毫米波雷达及其应用详述(上传).docx

1、雷达的起源和发展1.1雷达的基本概念雷达一词是英文Radio Detection And Ranging缩写词“RADAR”的音译，其原意为“无线电探测与测距”，雷达利用目标对电磁波的散射现象来发现目标并识别其位置与特征。1.2 雷达的起源19世纪后期：电磁理论的建立和电磁波实验的突破，为雷达的产生奠定了基础。 1865年，麦克斯韦理论上预言了电磁波的存在；1886年，赫兹实验上证明了电磁波的存在；1889年，实现了电磁波的产生，接收和目标散射。这些成就为雷达的产生奠定了基础。 20世纪初至20年代：发明第一部雷达并开始人们探索雷达的其他用途。 1904年4月30日，德国的克里斯琴赫尔斯迈耶发明了一个通过探测远处金属物体来防止轮船之间碰撞的发射-接收系统，该系统无法测距，但仍被认为是世界上第一部雷达；1922年，美国海军研究实验室的泰勒和杨观测到轮船的起伏回波；1927年，德国的赫尔曼对赫尔斯迈耶的装置进行改进，制造了第一部工作在厘米波段的发射-接收机，它可以探测到8km远的轮船和在500m高空飞行30km远的飞机。随后，该系统分别形成了舰载和地基两个系列的雷达。20世纪30年代：开始研究用来探测飞机和舰船的脉冲多普勒雷达，多种实战型军用雷达问世。1934年，美国海军研究实验室开始研究发射脉冲波形的雷达。1936年其80MHz频段的脉冲雷达可以探测到60Km远的飞机，1938年12月其200MHzXAF雷达探测到了160Km远的飞机目标。1937年，英国的防空雷达“本土链”雷达可以说是第一个完整的防空系统，也是真正用于作战（二战）的第一部雷达，用于高空飞行的飞机探测的测距。该雷达工作频率为2255MHz，其天线塔高72m，可以对3Km高空、150Km远的飞机进行预警探测。1939年9月，第二次世界大战爆发时，英国已在东海岸建立起了一个由20个地面雷达站组成的 “本土链”雷达，网。在第二年夏天抗击的纳粹德国大规模空袭英国的 “不列颠战役”中，英国正是靠 “本土链”为每次德国人来空袭时赢得了20分钟宝贵的预警时间，以约900架战斗机抵挡住了德国2600余架飞机的疯狂进攻。1938年，美国信号公司制造了第一部SCR-268防空火力控制雷达，工作频率为205MHz，探测距离180Km。SCR268雷达必须依靠光学跟踪器来精化其测角数据，在夜间工作时，要借助与雷达波速同步的探照灯。1939年，美国无线电公司研制出了第一部实用的XAF舰载雷达，装在美国“纽约”号战舰上，他对海面舰船的探测距离是20Km，对飞机的探测距离是160Km。英国在一架飞机上装了一部200MHz的雷达，用来监视入侵的飞机。这可称得上是世界上第一部机载预警雷达。20世纪40年代：雷达功能进一步增强，对雷达发展具有重要影响的高功率磁控管问世，首次出现了雷达电子战。1940年，德国研制了一种三坐标火控雷达。该雷达采用可旋转的偶极子天线，它的频率为565MHz，测距精度25m，方位精度2，俯仰精度3。1940年，德国生产出世界上第一部平面位置显示（PPI）雷达。在1944年对柏林的一次夜间攻击中，PPI雷达显示了400多架轰炸机。PPI雷达可对地面环境杂波的进行测量（363次，英，美、苏）。1941年12月。美国已经生产了100多部SCR-270/271陆军通信兵预警雷达。其中一部架设在檀香山上，它探测到了日本飞机队珍珠港的入侵，但是，美国军官误将探测到的日本飞机认为是友军飞机，从而酿成了惨重的悲剧。1943年，MIT辐射实验室制造出第一部10cm实验雷达，这种雷达的波束宽度为70mrad，跟踪飞机的精度约为15mrad，但仍需要光学数据作为雷达数据的补充。1943年7月24日25日，盟军800架RAF轰炸机执行袭击德国汉堡的任务，在这次袭击中，这些轰炸机都携带了金属箔条（一种尺寸同雷达波长相匹配的金属条带，可以迷惑雷达的探测）干扰发射器。这是历史上第一次将雷达对抗技术实用于战争当中，这次行动使德军的地面和机载雷达被大量的箔条干扰致盲，完全失效。它标志着雷达战的开端。在1940年（甚至是二战结束之前），德国的雷达技术比美国、英国等所有其他国家都要先进，但是，后来英、美等国家认识到雷达技术在军事中的重要应用，加大了投资和研究力量，随后在技术上很快赶超了德国。1940年10月，美国支持MIT建立了辐射实验室，后改名为林肯实验室。在最初的6年时间里，美国对该实验室投入了21亿美元，几乎和原子弹的投资强度一样，仅在二战后期，该实验室便研制了超过100部包括早期攻击预警，反飞机火控、空中截获。舰船探测等在内的各种雷达系统。1.3雷达的发展20世纪50年代：主要包括微波雷达、单脉冲雷达、脉冲压缩、合成孔径雷达、气象观测雷达和机载脉冲多普勒等技术。单脉冲雷达是一种精密跟踪雷达。它每发射一个脉冲，天线能同时形成若干个波束，将各波束回波信号的振幅和相位进行比较，当目标位于天线轴线上时，各波束回波信号的振幅和相位相等，信号差为零；当目标不在天线轴线上时，各波束回波信号的振幅和相位不等，产生信号差，驱动天线转向目标直至天线轴线对准目标，这样便可测出目标的高低角和方位角，从各波束接收的信号之和，可测出目标的距离，从而实现对目标的测量和跟踪。20世纪60年代：以第一部电扫相控阵天线和后期开始的数字处理技术为标志，其他技术包括动目标指示（MTI）、超视距（OTH）雷达等。超视距雷达一般采用方位电扫30的相控阵天线，用单脉冲比幅法测角，用多普勒信号处理技术完成动目标检测。天波后向散射雷达是低空防御系统中一种有效的预警手段，是超视距雷达发展的重点。超视距雷达还能进行海洋状态的遥测及空中交通管制。超视距雷达的主要优点是能克服地球曲率的限制，探测地平线以下的目标。只能获得目标的方位和距离信息，很难获得仰角信息；测量精度低、分辨率差；电波通道不稳定，干扰因素多，气候变化、北极光和太阳黑子直接影响天波超视距雷达的性能，甚至使它不能正常工作；在中波、短波波段,频谱拥挤,带宽窄，互相干扰严重。此外，超视距雷达系统庞大，雷达站内还配建诸如电离层监测站和气象站等支援设施。为了提高超视距雷达的效能，需要进一步增强系统对环境的自适应能力和抗干扰能力。20世纪70年代：由于数字信号处理等技术的飞速发展，合成孔径雷达、相控阵雷达和脉冲多普勒雷达在70年代又有了新的发展。介绍合成孔径雷达的成像结果。20世纪80年代：相控阵雷达技术大量用于战术雷达，这期间研制成功的主要相控阵雷达包括美国陆军的“爱国者”、海军的“宙斯盾”和空军的B-1B系统。分别介绍“爱国者”，“宙斯盾”和B-1B的雷达系统。20世纪90年代：对雷达观察隐身目标的能力，在反辐射导弹（ARM）与电子战（EW）条件下的生存能力和工作有效性提出了很高的要求，对雷达测量目标特征参数和进行目标分类、目标识别有了更强烈的要求介绍南海撞击事件中的美军电子侦察机EP-3和中国的预警机空警2000。近十几年来，微电子机械和数字信号处理等技术的飞速发展，为有源电扫相控阵列多功能雷达发展提供了技术动力，这种雷达系统是新一代高分辨率雷达的代表。介绍美国海基X波段雷达。2、毫米波雷达的应用背景无论是海湾战争、科索沃战争、阿富汗的反恐战争以及美英联军攻占伊拉克的战争，都是以电子为特征的高科技战争。以电子技术武装起来的各种军事设备不仅提高了武器系统的战斗威力和生存能力，而且成为对敌实施软杀伤的直接作战手段，从而开辟了继陆战、海战、空战后的第四维战场电磁战场。在电磁战使用的全部电磁频段中，毫米波频段雷达具有极宽的信息带宽、独特的电波传播特性和良好的设备小型化潜力。此外，现代战争对武器系统“远程打击、精确打击”的迫切需求为毫米波雷达的发展提供了巨大的推动力。 3、毫米波雷达的特征 频带极宽，在目前所利用的35G、94G这两个大气窗口中可利用带宽分别为16G和23G，适用与各种宽带信号处理； 可以在小的天线孔径下得到窄波束，方向性好，有极高的空间分辨力，跟踪精度高； 有较高的多普勒带宽，多普勒效应明显，具有良好的多普勒分辨力，测速精度较高； 地面杂波和多径效应影响小，低空跟踪性能好； 毫米波散射特性对目标形状的细节敏感，因而，可提高多目标分辨和对目标识别的能力与成像质量； 由于毫米波雷达以窄波束发射，因而使敌方在电子对抗中难以截获。再加上干扰机正确指向毫米波雷达的干扰功率信号比指向微波雷达更加困难，所以毫米波雷达具有低被截获性能，抗电子干扰性能好； 目前隐身飞机等目标设计的隐身频率局限于1GHz-20GHz，又因为机体等不平滑部位相对毫米波来说更加明显，这些不平滑部位都会产生角反射，从而增加有效反射面积，所以毫米波雷达具有一定的反隐身功能； 毫米波具有穿透烟、灰尘和雾的能力，可全天候工作。4、毫米波雷达的典型应用4.1 AH-64D“长弓阿帕奇”火控雷达美国在1995年研制并试验完成了“阿帕奇”武装直升机AN/APG-78“长弓”火控雷达,雷达的工作频率为35 GHz,采用相干多普勒脉冲体制,是目前最典型的直升机载多功能毫米波雷达。雷达天线和固态射频单元等组合装于直升机的主发动机桅杆上,低频单元和信号处理等部分置于机舱内。“长弓”雷达和“阿帕奇”武装直升机的火控系统接口,与采用95GHz有源毫米波成像(MMWI)雷达制导的“长弓地狱火”导弹交联,可提供对地面、低空和水面目标的快速目标搜索、自动目标检测、目标分类和威胁等级排序等功能。AH-64D“长弓阿帕奇”武装直升机是根据美国陆军计划研制的先进的武装直升机，它是发展和采购毫米波雷达空/地目标系统的项目。这种直升机能在恶劣的天气条件下昼夜执行反坦克任务，并且有很强的战斗、救生和生存能力，它代表了美国八十年代直升机的技术水平。AH-64D武装直升机是AH-64A型的改进型，被称为“长弓阿帕奇”。通过提高生存能力、杀伤力、通用性以及长期可靠性，“长弓阿帕奇”武装直升机将显著的增强联合兵种战斗队的作战能力。该直升机的任务是进行后方、近距离和纵深作战以及精确打击，在恶劣气候条件下可以昼夜完成武装侦察和警戒的任务。4.2 “长弓海尔法” AGM-114L型 导弹导引头“长弓”“发射后不管”反坦克系统是美国陆军20世纪8090年代主要武器系统发展计划之一,装在波音公司制造的AH-64D攻击直升机上,目的是使AH-64D在雨、雾、烟、尘等恶劣气候和低能见度条件下,不分昼夜均具有高精度探测、分类和作战的能力。军方对系统的雷达和导弹寻的器都要求重量轻、体积小、分辨率高、全天候工作,因此只能选择毫米波频段。1992年,美国陆军决定开发一种新型的配备毫米波主动雷达寻的器的“地狱火”导弹,后来称作“长弓地狱火”导弹,代号为AGM-114L,用于“长弓阿帕奇”武器系统,用来打击地面坦克装甲部队等。“长弓地狱火”导弹的毫米波导引头工作频率为94 GHz,作用距离为1216 km,对于近程目标或动目标,AGM-114L毫米波寻的器能利用APG-78雷达或直升机目标捕获与标定瞄准具(TADS)送来的数据在发射前锁定目标;而在打击远程固定目标时,则对准目标方向发射导弹,并在毫米波寻的器锁定目标进行末制导(最终瞄准)前,利用惯性导航系统对导弹进行控制。4.3 PAC-3型地空导弹导引头“爱国者”导弹PAC-1、2型采用的是雷声公司研制的自动引爆弹头,当导弹接近目标时, PAC通过引爆形成碎片袭击目标,杀伤效果有限。为此,美国陆军制订了新型“爱国者”导弹PAC-3改进计划,其主要内容就是研制新型的毫米波寻的器,直接击中引爆而提高杀伤力。针对弹道导弹和巡航导弹拦截任务, PAC-3总承包商洛马导弹和火控公司决定采用8 mm主动探测器,改装后的毫米波寻的器装入PAC-3导弹弹头。PAC-3在美军对伊拉克的“自由伊拉克”行动中发挥了巨大的作用,有效地拦截了伊拉克向美军设在科威特的指挥部发射的“飞毛腿”导弹。PAC-3防空导弹系统配备的AN/MPQ-53相控阵火控雷达的工作频段为C频段(48 GHz )具有搜索、跟踪和引导等