雷达
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简介
雷达,是英文Radar的音译,源于radio detection and ranging的缩写,意思为“无线电探测和测距”,即用无线电的方法发现目标并测定它们的空间位置。因此,雷达也被称为“无线电定位”。雷达是利用电磁波探测目标的电子设备。[1]
发展历史
1865年 ,苏格兰物理学家詹姆斯·克莱克·麦克斯韦提出了“电磁场理论”(电磁波及其传播的描述),证明了电场和磁场以波的形式并以恒定的光速传播。[2]
1886年 ,德国物理学家海因里希·鲁道夫·赫兹发现了电磁波,从而证明了麦克斯韦理论。
1897年 ,意大利发明家古列尔莫-马可尼实现了电磁波的长距离传输。今天,马可尼被誉为无线电通信的先驱。
1900年, 尼古拉·特斯拉认为电磁波的反射可用于检测移动的金属物体。
1904年,德国工程师ChristianHülsmeyer发明了“ telemobiloscope”,用于对能见度较差的水域进行交通监控。这是第一个实际应用的雷达测试。Hülsmeyer的发明在德国,法国和英国申请了专利。
1921年,美国物理学家Albert Wallace Hull 发明了磁控管作为一种高效的传输管 。
1922年 美国海军研究实验室的美国电气工程师 Albert H. Taylor和 Leo C. Young首次定位到了木制船。
1930年 劳伦斯·海兰德 (也是海军研究实验室的代表)首次定位到了飞机。
1931年,英国第一个已知的雷达系统,来自 William AS Butement和 PE Pollard。他们为一艘船配备了雷达。这个雷达系统使用了带有喇叭辐射器的抛物面天线。尽管他们的设备取得了短期成果,但由于缺乏政府的支持最终被迫放弃。
1933年,鲁道夫·库恩霍尔德在其1931年亲自发明声纳的基础上,推出了所谓的“Funkmessgerät”。它的工作波长为48厘米,发射器的功率约为40瓦。开发了Freya-radar ,该雷达于1938年开始批量生产。
1935年 Robert Watson-Watt(后称Robert爵士)建议使用无线电波探测远距离的飞机,并概述了这样做的方法。到1939年,英国已拥有了无线电测向(RDF)站的防御链。
1936年,通用电气的技术员George F. Metcalf和 William C. Hahn发明了速调管 。这将是雷达系统中作为放大器或振荡器管的重要组件。
1939年,伯明翰大学的两位工程师 John Turton Randall和 Henry Albert Howard Boot 用多腔磁控管制造了一个小型但功能强大的雷达。B-17飞机装有该雷达。可以在夜间和雾中找到并打击德国潜艇。
1940年,美国,俄罗斯,德国,法国和日本都开发了不同的雷达设备。在战争的推动下,雷达技术在第二次世界大战期间获得了强劲的发展动力,也为现代雷达系统的发展打下了坚实的基础。
1941年苏联最早在飞机上装备预警雷达。
1943年美国麻省理工学院研制出机载雷达平面位置指示器,预警雷达。
1944年马可尼公司成功设计、开发并生产“布袋式”(Bagful)系统,以及“地毡式”(Carpet)雷达干扰系统。前者用来截取德国的无线电通讯,而后者则用来装备英国皇家空军(RAF)的轰炸机队。
1945年二次大战结束后,全凭装有特别设计的真空管──磁控管的雷达,盟军得以打败德国。
1947年美国贝尔电话实验室研制出线性调频脉冲雷达。
50年代中期美国装备了超距预警雷达系统,可以探寻超音速飞机。不久又研制出脉冲多普勒雷达。
1959年美国通用电器公司研制出弹道导弹预警雷达系统,可发跟踪3000英里外,600英里高的导弹,预警时间为20分钟。
1964年美国装置了第一个空间轨道监视雷达,用于监视人造地球卫星或空间飞行器。
1971年加拿大伊朱卡等3人发明全息矩阵雷达。与此同时,数字雷达技术在美国出现。
1993年美国曼彻斯特市德雷尔·麦吉尔发明了多塔查克超智能雷达。
工作原理
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,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)。
测量速度原理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。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。测量目标方位原理是利用天线的尖锐方位波束,通过测量仰角靠窄的仰角波束,从而根据仰角和距离就能计算出目标高度。
分类
1、按照雷达信号形式分类,有脉冲雷达、连续波雷达、脉部压缩雷达和频率捷变雷达等。
2、按照角跟踪方式分类,有单脉冲雷达、圆锥扫描雷达和隐蔽圆锥扫描雷达等。
3、按照目标测量的参数分类,有测高雷达、二坐标雷达、三坐标雷达和敌我识对雷达、多站雷达等。
4、按照雷达采用的技术和信号处理的方式有相参积累和非相参积累、动目标显示、动目标检测、脉冲多普勒雷达、合成孔径雷达、边扫描边跟踪雷达。
5、按照天线扫描方式分类,分为机械扫描雷达、相控阵雷达等。
6、按雷达频段分,可分为超视距雷达、微波雷达、毫米波雷达以及激光雷达等。
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、地质调查等方面也显示出了很好的应用潜力。