Question

雷达的一些基本介绍

Answer 1

  雷达，Radar，Radio Detection and Ranging的英文缩写，意为无线电探测与测距。雷达的基本任务是探测感兴趣的目标，测定有关目标的距离、方问、速度等状态参数。雷达主要由天线、发射机、接收机（包括信号处理机）和显示器等部分组成。

  警戒雷达、引导雷达、制导雷达、炮瞄雷达、机载火控雷达、测高雷达、盲目着陆雷达、地形回避雷达、地形跟踪雷达、成像雷达、气象雷达等。

  圆锥扫描雷达、单脉冲雷达、无源相控阵雷达、有源相控阵雷达、脉冲压缩雷达、频率捷变雷达、MTI雷达、MTD雷达、PD雷达、合成孔径雷达、噪声雷达、冲击雷达、双/多基地雷达、天/地波超视距雷达等。

  米波雷达、分米波雷达、厘米波雷达、毫米波雷达、激光/红外雷达等。

  两坐标雷达、三座标雷达、测速雷达、测高雷达、制导雷达等。

  谁都知道，蝙蝠白天躲在黑暗的地方，专在夜里飞出来寻找食物。然而，它为什么能够在黑夜里飞行，而不至于撞到障碍物，例如树林或房屋呢？几千年来人们都说这是因为它的眼睛怕光，却又能够在黑夜里看见东西的缘故。其实，这种揣测不很正确，我们来揭开蝙蝠的这个秘密，蝙蝠的嘴里，能够发出一种我们听不见的声音，这声音每秒钟振荡的次数，在25000到70000之间（人类的耳朵所能够感觉的声音，每秒钟振动数约为16～20000），已经超出人类耳朵所能感觉的范围，所以叫做超声波。蝙蝠的听觉器官很特殊，它能感觉到这种超声波。当它在黑暗中飞行的时候，嘴里常常发出超声波。这声波在某一个方向遇到了障碍物，就立刻从那里方向反射回来，其中有一部分反射到蝙蝠的耳朵里，它便知道在那个方向有障碍物，于是及时躲开。它凭着经验，还可以知道：回声急，障碍物近，回声慢，障碍物远。换句话说，它根据回声的快慢，来判断障碍物的位置的远近，根据回声传来的方向来判断障碍物所在的方向。

  超声波属于机械波，其固有的反射特性，可以利用来测量距离，类似的，同为机械波的声波、水波，乃至电磁波（包括无线电波、红外线、可见光、紫外线、伦琴射线、伽玛射线）在特定情况下都具有反射特性，而雷达应用的正是电磁波。

  电磁波的速度比声波的速度要大好多倍，它的速度为30万公里/秒。想知道这速度究竟有多大，举个例子，电磁波在一秒钟之内能绕地球七圈半。另外一个有趣的例子是，若你在演播厅听演唱，当你听到歌手的声音之前，声音已经通过广播电台传到一个相当远的距离以外去了。一个离你一千公里远的听众甚至可以通过收音机比你先听到美妙的歌声。

  所谓定向发射即在一特定瞬间，用狭细的射束来发射脉冲电磁能。它有一个重要的优点，那就是能够节省能量，雷达站用小的功率就能“看”得远，而且效果好，例如一个人夜里在大房间看书的时候，他并不需要用灯照亮整个大房间，只需一盏台灯，将光照在书上，甚至支数很小的灯泡就足够，不至于伤害眼睛了。的确，这时整个房间的其余部分都是黑暗的，但是这并不妨碍看书，相反会使我们对书看得更清楚。
　　
  雷达工作也正是如此。由于它把能量集中在不大的空间里，所以是“照射”目标物最好的方法。
　　
  雷达的射束应该窄到何种程度呢？射束愈狭细，集中在其中的能量就愈大，被发现目标的方向也就指得越正确。假设在雷达的作用所照射的区域内出现了敌人的飞机，请问用“针”状的狭窄射束把雷达站所在地周围的空间扫一遍，需要多少时间呢？同时是否能不让敌人漏网？所花费的时间，想来是很多。在这段时间中，任何飞机都能逃出雷达的搜索区域。这就是说，“针”状射束是不适合的。射束的缩窄有着合理的极限，这种极限就在于能同等程度地满足对雷达所提出的各种要求。对负有不同使命的雷达站来说，解决这个问题的方法也绝然不同。防空哨雷达站的射束应该较宽，瞄准大炮用的雷达站相反的要窄。在许多情况下，为了适应雷达站特殊工作任务的需要，射束往往有着特殊的形状。
　　
  由此看来，雷达的基本原理就是电磁波的定向发射，它在导体上的反射，以及首先正确地知道了电波的传播速度。显然，要深刻地了解和掌握雷达技术，就是必不可少的基础。
　　
  通常，无线电广播用的是中波或短波。雷达，一般工作在超短波或微波。工作在超短波波段的雷达称为超短波雷达或米波雷达；工作在微波波段的雷达通称为微波雷达。微波雷达有时还细分为分米波雷达、厘米波雷达、毫米波雷达等。
　　
  那么，雷达为什么不能像广播电台那样，工作在中波或者短波呢？这是由雷达工作原理决定的。千里眼是借电磁波在目标上得到的反射才能“看”到目标的。波的反射有一个规律：目标越大，反射越强。因此，雷达所用电磁波的波长越短，在飞机或导弹等其它目标的反射会越强。所以，雷达必须工作在超短波或微波波段才能有效地发挥作用，探测到目标。同时，雷达天线是雷达的一个重要组成部分，假如，雷达工作在中波波段，要实现定向发射，就得把几十个甚至几百个能激起电磁波的金属棒排起来构成阵列天线，那将一付非常庞大的天线，这在实用中既不经济，也难以做到。所以雷达工作的波长不能太长。

  雷达想要探测目标，就要有电磁波。雷达中能在空间激起电磁波的工具就是振子，其实就是一根金属棒。
　　
  电子在金属棒中来回反弹的过程叫做电振荡，如果反弹的过程中没有任何阻力的话，这种反弹会一直持续下去。电子流从金属棒的左端振荡到右端，再由右端返回到左端，叫做振荡一周，每秒振荡的周数，叫做振荡的频率。
　　
  电子流在金属棒上流动的速度是极快的，它接近于光速，是不变的。因此，金属越长，电子流来回振荡一周所需要的时间也就越长，振荡频率也就越低了。在振荡一周的时间内，电子流走过的距离就是波长。显然，电子流在这段时间内，走过的距离恰好是金属棒长度的两倍。换句话说，金属棒的长度恰好为波长的一半。所以，这种金属棒常称为半波振子。
　　
  半波振子上电子流的很高频率的电振荡，会在空间激发出频率相同的电磁波，它以光速飞快地离开振子向四面八方飞逝而去；半波振子是雷达向空间发射电磁波的器件，它相当于在水中搅动着的木块或手电筒的灯泡，起着在水中激起水波或向空间射出光波那样的作用。因为半波振子能向空间发射电磁波，所以有时把它称为辐射器。

  半波振子中电子流的来回振荡会遇到阻力，要是不给它供给能量，使其克服各种阻力，这种振荡很快就会停止下来。所以，雷达中要有一部机器，它能驱使半波振子上电子流的振荡按照我们的需要，强有力地进行，这种机器叫雷达发射机。它是半波振子的能源，相当于手电里的电池。
　　
  雷达发射机供给半波振子以高频率电振荡的能量，半波振子在空间激起电磁波。一旦关断雷达发射机，半波振子也就停止向空间发射电磁波了。所以控制发射机通断，就可以控制向空间发射电磁波。

  有了发射机和半波振子，就可以向空间发射无线电波了。但这样发射出去的无线电波是不能用来搜索和探测目标的。因为它向空间所有的方向都发射出无线电波。这些电波从四面八方碰到了目标，一起反射回来，那就根本没有办法知道哪个目标在哪个方向。
　　
  如何使雷达只朝一个方向发射无线电波呢？我们知道要是把手电筒灯泡周围的罩子和反射碗都拿掉，光秃秃的小灯泡发出来的光使没有方向性的。加上了反射碗和罩子，光就只朝一个方向射出去了，反射碗起到了集聚光波的作用。
　　
  雷达使无线电波定向发射的方法，与手电筒聚光的方法是一样的。那就是，不让半波振子直接向空间发射无线电波，而是让它把无线电波先发射到一个象大锅一样的反射器上，从反射器反射出来的无线电波就只朝一个方向发射了。这种象大锅一样的反射器，叫做抛物面反射器。
　　
  反射器的大小，与无线电波的波长很有关系。波长短，反射器就可以做得小一点；波长长，反射器就要做得大些。否则对电波得集聚作用不好。当然，在相同波长下，反射器越大，对电波的集聚作用就越好。
　　
  把半波振子（辐射器）和大锅样的反射器合在一起，看作一个整体，叫做雷达天线。这种样子的雷达天线又特地叫做抛物面天线。
　　
  对于波长为10cm的微波雷达，它的半波振子长是5cm，它的抛物面反射器的直径，要达到9m左右才能使发射出去的无线电波有足够的方向性。对于波长为3m的米波雷达，它的半波振子就有1.5m长。假如按比例来算的话，至少要有直径为270m的大锅，才能使发射出去的无线电波有足够的方向性。这显然是不实用的。因此，对米波雷达来说，必须另找途径来实现对无线电波的定向发射。
　　
  人们经过实践发现，把几十个甚至几百个半波振子按照一定的规律排起队来，也可以实现定向发射。而且半波振子数目越多，定向性就越好。
　　
  在相同定向发射性能的条件下，雷达工作波长愈短，雷达天线的尺寸也就可以做的小一些。但是不能走到另一个极端，说雷达的工作波长愈短愈好。波长如果长了有长的难处；太短了也有短的弊端。波长太短的无线电波在大气中传播时，会受到很大的损耗。因此，它传不远。所以雷达工作的波长既不能太长也不能太短，它通常工作在超短波或微波波段。

  从目标发射回来的无线电波，在雷达天线还没有来得及从一个方位转到另一个方位以前，就已经返回到它上面来了。为了要从这些反射回来的无线电波身上了解到目标的情报（它的方位、高度、距离等），就必须要有一个象蝙蝠的耳朵那样的东西。在雷达上，这一部分叫做雷达接收机，它是一只特别灵敏的“耳朵”。为使雷达的探测距离尽量远，雷达发射机的功率是很大的。但是从远距离目标上反射回来的无线电波的功率，却是极其微小的。1000Kw的无线电波发射出去，到了500km以外，碰到一架歼击机，从它身上反射回来的无线电波的功率只是发射出去的极小的一部分。反射回来的无线电波返回到雷达天线，并进入雷达接收机时，那就更小了。它的功率还不到1微微瓦。
　　
  远距离目标反射回来的无线电波信号这么微弱，一般都要把它放大几百万倍以上，才能在雷达显示器上观察到。这个放大几百万倍的任务就要由雷达接收机来完成。
　　
  雷达接收机与普通的超外差式无线电收音机在原理上是完全一样的。不同的只是它不是接收中波或短波的无线电广播信号，而是接收从目标反射回来的超短波或微波的雷达信号。
　　
  由于雷达的工作频率太高，要把这么高频率的信号直接放大几百万倍，是很不容易做到的。因此，在信号进入接收机后，首先要把它的频率变化一下，也就是把它从较高的超短波或微波波段降低到一个较低的中频频率上，这就叫变频。把这个频率降低了的信号，再经过许多级由晶体管或电子管构成的放大器一次又一次的放大，这样就能够比较容易地达到放大几百万倍地目的了。这种经变频后再放大地接收机就叫做超外差式接收机。

  用于自动实时显示雷达信息的终端设备，是人－机联系的一个接口。雷达显示器通常以操纵员易于理解和便于操纵的雷达图像的形式表示雷达回波所包含的信息。传统的雷达图像是接收机直接输出的原始雷达视频或者经过信号处理的雷达视频图像。这称为一次显示。经计算机处理的雷达数据或综合视频显示的雷达图像，称为二次显示。一个显示器可以同时具备这两种显示方式。雷达图像可插入各种标志信号，如距离标志、角度标志和选通波门等，甚至可插入或投影叠加地图背景，作为辅助观测手段。为了录取目标信号或选择数据，雷达图像上可插入数字式数据、标记或符号。雷达显示器还能综合显示其他雷达站或信息源来的情报并加注其他状态和指挥命令等，作为指挥控制显示。与计算机相联系的显示控制台常采用键盘、光笔和跟踪球，甚至话音输入装置等，作为人-机对话的输入装置。