感测与侦测讲解

感测与侦测讲解1.0侦测子系统Sensors是兵器系统构成的第一个子系统，为兵器系统的耳目它的作用为「获得目标信息」，以及「认知周遭环境状况」，亦即所谓的提供「战场知觉」（battlespaceawareness）。1.0侦测子系统以二种方式取得信息主动式：

由系统发出侦测讯号，并接收该讯号被目标反射回来的信号(Signal)，以取得目标信息。(侦测)例如：雷达、声纳(主动模式)被动式：

系统以接收周遭环境或目标的信号来取得环境或目标信息。(感测)例如：温度计、雷射导引飞弹1.0主要侦测信号类别(SignalTypes)一般而言，侦测子系统主要以下列类别的信号，来遂行其感侦测目的：电磁波声波光电信号(红外光、雷射光…)压力波热辐射依此信号类别，本章依最常见的侦测系统，编列波、雷达、声纳以及光电方面的介绍。至于热辐射及压力波，则予略过。1.1波1.1.1波的参数1.1.2波的行进1.1.3频率域与时间域1.1.4电磁波感测与侦测1.1波(Waves)

是能量在空间中扰动的传递上图的能量扰动为（风＋重力）使水面形成波浪1.1.1波的参数TheParametersofaWave波长(λ)：波形重复出现的距离振幅(Α)：最大扰动值－平均扰动值相位(Φorθ)：波起始时的角差正弦波SineWavey=Sin(x)1.1.1.3相位(Φorθ)：波起始时的角差上比下超前90度或落后270度1.1.2波的行进Travelingwaves一个波行过所需的时间，称为周期（T）单位时间内行过的波数，称为频率（f）频率与周期互为倒数（f=1/T）波行进的速度（v）为一常数，但会因传递时介质的不同而改变速度。fλ＝c；波速＝单位时间内波数×波长散射关系式，波速根据频率的高低改变光穿过三菱镜时，因介质改变使各色光（频率不同）速度不同，各色光依此分开。1.1.2波的行进分光散射由疏介质进入密介质，频率较高的光产生较大的速度改变，因而产生分光现象。1.1.3频率域与时间域频率域较时间域简单1.1.3频率域与时间域

1.1.4电磁波：电场与磁场扰动所生的能量波1.1.1.1电磁波的传递速度：同光速点发射源放出的电磁波，以球状向外扩张反射：

入射角等于反射角

入射波相位与反射波相位相差180度折射、干涉现象同光的行进1.1.1.2电磁波对人体是不是有影响？１９７４年丹佛大学研究报告指出，在高压电线杆４０公尺范围内之住家民众，罹癌机率较高(此研究已被发现使用伪造研究数据)。微波炉的发明—美国海军的雷达实验微波炉使用2450兆赫电磁波现行大哥大是900与1800兆赫1.2雷达1.2.1雷达基本原理1.2.2天线及雷达波波套形成1.2.3雷达大部组成感测与侦测1.2雷达RADAR雷达之名的由来：RADAR

是RAdioDetectionAndRanging的缩写，而中文的雷达，是RADAR的直接音译Radio：指电磁波。大部分的雷达，使用波长1~300厘米，亦即频率1~300GHz的电磁波。(电磁波波长可介于10-6

到107

公尺).Detection:侦知。指藉由接收物体所反射回来的电磁波，来侦知物体的存在Ranging:测距。计算发波与回波的时间间隔，即可得知物体与我之间的距离R=cΔt/2。雷达，若以意译，则为电磁波侦知测距仪1.2.1雷达基本原理1.2.1.1何谓脉波pulsewave1.2.1.2脉波雷达参数1.2.1.3脉波雷达效能感测与侦测1.2.1雷达基本原理1.2.1.1何谓脉波pulsewave脉波，指间歇性的波。它会持续一段时间，然后停一段时间，如此间歇地发生。脉波可以是有规律的，例如每隔X时间，有Y时间的波动出现。而此Y时间的波动，又可以有自己的频率和持续时间。电磁波的脉波型式，是雷达侦测的基础。因为它可以很明确地计算出发射信号与反射信号间的时间差，进而计算目标的距离PRT(脉波来复时):每隔多少时间会有一个脉波。PRF(脉波来复频):脉波出现的频率，亦即单位时间内有几个脉波，PRF=1/PRTPW

(脉波寛度):指脉波中，波动持续的时间RT

(停止时间):指脉波中，没有波动的时间RF(发射频率):指波动的频率1.2.1.2脉波雷达参数1.2.1.3脉波雷达效能脉波宽度(PW)的影响距离解析力：RRES=cPW/2侦测最近距：RMIN=cPW/2脉波来复时(PRT)的影响最远可侦距离,

RUNAMB=cPRT/2=c/(2PRF).RotationRate旋转率最远可侦距MaximumRange

真实距离UnambiguousRange1.2.2天线及雷达波波套形成1.2.2.1天线1.2.2.2雷达波波套形成感测与侦测1.2.2.1天线天线的功用是将流于其上的电流隅合成电磁波发送出去，或是应空间中电磁波的改变，将其变为电流信号传送给接收机。最简单的天线是双极式(dipole)天线。双极式(dipole)天线1.2.2.2雷达波波套形成所谓雷达波波套(Loab)，指的是具有方向性的电磁波束。将电磁波聚焦为波束，可以在相同电磁波强度下，节省能量，以及确定能量方位。将电磁波形成波套，一般使用两种方法：以天线将其他方向的电磁波反射，使其于某方向形成波套使用电磁波干涉消长现象，使用相位差来形成某方向的波套反射式天线

将能量聚焦成律定完整的波套MainLobeSideLobeθΦminoverallcoveragebeamnumber=360/Θ相位式波套形成原理消减性干涉区增强性干涉区相位式波套形成原理(相位阵列雷达，PAR)D1.2.3雷达大部组成1.2.3.1发射机1.2.3.2接收机1.2.3.3电源供应器1.2.3.4同步器及收发转换器感测与侦测发射机接收机同步器复示器天线收发转换器1.2.3雷达大部组成电源1.2.3.1发射机Transmitter功能产生电磁波并将其调变为脉波串将发射信号功率提高至适当的大小，使其能提供适当的侦测距离。基本组件磁控管

(magnetron)：产生电磁微波的震荡器(oscillator)放大器

(amplifiers)：将功率提高1.2.3.2接收机Receiver功能感测(Sense)回波放大回波信号，供后续处理及显示重要特性将回波信号由背景噪声中分辨出来的能力信号噪声比＝信号功率/噪声功率

signal-to-noise

ratio=S/NMissandFAR1.2.3.3供电器PowerSupply功能：提供系统各种不同功率及电压的电源在整个雷达系统之中，发射器(transmitter)是耗电最多的组件：发射器将能量累积并提高，才能将其产生的脉波，在经过远距离的传送后，仍具有可被感测到的能量。脉波中所发射出去的功率，称为峰值功率(peakpower)。它较供应到发射器的平均功率要高出许多。1.2.3.4同步器及收发转换器同步器(Synchronizer):同步器管制雷达各部件并为新脉波归零计时器收发转换器(Duplexer):切换天线连接到发射机或接收机的切换开关同步器发出脉波起始信号

收发转换器将天线接到

发射机同步器发出脉波结束信号

收发转换器将天线接到

接收机1.3声纳1.3.1最早的声纳1.3.2工作原理1.3.3水中声学感测与侦测1.3声纳Sonar声纳一词，是英文SONAR

的音译。SONAR是SOundNavigationAndRanging的缩写，意为声音导航及测距系统。声纳系统在许多方面与雷达系统类似，只不过它是利用水中传递的声波来通信、导航、侦测、与追踪，而雷达则是以电磁波来完成上述工作。声纳以水为工作介质，受环境因素(盐度、温层、密度等)影响极大。1.3.1最早的声纳意大利人达文西(LeonardodaVinci,1452-1519)

是最早记述水中听音装备的人。1490年，他把长管插入水中，听到远方船只所发出的声音，后来人将之称为文西管这种方式后为人们在第一次世界大战时采用，多管组成的水中听音器出现，成为声纳的前身。1.3.2工作原理声纳基本上可分为被动式与主动式二种。被动式指「只听不发」──只利用声纳的音鼓与接收机来收听水中的音波，分辨其方位、性质与种类，基本上无法测得目标距离。主动式声纳则指「发波后听」──以本身声纳的发波机发出一个音响，然后收听该音响的回音，可以测知目标方位、距离、大小、速度等信息。1.3.3水中声学声纳以在水中行进的声音来侦(感)知目标，水中声速对声纳而言相当重要。水中声速依不同温度、压力及盐度改变，可以下列公式表示：

fλ=c(T,p,S)；其中T：温度Temperature，每升高10C

约快3m/sp：压力Pressure，每深100公尺

约快1.7m/sS：盐度Salinity，每增加1ppt(partperthousand)

约快1.3m/s海洋不同的天气，造成水中声速有许多不同的变化或可区分为不同的音速层深同温层温跃层季节感温层负深速、正深速与水面导管效应阴影区与水中导管效应1.4光电1.1.1频谱1.1.2红外光1.1.3雷射光感测与侦测1.1.1频谱ElectromagneticSpectrum10876543210-1-2-3-4-5-6-7-8-9-10-11-12-13-14-1510-16发

丝

75μ波长原

子

0.55nm电

子

2.8fmX射线光电ELFVLFLFMFHFVHFUHFSHFEHF海

浬

1852m地球

半径

6380km10012345678910111213141516171819202122231024频率微波音频20-20kAMFMRadarInfrared

可见光紫外光Gamma射线1.1.2红外光1.1.3雷射光LASER兵器系统设计，唯一被选中的光电放射源雷射，是英文LightAmplificationbytheStimulatedEmissionofRadiation的缩写。大部分的雷射均具有频宽(bandwidth)极窄的特性，而同一性

(coherence)

则指雷射光在频率及相位的单一性。现用的雷射源有：氦-