雷達偵查與監(jiān)視技術(shù)

天童老僧 2023-11-18 發(fā)布于上海

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在軍事領(lǐng)域中，雷達是一種偵察與監(jiān)視中最常用最廣泛的手段。Wikipedia給雷達下了一個定義：雷達是通過電磁波獲取目標距離、角度和速度的檢測系統(tǒng)。根據(jù)這個定義，可以分析出三點：第一，雷達依賴電磁波進行探測；第二，雷達本質(zhì)上是一個檢測系統(tǒng)；第三，這個定義還對雷達的功能做了一個直接歸納，雷達主要就是獲取目標的距離、角度和速度信息，也就是常說的測距、測角、測速三大功能。

對這三點進行簡單的擴展。雷達依賴電磁波進行探測，一個物體，只要它能夠反射電磁回波，就可以作為雷達的目標。這種反射包括散射、繞射、后向散射等，其中以后向散射為主。在軍事應用中，對電磁波反射敏感的目標不僅有金屬介質(zhì)為主的飛機、船只、導彈、車輛，還有非金屬介質(zhì)的云雨、植物、動物等等。這種特質(zhì)與電磁波所在頻段有直接關(guān)系，例如X波段的電磁波照在樹木上時會像光波一樣反射，C波段的雷達可以穿透一部分葉簇，而更低的L、UHF、VHF波段可以穿透葉簇照到樹干。

表1列舉了常見雷達的工作頻段與功能應用。不同的頻段具有不同的特征，適合不同的應用。粗略地來說，頻段越低，天線尺寸越大，穿透與繞射傳播的效應越明顯，頻段越高天線尺寸越小，穿透能力有所減弱。

表1.雷達工作頻段與功能表

雷達作為一種機械與電子部件構(gòu)成的復雜系統(tǒng)，具有強大的功能，它的基本原理類似于蝙蝠。蝙蝠通過嘴巴發(fā)出一連串人耳聽不到的超聲波靈巧地躲避障礙，捕捉到自己感興趣的目標。所不同的是蝙蝠采用的媒介是聲波，而雷達的媒介是無線電波。典型的雷達主要由發(fā)射天線、接收天線、發(fā)射電磁波的發(fā)射機、接收電磁波的接收機、信號處理機以及顯示終端等組成，如圖1所示。通常雷達的收發(fā)天線需要隔離，例如傳統(tǒng)的連續(xù)波雷達。無源雷達不需要主動發(fā)射電磁波，不需要發(fā)射機和發(fā)射天線。如果雷達發(fā)射與接收的信號可以從時序上分開，收發(fā)天線就可以共用，如典型的脈沖體制雷達。此時，發(fā)射機和接收機之間加入一個收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)。當雷達發(fā)射信號時，這個開關(guān)就使發(fā)射機與天線相連，形成發(fā)射通道。當雷達接收信號時，這個開關(guān)將天線和接收機相連，形成接收通道。

圖1.雷達系統(tǒng)基本組成

雷達的基本組成可以按照功能進一步劃分。雷達以電磁波為媒介，利用電磁波對特定信號展開調(diào)制，需要產(chǎn)生特定的雷達波形，這一部分通常由信號源實現(xiàn)。信號源發(fā)出的信號功率比較小，難以滿足雷達的作用距離，無法覆蓋雷達的威力作用范圍。提高作用距離最有效的一個途徑是提高雷達的發(fā)射功率，需要加入放大器對信號源產(chǎn)生的信號進行功率放大。這一功能通常由發(fā)射機實現(xiàn)的。發(fā)射機放大的信號經(jīng)過發(fā)射天線照射到目標，再返回給接收機。對于相干處理的雷達系統(tǒng)，發(fā)射機還會將信號返回給接收機及信號處理部分作為后續(xù)信號處理的參考信號。電磁波在空間傳播中，是有衰減、損耗的，實際通過天線進入雷達的接收信號功率相比發(fā)射信號要小得多，而且可能還混有雜波與噪聲。因此接收機接收的信號通常要經(jīng)過前置的低噪聲放大或者濾波，并對信號進行解調(diào)，進行信號處理，最終顯示給操作人員相關(guān)的檢測結(jié)果。

雷達在實際發(fā)射電磁波探測目標時，不僅會收到目標的回波，也會收到目標所處環(huán)境中的雜波、干擾與噪聲。雜波包括地雜波、云雨雜波等，干擾可能有人為的箔條干擾，也可能有復雜電磁空間中的射頻信號，都是檢測時不感興趣的目標。典型的雷達檢測采用的是門限方法，如果門限設置過高如圖2(a)所示，那么雷達有可能發(fā)現(xiàn)不了目標，產(chǎn)生漏警。如果門限設置過低如圖2(b)，那么雷達有可能把雜波、干擾、噪聲等信號誤認為是目標，產(chǎn)生虛警。門限的劃定是一個經(jīng)典的檢測問題。實際中為了取得更好的效果，還會進行相關(guān)的雷達信號處理，盡可能的消除干擾、抑制雜波。

（a）判決門限過高

（b）判決門限過低

圖2.門限檢測示意圖

當雷達探測到目標時，雷達可以獲取目標的距離、角度和速度信息，具有測距、測角、測速三大功能。如果在一段時間內(nèi)能夠測量獲得目標到雷達之間的距離，就可以將目標確定在以雷達為圓心的一個球面上；如果能獲得目標的方位角，則能夠?qū)⒛繕舜_定在垂直地平面的一個平面上；如果能獲得目標的俯仰角，那么就可以將目標確定在以雷達為頂點的一個圓錐面上面。獲得了目標的距離、角度信息就可以將目標的空間三維位置標定出來，如圖3所示。如果能繼續(xù)確定目標的運動速度，那么就可以獲得目標的基本信息。

圖3.用坐標系表示目標位置

以上述基本參數(shù)為核心，可以將雷達的功能進一步擴展。首先是目標探測，在整個空間中去搜索、發(fā)現(xiàn)目標，判斷目標是否存在，解決目標的有無問題。其次，對目標的基本參數(shù)距離、角速度的測量，即實現(xiàn)測距、測角、測速三大功能。在此基礎(chǔ)上，還需要進一步識別目標，分辨目標的形狀、尺寸，通過目標的特征測量判斷目標類型，甚至對它的威脅等級進行評估。所有的雷達在設計的時候，都希望能夠盡可能實現(xiàn)這三大任務中一種或者幾種。