥扫描,单向扇形扫描,叶切换等。
· 帕默扫描:扫描技术,产生一个扫描电子束通过移动主天线及其饲料。帕默扫描是主要的组合扫描和二次扫描。
开槽波导
开槽波导天线
主要文章:开槽波导
同样适用于抛物面反射器、开槽波导移动机械扫描,尤其适合non-tracking表面扫描系统,在垂直模式可能会保持不变。由于其较低的成本和更少的风接触,船上,机场地面,现在港口监视雷达使用这种方法在偏好抛物面天线。
相控阵
相控阵:并不是所有的雷达天线必须旋转扫描天空。
主要文章:相控阵天线
转向的另一种方法是在使用相控阵雷达。
相控阵天线组成的等间距的类似天线元素,如天线或行开槽波导。每个天线元素或一组天线元素包含一个谨慎的相移,产生相位梯度整个数组。例如,数组元素产生一个5度相移为每个数组脸上会产生一束波长远离中心线垂直于5度指出数组的脸。信号沿梁将增强旅行。信号抵消的光束将被取消。钢筋的数量天线增益。取消的数量是旁瓣抑制。[28日]
相控阵雷达在使用初期以来的雷达在第二次世界大战,但电子设备的局限性导致低劣的性能。相控阵雷达最初用于导弹防御。他们是舰载的核心“宙斯盾”作战系统和爱国者导弹系统。大量的冗余与拥有大量的数组元素增加可靠性为代价的渐进性能退化发生元素失败作为单独的阶段。
相控阵天线可以构建符合特定的形状,像导弹,步兵支持车辆、船只和飞机。
随着电子产品的价格下降,相控阵雷达已变得更加普遍。几乎所有的现代军事雷达系统是基于相控阵,在小额外成本抵消系统的提高可靠性,没有移动部件。传统moving-antenna设计仍广泛应用于角色,成本是一个重要因素,如空中交通监测、天气雷达和类似的系统。
相控阵雷达的价值在于使用飞机,因为他们可以跟多个目标。第一个飞机使用相控阵雷达是B-1B枪骑兵。第一架战斗机使用相控阵雷达是Mikoyan MiG-31。MiG-31M的SBI-16Zaslon相控阵雷达被认为是世界上最强大的战斗机的雷达。[29日]
相控阵干涉测量法或孔径合成技术,使用一组单独的分阶段到一个有效孔径的菜肴,不典型雷达应用程序,虽然它们被广泛使用射电天文学。因为减少阵列诅咒等多种孔径阵列,用于发射机,导致窄光束为代价的减少总功率传输到目标。原则上,这些技术可以提高空间分辨率,但是较低的权力意味着这通常不是有效的。
孔径合成通过后处理运动从一个移动源数据,另一方面,广泛用于空间和机载雷达系统 .
频段
主要文章:无线电频谱# IEEE美国
传统的乐队名字起源于二战期间code-names和仍在军事和航空在世界各地使用。他们已经采取了在美国的电气和电子工程师学会并在国际上国际电信联盟。大多数国家有其他规定来控制每个乐队的哪些部分可用于民用或军用。
其他用户的无线电频谱,如广播和电子对抗行业,已经取代了传统的军事与他们自己的系统名称。
雷达调节器
调节器采取行动提供RF-pulse的波形。有两种不同的雷达调制器的设计:
· 非相干性的键控power-oscillators高压开关[30]这些调节器由一个高电压脉冲发生器由高电压供应脉冲形成网络和一个高压开关等闸流管。他们产生短脉冲功率饲料,如。,磁控管一种特殊类型的真空管,将直流(通常是脉冲)转换成微波。这种技术被称为脉冲功率。这样,射频辐射的发射脉冲通常是定义并保持很短的时间。
· 混合搅拌机,[31日]由一个波形发生器和一个复杂但励磁机连贯的波形。这个波形可以生成的低功率/低压输入信号。在这种情况下,雷达发射机必须是一个功率放大,例如,一个速调管管或固态发射机。通过这种方式,发射脉冲intrapulse-modulated和雷达接收机必须使用脉压缩技术。
雷达冷却剂
Coolanol(硅酸酯)是用于一些军事雷达在1970年代。然而,它是吸湿,从而形成高度易燃的酒精。1978年美国海军飞机的损失归因于硅酸酯火。Coolanol也贵,而且有毒。美国海军已经制定了一个计划命名污染防治(P2)来减少或消除废物的数量和毒性,空气排放,废水排放。正因为如此,今天Coolanol较少使用。
相干微波放大器微波输出1000瓦以上的操作,如行波管和klystrons,要求冷却液。电子束必须包含5到10倍的力量比微波输出,可以产生足够的热量来腐败与等离子体的真空。这个来自收集器向阴极。磁聚焦电子束部队电离气体原子到电子束位置相同。等离子体离子电子束的相反的方向流动。这就引入了调频调制,降低多普勒性能。液体冷却剂与最低要求的压力和流量控制收集器吹嘘,和去离子水通常使用最大功率表面雷达系统,利用多普勒处理。
用于检测飞机雷达的类型。它旋转稳步席卷领空窄束。雷达是一个对象检测系统。该系统利用无线电波确定范围、高度、方向或速度的对象。它可以用来检测飞机、船舶、宇宙飞船,导弹,机动车辆,天气的形成和地形。雷达碟或天线传输的无线电波或脉冲微波反弹任何对象的路径。对象返回一个小波的能量的一部分菜或天线通常位于同一地点发射机。
雷达被秘密开发的几个国家之前和期间第二次世界大战。雷达这个术语本身,而不是实际的发展,于1940年创造的美国海军作为一个首字母缩写无线电探测和测距。雷达已经进入了这个词英语和其他语言的普通名词雷达,失去所有的资本化。
现代雷达的使用高度多样化,包括空中交通管制,雷达天文学,防空系统,反导弹系统;船用雷达定位地标和其他船只、飞机防撞系统;海洋监测系统,外太空监视和会合系统;气象降水监测;测高法和飞行控制系统;导弹目标定位系统;和探地雷达地质观测。
高科技雷达系统与相关联数字信号处理并从非常高的提取有用信息的能力噪音的水平。
其他系统类似于雷达使用的其他部分电磁波谱。一个例子是“激光雷达”,它使用可见光激光而不是无线电波。
早在1886年,德国物理学家海因里希。赫兹显示,无线电波可以反映从固体物体。在1895年,亚历山大波波夫的物理教师俄罗斯帝国海军学校喀琅施塔得,开发了一个设备使用粉末检波器管探测遥远的闪电。第二年,他补充说火花隙发射机。1897年,当测试这两艘船之间的通信设备波罗的海,他的注意干扰击败通过第三个容器造成的。在他的报告中,波波夫写道,这种现象可能是用于检测对象,但他没有更多的观察。
德国发明家基督教Hulsmeyer是第一个使用无线电波来检测“遥远的金属物体的存在”。1904年,他证明了检测船在浓雾的可行性,但不是其距离发射机。他获得了一项专利检测设备在1904年4月,后一项专利[6]为评估相关修正案对船舶的距离。他还有一个英国专利9月23日,1904年一个完整的系统,称为telemobiloscope。
1922年a·霍伊特泰勒和狮子座c .年轻,研究人员使用美国海军,发射机和接收机的两侧波多马克河,发现一艘船通过光束路径导致接收信号时有时无。泰勒提交一份报告,表明这可能是用来探测船舶在能见度低的存在,但美国海军并没有立即继续工作。八年以后,劳伦斯·a·海兰德在海军研究实验室观察到类似的淡入淡出效果从路过的飞机,这导致了专利申请[8]以及建议认真工作海军研究实验室(泰勒和年轻然后在这个实验室)的线电回波信号移动目标。
之前第二次世界大战,研究人员在法国,德国,意大利,日本,荷兰,苏联,联合王国,美国独立在极其保密的情况下,开发技术,导致了现代版的雷达。澳大利亚,加拿大,新西兰,南非跟着战前英国,匈牙利在战争中有相似的发展。
1934年在法国,磁控管系统研究后,研究的分支公司银行de Telegraphie Sans费尔(CSF),由莫里斯桥,亨利·Gutton Berline,和m . Hugon开始开发一个obstacle-locating无线电设备,这是安装在的一部分诺曼底1935年班轮。
在此同时,苏联军事工程师p . k . Oshchepkov与合作列宁格勒电物理研究所,产生一个实验装置,快速,能够检测飞机的3公里内接收器。法国和苏联系统,然而,连续波操作,不能给充分表现,最终在现代雷达的中心。
完整的雷达脉冲系统发展而来,第一个这样的基本装置由美国在1934年12月罗伯特·m·页面工作,海军研究实验室.[14]第二年,美国陆军成功测试了一种原始的地对地的雷达目标沿海电池搜索灯在晚上。这是紧随其后的是一个脉冲系统展示了1935年5月鲁道夫Kuhnhold和公司能1935年6月在德国,然后一个一个空军部领导的团队罗伯特·沃森瓦特在英国。雷达的发展大大扩展了1936年9月1日当Watson-Watt成为新的建立在英国空军部的负责人,Bawdsey研究站位于Bawdsey庄园,费力克斯托港附近,萨福克郡。那里工作导致飞机的设计和安装检测和跟踪站称为链家东部和南部沿海的英格兰在1939年第二次世界大战的爆发。该系统提供了重要的进步信息,帮助英国皇家空军赢得不列颠之战.
英国是第一个充分利用雷达作为一个防御飞机攻击。这是由于担心德国人发展死亡射线.空军部要求在1934年英国科学家研究电磁能量传播的可能性和可能的效果。后研究,他们得出的结论是,死亡射线是不切实际的,但检测飞机似乎可行。[16]罗伯特·沃森瓦特的团展示了他的上司的能力一个工作原型,然后专利设备。[17][18][19]它的基础链家雷达捍卫英国的网络检测到接近德国飞机不列颠之战在1940年。
1940年4月,科普雷达显示的一个例子使用单位Watson-Watt专利在防空的一篇文章,但是不知道,美国陆军和美国海军在雷达使用相同的原则,规定根据插图,“这不是美国陆军装备。”[20]也,1941年末大众机械的一篇文章中,美国科学家推测英国早期预警系统在英国东海岸和接近是什么和它如何工作。[21]阿尔弗雷德·李。鲁姆斯组织辐射实验室剑桥,麻萨诸塞州1941 - 45年的技术开发。之后的1943年,极大地提高了雷达的页单脉冲技术这是多年来在大多数雷达应用程序使用。[22]
战争引发的研究来找到更好的分辨率,更可移植性、雷达和更多的功能,包括导航系统互补双簧管使用的英国皇家空军的探索者.
应用程序
商业海洋雷达天线。旋转天线辐射垂直扇形束。
•外围必须发送一个“请求接收”,此位置)从雷达扫描对象的。因此使用在许多不同的领域需要这样的定位是至关重要的。第一次使用雷达是用于军事目的:定位空中、地面和海上目标。这在民用领域发展到申请飞机,船只和道路。商业海洋雷达天线。旋转天线辐射垂直扇形束。
在航空飞机配有雷达设备,警告说,飞机或其他障碍或接近他们的路径,显示天气信息,给准确的高度读数。第一个商用设备安装单位在某些飞机是1938年贝尔实验室联合航空公司飞机。这样的飞机可以在雾配备radar-assisted机场降落ground-controlled方法系统飞机的飞行雷达屏幕上观察到当运营商无线方向飞行员着陆。
船用雷达用于测量船只的方位和距离与其他船只,防止碰撞,导航,和修复他们的立场在海上等海岸或其他固定引用范围内群岛,浮标,lightships。在港口或港口,船舶交通服务雷达系统用于监控和调节在繁忙水域船舶运动。
气象学家使用雷达监视降水和风能。它已成为短期的主要工具天气预报和看恶劣天气如雷暴,龙卷风,冬季的风暴、降水类型等。地质学家使用专门的地面穿透雷达地图的构成地壳.
警察部队使用雷达枪监控车辆速度在道路上。
有一个雷达系统发射机这台相机无线电波称为雷达信号在预定的方向。当这些物体接触到他们通常反映了或分散在很多方向。雷达信号反映材料的特别好导电性大多数金属,特别是海水和潮湿的土地。其中的一些使用雷达高度计可能的。反射的雷达信号对发射机是可取的,使雷达的工作。如果对象是移动朝向或远离发射机,有轻微的变化频率的无线电波,造成的多普勒效应.
雷达接收机通常,但不总是在相同的位置传感器。虽然反射雷达信号被接收天线通常是非常弱的,就可以了电子放大器。更复杂的方法信号处理也为了恢复有用的雷达信号。弱吸收无线电波的媒介,它通过了是什么使雷达探到物体在相对较长的ranges-ranges其他电磁波波长,等可见光,红外线,紫外线,太强烈。雾等天气现象,云,雨,雪,雨夹雪,阻止可见光无线电波通常是透明的。特定的无线电频率所吸收或散射的水蒸气,雨滴,或大气气体(特别是氧气)避免在设计雷达,除非他们的检测目的。
雷达依靠自己的传输而不是光太阳或月亮,或从电磁波对象本身发出的,如红外波长(热)。指导人工无线电波对对象的过程称为照明,尽管无线电波是人眼不可见或光学相机。
在1960年这个亮度可以表明反射率气象雷达图像(飓风艾比)。雷达的频率、脉冲形式,极化,天线信号处理,确定它可以观察。
如果电磁波穿越一个材料满足另一个,有一个非常不同的介电常数或抗磁性常数从一开始,海浪将从材料之间的边界反射或散射。这意味着一个坚实的对象空气或在一个真空,或者显著改变原子密度之间的对象和它周围,通常会从它的表面散射雷达(广播)的巨浪。这是尤其如此导电金属和碳纤维等材料,使雷达适合飞机和舰船的检测。雷达吸收材料,包含电阻,有时磁物质,用于军用车辆减少雷达反射。这收音机的绘画是一个黑暗的颜色,这样它就不能晚上看到的眼睛。
波雷达散射以各种方式根据大小(波长)的无线电波和目标的形状。如果波长较短的多目标的大小、波反弹将在某种程度上类似于光反射的方式镜子。如果波长更长的时间比目标的大小,目标可能并不明显,因为可怜的反射。低频雷达技术依赖于共振检测,但不是识别、目标。这是所描述的瑞利散射产生影响,造成地球的蓝色天空和红色日落。两个长度尺度相当时,可能会有共振。早期的雷达使用很长的波长大于目标,从而得到一个模糊的信号,而一些现代系统使用较短的波长(几厘米或更少),图像对象和一块面包一样小。
短的无线电波反射曲线和角落的方式类似于从一块圆形的玻璃闪闪发光。最反射目标短的波长有90°之间的角度反射面。一个角反射器包括三个平面会议像一盒里面的角落。结构将反映波进入开放直接回源。他们常用的雷达反射镜使。net framework里否则对象更容易检测到。角反射器在船上,例如,让他们更多的检测,以避免碰撞或救援。出于类似的原因,为了避免检测的对象将无法在角落或表面和边缘垂直于可能检测方向,从而导致“奇怪的”隐形飞机。这些预防措施不能完全消除反射的衍射,特别是在长波长。半波长长电线或条导电材料,如糠非常反射,但不直接分散能源回源。在何种程度上一个对象反射或散射无线电波被称为雷达截面.
雷达方程
多普勒效
多普勒雷达和Pulse-Doppler雷达
频移是由运动引起的变化之间的波长反射器和雷达。能降低或提高雷达性能取决于,如何影响检测过程。作为一个例子,移动目标指示可以取消生产与多普勒信号在一定的径向速度,从而降低性能。
海基雷达系统,半主动雷达寻的,气象雷达、军用飞机和雷达天文学依赖于多普勒效应来提高性能。这个检测过程中产生目标速度信息。这也使得小物体附近被发现包含更大的环境中缓慢移动的物体。
多普勒频移取决于是否主动或被动雷达的配置。主动雷达传输一个信号反射到接收器。无源雷达取决于对象发送一个信号到接收机。
主动雷达的多普勒频移,如下多普勒频率,传输频率,径向速度,光的速度:
适用于被动雷达电子对抗和射电天文学如下:
只有径向速度相关的组件。当反射器在向右移动雷达波束角,它没有相对速度。车辆和天气雷达波束产生平行移动最大的多普勒频移。
多普勒测量是可靠的只有在采样率超过了奈奎斯特频率径向运动产生的频移。作为一个例子,用脉冲多普勒气象雷达的速度2 khz和传输1 ghz的频率可以可靠地测量天气150米/秒(330英里/小时),但不能可靠地确定径向速度的飞机移动1000米/秒(3300英里/小时)。
限制因素
光路和范围
回波高度地面
雷达波束在真空遵循线性路径,但它确实是有点弯曲的路径在大气中,因为变化的折射率的空气,被称为雷达的地平线。即使发出的光束平行于地面,它将超越它地球曲率水槽地平线以下。此外,信号衰减介质的十字架,和光束分散。
传统雷达的最大射程可以受到许多因素:
· 的视线,这取决于地面高度。这意味着与直接的视线光束被阻塞的道路。
· 最大non-ambiguous范围,这是确定的脉冲重复频率。最大non-ambiguous范围是脉冲可以旅行,返回之前的距离下一个脉冲发射。
· 雷达灵敏度和权力的返回信号作为雷达方程计算。这包括环境条件等因素和的大小(或雷达截面)的目标。
噪音
信号噪声是一个内部信号随机变化的来源,这是所有电子元件所产生的。
快速反映信号下降随着距离增加,所以噪声引入了雷达范围限制。的噪声地板和信号噪声比是两个不同的测量的性能影响范围内的性能。反射太远产生信号超过噪声地板太少,不能检测到。检测需要超过一个信号噪声地板通过至少信号噪声比.
噪声通常表现为随机变化叠加在所需的回波信号在雷达接收机收到。期望信号的功率越低,越难分辨的噪音。噪声图是接收器产生的噪声的测量与理接收机相比,这需要最小化。
散粒噪声是在运输途中产生的电子在不连续,这发生在所有探测器。散粒噪声的主要来源是大多数接收器。还会有闪烁噪声造成电子运输通过放大设备,减少使用外差放大。外差处理的另一个原因是,对于固定部分带宽、频率的瞬时带宽线性增加。这允许提高距离分辨率。一个值得注意的例外是外差式(downconversion)雷达系统超宽频雷达。这里一个周期,或瞬态波,是使用类似超宽频通讯,明白了超宽频频道列表.
所产生的噪声也是外部来源,最重要的是周围的自然热辐射背景感兴趣的目标。在现代雷达系统中,内部噪声通常是约等于或低于外部噪音。向上一个例外是,如果雷达的目的是在晴朗的天空,在现场很“冷”,它产生非常小热噪声。热噪声是由kB T B,B T是温度,是带宽(post匹配滤波器)和kB玻耳兹曼常数的。有一个吸引人的直观解释这种关系的雷达。收到一个目标匹配滤波允许整个能源被压缩到一个本(范围、多普勒、高程或方位本)。表面上看来,然后固定间隔的时间内可以获得完美的,无错,检测。这样做一个简单地压缩所有精力投入到无穷小时间片。什么限制了这种方法在现实世界中,虽然时间是任意可分割的,现在不是。电能的量子是一个电子,所以最好能做的就是匹配过滤所有精力投入到一个电子。由于电子转移在一定的温度下(板频谱)这个噪声源不能进一步侵蚀。我们看到,雷达,像所有的大规模的实体,由量子理论深刻地影响。
噪声是随机和目标信号。信号处理可以利用这种现象来减少噪声地板使用两种策略。这种信号集成使用移动目标指示可以改善噪音对于每一个阶段。信号也可以被分配给多个过滤器Pulse-Doppler信号处理,减少了噪声地板的过滤器。这些改进取决于相干性.
干扰
雷达系统必须克服为了不必要的信号只关注感兴趣的实际目标。这些不需要的信号可能来自内部和外部来源,被动和主动。雷达系统的能力定义其克服这些不需要的信号信噪比(信噪比)。信噪比的定义是信号功率之比期望信号中的噪声功率;比较水平所需的目标信号的背景噪音水平(大气噪声和接收机内部噪声产生的)。系统的信噪比越高,就越好隔离实际目标周围噪音信号。
混乱
混乱是指无线电频率(RF)回声返回目标雷达操作员是无趣的。这些目标包括自然对象,如地面、海洋、降水(如雨、雪或冰雹),沙尘暴、动物(特别是鸟类),大气动荡、和其他大气效应等电离层反射,流星小径,三体散射峰值。混乱也可能从人造物体,如建筑和回来,故意,雷达等对策糠.
一些杂物也可能引起的雷达波导雷达收发器和天线。在一个典型的平面位置显示器(PPI)与一个旋转雷达天线,这通常会被视为一个“太阳”或“阳光”的中心作为接收方响应显示回声的尘埃粒子和误导的射频波导。调整当发射机发送一个脉冲之间的时间,当启用了接收机阶段通常会减少阳光而不影响范围的准确性,因为大多数辐射式扩散传输脉冲引起的反映之前离开了天线。混乱是一个被动的干扰来源,因为它只出现在雷达信号的雷达。
检测到混乱和中和在几个方面。杂波雷达扫描之间往往会出现静态;对于后续的扫描回声,理想的目标就会出现移动,和所有固定可以消除回声。海杂波可以减少使用水平极化,而降雨减少圆偏振(注意,气象雷达的愿望相反的效果,因此使用线性极化探测降水)。其他方法试图增加signal-to-clutter比率。
杂乱随风移动或静止。两种常见的策略来改善测量或性能在杂波环境中有:
· 移动目标指示于一体的连续和脉冲
· 多普勒处理,使用过滤器分离杂物从理想的信号。
最有效的杂波技术是减少Pulse-Doppler雷达。从飞机和航天器使用多普勒分离杂物频谱,所以单个信号可以分开多个反射镜位于同一卷使用速度差异。这需要一个连贯的发射机。另一种技术使用地面移动目标指示减去从连续两个接收信号脉冲使用阶段减少信号缓慢移动的物体。这可以用于系统缺乏一个连贯的发射机,等时域脉冲幅度雷达.
恒虚警率的一种形式,自动增益控制(AGC)的方法依赖于杂乱的回报远远超过回声从感兴趣的目标。接收机的增益自动调整,以维持恒定的总体水平可见的杂物。虽然这不能帮助检测目标掩饰了强周围的杂物,它有助于区分强目标的来源。在过去,雷达AGC是电子控制和影响整个雷达接收机的增益。随着雷达的发展,AGC成为computer-software控制和影响更大粒度的获得特定检测细胞。
雷达多路径回声从一个目标使鬼魂出现。
混乱也可能源自多路径从有效目标引起的地面反射回声,大气管道或电离层反射/折射(例如,异常传播)。这种混乱是特别麻烦的,因为它似乎移动,像其他正常(点)感兴趣的目标。在一个典型的场景中,一架飞机从地面回波反射,接收方出现如下一个相同的目标正确的。雷达可能试图统一目标,报告目标在一个不正确的高度,或消除它的基础上抖动或物理上是不可能的。地形反弹干扰利用这种反应放大雷达信号和指导下行。问题是可以克服的,通过融合一个地面雷达地图的环境,消除回声这似乎来自地下或以上一定高度。单脉冲可以提高通过改变海拔算法在低海拔。在更新的空中交通管制雷达设备,算法用于识别假目标通过比较当前脉冲返回那些相邻,以及计算返回这不太可能。
干扰
雷达干扰指无线电频率信号来自来源以外的雷达,雷达发射的频率,从而掩盖了感兴趣的目标。干扰可能是有意的,如同电子战策略,或无意与友军操作设备,传输使用相同的频率范围。干扰被认为是一个活跃的干扰来源,因为它是由元素之外的雷达和一般与雷达信号无关。
雷达干扰是有问题的,因为干扰信号只需要旅行的一种方法(从雷达接收机的干扰机),而雷达回波旅游两种方式(radar-target-radar),因此显著降低掌权的时候他们回到雷达接收机。干扰器因此可能比他们更强大的陆基雷达,还有效地掩盖沿着目标视线从干扰雷达(mainlobe干扰)。干扰器有一个额外的效果影响雷达以及其他行通过雷达接收机的景象旁瓣(旁瓣干扰)。
Mainlobe干扰可以通过缩小Mainlobe通常只会减少立体角并不能完全消除直接面临干扰时使用相同的频率和极化雷达。旁瓣干扰可以克服通过减少接收雷达天线旁瓣的设计和使用全向天线检测和漠视non-mainlobe信号。其他的抗干扰技术是跳频和极化.
雷达信号处理
距离测量渡越时间
脉冲雷达:往返时间的雷达脉冲测量目标并返回。这次的距离成正比。
连续波(CW)雷达
获得的一种方法距离测量是基于飞行时间:传输短脉冲无线电信号(电磁辐射)和测量时间反射回来。距离往返时间的乘积的一半(因为信号前往目标然后回到接收器)和信号的速度。由于无线电波在旅行光的速度,精确的距离测量要求的高性能电子产品。在大多情况下,接收方不检测返回信号被传输。通过使用一个双工器,雷达开关之间的传输和接收预定的速度。类似的效应对最大射程。为了最大化,应该使用脉冲之间的长时间,称为脉冲重复时间,或其倒数,脉冲重复频率。
这两个效应往往是相互矛盾,而且不容易结合良好的短程和长程在一个单一的雷达。这是因为一个好所需的短脉冲最小射程广播总能量较少,使收益较小和目标难以检测。这可以使用更多的脉冲所抵消,但这将缩短最大射程。所以每个雷达使用特定类型的信号。远程雷达倾向于使用长脉冲的延迟,和短程雷达使用较小的脉冲之间的时间更少。随着电子产品的不断改进现在许多雷达可以改变他们的脉冲重复频率,从而改变其范围。最新的雷达火两脉冲在一个细胞,一个用于短程/ 6英里(10公里)和一个单独的信号时间范围(100公里/ 60英里)。
距离决议和接收到的信号与噪声的特点取决于脉冲的形状。脉冲往往调制使用技术,即实现更好的性能脉压缩.
距离也可以测量作为时间的函数。的雷达英里是需要对雷达脉冲的时间旅行海里,反映了一个目标,并返回到雷达天线。因为海里被定义为1852米,那么这个距离除以光速(299792458米/秒),然后结果乘以2收益率12.36微秒时间的结果。
频率调制
另一种形式的测距雷达是基于频率调制。频率比较两个信号之间更加准确,即使旧的电子产品,不是定时信号。通过测量返回的信号的频率与原来的比较,可以很容易地测量的区别。
这种技术可用于连续波雷达而且往往出现在飞机雷达高度计。在这些系统中“载体”雷达信号频率调制的一种可预测的方式,通常是不同的正弦波在音频频率或锯齿模式。然后从一个天线发送信号和接收另一个,通常位于飞机的底部,和信号可以连续使用一个简单的拍频调制器相比,产生音频音调从返回的信号和传输信号的一部分。
由于信号频率改变,时间回到了飞机传送的信号频率发生了变化。的频移量是用来测量距离。
的调制指数骑在接收信号成正比的雷达和反射器之间的时间延迟。频移的数量变得更大更大的时间延迟。的频移量的测量是直接与距离成正比。这个距离可以显示在一个乐器,也可能通过应答器可用。该信号处理类似于用于检测多普勒雷达速度。系统使用这种方法的例子高木,MISTRAM,UDOP.
另一个优势是雷达可以有效地在相对较低的频率。这是非常重要的在这种类型的早期发展高频信号生成困难或昂贵。
地面雷达使用低功率调频信号覆盖更大的频率范围。分析了多次反射数学模式变化与多个通过创建一个计算机合成图像。多普勒效应是缓慢移动的物体可以被使用以及在很大程度上消除表面的“噪音”的水域。
速度测量
速度是物体距离的变化对时间。因此,现有的系统测量距离,加上去年是内存容量看到目标,足以测量速度。一次内存由一个用户油脂铅笔标志着在雷达屏幕上,然后使用一个计算速度计算尺。现代雷达系统执行相同的操作更快、更准确地使用电脑。
如果发射机的输出是一致的(同步阶段),还有一个作用,可以用来制造几乎即时速度测量(不需要内存),被称为多普勒效应。大多数现代雷达系统使用这一原则多普勒雷达和Pulse-Doppler雷达系统(气象雷达、军用雷达等等……)。多普勒效应是唯一能够确定目标的相对速度沿着视线从雷达到目标。任何组件的目标速度垂直于视线不能确定使用普勒效应,但它可以被跟踪目标的确定方位随着时间的推移。
有可能没有任何脉冲多普勒雷达,称为连续波雷达(连续波雷达)发出一个非常纯粹的一个已知频率的信号。连续波雷达是理想的辐射成分的确定目标的速度。连续波雷达通常采用交通执法快速、准确地测量车辆速度范围并不重要。
当使用脉冲雷达、连续的变化之间的阶段之间的距离这一目标已经返回给脉冲,从而可以计算出它的速度。在雷达信号处理包括其他数学发展时频分析 (韦尔海森堡或小波),以及chirplet转换这使得使用频率的变化从移动目标的回报(“唧唧喳喳”)。
Pulse-Doppler信号处理
Pulse-Doppler信号处理。样本范围轴代表个人样本之间传输脉冲。范围区间轴代表每个连续的传输脉冲间隔期间样品。快速傅里叶变换过程将时域样本转化为频域光谱。这是有时被称为钉子的床。
Pulse-Doppler信号处理包括频率过滤检测过程。每个传输脉冲之间的空间分为范围细胞或范围。每个细胞都是使用的过程就像一个独立过滤频谱分析仪生产显示器显示不同的频率。每个不同的距离会产生同的光谱。这些光谱是用来执行检测过程。这是需要在敌对的环境中实现可接受的性能包括天气、地形、和电子对抗。
主要目的是测量的振幅和频率聚合来自多个距离的反射信号。这是使用气象雷达测量径向风速和降水率在不同体积的空气。这是与计算机系统产生一个实时电子天气图。飞机安全取决于连续获得准确的天气雷达信息,用于防止受伤和事故。气象雷达使用低脉冲重复频率。一致性需求并不一样严格的军事系统,因为单个信号通常不需要分离。不那么复杂的过滤是必需的,和范围歧义处理一般不需要与气象雷达和军用雷达相比旨在追踪飞行器。
备用的目的是“look-down /击落”能力需要提高空军作战生存能力。Pulse-Doppler也用于地面监视雷达需要保卫人员和车辆。[25][26]Pulse-Doppler信号处理增加了最大探测距离用更少的辐射接近飞机的飞行员,船上人员,步兵和炮兵。反射从地形、水和天气产生信号远大于飞机和导弹,它允许快速移动的车辆隐藏使用nap-of-the-earth飞行技术和隐身技术为了避免检测到攻击摧毁车太近。Pulse-Doppler信号处理包含更复杂的电子安全过滤,消除了这种弱点。这需要使用介质pulse-repetition频率与相位相干硬件有一个很大的动态范围。军事应用要求中脉冲重复频率直接可以防止范围被确定,消除歧义的范围处理要求确定所有反射信号的真实范围。径向运动通常是与多普勒频率产生一个锁信号,不能由雷达干扰信号。Pulse-Doppler信号处理也会产生声音信号,可用于识别的威胁。[25]
减少干扰的影响
信号处理用于雷达系统减少吗雷达干扰效果。信号处理技术包括移动目标指示,Pulse-Doppler信号处理、移动目标检测处理器、相关性二次监视雷达目标,空时自适应处理,track-before-detect.恒虚警率和数字地形模型处理也在杂波环境中使用。
情节和跟踪提取
主要文章:Track_algorithm
一种跟踪算法是雷达性能增强策略。跟踪算法提供多个移动物体的能力预测未来位置基于单个位置的历史被传感器系统报道。
历史信息积累和用于预测未来位置用于空中交通管制,威胁评估、作战系统学说,枪瞄准,导弹制导。位置数据积累的雷达传感器在几分钟。
有四种常见的跟踪算法。
· 最近邻
· 概率数据关联
· 多假设跟踪
· 交互式多模型(IMM)
雷达视频返回从飞机可以受到情节提取过程虚假和干扰信号被丢弃。一系列目标收益可以通过设备监控称为情节提取器。
非实时返回可以从显示的信息和删除一个情节显示。在某些雷达系统,或者在命令和控制系统的雷达连接雷达跟踪用于关联的序列块属于个人目标和评估目标的标题和速度。
雷达组件
雷达的组件:
· 一个发射机产生的无线电信号振荡器等速调管或者一个磁控管和控制的持续时间调制器.
· 一个波导链接器和天线。
· 一个双工器作为切换天线和信号的发射器或接收器用于天线时的情况。
· 一个接收机。知道的形状所需的接收信号(脉冲),一个最优接收机可以使用而设计的匹配滤波器.
· 人类可读的显示处理器产生的信号输出设备.
· 电子部分控制所有这些设备和执行雷达天线扫描命令由软件。
· 终端用户设备和显示的链接。
天线设计
从单个天线无线电信号广播将从四面八方延伸开去,和同样一个天线将接收信号同样从四面八方。这使得雷达的问题决定目标对象所在地。
早期的系统倾向于使用全向广播天线,定向接收机天线的指向不同的方向。例如,第一个系统部署,链家,使用连续两个天线正确的角度接待,每个不同的显示。最大回报将检测天线成直角的目标,和最小天线直接指着它(结束)。操作员可以确定目标的方向旋转天线,一个显示器显示最大,而其他显示最低。这种类型的解决方案的一个严重的限制是广播发送四面八方,所以方向的能量接受检查一小部分的传播。得到一个合理的权力在“目标”,还应该定向发送天线。
抛物面反射器
更现代的系统使用一个可操纵的抛物线“菜”来创建一个紧广播波束,通常使用相同的菜作为接收机。此类系统通常结合两个雷达频率在同一天线为了允许自动转向,或雷达锁定。
抛物面反射镜可以对称parabolas或变质parabolas:对称抛物面天线产生一个狭窄的“铅笔”梁在X和Y的维度,因而具有更高的增益。的NEXRADPulse-Doppler气象雷达使用对称天线来进行详细的体积扫描的气氛。被宠坏的抛物面天线产生一个窄束在一个维度和一个相对宽梁。这个特性很有用如果目标探测范围广泛的角度比目标更重要位置在三维空间中。大多数2 d监视雷达使用一个被宠坏的抛物面天线窄方位波束宽度和宽垂直波束宽度。这个梁配置允许雷达操作员检测飞机在特定方位,但在一个不确定的高度。相反,所谓的“nodder”高度发现雷达使用一道菜一个狭窄的垂直波束宽度和宽方位波束宽度检测飞机在特定高度但方位精度低。
监视雷达天线
类型的扫描
· 主要扫描:扫描技术,主天线天线移动产生一束扫描,例子包括循环扫描,扇形扫描等。
· 二次扫描:扫描技术在天线馈电移动产生一束扫描,例子包括圆锥扫描,单向扇形扫描,叶切换等。
· 帕默扫描:扫描技术,产生一个扫描电子束通过移动主天线及其饲料。帕默扫描是主要的组合扫描和二次扫描。
开槽波导
开槽波导天线
主要文章:开槽波导
同样适用于抛物面反射器、开槽波导移动机械扫描,尤其适合non-tracking表面扫描系统,在垂直模式可能会保持不变。由于其较低的成本和更少的风接触,船上,机场地面,现在港口监视雷达使用这种方法在偏好抛物面天线。
相控阵
相控阵:并不是所有的雷达天线必须旋转扫描天空。
主要文章:相控阵天线
转向的另一种方法是在使用相控阵雷达。
相控阵天线组成的等间距的类似天线元素,如天线或行开槽波导。每个天线元素或一组天线元素包含一个谨慎的相移,产生相位梯度整个数组。例如,数组元素产生一个5度相移为每个数组脸上会产生一束波长远离中心线垂直于5度指出数组的脸。信号沿梁将增强旅行。信号抵消的光束将被取消。钢筋的数量天线增益。取消的数量是旁瓣抑制。[28日]
相控阵雷达在使用初期以来的雷达在第二次世界大战,但电子设备的局限性导致低劣的性能。相控阵雷达最初用于导弹防御。他们是舰载的核心“宙斯盾”作战系统和爱国者导弹系统。大量的冗余与拥有大量的数组元素增加可靠性为代价的渐进性能退化发生元素失败作为单独的阶段。
相控阵天线可以构建符合特定的形状,像导弹,步兵支持车辆、船只和飞机。
随着电子产品的价格下降,相控阵雷达已变得更加普遍。几乎所有的现代军事雷达系统是基于相控阵,在小额外成本抵消系统的提高可靠性,没有移动部件。传统moving-antenna设计仍广泛应用于角色,成本是一个重要因素,如空中交通监测、天气雷达和类似的系统。
相控阵雷达的价值在于使用飞机,因为他们可以跟多个目标。第一个飞机使用相控阵雷达是B-1B枪骑兵。第一架战斗机使用相控阵雷达是Mikoyan MiG-31。MiG-31M的SBI-16Zaslon相控阵雷达被认为是世界上最强大的战斗机的雷达。[29日]
相控阵干涉测量法或孔径合成技术,使用一组单独的分阶段到一个有效孔径的菜肴,不典型雷达应用程序,虽然它们被广泛使用射电天文学。因为减少阵列诅咒等多种孔径阵列,用于发射机,导致窄光束为代价的减少总功率传输到目标。原则上,这些技术可以提高空间分辨率,但是较低的权力意味着这通常不是有效的。
孔径合成通过后处理运动从一个移动源数据,另一方面,广泛用于空间和机载雷达系统 .
频段
主要文章:无线电频谱# IEEE美国
传统的乐队名字起源于二战期间code-names和仍在军事和航空在世界各地使用。他们已经采取了在美国的电气和电子工程师学会并在国际上国际电信联盟。大多数国家有其他规定来控制每个乐队的哪些部分可用于民用或军用。
其他用户的无线电频谱,如广播和电子对抗行业,已经取代了传统的军事与他们自己的系统名称。
雷达调节器
调节器采取行动提供RF-pulse的波形。有两种不同的雷达调制器的设计:
· 非相干性的键控power-oscillators高压开关[30]这些调节器由一个高电压脉冲发生器由高电压供应脉冲形成网络和一个高压开关等闸流管。他们产生短脉冲功率饲料,如。,磁控管一种特殊类型的真空管,将直流(通常是脉冲)转换成微波。这种技术被称为脉冲功率。这样,射频辐射的发射脉冲通常是定义并保持很短的时间。
· 混合搅拌机,[31日]由一个波形发生器和一个复杂但励磁机连贯的波形。这个波形可以生成的低功率/低压输入信号。在这种情况下,雷达发射机必须是一个功率放大,例如,一个速调管管或固态发射机。通过这种方式,发射脉冲intrapulse-modulated和雷达接收机必须使用脉压缩技术。
雷达冷却剂
Coolanol(硅酸酯)是用于一些军事雷达在1970年代。然而,它是吸湿,从而形成高度易燃的酒精。1978年美国海军飞机的损失归因于硅酸酯火。Coolanol也贵,而且有毒。美国海军已经制定了一个计划命名污染防治(P2)来减少或消除废物的数量和毒性,空气排放,废水排放。正因为如此,今天Coolanol较少使用。
相干微波放大器微波输出1000瓦以上的操作,如行波管和klystrons,要求冷却液。电子束必须包含5到10倍的力量比微波输出,可以产生足够的热量来腐败与等离子体的真空。这个来自收集器向阴极。磁聚焦电子束部队电离气体原子到电子束位置相同。等离子体离子电子束的相反的方向流动。这就引入了调频调制,降低多普勒性能。液体冷却剂与最低要求的压力和流量控制收集器吹嘘,和去离子水通常使用最大功率表面雷达系统,利用多普勒处理。
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