浅谈雷达工作原理及应用

浅谈雷达工作原理及应用

魏识宇

(陕西黄河集团有限公司陕西西安71043)

摘要：文章最开始先是引出了雷达的概念，然后按照雷达的组成，工作原理，以及应用和发展趋势。

关键字：雷达技术发展

定义:雷达概念形成于20世纪初。雷达是英文radar的音译，意为无线电检测和测距，是利用微波波段电磁波探测目标的电子设备。

构成：各种雷达的具体用途和结构不尽相同，但基本形式是一致的，包括五个基本组成部分:发射机、发射天线、接收机、接收天线以及显示器。还有电源设备、数据录取设备、抗干扰设备等辅助设备。

工作原理：雷达所起的作用和眼睛相似，当然，它不再是大自然的杰作，同时，它的信息载体是无线电波。事实上，不论是可见光或是无线电波，在本质上是同一种东西，都是电磁波，传播的速度都是光速C,差别在于它们各自占据的波段不同。其原理是雷达设备的发射机通过天线把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；雷达天线接收此反射波，送至接收设备进行处理，提取有关该物体的某些信息(目标物体至雷达的距离，距离变化率或径向速度、方位、高度等)。

测量距离实际是测量发射脉冲与回波脉冲之间的时间差，因电磁波以光速传播，据此就能换算成目标的精确距离。

测量目标方位是利用天线的尖锐方位波束测量。测量仰角靠窄的仰角波束测量。根据仰角和距离就能计算出目标高度。

测量速度是雷达根据自身和目标之间有相对运动产生的频率多普勒效应原理。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。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。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干扰杂波中检测和跟踪目标。

雷达数据采集系统在工作时，首先通过打开手持机应用软件将雷达设备启动，然后将工作参数传送给数据采集卡，完成对雷达各项参数的控制。命令被响应后，雷达开始正常工作。采集卡将采集到的数据经过采集控制和传输控制后传送给手持机。数据采集控制：数据采集卡根据主机设置的参数采集雷达信号。首先将模拟信号进行预处理，预处理包括滤波处理和增益控制等，以去除模拟信号中的噪声，使模拟信号的幅度适于进行AD转换。然后进行AD转换，对模拟信号采样，得到数字信号。数据采集卡在接收探地雷达传来的模拟视频信号的同时，还接收帧同步信号。数据采集卡将转换得到的A-scan（A-scan：探地雷达在一个测量位置探测获取的一维时域波形图）数据与帧同步数据混合，然后存入FIFO。数据传输控制：计算机通过USB接口对数据采集卡进行访问，并读取FIFO中的数据。计算机对数据采集卡的访问是通过查询方式完成的。数据采集卡内置的FIFO容量设计为32K&TImes;9bit，如果计算机没有及时读走FIFO内的数据，FIFO就会出现溢出错误。所以查询的时间间隔要满足在该间隔内采集的数据不能大于FIFO的容量；另一方面，查询间隔太短，会加大计算机系统的负担，影响计算机进行数据处理的速度，所以要选取适当的查询间隔。以数据采集卡的最快采集速度为例进行计算：每个scan的采样点数为1024，采样速率为512scan/s，每一点的数据长度为2字节。这样在1s内采集数据的大小为1024&TImes;2B&TImes;512=1MB。在这样的采样率下，经32ms采集的数据就可将FIFO装满，考虑到计算机系统的其它因素可能导致数据传输的阻碍，将查询间隔设为20ms。此时既可以满足数据传输的可靠性，又可节约手持机系统的资源。

雷达种类很多，可按多种方法分类：

（1）按定位方法可分为：有源雷达、半有源雷达和无源雷达。

（2）按装设地点可分为；地面雷达、舰载雷达、航空雷达、卫星雷达等。

（3）按辐射种类可分为：脉冲雷达和连续波雷达。

（4）按工作被长波段可分：米波雷达、分米波雷达、厘米波雷达和其它波段雷达。

（5）按用途可分为：目标探测雷达、侦察雷达、武器控制雷达、飞行保障雷达、气象雷达、导航雷达等。

相控阵雷达是一种新型的有源电扫阵列多功能雷达。它不但具有传统雷达的功能，而且具有其它射频功能。有源电扫阵列的最重要的特点是能直接向空中辐射和接收射频能量。它与机械扫描天线系统相比，有许多显著的优点。

雷达的工作频段将继续向电磁频谱的两端扩展；应用微电子学和固态技术成果，将实现雷达的小型化；利用计算机管理和控制雷达，将实现操作、校准、性能和故障检测的自动化，并发展自适应抗干扰技术；在中小型地面、舰载、机载雷达中，相控阵技术将获得广泛应用，以实现雷达的多功能；将提高雷达对目标实际形象、尺寸大小、运动姿态和诱饵识别的能力，增强雷达抗核袭击和抗反辐射导弹摧毁的能力；并将发展新的雷达体制如多基地雷达、无源雷达、扩频雷达、噪声雷达等。

虽然目前的雷达测量精度高、体积偏小、操作灵活等优点但都必须依赖计算机强大的后台数据处理，而且必须手动校准，所以如何实现操作、校准、性能和故障检测的自动化？成了雷达更新换代的一大难题。辰汉电子基于以往雷达的特点和发展趋势的要求，综合考虑21世纪的信息化发展的大局观，解决目前雷达在野外工作校准难，性能不稳定，容易发生故障，自主研发一款五寸便携式雷达主控手持机，该产品由信号采集模块、电源管理模块、存储模块等组成;整机采用Android4.4.0以上操作系统，使用Cotex-A9，四核处理器，1GHz主频，2GRAM，极大的优化了数据采集和大数据的不间断处理，技术先进、设计合理、功能完善、使用方便且可靠性高；采用GPS/北斗双模能快速有效缩短雷达的定位时间;大容量军规级可拆卸式电池设计，在-40到70度温度环境中，可连续待机8到10小时，续航能力强，整机防水防摔设计，军用紧密航空防水连接器，防误插设计，使得雷达手持机不管在多么恶劣的环境下，都能正常工作。辰汉电子五寸雷达手持机的研制成功与装备部队是对现有雷达的重要补充，对提升雷达的战斗力具有重要意义，具有显著的应用价值。

应用：雷达的优点是白天黑夜均能探测远距离的目标，且不受雾、云和雨的阻挡，具有全天候、全天时的特点，并有一定的穿透能力。因此，它不仅成为军事上必不可少的电子装备，而且广泛应用于社会经济发展(如气象预报、资源探测、环境监测等)和科学研究(天体研究、大气物理、电离层结构研究等)。星载和机载合成孔径雷达已经成为当今遥感中十分重要的传感器。以地面为目标的雷达可以探测地面的精确形状。其空间分辨力可达几米到几十米，且与距离无关。雷达在洪水监测、海冰监测、土壤湿度调查、森林资源清查、地质调查等方面显示了很好的应用潜力。