雷达技术的发展及在交通领域中的应用

1.雷达的基本概念2.雷达的基本用途与种类3.雷达在交通领域中的应用4.雷达技术的发展雷达技术的发展及在交通领域中的应用1.雷达的基本概念■RADAR—radiodetectionandranging（无线电探测和测距）的缩写。雷达的基本作用是对目标的探测、定位和跟踪。雷达是一种传感器，与光、声相比，作用距离远，精度高，方便灵敏。■雷达：利用电磁波的二次辐射、转发或固有辐射来探测目标，获取目标空间坐标、速度、特征等信息的一种无线电技术学科（无线电设备）。■电磁波的应用：雷达，通信，导航（定位）■雷达目标（target）：山川、森林、地形、建筑物、工事、车辆、兵器、炮弹、人员…舰船、航标、岛屿、岸边…飞机、导弹、云雨、冰雹、人造卫星、宇宙天体…采用“目标的雷达截面积”来表示目标散射性能，用符号T来表示。■目标的雷达截面积（RCS）复杂目标的反射性能总带有闪烁特性，反射功率总在起伏变化中。目标有效散射面积的数值是由大量测量取其统计平均值所决定的。某些目标的雷达截面积（m2）雷达目标雷达截面积雷达目标雷达截面积小型船舶150中型船舶7500大型船舶15000巡洋舰14000拖网渔船750快艇100人0.8战斗机3～5中型轰炸机7～10远程轰炸机15～20小型潜艇（出水面）140潜艇驾驶室（出水面）1目标总是处于杂波背景中。■目标观测性能探测范围，最小作用距离，最大作用距离，分辨力，精度，可靠性…■影响目标观测性能的主要因素：信号的功率、频率，信号形式与信号处理方式，设备性能，气象条件，杂波，目标特性，…在相同的雷达天线高度和相同的目标高度情况下，出现正折射时，观测距离将增加；距离探测范围出现临界折射和超折射时，观测距离将大大增加；出现负折射时，观测距离将减小。无折射■探测范围微波直视的距离探测范围■最小作用距离（盲区）最小距离是指，对于一定截面积的目标，在1.5或0.75nm量程下目标回波斑点能与代表雷达天线位置处的点相区分时，目标所处的最近距离。波束盲区与灵敏度盲区。AhAhT■最大作用距离目标可检测的最大距离。接收机噪音具有起伏特性，目标反射性能也有闪烁特性，都具有随机性质。采用统计分析方法计算最大作用距离。自由空间是指均匀的，不吸收电磁波，而且没有其他目标来影响的空间。■自由空间的雷达最大作用距离——雷达方程R式中：PT—雷达发射的功率；DA—雷达天线方向性系数；GA—雷达天线增益；λ—雷达工作波长。Prmin—接收机门限功率（灵敏度）σT—目标的雷达截面积天线增益GA=DA，=0.9～0.9541min322max64rTATfPDPR■电磁波传播条件对雷达作用距离的影响距离探测范围；地面反射造成的垂直波束分裂；损耗。垂直波束分裂示意：■距离分辨力雷达的距离鉴别力（Rangeresolution）表示区分相同方位的两个相邻目标的能力。雷达距离鉴别力越高，越容易在距离上把两个相邻目标区分开来，雷达图象越清晰。脉冲宽度对应的距离光点半径对应的距离波形失真展宽对应的距离距离（时间）■方位分辨力雷达的方位分辨力（Bearingresolution）表示区分距离相同但方位略有不同的两个相邻目标的能力。雷达方位分辨率指标，是以能够区分相同距离的两个相邻点目标的最小夹角来表示。■假回波多径反射回波真回波目标本船多径回波旁瓣回波旁瓣电平：-23dB（+/-10°内）,-30dB（+/-10°外）雷达每次发射脉冲时，都会有些脉冲能量会从波束的两边辐射出去，称作“旁瓣”。如果有目标在旁瓣和主瓣上都能被探测到，旁搬回波就会以相同的距离出现在真回波的两侧。■雷达的频率从本质上讲，雷达工作波段的范围在电磁波频谱中没有根本限制。雷达已采用从大于100m（短波）至小于10-7m（紫外线）的工作波段。大多数雷达都工作在微波波段。（1）高频（HF,330MHz）：超视距（2）甚高频（VHF,30300MHz）（3）超高频（UHF,3001000MHz）（4）L波段（1.02.0GHz）：远程对空警戒，空管，200nm。（5）S波段（2.04.0GHz）：船用雷达（6）C波段（4.08.0GHz）（7）X波段（8.012.5GHz）：船用雷达，其他民用雷达，武器控制（8）Ku、K和Ka波段（12.540.0GHz）：近距离高分辨力（9）毫米波波段（40GHz）毫米波技术应用范围极广，在雷达、通信、精密制导、遥感、射电天文学、医学、生物学等方面有广泛的应用。（10）激光频率：精确测距，成像，环境监测，云层高度、对流层风速、大气温度、臭氧层分布和环境监测等卫星遥感。一、军用雷达(1)预警雷达（超远警戒雷达）用于发现洲际导弹，以便尽早发出警戒。其特点是作用距离远达数千公里，测定坐标的精度和分辨力不高。天波超视距雷达（OTH）是靠电波在电离层折射的方法观测目标的，超视距雷达的作用距离可通过改变发射角（应小于25，通常低于5）和发射波束的频率来控制。2.雷达的基本用途与种类对空兼对海警戒搜索和目标指示多功能雷达(2)搜索和警戒雷达用于发现飞机。作用距离一般在100km以上。岸基预警机、预警直升机、舰载预警机J-231中程警戒雷达及对消前后图像KJ-2000预警机由俄制轰炸机IL-76改装而成，其机身安装了由以色列Elta公司研发的费尔康相控阵雷达。(3)引导指挥雷达（监视雷达）用于歼击机的引导和指挥作战。对多批目标能同时检测。一种可移动式堆积多波束中程对空监视雷达。中程全相参的三坐标对空情报雷达(4)制导雷达精密跟踪雷达，对付的飞机和导弹。在测定敌方目标运动轨迹的同时，引导我方导弹命中目标。(5)炮瞄雷达精确跟踪目标，连续测量运动目标的坐标，并将数据传递到指挥仪来带动火炮瞄准射击。(6)战场监视雷达对战场上的人员、车辆和舰只等移动目标进行近距离探测、定位和识别。测定弹着点的修正射击参数，或测定敌方炮弹轨迹。采用动目标技术。主要使用厘米波段。远程20～30千米范围，中程8～10千米范围，近程0.5～3千米范围。(7)截击雷达装备在歼击机上，用于在能见度不良情况下搜索发现敌机，并测定敌机坐标以便瞄准射击。空空：搜索、截获、跟踪、自动锁定、测距空地：地形测绘、等高面测绘、地形跟随（回避）、下降、测距、导航地形跟随与火力控制雷达(8)轰炸瞄准雷达装备在轰炸机上，确定投弹位置，将飞机自身的速度、高度及风速等参数进行综合计算，以确定投弹时机。军用机载雷达将会发展成一个以微波雷达为主体、集多频段探测器为一体，进行多传感器数据融合的综合系统；将是一个低截获概率的能探测隐身目标的探测系统；将具备自适应对抗各种人为电子干扰、抗击反辐射武器和高功率束射武器能力的探测系统；将具备远距离识别非合作目标、二维高分辨能力的探测系统；将是一个利用机身和机翼外表仿形安装的共形阵探测系统或敏感蒙皮系统。舰载雷达相控阵三坐标中程对空搜索雷达对海/对低空搜索雷达火控雷达130/100毫米舰炮炮瞄雷达VHF（70-93MHZ）这种低频雷达的波束宽，精度低但对空距离长，大约250公里二、民用雷达（1）气象雷达用于观测云、雾、雨、雪、雹、闪电、台风等气象状况。雷达气象学。测雨雷达测风雷达多普勒雷达中小尺度天气预警：警戒强风暴强对流天气，增强防灾抗灾能力。我国已布设多普勒雷达替换（一次、二次）常规天气雷达。X波段全相参双线偏振多普勒气象雷达机场气象雷达。X和C波段的多普勒气象雷达测定从大气中的雨、冰或其他碎片散射回来的回波来探测湍流、风切变、微下冲气流。集红外、微波及激光于一体的多功能雷达，提高低空风切变探测的性能，还能探测出雾、暴雨及晴空湍流。*大气边界层科学研究*大气环境污染的研究*全球气候变化的研究*极地气象气候的研究*航空机场的业务应用*中尺度危害性天气研究*战场应用及紧急事件的反应*城市气流模式的建立*近海和舰船平台上应用*风能研究应用低空边界层风廓线雷达三、用于科学研究的雷达（1）雷达天文学来自宇宙天体的各种电磁波中，能够透过大气层的波段恰恰是雷达波段。射电望远镜实际就是一种被动雷达体制。利用主动雷达观测月亮、太阳、金星、土星、流星、人造卫星。（2）字宙航行精测飞船位置，指挥飞船登月，协助飞船会合等等。在飞船上装有应答器时，雷达可测距地球8亿千米的飞船位置。（3）鸟类迁徙■按工作波段分类米波雷达、分米波雷达、厘米波雷达、毫米波雷达、激光雷达，或S波段雷达、X波段雷达、Ku波段雷达…。■按信号形式分类连续波雷达、脉冲雷达、脉冲多普勒雷达、脉冲压缩雷达…。脉冲多普勒（PD）雷达对雷达信号脉冲串频谱单根谱线滤波（频域滤波），具有对目标进行速度分辨能力的雷达，能在较强的杂波背景中分辨出动目标回波。脉冲压缩雷达采用宽脉冲发射以提高发射的平均功率，保证足够的最大作用距离，而在接收时则采用相应的脉冲压缩法获得窄脉冲，以提高距离分辨力发射波形往往在相位上或频率上进行调制，接收时将回波信号加以压缩，使其等效带宽B（或用f表示）满足B=f1/。脉冲压缩按发射信号的调制规律可分为以下四种：（1）线性调频脉冲压缩；（2）非线性调频脉冲压缩；（3）相位编码脉冲压缩；（4）时间频率编码脉冲压缩。■按角跟踪方式分类圆锥扫描雷达、隐蔽锥扫雷达、单脉冲雷达等。精密跟踪雷达超宽带（UWB）雷达可获得复杂目标的精细回波响应，提高目标识别和成像能力，可增强RCS和改进对杂波的抑制。冲激脉冲波通常是利用极高速开关产生极高峰值功率（几GW）的极窄脉冲宽度（0.1ns～几纳秒）的波形。■按天线扫描方法分类机械扫描雷达、相控阵雷达、频扫雷达、固定波束雷达等。相控阵天线是由许多辐射单元排列而成，而各个单元的馈电相位是由计算机灵活控制的阵列。相控阵雷达具有波束捷变能力等独特的优点，可以增强发射功率、天线增益和接收机灵敏度。■按信号处理方式分类分集雷达（如频率分集、极化分集等）相参或非相参积累雷达动目标显示雷达合成孔径雷达提高方位分辨力：一是波长更短，二是天线更大。可利用雷达与被测物体之间相对运动产生的随时间变化的多普勒频率，进行横向相干压缩处理，从而实现方位上的高分辨力。提高横向距离分辨力：多普勒波束锐化（DBS）、侧视合成孔径雷达（SAR）和利用目标转动的逆合成孔径雷达（ISAR）。■按测量目标参量分类测距雷达测高雷达两坐标雷达三坐标雷达测速雷达目标识别雷达按装置环境分，又有陆用、空用、海用、宇宙空间用或固定装设、舰船装设、各种飞行器装设、人员便携等多种雷达。(1)船用雷达避碰，船舶定位和狭水道导航，盲目进出港。3.雷达在交通领域中的应用S波段：3GHzX波段：9GHz（9410MHz）重复频率：500Hz～3000Hz天线转速：10转/分钟～25转/分钟脉冲宽度：0.05s～1.2s发射峰值功率：3kW～25kWS波段和X波段非相参脉冲雷达航海雷达需船检认证，要求完善维护和修理能力。航海雷达要求符合国际海事组织（IMO）标准、IEC标准和国家标准。收发机ARPA终端(2)船舶交通管理（VTS）雷达水上交通管理、调度、监视、报警等。上海长江长兴岛江段VTS图像（去掉跟踪标志）巴东雷达站(3)空中交通管制雷达用于机场的空管系统，指挥飞机起飞着陆、监视、调度等。GJL-861交通管制雷达(4)机载导航及防碰雷达装设在飞机上，用于能见度不良情况下的导航和防碰，测定飞机速度、高度，避开雷雨区等。(5)测地雷达装于飞机或人造卫星上，用来观测地形、地貌，可作为探测地球资源，保护森林资源的一种遥感设备。(6)探地雷达（GPR）利用地下不同介质的电磁性质的差异。探地雷达利用一个天线发射高频的无线电磁波，另一个天线接受来自地下介质界面的反射波。频率一般在1MHz～1GHz之间。道路、建筑、桥梁等检测。(7)车载雷达倒车雷达前视/侧视雷达倒车雷达探头雷达测距(8)测速雷达(9)物位计类似设备可以用于船舶靠泊。4.雷达技术的发展信息技术发展和军用民用的要求促进了现代雷达的进步。信息及其相关技术：集成电路，线性大功率微波T/R组件，计算机，信号处理，…数字化技术雷达在社会秩序与安全等方面的作用…