什么是雷达?

什么是雷达?

[拼音]：leida

[外文]：radar

利用电磁波探测目标的电子设备。它发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至雷达的距离、距离变化率（径向速度）、方位、高度等信息。雷达是英文RADAR(Radio Detection And Ranging)的译音，意为“无线电检测和测距”。雷达的优点是白天黑夜均能检测到远距离的较小目标，不为雾、云和雨所阻挡。雷达是现代战争必不可少的电子装备。它不仅应用于军事，而且也应用于国民经济（如交通运输、气象预报和资源探测等）和科学研究（如航天、大气物理、电离层结构和天体研究等）以及其他一些领域。

发展简史

雷达的基本概念形成于20世纪初。但是直到第二次世界大战前后，雷达才得到迅速发展。早在20世纪初，欧洲和美国的一些科学家已知道电磁波被物体反射的现象。1922年，意大利G.马可尼发表了无线电波可能检测物体的论文。美国海军实验室发现用双基地连续波雷达能发觉在其间通过的船只。1925年，美国开始研制能测距的脉冲调制雷达，并首先用它来测量电离层的高度。30年代初，欧美一些国家开始研制探测飞机的脉冲调制雷达。1936年，美国研制出作用距离达40公里、分辨力为457米的探测飞机的脉冲雷达。1938年，英国已在邻近法国的本土海岸线上布设了一条观测敌方飞机的早期报警雷达链。

第二次世界大战期间，由于作战需要，雷达技术发展极为迅速。就使用的频段而言，战前的器件和技术只能达到几十兆赫。大战初期，德国首先研制成大功率三、四极电子管，把频率提高到500兆赫以上。这不仅提高了雷达搜索和引导飞机的精度，而且也提高了高射炮控制雷达的性能，使高炮有更高的命中率。1939年，英国发明工作在3000兆赫的功率磁控管，地面和飞机上装备了采用这种磁控管的微波雷达，使盟军在空中作战和空-海作战方面获得优势。大战后期，美国进一步把磁控管的频率提高到10吉赫，实现了机载雷达小型化并提高了测量精度。在高炮火控方面，美国研制的精密自动跟踪雷达SCR-584，使高炮命中率从战争初期的数千发炮d击落一架飞机，提高到数十发击中一架飞机。

40年代后期出现了动目标显示技术，这有利于在地杂波和云雨等杂波背景中发现目标。高性能的动目标显示雷达必须发射相干信号，于是研制了功率行波管、速调管、前向波管等器件。50年代出现了高速喷气式飞机，60年代又出现了低空突防飞机和中、远程导d以及军用卫星，促进了雷达性能的迅速提高。60～70年代，电子计算机、微处理器、微波集成电路和大规模数字集成电路等应用到雷达上，使雷达性能大大提高，同时减小了体积和重量，提高了可靠性。在雷达新体制、新技术方面，50年代已较广泛地采用了动目标显示、单脉冲测角和跟踪以及脉冲压缩技术等；60年代出现了相控阵雷达；70年代固态相控阵雷达和脉冲多普勒雷达问世。

在中国，雷达技术从50年代初才开始发展起来。中国研制的雷达已装备军队。中国已经研制成防空用的二坐标和三坐标警戒引导雷达、地－空导d制导雷达、远程导d初始段靶场测量雷达和再入段靶场测量与回收雷达。中国研制的大型雷达还用于观测中国和其他国家发射的人造卫星。在民用方面，远洋轮船的导航和防撞雷达、飞机场的航行管制雷达以及气象雷达等均已生产和应用。中国研制成的机载合成孔径雷达已能获得大面积清晰的测绘地图。中国研制的新一代雷达均已采用计算机或微处理器，并应用了中、大规模集成电路的数字式信息处理技术，频率已扩展至毫米波段。

工作原理

雷达天线把发射机提供的电磁波能量射向空间某一方向，处在此方向上的物体反射碰到的电磁波。这些反射波载有该物体的信息并被雷达天线接收，送至雷达接收设备进行处理，提取人们所需要的有用信息并滤除无用信息。

雷达可分为连续波雷达和脉冲雷达两大类。单一频率连续波雷达是一种最为简单的雷达形式，容易获得运动目标与雷达之间的距离变化率（即径向速度）。它的主要缺点是：

（1）无法直接测知目标距离，如欲测知目标距离，则必须调频，但用调频连续波测得的目标距离远不及脉冲雷达精确；

（2）在多目标的环境中容易混淆目标；

（3）大多数连续波雷达的接收天线和发射天线必须分开，并要求有一定的隔离度。

脉冲雷达

容易实现精确测距，而且接收回波是在发射脉冲休止期内，不存在接收天线与发射天线隔离的问题，因此绝大多数脉冲雷达的接收天线和发射天线是同一副天线。由于这些优点，脉冲雷达（图1）在各种雷达中居于主要地位。这种雷达发射的脉冲信号可以是单一载频的矩形脉冲，如普通脉冲雷达的情形;也可以是编码或调频形式的脉冲调制信号，这种信号可以增大信号带宽，并在接收机中经匹配滤波输出很窄的脉冲，从而提高雷达的测距精度和距离分辨力，这就是脉冲压缩雷达。此外，雷达发射的相邻脉冲之间的相位可以是不相干（随机）的，也可以是具有一定规律的相干信号。相干信号的频谱纯度高，能得到好的动目标显示性能。

目标定位

对地面和海面目标定位，就是测量它相对于雷达的距离和方位。对空中目标的定位则需要同时测量距离、方位和高度，这种雷达称为三坐标雷达。测量距离实际是测量发射脉冲与回波脉冲之间的时间差，因为电磁波以光速传播，据此就能换算成目标的精确距离。目标方位是利用天线的尖锐方位波束来测量。在同样窄的波束条件下，用单脉冲方法可得到比单一波束更高的测量精度（见跟踪雷达）。仰角靠窄的仰角波束测量。根据目标的仰角和距离就能通过计算得到目标高度，精确的仰角同样可用单脉冲方法获得。

多普勒频率

当雷达和目标之间有相对运动时，雷达接收到的目标回波频率与雷达发射频率不同，两者的差值称为多普勒频率。若目标作接近雷达的运动，则接收到的回波频率高于发射频率，多普勒频率是正值，相反为负值。从多普勒频率中可提取的主要信息之一是雷达与目标之间的距离变化率（也称径向速度），它们之间的关系fd=2dR/λdt，式中fd为多普勒频率，λ为发射波长，dR/dt为距离变化率。

当目标与干扰杂波同时存在于雷达的同一空间分辨单元内时，雷达利用它们之间多普勒频率的不同能从比目标回波强得多的干扰杂波中检测和跟踪目标。方法可分为非相干动目标显示和相干动目标显示。非相干动目标显示是依靠目标和干扰物两者多普勒频率不同而产生的差拍频率，这个差拍频率可以直接从显示器上看出。这种方式的优点是经济简单，缺点是性能不佳，因为必须有干扰物存在时才能通过差拍频率检测到目标，而当干扰杂波比目标回波强得多时，则会使差拍频率幅度变化极小而难以检测。因此，性能优良的雷达均采用相干动目标显示的方法。雷达要在强大干扰杂波中检测目标回波，必须有好的相干性，这就要用晶体振荡倍频放大式发射机。在信号处理上，较简单的是用杂波滤波器，通常称为动目标显示技术；更复杂的是在杂波滤波器之后再串接一列在频率上相邻接的窄带滤波器组，这样就能获得更好的效果。这种方式在低重复频率时通常称为动目标检测技术，地面动目标检测雷达有时还配有地杂波图以提高性能；在高脉冲重复频率时，通常称为脉冲多普勒技术。性能先进的机载下视雷达均采用脉冲多普勒技术。

主要组成

脉冲调制雷达的主要组成包括发射机、脉冲调制器、收发开关、天线、接收机、显示器和定时器等部分。

发射机

它可以是一个磁控管振荡器。这是微波雷达发射机早期的方式，简单的雷达仍在沿用。现代的高性能雷达要求有相干信号和高的频率稳定度。因此就需要用晶体振荡器作为稳定频率源，并通过倍频功率放大链得到所需的相干性、稳定度和功率。放大链的末级功率放大管最常用的是功率行波管或速调管。频率低于600兆赫时，可以使用微波三极管或微波四极管。

脉冲调制器

它产生供发射机开关用的调制脉冲。它必须具有发射高频脉冲所需要的脉冲宽度，并提供开关发射管所需的调制能量。使用真空管或晶体管作为放电开关，称为刚管调制；使用氢闸流管对人工线储能作放电开关，称为软管调制。此外，也可用电磁元件作脉冲开关调制。对调制脉冲的一般要求是起边和落边较陡，脉冲顶部平坦。

收发开关

它在发射脉冲时切断接收支路，尽量减少漏入接收支路的发射脉冲能量；当发射脉冲结束时断开发射支路，由天线接收的回波信号经收发开关全部进入接收支路。收发开关通常由特殊的充气管组成。发射时，充气管电离打火形成短路状态，发射脉冲通过后即恢复开路状态。为了不阻塞近距离目标回波，充气管从电离短路状态到电离消除开路状态的时间极短，通常为微秒量级，对于某些雷达体制为纳秒量级。

天线

雷达要有很高的目标定向精度，这就要求天线具有窄的波束。搜索目标时，天线波束对一定的空域进行扫描。扫描可以采用机械转动方法，也可以采用电子扫描方法。大多数天线只有一个波束，但有的天线同时有几个波束。分布在天线副瓣中的能量应尽量小，低副瓣天线是抗干扰所需要的。

接收机

一般采用超外差式。在接收机的前端有一个低噪声高频放大级。放大后的载频信号和本振信号混频成中频信号。模拟式信号处理（如脉冲压缩和动目标显示等）在中频放大级进行，然后检波并将目标信号输至显示器。采用数字信号处理时，为了降低处理运算的速率，应该把信号混频至零中频；为了保持相位信息，零中频信号分解成二个互相正交的信号，分别进入不同的两条支路，然后对这两条支路作数字式处理，再将处理结果合并。

显示器

把雷达获得的经过处理的有用信息显示给雷达观察员的设备（见雷达显示器）。通常是把这些信息显示在阴极射线管荧光屏上。较为简单的雷达是在模拟处理后将信息直接输送至显示器。最常见的显示器是搜索雷达用的平面位置显示器，它的优点是能把雷达四周的目标全部直观地显示出来。雷达处在显示器中心原点上，细小的辉亮弧条表示飞机目标。目标所处的方位判读与地图的读法相同，即正上方表示正北（相对于雷达）。辉亮目标和中心点之间的距离表示雷达至目标间的距离。对于先进的雷达，信息经数字处理后还输送给平面位置显示器，用以消除荧光屏上剩余的杂波和噪声。另外，还可将地图重叠到显示器上（图2）。如果是三坐标雷达，还可在目标旁用数码表示目标高度。新型表格显示器还能将目标的批号和其他有用的信息全部以数码形式表示出来（图3）。

定时器

雷达是一种复杂的系统，由许多具有不同功能的分机组成。这些分机必须按照一定的节拍，或同时或先后进行工作。定时器就是以触发脉冲的形式，为这些分机提供所需的精确节拍的设备。

应用

现代雷达的应用极为广泛，它不仅作为武器装备应用于军事，成为目标搜索、跟踪、测量和武器引导、控制以及敌我识别等不可缺少的设备，而且在民用和科学研究方面也有十分重要的作用，如机场和海港的管理、空中交通管制、天气预报、导航及天文研究等都需要使用雷达。

军事应用

（1）搜索和引导：对空搜索雷达的用途是尽早发现敌方飞机；对海搜索雷达用以发现敌方舰船。搜索雷达通常是二坐标的，即测定入侵武器的实时方位和距离。发现敌机后若要引导己方歼击机去迎击，还需要测定敌机高度，需要用三坐标雷达进行引导。三坐标引导雷达可兼作搜索之用。第三个坐标（仰角）可用多波束、频扫和相扫等方法获得。

（2）跟踪测量和火控：在发射导d和卫星时，为了知道其是否进入正确的轨道，在起飞段需要有精密的跟踪测量雷达，测定目标的方位、距离、高度、速度等信息。这种雷达通常采用单脉冲测角方式，并把自动化跟踪的数据输入计算机，获得目标的未来轨迹。高射炮或地空导d的火控雷达也用单脉冲测角，它不仅精度高，而且抗干扰能力强。

（3）敌我识别：敌我识别器用于探明目标是敌机还是我机（友机），这是一种利用二次雷达原理工作的设备。敌我识别器包括询问机和应答器，实际上是一种特殊的发射、接收设备。询问机通过天线向目标发射编码询问信号，我（友）机上装的应答器在收到询问信号后发回特殊的编码回答信号。回答信号经询问机接收并解码后在显示器上显示出我机的标志。

（4）战斗机下视、下射和测绘：机载雷达具有下视能力，以发现低空飞行的飞机、巡航导d或地面高速行驶的车辆，这时会有很强的地杂波从天线进入接收机中。另外，由于雷达载机的高速飞行，地杂波谱会发生很大扩散。这些都会增加机载雷达从地杂波中检测动目标的难度。机载下视雷达的另一重要用途是地形测绘，其原理是利用雷达载机高速运动对地面各点所产生的不同的多普勒频率变化，使方位分辨力比天线真实方位波束的分辨力提高数百倍甚至上千倍（见合成孔径雷达）。雷达测绘地图可接近光学照相所能达到的清晰度，并且不受气象条件和黑夜的限制。但是，飞机对机载雷达的体积重量限制极严，因而必须采用优越的结构设计、精密的加工和先进的设备。微波集成、线性电路集成和大规模数字电路集成是减轻重量、缩小体积和提高可靠性的重要技术途径。

民用和科研应用

（1）机场和海港管理：现代机场的飞机起落频繁，而且要求在黑夜或能见度差的云雾天气安全正点起落。因此，空中交通管制雷达就成为现代机场必备的设备，以实现全面的空中交通管制。现代机场配有较远距离的航线监视雷达、机场上空四周的空中监视雷达和观测跑道上飞机的高分辨力航空港监视雷达等。海港和河港的船舶进出也十分频繁，必须使用分辨力高的雷达和应答器提供监视、指挥、进港导航等服务，以避免碰撞、搁浅等灾难。

（2）气象预报：气象雷达能对恶劣天气提前发出警报，例如，可观测400～500公里以外的台风中心并测知其行进速度和方向。海船上和飞机上装有气象雷达，可测知前进航道上的暴风雨区，从而采取绕道行驶的航线。

（3）天文研究：天文雷达是研究较近天体的有力工具，它能精确测定天体离测定点的距离。现代雷达测月球距离的精度已达米的量级，这是其他方法无法达到的。它还能测知天体的形状和自转的方向与速度等。

（4）导航：舰船上一般均装有导航雷达，这种雷达应有较高分辨力，避免在航行中与邻近的船只或小岛碰撞。有些飞机上装有多普勒导航雷达，多以连续波工作，天线产生前后左右几个波束，借以测定航线的偏差。

发展趋势

相控阵雷达特别是固态相控阵雷达具有极高的可靠性，它的天线有可能与装载雷达的飞机或卫星等载体的形状完全贴合（称为共形天线），是受到人们重视的新型雷达。动目标检测和脉冲多普勒雷达具有在极强杂波中检测小的动目标的能力，已得到进一步发展。雷达波长将向更短的方向扩展，从3毫米直至激光波段。毫米波雷达和激光雷达的信号虽然在大气层内有严重衰减，但更适于装在卫星或宇宙飞船上工作，只用很小的天线就能得到极高的定位精度和分辨力。雷达设备模块化、小型化、高机动性和高可靠性是总的发展趋势。为了提高军用雷达的抗干扰性能和生存能力，除改进雷达本身设计外，把多种雷达组合成网，则可获得更多的自由度。天线和信息处理的自适应技术，导d真假d头和飞机机型、架数的识别技术，也是雷达技术的重要研究课题。

参考书目

蔡希尧：《雷达系统概论》，科学出版社，北京，1983。M.I.斯科尔尼克著，谢卓译：《雷达手册》，国防工业出版社，北京，1978。(M.I.Skolnik，Radar Handbook，McGraw-Hill，New York，1970.)D.K.Barton，Radar System Analysis，Prentice Hall，Englewood Cliffs，New Jersey， 1964.M. I. Skolnik， Introduction to Radar System，McGraw-Hill，New York，1980.E. Brookner， Radar Technology， Artech House，Dedham，1977.

参考文章

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