炮瞄雷達天線點頭搜索機構的設計

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黃河科技學院畢業(yè)設計（文獻綜述） 第 6 頁 畢業(yè)設計 文獻綜述 院（系）名稱 工學院機械系 專業(yè)名稱 機械設計制造及其自動化 學生姓名 指導教師 2012年 03 月 15 日 摘要：隨著科技的不斷發(fā)展，雷達的應用也愈加廣泛。如果說雷達是其他設備的眼睛，那么天線就是雷達的眼睛。本文通過介紹雷達的作用、工作原理、發(fā)展過程及發(fā)展現(xiàn)狀等凸顯雷達在現(xiàn)代技術行業(yè)的重要性以及雷達性能改進的必要性，增強對雷達整體的了解，為后邊的設計做好鋪墊 關鍵詞：雷達 點頭搜索 俯仰角 前言：雷達所起的作用和眼睛相似，但它已經不是大自然的杰作，同時，它的信息載體是無線電波。 事實上，不論是可見光或是無線電波，在本質上是同一種東西，都是電磁波，傳播的速度都是光速C,差別在于它們各自占據的波段不同。其工作原理是雷達設備的發(fā)射機通過天線把電磁波能量射向空間某一方向，處在此方向上的物體反射碰到的電磁波；雷達天線接收此反射波，送至接收設備進行處理，提取有關該物體的某些信息(目標物體至雷達的距離，距離變化率或徑向速度、方位、高度等)。 雷達的優(yōu)點是白天黑夜均能探測遠距離的目標，且不受霧、云和雨的阻擋，具有全天候、全天時的特點，并有一定的穿透能力。因此，它不僅成為軍事上必不可少的電子裝備，而且廣泛應用于社會經濟發(fā)展(如氣象預報、資源探測、環(huán)境監(jiān)測等)和科學研究(天體研究、大氣物理、電離層結構研究等)。星載和機載合成孔徑雷達已經成為當今遙感中十分重要的傳感器。以地面為目標的雷達可以探測地面的精確形狀。其空間分辨力可達幾十米到幾米，且與距離無關。雷達在洪水監(jiān)測、海冰監(jiān)測、土壤濕度調查、森林資源清查、地質調查等方面顯示了很好的應用潛力。 一、雷達的簡述 雷達是利用無線電波來測定物體位置的無線電設備。英文radar原是“無線電探測與定位”的英文縮寫，其基本任務是探測感興趣的目標，測定有關目標的距離、方位、速度等狀態(tài)參數(shù)。主要由天線、發(fā)射機、接收機（包括信號處理機）和顯示器等部分組成。 雷達工作是通過發(fā)射機產生足夠的電磁能量，經過收發(fā)轉換開關傳送給天線。天線將這些電磁能量輻射至大氣中，集中在某一個很窄的方向上形成波束，向前傳播。電磁波遇到波束內的目標后，將沿著各個方向產生反射，其中的一部分電磁能量反射回雷達的方向，被雷達天線獲取。天線獲取的能量經過收發(fā)轉換開關送到接收機，形成雷達的回波信號。由于在傳播過程中電磁波會隨著傳播距離而衰減，雷達回波信號非常微弱，幾乎被噪聲所淹沒。接收機放大微弱的回波信號，經過信號處理機處理，提取出包含在回波中的信息，送到顯示器，顯示出目標的距離、方向、速度等。 為了測定目標的距離，雷達需要準確測量從電磁波發(fā)射時刻到接收到回波時刻的延遲時間，這個延遲時間是電磁波從發(fā)射機到目標，再由目標返回雷達接收機的傳播時間。根據電磁波的傳播速度，可以確定目標的距離為： S=CT/2 其中S：目標距離 T：電磁波從雷達到目標的往返傳播時間 C：光速 雷達測定目標的方向是利用天線的方向性來實現(xiàn)的。通過機械和電氣上的組合作用，雷達把天線轉向要探測的方向，一旦發(fā)現(xiàn)目標，雷達讀出天線轉過的指向角，就是目標的方向角。兩坐標雷達只能測定目標的方位角，三坐標雷達可以測定方位角和俯仰角。 測定目標的運動速度是雷達的一個重要功能，雷達測速利用了物理學中的多普勒原理。當目標和雷達之間存在著相對位置運動時，目標回波的頻率就會發(fā)生改變，頻率的改變量稱為多普勒頻移，多用于確定目標的相對徑向速度。具有測速能力的雷達，例如脈沖多普勒雷達，要比一般雷達復雜得多。 二、雷達的分類及應用簡述 雷達的用途廣泛，種類繁多，分類的方法也非常復雜。通?？梢园凑绽走_的用途分類，如預警雷達、搜索警戒雷達、無線電測高雷達、氣象雷達、航管雷達、引導雷達、炮瞄雷達、雷達引信、戰(zhàn)場監(jiān)視雷達、機載截擊雷達、導航雷達以及防撞和敵我識別雷達等。除了按用途分，還可以從工作體制對雷達進行區(qū)分。這里就對一些新體制的雷達進行簡單的介紹。 ⒈雙/多基地雷達 普通雷達的發(fā)射機和接收機安裝在同一地點，而雙/多基地雷達是將發(fā)射機和接收機分別安裝在相距很遠的兩個或多個地點上，地點可以設在地面、空中平臺或空間平臺上。由于隱身飛行器外形的設計主要是不讓入射的雷達波直接反射回雷達，這對于單基地雷達很有效。但入射的雷達波會朝各個方向反射，總有部分反射波會被雙/多基地雷達中的一個接收機接收到。 ⒉相控陣雷達 我們知道，蜻蜓的每只眼睛由許許多多個小眼組成，每個小眼都能成完整的像，這樣就使得蜻蜓所看到的范圍要比人眼大得多。與此類似，相控陣雷達的天線陣面也由許多個輻射單元和接收單元（稱為陣元）組成，單元數(shù)目和雷達的功能有關，可以從幾百個到幾萬個。這些單元有規(guī)則地排列在平面上，構成陣列天線。利用電磁波相干原理，通過計算機控制反饋往各輻射單元電流的相位，就可以改變波束的方向進行掃描，故稱為電掃描。輻射單元把接收到的回波信號送入主機，完成雷達對目標的搜索、跟蹤和測量。每個天線單元除了有天線振子之外，還有移相器等必須的器件。不同的振子通過移相器可以被反饋入不同的相位電流，從而在空間輻射出不同方向性的波束。天線的單元數(shù)目越多，則波束在空間可能的方位就越多。這種雷達的工作基礎是相位可控的陣列天線，“相控陣”由此得名。 相控陣雷達的優(yōu)點如下： （1）波束指向靈活，能實現(xiàn)無慣性快速掃描，數(shù)據率高； （2）一個雷達可同時形成多個獨立波束，分別實現(xiàn)搜索、識別、跟蹤、制導、無源探測等多種功能； （3）目標容量大，可在空域內同時監(jiān)視、跟蹤數(shù)百個目標； （4）對復雜目標環(huán)境的適應能力強； （5）抗干擾性能好。 相控陣雷達與機械掃描雷達相比，掃描更靈活、性能更可靠、抗干擾能力更強，能快速適應戰(zhàn)場條件的變化。多功能相控陣雷達已廣泛用于地面遠程預警系統(tǒng)、機載和艦載防空系統(tǒng)、機載和艦載系統(tǒng)、炮位測量、靶場測量等。隨著微電子技術的發(fā)展，固體有源相控陣雷達得到了廣泛應用，是新一代的戰(zhàn)術防空、監(jiān)視、火控雷達。 ⒊寬帶／超寬帶雷達 工作頻帶很寬的雷達稱為寬帶／超寬帶雷達。隱身兵器通常對付工作在某一波段的雷達是有效的，而面對覆蓋波段很寬的雷達就無能為力了，它很可能被超寬帶雷達波中的某一頻率的電磁波探測到。另一方面，超寬帶雷達發(fā)射的脈沖極窄，具有相當高的距離分辨率，可探測到小目標。目前美國正在研制、試驗超寬帶雷達，已完成動目標顯示技術的研究，將要進行雷達波形的試驗。 ⒋合成孔徑雷達 合成孔徑雷達通常安裝在移動的空中或空間平臺上，利用雷達與目標間的相對運動，將雷達在每個不同位置上接收到的目標回波信號進行相干涉處理，就相當于在空中安裝了一個“大個”的雷達，這樣小孔徑天線就能獲得大孔徑天線的探測效果，具有很高的目標方位分辨率，再加上應用脈沖壓縮技術又能獲得很高的距離分辨率，因而能探測到隱身目標。合成孔徑雷達在軍事上和民用領域都有廣泛應用，如戰(zhàn)場偵察、火控、制導、導航、資源勘測、地圖測繪、海洋監(jiān)視、環(huán)境遙感等。 ⒌毫米波雷達 工作在毫米波段的雷達稱為毫米波雷達。它具有天線波束窄、分辨率高、頻帶寬、抗干擾能力強等特點，同時它工作在目前隱身技術所能對抗的波段之外，因此它能探測隱身目標。毫米波雷達還具有能力，特別適用于防空、地面作戰(zhàn)和靈巧武器，已獲得了各國的高度重視。 ⒍激光雷達 工作在紅外和可見光波段的雷達稱為激光雷達。它由激光發(fā)射機、光學接收機、轉臺和信息處理系統(tǒng)等組成，激光器將電脈沖變成光脈沖發(fā)射出去，光接收機再把從目標反射回來的光脈沖還原成電脈沖，送到顯示器。隱身兵器通常是針對微波雷達的，因此激光雷達很容易“看穿”隱身目標所玩的“把戲”；再加上激光雷達波束窄、定向性好、測量精度高、分辨率高，因而它能有效地探測隱身目標。激光雷達在軍事上主要用于靶場測量、空間目標交會測量、目標精密跟蹤和瞄準、目標成像識別、導航、精確制導、綜合火控、直升機防撞、化學試劑監(jiān)測、局部風場測量、水下目標探測等。 三、雷達天線點頭技術 隨著雷達技術應用的越加廣泛，雷達系統(tǒng)的不足也越加凸顯。其中掃描范圍的不足就是雷達技術的一個嚴重缺陷。傳統(tǒng)的雷達已經不能滿足日益增長的要求，如何解決這些問題已經迫在眉睫。 雷達是通過天線輻射電磁波搜尋目標的，天線的性能會直接影響雷達的工作性能。通過增大雷達天線的輻射面積是擴大搜索范圍的一個途徑。但受到安裝空間及環(huán)境等因素的影響，雷達天線的面積不可能無限制的增大。因此要通過其他方法解決這一問題。 本次設計就是通過另一途徑改善雷達天線的工作模式，實現(xiàn)天線的點頭技術，擴大電磁波的輻射范圍，增大雷達發(fā)現(xiàn)目標的概率。所謂的天線點頭技術就是在雷達天線周向掃瞄的同時以一定的頻率作俯仰運動，將雷達波束以天線面為基礎整體以一定的頻率震動，從而增大天線在垂直方向上的掃描范圍。應用雷達天線的點頭搜索機構增大雷達的掃描面積不會受到空間等因素的限制，更加利于實現(xiàn)。 四、雷達點頭技術的發(fā)展動態(tài)及發(fā)展趨勢 早期廣泛運用的測量目標高度的雷達是點頭式雷達。這種雷達通過整個天線結構擺動或“點頭”，使具有窄垂直波束寬度的扇狀水平波束在仰角上實現(xiàn)機械掃描，如圖4.1所示。當雷達天線連續(xù)不斷地向目標發(fā)射脈沖時，主瓣返回的目標回波通過距離——高度顯示器（RHI）顯示給操縱員，并通過被稱為“波束分層”的處理，即通過測量顯示的目標視頻信號的中心，操縱員可精確地直接測量目標的高度。盡管一些點頭式天線測高雷達有一種慢方位旋轉搜索模式，但大多數(shù)仍依靠操縱員的方位指示。操縱員通過兩坐標監(jiān)視雷達觀察探測對象，同時由測高雷達測量高度。測高雷達旋轉到所需的方位從而得到高度和距離的測量值。和3D雷達相比，這種操作方法速度較慢且在多方位目標跟蹤能力上受到限制，從而嚴重限制了人工點頭式天線的測高雷達在軍事上的使用。 4.1點頭天線示意圖 有幾種采用點頭式天線的測高雷達，如著名的英國13型雷達（AMES 13型雷達）和得到廣泛應用的美國AN/TPS—10雷達出現(xiàn)在20世紀40年代的中后期，且高頻技術也開始出現(xiàn)[6]。AN/TPS—10 X波段點頭式天線測高雷達系列被AN/FPS—6，即一種專為美軍設計的S波段點頭式天線雷達所取代。AN/MPS—14雷達是這種雷達的移動型，AN/FPS—89是其改進的固定型。AN/FPS—6雷達的仰角波束寬度是0.9°，方位波束寬度是3.2°，整個天線以每分鐘20～30次的速率點頭。這種雷達能以每秒45°的速率進行方位掃描，以300～400Hz的重復頻率發(fā)射2ms的脈沖，其峰值功率為4.5MW。 后繼型號的點頭式雷達數(shù)據率比它的先輩有了明顯的提高。例如，S600系列C波段點頭式天線測高雷達由計算機控制和管理，以便最大限度地提高數(shù)據率，每分鐘能夠獲得22個高度測量值。 當然，利用機電手段代替通過機械擺動的整個天線結構，也可使得在仰角上快速掃描水平扇狀波束成為可能。許多使用巧妙的波束掃描方法的點頭波束測高雷達已經成功地應用了許多年。兩個著名的例子是二戰(zhàn)中使用的SCI雷達和AN/SPS—8艦載雷達，它們都運用Robinson型的機電方式來實現(xiàn)仰角上波束的快速掃描。 五、參考文獻 [1] 丁鷺飛, 張平編. 雷達系統(tǒng)[M]. 西安：西北電訊工程學院出版社, 1984 [2] 劉永坦. 雷達成像技術[M]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學出版社, 1999. [3] 張直中, 合成孔徑、逆合成孔徑和成像雷達. 現(xiàn)代雷達編輯部, 1986 [4] http://wenku.baidu.com/view/32f10d7202768e9951e738f8.html [5] 林瑞平，火控雷達搜捕目標的方式. 桂林空軍學院，2003 [6] S.A. 霍凡尼斯恩, 合成陣與成象雷達導論[M]. 北京: 宇航出版社, 1986 [7] 保錚, 邢孟道, 王彤. 雷達成像技術[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2005