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雷达设备的工作原理介绍

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发表于 2015-5-3 20:46:26 | 显示全部楼层 |阅读模式
各种远程警戒雷达,经常监视着一定扇形区域内的空间,不使任何一架飞机悄悄地接近我们所保护的目标。雷达站上的值班观察员们,日日夜夜全神贯注地注视着指示器荧光屏。在这些荧光屏上可能出现光标(雷达上称为敌机)。看到出现这种光标时,观察员应立即用电话或无线电,报告给自己的指挥员。这些情报再传送给歼击机大队和高射炮兵。歼击机群就起飞截击敌机,进行空战。同时,高射炮兵部队,在所保护的目标的邻近地带,为敌人准备好它所应得的接待。没有雷达站,防空任务就大为复杂。要经常派出大量巡逻机,在防空要冲地点的上空,不断地巡逻,就是这样还不能保证及时地发现敌机。而在有雷达的条件下,高射炮兵的战门勤务,变得更为有效。远程警戒雷达根据飞机的构造不同,能在150公里和更远的距离上发现高空飞行的飞机。要是敌机隐蔽在地球弧面之后,企图接近我们所保护的目标更近些。它们将被低空警戒雷达所发现。低空警戒雷达工作于公分波段。它的天线的方向图好像紧贴地面似的(图1.б);工作波长较长的远程警戒雷达,它的天线的方向图,有好些与水平线形成很大角度的波瓣(图1.α)。这种波瓣之所以形成,是由于天线发射的电磁能量,分两路传播:它的一部分直接发射到空间;而另一部分首先经地面反射,再发射到空间去。因此,这两路上的各电磁波,以不同的相位到达空间的不同地点。在空间的某些点上,振幅相加;而在空间的另外一些点上,由于相位差而使电磁场总的强度减弱。于是就在这些地方形成了放射方向图各波瓣之间的“盲区”。

雷达方向图

雷达方向图

我们再仔细点来研究一下,看看地面对空远程警戒雷达是怎样工作的。定时器是雷达的“心脏”。它是一种使发射机、接收机及指示器的工作同步的装置(图2)。

雷达方块图

雷达方块图

定时器的主要组成部分是触发脉冲发生器。这些脉冲控制着雷达发射机的调制器、指示器的扫掠部分和其他各部件。定时器应该严格地每隔一定时间产生出脉冲。目标坐标的准确程度主要依此而定。脉冲重复频率是雷达最重要的参数之一。这一数值不能随便选定。雷达站作用距离愈大,则脉冲重复频率应愈低。这是为要保证在两相邻发射脉冲之间的静止期,能接收到从最远目标反射回来的信号。我们要是以C代表电波传播速度(3×105公里);以t代表电波由天线发射出去,从目标反射回来,再为雷达天线所接收之间的时间,则目标离雷达站的距离Д可由下式算出:
移项.png
因此静止期的宽度必须大于t秒,方能在第二脉冲发出之前接收到来自距离Д上的目标的反射信号。例如,假设雷达最大作用距离等于150公里,则由第二式得知:发射机两相邻脉冲间的静止期,应不短于0.001秒,亦即发射不应多于每秒钟1000次。在定时器的触发脉冲的作用下,在调制器中形成一连串的、一定宽度、间隔和振幅的矩形调制脉冲,用来推动特高频振荡器。特高频振荡器经天线收发开关进入天线,而由天线发射出去。

雷达距离分辨率

雷达距离分辨率

一般叫做“主波”的发射脉冲的宽度(自然也就是反射脉冲的宽度),也是一个很重要的参数。它决定雷达站的距离分辨率;分辨率就是雷达能保证分别看出位于某一距离上的两个或两个以上的目标的能力(图3)。

雷达方位角分辨率

雷达方位角分辨率

雷达的方位角分辨率由水平面上方向图的宽度决定(图4)。现在几乎没有例外地,是采用多腔磁控管作公分波的振荡器,它能产生功率大时间短促(例如,宽度仅1微秒)的高频脉冲。

多腔磁控管构造

多腔磁控管构造

多腔磁控管的外形如图6所示。根据著名的苏联学者M.A.鲍奇—伯鲁维奇所发表的意见,他的同事H.Ф.阿列克谢耶夫和Д.E.马里雅洛夫两位工程师在1936—1937年间第一次制成了磁控管。

根据上档自一波伴飞到另一波伴的过渡测定目标高度

根据上档自一波伴飞到另一波伴的过渡测定目标高度

雷达可能作用距离可以由下式算出:
计算出.png
这里
Pn——发射机所发射的脉冲功率(峰值功率);
G——天线增益系数,由于发射和接收时天线的谐振性能和方向性而得到的;
б——目标有效面积,即表示目标反射和散射无线电波性能的一个数字;
POTP——在有杂音条件下,尚能接收反射信号的反射信号最小功率。
由这一公式可以看到,若雷达站的其他参数不变,增加发射机功率,例如增到原来的16倍(这是相当困难的),而雷达作用距离仅增加2倍。用提高接收机灵敏度和降低接收机杂音水平的方法,也可以增长雷达的作用距离。但是因为现代的设计师们已经做到了极限,再用这些方法,也不可能获得多大的成效了。也可以用缩窄方向图以提高天线增益的办法,来增加作用距离。但这样一来,所得的方向图过于狭窄,使得很难搜索到目标。在脉冲式雷达中,可以在静止期将能量自电源取出并贮存起来,接着就很快地将贮存的能量用于发射;用这个办法,可以在供电电源功率比较小的条件下,得到功率很大的瞬时脉冲(峰值功率达到1000千瓦)。我们已经讲过,射频脉冲自振荡器经过天线收发开关而到天线。
收发开关的作用实际上是没有惯性的。在现代脉冲式雷达站上照例是只用一付公用的天线,轮流地接到射频脉冲振荡器的输出端和接收机的输入端。发射时,天线收发开关将接收机输入端短路,因而保护了接收机不至于过荷。这时发射波能量仅有很小一部分进入接收机。在接收时,即相当于比较长些的静止期的时间内,天线收发开关将到发射部分的线路(波导管)封闭;因而接收时使原来就是很微弱的反射信号(数十亿分之一瓦特)的能量不致损失。在发射时,天线将馈电线或波导管送来的射频电能向一定方向上发射出去。为了实现雷达对空间的观察,雷达站天线在规定的扇形监视区域中来回转动,或一圈一圈的转动;转动有自动的也有手转动的。自目标反射回来的信号为同一天线所接收,再自天线经波导管(或馈电线)直接加到混频器,或先经高频放大器再加到混频器。然后,信号在中频上加以放大,进入第二检波器。
自检波器出来已经成了直流脉冲的信号,加到装置和工作均与电视中宽频带影像信号放大器相似的放大器上(因此这放大器也叫视频放大器)。信号自这放大器的输出端进到指示器。指示器包括有阴极射线管和阴极射线管所需要的扫掠电压的发生器。目标距离一般是自指示器萤光屏上直接读出。方位角是根据与天线对准目标相当的光标在阴极射线管萤光屏上的位置来决定。远方警戒时准确的测定仰角,也就是测定目标飞行高度,是困难的。近似地测定远距离目标飞行高度有好几种方法。其中最简单的一种,就是根据目标由方向图的一个波瓣飞到另一波瓣的过渡来测出高度(图6)。雷达在垂直面上的方向图是怎样的已很清楚的知道,观察员可以根据目标暂时的消失或目标光点大大减弱来测出高度。

空军指挥雷达、炮瞄雷达、雷达探照灯
其他地面雷达——指挥雷达、炮瞄雷达、雷达探照灯——与远程警戒雷达的区别,仅在于由于这种或那种雷达的用途而具有的某些特点而已。对指挥雷达的要求是测定目标坐标要更准确。在这种雷达上,观察员一面注视着目标和自己的飞机,一面用无线电指示自己的飞机,并将它引导到离敌机约几公里的地方。然后歼击机飞行员开始使用飞机上的拦截雷达,并向敌机冲击。炮瞄雷达——对炮瞄雷达它的要求是目标坐标测定的准确度更高、分辨率更高。由于这个缘故,这类雷达均工作在公分波段;因为公分波能够用尺寸比较小的天线,而又能保证得到波束很窄的方向图。

炮瞄雷达跟踪目标

炮瞄雷达跟踪目标

炮瞄雷达的作用距离较远程警戒雷达是短多了。在雷达作用区域之内,雷达一找着目标,它就应随时将每个时间的目标坐标传递给炮兵指挥仪。指挥仪发出射击数据送到高射炮上。某些类型的炮瞄雷达可以自行跟踪。这是由于:当目标进到雷达波束中,这一波束由于天线抛物柱面反射器中的不对称振子的旋转,而绕目标转动。当目标正位于雷达波束绕目标所扫出的圆锥体的轴线上时,雷达天线总是不动。但一当目标移动(图7),则雷达的一种专门装置受由目标所来信号的作用,自动地产生所谓误差电压,这一误差电压经继电器装置而作用于一电动机,它将天线转到所需要的方向。

雷达探照灯

雷达探照灯

使用雷达探照灯时(图8)就不需搜索,而能照中目标。最常见的雷达探照灯是从警戒雷达获得同标的坐标,然后再自行用雷达进行对目标的监视。利用装在探照灯上的雷达,就可以使探照灯在距开灯以前就已开始跟踪敌机;在必要时刻,当探照灯一开灯时,目标就立即落在光束之中。

引向天线

引向天线

雷达上用着各式各样的天线。在公尺波段和公寸波段的远程警戒雷达上,主要是采用各种体系的多振子天线:一般常遇到的是电视远程接收上也使用的一种所谓引向天线(图9)。在公分波雷达上,常采用抛物柱面反射器形式的天线。这类天线是由位于抛物面形状的金属反射器焦点上的半波振子(图10)或波导管喇叭口辐射器来馈电的。由物理学得知,如天线位于抛物面焦点,则放射将成一很狭的波束。因而这类天线有很好的方向性。
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