带你了解其背后的原理,机载雷达的时间简史

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雷达是利用无线电作为探测手段的传感设备,其已有一百多年的发展历史。雷达发射电磁波对目标进行照射并接收其回波,由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率(径向速度)、方位、高度等信息。随着数字信号处理技术的飞速发展以及相应的硬件水平不断提升,当前雷达系统已应用普及到诸多领域,如汽车辅助驾驶、遥测遥感、地质勘探、大气探测等。  然而,随着电磁环境逐渐复杂,各种干扰技术层出不穷,具有灵活对抗干扰能力、更强的目标检测性能、适应多变环境的新体制雷达成为各大应用领域的迫切需求。多输入多输出(Multiple-input
Multiple-output)雷达就是把无线通信系统中的多个输入和多个输出技术引入到雷达领域,并和数字阵列技术相结合而产生的一种新体制雷达,简称“MIMO雷达”。  2003年,美国林肯实验室的Bliss和Forsythe首次提出MIMO雷达的概念,其是指同时发射多种雷达信号波形,一般采用的是多个天线同时发射不同的波形,“Multiple-output”是指多个天线同时接收回波信号,并通过多路接收机输出以获得多通道空间采样信号。根据发射和接收天线中各单元的间距大小,可以将MIMO雷达分为分布式MIMO雷达和集中式MIMO雷达两类。分布式MIMO雷达中收发天线各单元分布式布局,带来对目标的多角度探测视野,
提高雷达对目标的探测性能;集中式MIMO雷达的收发天线各单元相距较近,,各个天线单元对目标的视角近似相同,但是每个阵元可以发射不同的信号波形,
从而获得波形分集,通过不同波形的特征来集中分析目标特性。这就带来许多优良特点,如改善系统的能量利用率、提高测角精度、提高杂波抑制能力及低截获能力。  MIMO雷达改良了传统雷达的相关缺陷,具有良好的应用发展前景。早期的扫描雷达只发射一种频率的信号波形,配合单一的接收机接收,可以看做单输入单输出雷达;单脉冲雷达只发射一种信号波形,
一般有两路(和波束与差波束或者左波束和右波束)接收机输出,,其属于单输入双输出雷达。MIMO雷达综合了上述雷达的优缺点,在输入输出端都采用了多路收发技术,具有极大的应用潜力。

米格-31是世界上最早装备无源相控阵雷达的战斗机。目前,俄罗斯的无源相控阵技术已经非常成熟,米格-29和苏-27/30系列都广泛应用,取代原来的机械扫描雷达。有源相控阵技术从上世纪70年代中期才开始探索,至本世纪初,随着F-22及其AN/APG-77雷达的服役,才标志着有源相控阵火控雷达的成熟。

1936年,美国无线电公司开发出一种小型电子管,可产生波长1.5米,工作频率200兆赫的电磁波,这成为人们把雷达装上飞机的一根“救命稻草”。1937年8月,世界上第一部机载雷达试验机由英国科学家爱德华•鲍恩领导的研究小组研制成功,并把它安装在一架双发动机的“安森”飞机上,探索作为截击雷达的可能性,这架“安森”飞机便成为最早载有雷达的飞机。不过雷达的功率虽然只有区区100瓦,但却让飞行员们感到不安——他们认为,雷达可能引起火花并点燃油箱,而且,雷达的天线会妨碍飞机的机动飞行。

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平板缝隙天线,团结与距离

1939年,二战爆发。英德之间的不列颠空战成为雷达大显身手的舞台。本土链雷达网多次探测到德军的空袭,并为己方拦截机提供引导信息。也许,德国人并没有真正理解本土链的威力,因此自始至终都没有对那一个个看来莫名其妙的高塔进行轰炸或干扰。

由于相位在雷达能量合成的过程中有些类似于矢量相加过程中的矢量方向角的作用(矢量相加遵循平行四边形法则),所以,相位一般用角度来表示。反过来说,为了形成具有一定宽度的波束,在设计天线时,必须使得组成天线的各个辐射单元所辐射出的电磁波在空间的某些方向上同相位或接近同相位相加,这样就能获得较大值,这些方向上分布的能量就会较多,这些方向就是主瓣区域;而在空间的某些方向上反相位或者接近反相位相加,这样就能在其它方向上获得较小值,这些方向上的能量分布较少,就是副瓣区域。

雷达在战争中展露头角,使得英国人也想把雷达装上飞机。在空战中,如果在晴朗的白天,飞行员一般都能比较顺利地发现敌机,但如果天气不好或者是在夜晚,发现目标就会变得困难。把雷达装上飞机就能帮助飞行员穿透迷雾和黑夜进行空中拦截作战——空中截击雷达(AI雷达)的概念就出现了。然而,以当时的技术水平,哪个工程师要是被军方派去开发AI雷达,绝对是一种不幸。先不说本土链雷达的巨大天线,仅仅是巨大的耗电量就是个难以解决的事儿了。那么,怎么样才能把雷达做得足够“迷你”够“环保”却又看得足够远呢?

那么,如何使得机载雷达具有明察秋毫的下视能力,使得它能够把弱小的目标回波从强大的地面反射回波中区分提取出来呢?在没解决杂波剔除问题之前,机载雷达基本上只能在海面上空工作,经过自上世纪30年代后期至60年代的发展,机载雷达无论是发现海面上的舰船,还是看海面上空的飞机,都已经具备了差强人意的能力。但直到70年代初脉冲多普勒(PD)技术的成熟,才使得机载雷达真正具备全空域工作的能力,能够在陆地上空较好地发挥作用。

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来源:航空知识、电波之矛

磁控管的发明,收发天线的共用,以及天线形式的演变,使雷达逐渐变得更适合在飞机上安装,到上世纪40年代中期,雷达已经具备了机载应用的条件。

在脉冲多普勒技术发明之前,雷达要检测到目标,是利用目标的回波强度。如果目标的回波足够强,强过接收机中根据电子随机起伏而产生功率(即“电子噪声”,简称“噪声”),雷达就可以发现目标的存在。这种方式就是“普通脉冲”方式,它并没有利用目标的速度信息。而由于雷达下视时,地面的反射回波强度要比目标的回波强度强很多,所以,在雷达显示屏上,操作员只能看到白花花的一片,目标回波淹没在杂波中,雷达就因为“晃眼”而“暂时失明”。脉冲多普勒技术发明以后,雷达在发现目标时,不仅仅利用目标的回波强度,也利用目标和地面的速度信息,因为两者相对于雷达有不同的速度,从而目标和地面相对于雷达有着不同的径向速度,进而有着不同的多普勒频率。利用这一点可以把目标回波和地面反射回波进行区分。这就是脉冲多普勒技术蕴含的简单道理。

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雷达测量目标的角度,就是通过记下雷达天线当前旋转所处的位置,如果在这个位置上有一个很强的回波,那么,这个回波所对应的方向就是雷达天线的当前指向角。但是,如果雷达波束很宽,而两个目标在方位上又靠得很近,一个波束就可以把这两个目标“罩住”,那么,雷达对这两个目标就无法区分了。如果降低雷达的波束宽度,使得波束在两个旋转位置上才能分别照射到这两个目标,这样就会有两个方向了。因此,测角要测得准,首先要使波束窄一些。后来,人们想到了在测量方法上也做一些改进。通过先后改变波束位置(在这两个位置上都能照射到目标),并且使同一个目标在这两个波束位置上的回波强度都一样,那么,由于波束位置是事先知道的,就可以判断出目标的方向是在这两个波束位置的角平分线上。如果目标不是位于两个波束位置的正中,那么两次回波在强度上就有所不同。由于这种测角方法中,需要把波束先后放到两个相邻的位置上,而雷达天线通过扫描在空域中搜索目标时正达到这样的效果,所以称为“顺序扫描”。当需要对目标的高度也进行测量时,道理是一样的,只不过是把波束要先后放到两个相邻的高低角上。如果在测量方位的同时,需要测量高度,那么波束既要在方位上变化,也要在高度方向上变化,此时从雷达射出的波束就要在空中“画圈”,波束的运动轨迹就像一个圆锥,所以这种测角方法称为“圆锥扫描”。

21世纪的机载雷达,将在不断完善自身的同时,逐渐与飞机上的其他航电系统融为一体。美国空军在上世纪80年代初提出了“数字航空电子综合系统”、“宝石柱”和“宝石台”计划,数航系统已在上世纪80年代设计的雷达型号上实现;2005年的F-22服役,则标志着“宝石柱”计划已在新世纪得以推行。在第一阶段,雷达失去了自己的显示器,与飞机上的其他仪表系统集成在一起;在第二阶段,随着计算机技术的发展,雷达又失去了信号处理和数据处理分系统,只剩下发射、接收和天线三个分系统。通用信号处理器(CIP)将雷达同F-22飞机上的光电、红外、无源和电子战系统的信息一起处理。同时,飞机航电系统的数据开始在光纤传输上传输,传输速率可达10吉比特/秒以上,而传统的1553总线传输速率只有1兆比特/秒。各种航电系统挂在基于光纤传输的总线上集成起来,并且多达60余种本应由硬件实现的功能都已经由软件实现。

人们在说起机载雷达性能时,常常提到“具有下视下射能力”。要能“下射”,“下视”(雷达的波束往下指向)是前提,只有能够发现位于己方飞机下方的目标,才能进行打击。而雷达的波束往下指向后,电波不仅会打到需要探测的飞机目标上,还会打到地面上,而来自地面的回波(称为杂波)能够比来自飞机的回波强百万倍以上,从而将目标淹没,雷达不能发现目标。

化整为零,从无源到有源

雷达通过发射机产生一定振荡频率的电流,送至天线后通过电磁感应现象把电能变成电磁波辐射到空间;电磁波碰到物体后会向各个方向反射,其中一部分会返回雷达(称为后向散射),被天线接收并送至雷达接收机,在显示器上显示。如果我们能够提高发射机产生的功率,并且使得从天线辐射出去的电波能量在空间尽量集中,就能使得电波能够在更远的距离上触及目标。这正像我们在说话时,如果需要离自己很远的人也能听见,可以做两件事,要么扯起嗓子喊,要么拿一个喇叭。雷达提高探测距离的这两个基本办法,在专业上称为提高“功率孔径积”。

由于无源相控阵和有源相控阵的天线单元相位都可以由计算机控制,所以在扫描的灵活性上具有同样优点。二者都可以通过延长在每个方向上照射时间(也就是降低扫描一周的时间)的办法,来提高目标反射回雷达的功率。因为每个方向上照射时间增加了,也就是发出的脉冲个数多了,而每个脉冲都是携带一定能量的,返回雷达的回波脉冲的总能量也就增加了。这是机械扫描雷达做不到的。

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但是,技术的发展,永远会超出普通人的想象。让雷达在完善自身探测性能的同时,还能提供通信、侦察和干扰等能力,正在全世界范围内广泛开展研究,并持续取得进展。虽然看起来雷达作为独立的系统正在走向消亡,可是从另外一个角度去看,又何尝不是在扩展自己的领地呢?返回搜狐,查看更多

前面说过,为了提高雷达的距离分辨力,以及测距的准确性,希望脉冲宽度越窄越好。另一方面,以脉冲方式工作的雷达,脉冲越宽,也就是每次发射能量的持续时间越长,里面包含的能量也就越多,回波也就可能蕴含更多的能量,这对于提高雷达的发现距离是有利的,所以,雷达脉冲又是宽一些好。那么,如何解决提高发射能量和提高距离分辨力的矛盾呢?答案就是脉冲压缩。这是继20世纪50年代出现的单脉冲技术后,机载雷达发展史上的又一次重大技术突破。

在相控阵技术中,波束指向的变化是由每一个天线单元的相位变化来实现的。相控阵雷达在每一个天线单元(如缝隙)后面,都会安装一个移相器,用来改变它的相位。而我们知道,从天线射出的波束是每一个天线单元辐射出的电磁波在功率和相位两个方面进行相加的结果。那么,每一个天线单元的功率如何决定呢?早期的相控阵雷达,有一个工作在很高的电压(高达上万伏)上的发射机,产生很大的功率,通过功率分配网络把功率分配到这些天线单元中,每一个天线单元自身辐射功率就是集中式发射机分配得到的,天线单元自身并不能自主地辐射功率,因此称为无源相控阵雷达。

脉冲多普勒,相对运动的奥妙

不过,对雷达来说,还需要在收发开关的基础上,再配置接收机保护装置。这是因为,天线和传送电流至天线的通道之间的电路不能做到绝对匹配,因此,天线不能完全吸收由发射机送过来的电流能量,其中的一小部分会被天线反射回来,从而会造成一部分发射机能量损耗———就像光线在穿透一块玻璃时,总有一部分光线会从玻璃上反射回来一样。由于双工器完全根据能量的流向执行其开关功能,因此,从天线反射回的这部分能量会“欺骗”双工器,仍然会进入接收机。虽然这个能量很少,但仍然比雷达的回波强很多,足以烧坏接收机。

雷达有两大基本功——测距和测角。

相控阵技术,相位里的大学问

而有源相控阵较无源相控阵又有很多优势。首先,有源相控阵易于产生更大的功率,因为天线辐射出去的总功率是每一个收发单元的合成,所以,要增加总的辐射功率,在每个收发单元的功率一定的情况下,增加收发单元的数量即可。而无源相控阵或者是机械扫描的雷达,由于只有1个发射机,在它的功率已经很高的情况下,再提高就非常困难;其次,有源相控阵的可靠性更高,一是因为在有源相控阵的收发组件中采用半导体放大器件(即“固态”器件)对功率进行放大,工作电压低,功率较小,每个收发组件的功率一般为数十瓦至数百瓦,且有很高的集成度,总功率是若干个收发组件功率的合成,不需要象无源相控阵那样有一个集中产生大功率能量的发射机,从而避免了集中式雷达发射机必须使用高压所带来的打火故障。二是由于有源相控阵雷达收发组件数量较多,如果出现一小撮“非战斗减员”,对雷达正常工作也无大碍。有源相控阵出现以后,将传统机载雷达最多200小时的MTBF提高到2
000小时。

从蝙蝠的生存技能来理解雷达,无疑是一个很有意思的捷径。不过把雷达的发明说成是仿生学的结果,却是一种牵强附会。如果时间倒退到七十多年前,英国的雷达先驱者们听到这种说法,也一定会笑着解释说,“不,不,是轰炸机让我们发明了雷达,而不是蝙蝠。”

雷达天线不再分置,减少了飞机上的空间占用,使机载雷达更加紧凑,设备在机身上的安置更加集中。随后,也是在这个十年间,雷达天线形式开始由钉子状的单个或多个天线振子、鱼骨状的八木天线阵列向锅状的抛物面反射天线进化。抛物面天线的增益是八木天线的十倍以上,也就是抛物面天线的波束宽度普遍要比八木天线的窄很多,从早期的十几度甚至几十度演变到当时的几度,这样,功率相对小一些的发射机,也能让电波传得很远。

到了20世纪80年代,军事强国对机载雷达的设计工作已经得心应手,新型号的研制速度很快。随着半导体集成电路和计算机技术的发展,雷达迅速迈向多功能化的同时也在不断瘦身——1973年,历时10年研制成功的AN/AWG-9雷达,采用机械旋转天线,其直径0.91米,雷达重量高达612千克,是当时最大的机载火控雷达,工作模式不到10种,可靠性只有数小时。到了2005年F-22的AN/APG-77雷达采用有源相控阵技术,天线直径为1米,重量只有200千克,可靠性达到2
000小时,有20种以上的工作模式。

如何提高发射机的功率呢?可以对一定振荡频率(可以认为与雷达在空间辐射的电磁波的频率相同)的电流通过放大器放大,然后再送至天线。实际上这是发射机最主要的功用。但是,放大器的放大能力与电磁波的工作频率直接相关。频率越低,放大越容易。早期的雷达,其电磁波频率只能在300兆赫以下(对应的电磁波波长大于1米,称为米波),本土链雷达的工作频率只有11.5兆赫,波长26米。当然,如果器件水平只允许雷达工作在较低的频率,而雷达工作在较低频率上又没有什么坏处的话,那就让它工作在低频段上好了,但情况并没有那么简单。雷达电磁波的工作频率还直接影响到雷达把能量集中到空中去发射的能力,即天线性能。人们把雷达电波从天线辐射出来的能量在空间的分布用波瓣图来表示。雷达能量最集中的区域称为主瓣,其余的区域就叫副瓣,又叫旁瓣。雷达天线把能量集中到主瓣宽度内发射的能量和雷达向全方位同等辐射能量的比值,称为天线的增益。雷达能量在空间越集中,主瓣宽度(一般为几度以下)就越小,增益就越高。在天线尺寸一定的情况下,雷达波长越长,主瓣波束宽度越宽,增益越小;或者说,在雷达波长选定以后,为了获得尽量窄的波束宽度和尽量高的增益,应该尽量把天线个头做大。

因为电磁波的传播速度是一定的(光速),测距就是测时间,或者说,时间就是距离。雷达所能测量的时间越短,则雷达距离的测量也就越准。在雷达里,能够测量的最短时间就是每次发射电波的持续时间,即脉冲宽度。因此,减少雷达发射能量的持续时间,对提高距离测量的精度有好处。

普通的平板天线中的每一个缝隙,其辐射出的电磁波相位在出厂时就是固定好、不能调整的,此时,从天线平面中心辐射出的具有一定形状的波束一定始终垂直于平板的方向。所以,如果要想使天线波束能够覆盖全方位空域,就只能让平板天线旋转起来。

原标题:机载雷达的时间简史

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在电子技术中,特别是雷达技术中,“相位”是一个极其重要的概念。为了理解相位,我们可以用多人多桨的划艇比赛做例子。要想艇划得快,所有划艇的人必须高度配合,一是说,所有的人都必须使出最大的力量;二是说,所有的人使出最大力量的时机,或者说桨每次入水的方向和相对于船体的位置,都必须一致。如果不一致,就得不到最大的前进速度。也就是说,驱动艇前进的总力量,就是各个桨手的力量的合成,但并不是各个桨手的力量简单地相加,在相加时还要考虑到桨手用力的方向,以及使出最大力量的时机。