第 10章 微波应用系统
10.1
10.2 微波通信系统
10.3 微波遥感系统
第 10章 微波应用系统
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第 10章 微波应用系统
第 10章 微波应用系统
10.1 雷达系统
雷达 （ RADAR） 是微波的最早应用之一 。 RADAR一词
是英文无线电探测与测距 （ Radio Detection And Ranging ）
的缩写 。 雷达的工作机理是, 电磁波在传播过程中遇到物体会
产生反射,当电磁波垂直入射到接近理想的金属表面时所产生
的反射最强烈,于是可根据从物体上反射回来的回波获得被测
物体的有关信息 。
第 10章 微波应用系统
因此, 雷达必须具有产生和发射电磁波的装置 （ 即发射机
和天线 ）,以及接收物体反射波 （ 简称回波 ） 并对其进行检测,
显示的装置 （ 即天线, 接收机和显示设备 。 由于无论发射与
接收电磁波都需要天线,根据天线收发互易原理,一般收发共用
一部天线,这样就需要使用收发开关实现收发天线的共用 。
另外,天线系统一般需要旋转扫描,故还需天线控制系统 。
雷达系统的基本组成框图如图 10 - 1所示 。
传统的雷达主要用于探测目标的距离, 方位, 速度等尺度
信息,随着计算机技术, 信号处理技术, 电子技术, 通信技术
等相关技术的发展,现代雷达系统还能识别目标的类型, 姿态,
实时显示航迹甚至实现实时图像显示 。
第 10章 微波应用系统
图 10 – 1 雷达系统的基本组成框图
收 发 开 关 发射机 定时器
显示器接收机
天 线 控 制 器
第 10章 微波应用系统
所以, 现代雷达系统一般由天馈子系统, 射频收发子系
统, 信号处理子系统, 控制子系统, 显示子系统及中央处理
子系统等组成,其原理框图如图 10 - 2 所示 。
大多数雷达工作于超短波或微波波段,因此在不同的雷达
系统中,既有各种微波传输系统 (包括矩形波导, 阻抗匹配器,
功率分配器等 ),又有线天线, 阵列天线及面天线等天线系统 。
在这里就不一一罗列,而把重点放在介绍几种典型雷达系统的
工作原理,以使读者对雷达系统有所了解 。
1,
由于电磁波具有幅度信息, 相位信息, 频率信息, 时域信
息及极化信息等多种信息,雷达就是利用从目标反射或散射回
来的电磁波中提取相关信息,从而实现测距, 测向, 测速及目
标识别与重建等 。 下面就基本探测原理加以介绍 。
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图 10 – 2 现代雷达系统的组成框图
天 馈 子 系 统
控 制 子 系 统
射 频 收 发
子系统
信 号 处 理
子系统
中 央 处 理
子系统
显 示 子 系 统
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(1)
电磁波在自由空间是以光速这一有限速度传播的 。 设
雷达与目标之间的距离为 s,则由发射机经天线发射的雷达脉
冲经目标反射后回到雷达,共走了 2s的距离 。 若能测得发射
脉冲与回波脉冲之间的时间间隔 Δt,则目标距雷达的距离可
由下式求得,
传统的雷达采用同步扫描显示方式,使回波脉冲和发射
脉冲同时显示在屏上,并根据时间比例刻度读出时差或距离,
现代雷达则通过数字信号处理器将所测距离直接显示或记录
下来 。
tcs ??
2
1
第 10章 微波应用系统
由天线理论可知,在工作频率一定时,波束越窄, 要求天
线的口径越大,反之,天线口径一定,则要求的频率越高,因此
雷达一般在微波波段工作 。 为了实现窄波束全方位搜索,传统
的雷达系统必须使天线波束按一定规律在要搜索的空间进行
扫描以捕获目标 。
当发现目标时,停止扫描,微微转动天线,使接收信号最强
时,天线所指的方向就是目标所在方向 。 从原理上讲, 利用天
线波束尖端的最强方向指向目标从而测定目标的方位是准确
的,但由天线方向图可知,波束最强的方向附近,对方向性是很
不敏感的,这给测向带来了较大的误差,因此这种方法适合搜
索雷达而不适合跟踪雷达 。 单脉冲技术是解决测向精度的有
效方法,这部分内容在后面叙述 。
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(3)
由振荡源发射的电磁波以不变的光速 c传播时,如果接收
者相对振荡源是不动的,那么它在单位时间内所收到的振荡数
目与振荡源产生的相同 ; 如果振荡源与接收者之间有相对接近
运动,则接收者在单位时间内接收的振荡数目比它不动时要多
一点,也就是接收到的频率升高,当两者相反方向运动时接收
到的频率会下降 。 这就是多卜勒效应 。 可以证明,当飞行目标
向雷达靠近运动时,接收到的频率 f与雷达振荡源发出的频率 f0
的频差为
c
vffff t
d
2
00 ???
第 10章 微波应用系统
式中,fd称为多卜勒频率,vr为飞行目标相对雷达的运动速
度 。 可见,只要测得飞行目标的多卜勒频率, 就可利用上式求
得飞行目标的速度 。 这就是雷达测速原理 。
(4)
所谓目标识别就是利用雷达接收到的飞行目标的散射信
号,从中提取特征信息并进行分析处理,从而分辨出飞行目标
的类别和姿态 。 目标识别的关键是目标特征信息的提取,这涉
及到对目标的编码, 特征选择与提取, 自动匹配算法的研制
等过程 。
由于目标识别涉及到电磁散射理论, 模式识别理论, 数
字信号处理及合成孔径技术等多学科知识,而且特征信息提取
的原理, 方法也很多,因此在这里不一一介绍,仅对频域极点
特征提取法加以简单介绍 。
第 10章 微波应用系统
如前所述,从目标反射或散射回来的电磁波包含了幅度,
相位, 极化等有用信息,其中回波中有限频率的幅度响应数据
与目标的特征极点有一一对应关系,因此基于频域极点特征提
取的目标识别方法是根据回波中有限频率的幅度响应数据提取
目标极点,然后将提取的目标极点与各类目标的标准模板库进
行匹配识别,从而实现目标的识别 。
现代许多雷达系统正是根据上述原理不仅能探测飞行目标
的距离, 方位及速度,而且能分辨目标的类别和姿态,以便采取
恰当的进攻或防御策略 。
第 10章 微波应用系统
2,
科学技术的飞速发展,使雷达系统不断推陈出新,雷达的用
途也越来越广,品种繁多,在此不可能全面, 系统地介绍所有的
雷达系统,下面仅对单脉冲跟踪雷达, 相控阵雷达及合成孔径
雷达的工作原理加以简单介绍 。
(1)
前面在探测原理中讲到,用尖锐的方向图的最大值来测向
的误差是较大的,对跟踪雷达来说是不合适的 。 单脉冲技术是
提高测向误差的有效手段 。 由此技术构成的雷达称为单脉冲雷
达 。 下面简单分析其中一种单脉冲雷达的工作原理 。
第 10章 微波应用系统
图 10 - 3馈源口面不对称照射激起 TE10,TE20模单脉冲雷
达采用的天线一般为卡塞格伦天线,其馈源为矩形多模喇叭 。
当天线完全对准目标方向时,接收的电磁波在喇叭馈源中激发
的电磁场只有主模 TE10模,当天线偏离目标方向时,除主模外还
会产生高次模,其中 TE20模会随着天线角度的变化而变化 。 对
如图 10 - 3 所示的矩形喇叭馈源,当目标在喇叭中心线右面时,
使喇叭右侧的能量较大而左侧较小,这时等效为主模 TE10和高
次模 TE20按图中相位关系叠加,即右侧是两个模式分量的相加,
而左侧是两个模式分量的相减 ; 当目标在喇叭中心线左面时,
激起的 TE20模极性与上述情形相反 。
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图 10 – 3 馈源口面不对称照射激起 TE10,TE20模
TE
10
TE
20
嗽叭口面
第 10章 微波应用系统
于是只要设法从喇叭馈源中取出 TE20模,它的幅度随目标
偏离天线轴而增加,相位取决于偏离方向而相差 180°,从而为
单脉冲接收机提供了方向性 。 检测到的角度误差信号去控制
驱动机构使天线转动,改变其方位和俯仰,当误差为零时天线
瞄准目标,从而实现自动跟踪的目的 。 这就是单脉冲雷达的工
作原理 。
(2)
一般雷达对目标的搜索是用机械扫描来实现的,但这种搜
索的速度有限,而且一旦发现目标进入跟踪状态,就不能顾及
来自不同方向的其他目标 。 相控阵雷达就能实现多个目标的
同时跟踪,而且采用自动波束扫描方式实现快速搜索 。
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相控阵雷达实际上是阵列天线的一种应用,它由为数众多
的天线单元组成的阵列,在计算机的控制下对各天线单元的射
频功率和相位进行控制, 从而实现波束的扫描 。 由前面阵列天
线的原理可知：当馈送给阵列天线单元的微波载波幅度与相位
不同时,就得到不同的天线阵列辐射方向图,当随着时间的变化
连续不停地改变单元之间的相位时,便能使形成的波束在一定
的空间范围内扫描 。 这就是称其为, 相控阵雷达, 的原因 。
相控阵雷达的组成原理与其他雷达一样,但相对要复杂一
些,实质上它是由多部, 子雷达, 组成的, 母雷达,,天线波束
的扫描, 组合和赋形以及雷达工作状态的选择, 转换, 目标
的识别等均由计算机来完成 。 它能在几微秒之内,使波束从一
个方向变换到另一个方向,其扫描速度之快是机械扫描雷达望
尘莫及的 。
第 10章 微波应用系统
(3)
要提高雷达的角分辨率,必须增大天线的口径或采用更短
的工作波长 。 这两方面的努力都受到实际条件的限制,而用于
卫星和飞机上的雷达对天线的限制就更严了 。
合成孔径雷达是一种相干多卜勒雷达,它分为不聚焦型和
聚焦型两种 。 不聚焦型合成孔径雷达是利用雷达天线随运载
工具的有规律运动而依次移动到若干位置上,在每个位置上发
射一个相干脉冲信号,并依次对一连串回波信号进行接收存储,
存储时保持接收信号的幅度和相位 。 当雷达天线移动一段相
当长的距离 L后,合成接收信号就相当于一个天线尺寸为 L的大
天线收到的信号,从而提高了分辨率 。 所谓聚焦型合成孔径雷
达是在数据存储后,扣除接收到的回波信号中由雷达天线移动
带来的附加相移,使其同相合成,分辨率更高,当然处理也就变
得更复杂了 。
第 10章 微波应用系统
10.2
利用微波的宽频带特性可以实现多路信号共用同一信道,
具有较大的通信容量,但微波具有视距传播的局限性,因此如何
克服地球曲率和地面上各种障碍物的影响是建立微波远距离通
信的首要条件,其中微波中继通信系统, 卫星通信系统和对流
层散射通信系统是实现微波远距离通信的典型 。 下面就对微波
中继通信系统做以简单介绍 。
微波中继通信也称为微波接力通信 。 由第 7章可知,微波在
空间是直线传播的,设地球上 A,B两点天线的架设高度分别为
h1,h2,则由式 （ 7 -2 -2） 可得两者间的最大传输距离为
第 10章 微波应用系统
)]([1057.3 213 mhhv ????
天线架设高度一般在 100m以下,所以一般视距为 50km
左右 。 因此要利用微波进行远距离传输,必须在远距离的两个
微波站之间设置许多中间站 （ 即中继站 ）,以接力的方式将信
号一站一站地传递下去,从而实现远距离通信,这种通信方式
就称为微波中继通信 。 下面就微波中继的转接方式及 SDH数
字微波通信系统组成做一介绍 。
1,
按传输信号的形式, 微波中继通信可分为模拟微波中继
通信和数字微波中继通信 。 按中继方式可分为基带转接, 中
频转接和微波转接三种 。
第 10章 微波应用系统
所谓基带转接, 是在中继站首先将接收到载频为 fI的微波
信号经混频变成中频信号,然后经中放送到解调器,解调还原出
基带信号,然后又对发射机的载波进行调制,并经微波功率放大
后,以载频 fI′发射出去 。 所谓中频转接, 是指在中继站将接收到
的载频为 fI的微波信号经混频变成中频信号,然后经中放后直接
上变频得到载频为 fI′微波信号,最后经微波功率放大后发射出去 。
显然它没有上下话路分离与信码再生的功能,只起到了增加通
信距离的作用, 这样设备就相对简单了 。 所谓微波转接,是在
中继站直接对接收到的微波信号放大, 变频后再经微波功率放
大后直接发射出去,这种转接的设备更为简单 。 基带转接方式
的框图如图 10 - 4 所示 。
第 10章 微波应用系统
图 10-4 基带转接的原理框图
混
频
中
放
解调
再生
数字
接口
调
制
微波
放大
f
I
f
I
′
主
振
本
振
第 10章 微波应用系统
无论数字信号还是模拟信号,经过长距离的传输,经一站一
站转接后,原始信号将叠加上各种干扰与噪声,使信号质量下降 。
对数字系统一般采用基带转接方式,它可利用数字差错控制技
术实现基带信号再生,从而避免了噪声的沿站积累,这也是数字
微波中继系统主要采用基带转接方式的主要原因,将带再生技
术的中继站称为再生中继站, 有时为了简化设备, 降低功耗,
也可采用混合中继方式,即在两个再生中继站之间的一些中继
站采用中频转接或微波转接 。 对模拟系统, 由于基带电平变化
积累, 基带频响偏移等原因,一般不宜用基带转接方式,而采用
中频转接或微波转接 。
2.SDH数字微波通信系统
数字微波中继通信与光纤通信, 卫星通信一起被称为现代
通信传输的三大主要手段 。
第 10章 微波应用系统
它具有传输容量大, 长途传输质量稳定, 投资少, 建设周
期短, 维护方便等特点,因此受到各国普遍重视 。
同步数字系列 （ SDH） 是新一代数字传输网体制,它是通
信容量迅速增长, 光纤通信持续发展的产物 。 SDH的应用很广
泛,它不仅可用于光纤通信系统,而且在微波传输中也被大量采
用,从而成为数字微波中继通信的主要方式 。 SDH数字微波中
继通信系统广泛采用一些新技术, 诸如, 全新的基带数字信号
处理方式, 高效率的数字载波调制技术, 自适应的发信功率控
制技术等 。 SDH数字微波中继通信系统一般由终端站, 枢纽站,
分路站及若干中继站组成,如图 10 -5 所示 。
第 10章 微波应用系统
图 10 - 5 SDH数字微波中继通信系统组成框图
中继站 枢纽站 分路站 终端站
第 10章 微波应用系统
处于线路两端或分支线路终点的站称为终端站,它可上,
下全部支路信号,配备 SDH数字微波传输设备和复用设备 ; 处于
线路中间,除了可以在本站上, 下某收, 发信波道的部分支路
外,还可以沟通干线上两个方向之间通信的站称为分路站,有时
还完成部分波道的信号再生后继续传输,一般配备 SDH数字微
波传输设备和 SDH分插复用设备,有时还需再生型传输设备 ; 枢
纽站一般处于干线上,需完成数个方向上的通信任务,它要完成
某些波道的转接, 复接与分接,还有某些波道的信号可能需要
再生后继续传输,故这一类站的设备最多 ; 中继站是处于线路中
间不上, 下话路的站,可分为信码再生中继和非再生中继,
SDH系统中一般采用再生中继方式,它可以去掉传输中引入的
噪声, 干扰和失真,这也体现了数字通信的优越性 。
第 10章 微波应用系统
10.3
遥感技术是一门新兴的多学科交叉的综合性科学技术,是
空间技术与电子技术相结合的产物,它是在一定距离以外感受,
探测和识别所需要研究的对象 。 微波遥感是遥感技术的重要分
支之一,它是以地球为研究对象,通过电磁波传感器,收集地面
目标辐射或反射的电磁波,获得其特征信息,经过接收记录, 数
据传输和加工处理,变成人们可以直接识别的信号或图像,从而
揭示被测目标的性质和变化规律 。
微波遥感系统的遥感器, 可分为被动遥感和主动遥感, 它
工作在微波波段 。 所谓被动遥感, 是指遥感器直接接收目标的
反射或散射信号 ; 而主动遥感是指利用人工辐射源向目标发射
电磁波,再接收由目标反射或散射的电磁波 。
第 10章 微波应用系统
由于微波波段的特殊性,微波遥感器具有全天候工作, 对
地表有穿透能力及能提供有别于红外线, 可见光以外的特征信
息等特点,从而使微波遥感在军事上, 民用方面得到了广泛的
应用 。
1,
现代遥感系统由遥感工作平台, 遥感器, 无线电通信系
统及信号处理系统组成,其中遥感工作平台是安装遥感仪器的
运载工具 ; 遥感器是用来接收, 记录被测目标电磁辐射的传感
器, 如扫描仪, 雷达等 ; 无线电通信系统用于控制, 跟踪遥感
仪器设备和传输遥感器所获得的目标信息 ; 信号处理系统用以
分析, 处理, 解译各种遥感信息 。
第 10章 微波应用系统
微波遥感的一般过程是, 地面目标的电磁辐射通过周围环
境 (如大气 )进入遥感器后, 遥感器将目标的特征信息加以接收,
记录和处理后,再以无线电方式送给信息处理系统 ; 信息处理系
统将遥感信息进行加工处理,变成人们能够识别和分析的信号
或图像 。 微波遥感之所以能够根据收集到的电磁辐射信息识别
地面目标和现象,是基于电磁波与物质的相互作用 —— 一切物质
由于其种类 (性质, 形状, 结构等 )和环境条件的不同,它就具有
完全不同的电磁辐射特性 。 当电磁波与物体 (不论是固体, 液体,
气体还是等离子体 )相遇时,会发生各种相互作用,并满足动量和
能量守恒定律 。 在物质表面发生的相互作用称为面效应,电磁
波透入物体表面以下一定距离发生的相互作用称为体效应,相
互作用的结果会使入射波的振幅, 方向, 频率, 相位和极化等
发生变化,从而产生各种有用的特征信息,以此便能识别不同的
物体 。
第 10章 微波应用系统
电磁波与物质的相互作用主要包括入射电磁波的反射, 散
射及透射, 热效应及热辐射等 。 不同的遥感器的作用机制不同 。
2,
微波遥感器是微波遥感系统的关键,它的种类较多,这里主
要介绍微波辐射计和微波成像雷达 。
(1)
我们知道,任何温度高于绝对零度的物体,都会有热辐射,
热辐射的波长范围从 1μm到 1m左右,而热辐射的频率主要取决
于物体的温度和比辐射率 。 比辐射率表示物质通过辐射释放热
量的难易程度,两个在同样环境中温度相同的物体,具有较高比
辐射率的物体将更强烈地辐射出热射线 。
第 10章 微波应用系统
进一步研究还发现,在微波波段,各种物质的比辐射率相差
很大,这种差别为识别物体提供了有用的信息 。 如油脂的比辐
射率比海水高得多,在同样的温度下,油脂对微波辐射计的辐射
能量比海水大很多,因此在海面上有油脂污染时,若将微波辐射
计测得的信号转换成图片,就会看到浅色的油污漂浮在深色的
海面上 。 这就是微波辐射计的遥感原理 。 图 10 - 6所示就是微
波辐射计的一种 ——微波比较辐射计,下面讨论其工作原理 。
从天线接收到的微波辐射能量和参考负载在开关的控制下
交替输入到接收机,开关周期 τs一般为 10-3~10-1s。 于是检波前
部分的输入功率分别来自天线的信号和参考负载的噪声功率,
忽略输入开关的上升, 衰落时间对接收机波形的影响,则平方
律检波后的直流电压为
第 10章 微波应用系统
图 10 – 6 微波比较辐射计工作原理图
开 关 激 励 器 方 波 发 生 器
参考负载
R E C
T ′
等 效 噪 声 源
滤波放大
K B
输入
开关
A
T ′
R E F
T
U
d
＋ 1
－ 1
积分器
U
o u t
第 10章 微波应用系统
CdGkB(TA′+T′REC 0≤t≤τs/2
CdGkB(TREF+T′REC τs/2≤t≤τs
ud=
式中,Cd为平方律检波灵敏度 (V/W),k为玻尔兹曼常数,τs
为开关周期,G,B分别为滤波放大部分的增益和带宽 。 则积分
器输出的平均电压为
][
2/
2/
0 ??
?? s
s
s dtudtuGu
dd
s
p
out
?
?
?
?
式中,Gp为检波输出到积分器输出间的电压增益 。 将式
(10 -3 -1)代入式 (10 -3 -2),并令 Gs=2GpCdGkB,则有
第 10章 微波应用系统
][
2
1
REFASout TTGu ???
可见微波比较辐射计的输出与遥感温度 TA′和参考负载温
度 TREF之差成正比,从而检测到了遥感物体的热辐射功率,这就
是微波比较辐射计的工作原理 。 它与接收机的等效噪声温度
无关,从而保证了测量的稳定性 。
以上介绍了微波比较辐射计的工作原理,其它类型一般是
其改进型,有兴趣的读者可参考有关文献作进一步的了解 。
(2)
主动式微波遥感器实质上就是遥感雷达,它向目标发射微
波信号,由于目标的几何形状, 性质不同,接收到的回波的强度,
极化, 散射特性也不相同,从而可以提取所需信息 。
RECT?
第 10章 微波应用系统
在遥感雷达中,微波成像雷达是最典型的,它能提供目标图
像,因此得到了广泛的应用 。 微波成像雷达可分为真实孔径侧
视雷达和合成孔径侧视雷达两类,在上一节已经简单介绍了合
成孔径雷达的工作原理,下面主要介绍一下真实孔径侧视雷达
(也称为机载侧视雷达 )。
机载侧视雷达是将一个长的水平孔径天线装在飞机的一侧
或两侧,天线将微波能量集中成一个窄的扇形波束并在地面形
成窄带,如图 10 - 7 所示 。 天线将脉冲微波能量相继照射到窄
带上各点,不同距离目标反射回来的回波在接收机中按时间先
后分开,一个同步的强度调制光点在摄影胶片或显示器上横扫
一条线,以便在与目标的地面距离成比例的地方记录目标的回
波,当各条回波记录好后,再发另一个脉冲进行另一次扫描,从
而产生条带状的雷达图像 。
第 10章 微波应用系统
图 10 – 7 机载侧视雷达地面航迹与照射窄带示意图
地 面 窄 带
地 面 航 迹
飞 行 方 向
孔径 D
x
y
第 10章 微波应用系统
这种雷达的方位分辨率会随着距离的增大而迅速变坏 。
而合成孔径雷达则解决了这个问题,大大提高了分辨率,从而得
到了更广泛的应用 。
3,
微波遥感除用在军事上外,还在民用方面, 诸如水文, 农
业, 气象等领域得到了广泛应用, 如下表所示 。
由此可见,微波遥感在保护生态环境, 监测自然灾害等方
面起着越来越重要的作用,这在强调环境保护的今天尤为重要 。
另一方面,随着遥感技术, 信号处理技术, 计算机技术等相关
学科的进一步发展,微波遥感的分辨率会进一步提高,微波遥感
势必为人类的生存与发展作出更大的贡献 。
第 10章 微波应用系统
10.1
10.2 微波通信系统
10.3 微波遥感系统
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10.1 雷达系统
雷达 （ RADAR） 是微波的最早应用之一 。 RADAR一词
是英文无线电探测与测距 （ Radio Detection And Ranging ）
的缩写 。 雷达的工作机理是, 电磁波在传播过程中遇到物体会
产生反射,当电磁波垂直入射到接近理想的金属表面时所产生
的反射最强烈,于是可根据从物体上反射回来的回波获得被测
物体的有关信息 。
第 10章 微波应用系统
因此, 雷达必须具有产生和发射电磁波的装置 （ 即发射机
和天线 ）,以及接收物体反射波 （ 简称回波 ） 并对其进行检测,
显示的装置 （ 即天线, 接收机和显示设备 。 由于无论发射与
接收电磁波都需要天线,根据天线收发互易原理,一般收发共用
一部天线,这样就需要使用收发开关实现收发天线的共用 。
另外,天线系统一般需要旋转扫描,故还需天线控制系统 。
雷达系统的基本组成框图如图 10 - 1所示 。
传统的雷达主要用于探测目标的距离, 方位, 速度等尺度
信息,随着计算机技术, 信号处理技术, 电子技术, 通信技术
等相关技术的发展,现代雷达系统还能识别目标的类型, 姿态,
实时显示航迹甚至实现实时图像显示 。
第 10章 微波应用系统
图 10 – 1 雷达系统的基本组成框图
收 发 开 关 发射机 定时器
显示器接收机
天 线 控 制 器
第 10章 微波应用系统
所以, 现代雷达系统一般由天馈子系统, 射频收发子系
统, 信号处理子系统, 控制子系统, 显示子系统及中央处理
子系统等组成,其原理框图如图 10 - 2 所示 。
大多数雷达工作于超短波或微波波段,因此在不同的雷达
系统中,既有各种微波传输系统 (包括矩形波导, 阻抗匹配器,
功率分配器等 ),又有线天线, 阵列天线及面天线等天线系统 。
在这里就不一一罗列,而把重点放在介绍几种典型雷达系统的
工作原理,以使读者对雷达系统有所了解 。
1,
由于电磁波具有幅度信息, 相位信息, 频率信息, 时域信
息及极化信息等多种信息,雷达就是利用从目标反射或散射回
来的电磁波中提取相关信息,从而实现测距, 测向, 测速及目
标识别与重建等 。 下面就基本探测原理加以介绍 。
第 10章 微波应用系统
图 10 – 2 现代雷达系统的组成框图
天 馈 子 系 统
控 制 子 系 统
射 频 收 发
子系统
信 号 处 理
子系统
中 央 处 理
子系统
显 示 子 系 统
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(1)
电磁波在自由空间是以光速这一有限速度传播的 。 设
雷达与目标之间的距离为 s,则由发射机经天线发射的雷达脉
冲经目标反射后回到雷达,共走了 2s的距离 。 若能测得发射
脉冲与回波脉冲之间的时间间隔 Δt,则目标距雷达的距离可
由下式求得,
传统的雷达采用同步扫描显示方式,使回波脉冲和发射
脉冲同时显示在屏上,并根据时间比例刻度读出时差或距离,
现代雷达则通过数字信号处理器将所测距离直接显示或记录
下来 。
tcs ??
2
1
第 10章 微波应用系统
由天线理论可知,在工作频率一定时,波束越窄, 要求天
线的口径越大,反之,天线口径一定,则要求的频率越高,因此
雷达一般在微波波段工作 。 为了实现窄波束全方位搜索,传统
的雷达系统必须使天线波束按一定规律在要搜索的空间进行
扫描以捕获目标 。
当发现目标时,停止扫描,微微转动天线,使接收信号最强
时,天线所指的方向就是目标所在方向 。 从原理上讲, 利用天
线波束尖端的最强方向指向目标从而测定目标的方位是准确
的,但由天线方向图可知,波束最强的方向附近,对方向性是很
不敏感的,这给测向带来了较大的误差,因此这种方法适合搜
索雷达而不适合跟踪雷达 。 单脉冲技术是解决测向精度的有
效方法,这部分内容在后面叙述 。
第 10章 微波应用系统
(3)
由振荡源发射的电磁波以不变的光速 c传播时,如果接收
者相对振荡源是不动的,那么它在单位时间内所收到的振荡数
目与振荡源产生的相同 ; 如果振荡源与接收者之间有相对接近
运动,则接收者在单位时间内接收的振荡数目比它不动时要多
一点,也就是接收到的频率升高,当两者相反方向运动时接收
到的频率会下降 。 这就是多卜勒效应 。 可以证明,当飞行目标
向雷达靠近运动时,接收到的频率 f与雷达振荡源发出的频率 f0
的频差为
c
vffff t
d
2
00 ???
第 10章 微波应用系统
式中,fd称为多卜勒频率,vr为飞行目标相对雷达的运动速
度 。 可见,只要测得飞行目标的多卜勒频率, 就可利用上式求
得飞行目标的速度 。 这就是雷达测速原理 。
(4)
所谓目标识别就是利用雷达接收到的飞行目标的散射信
号,从中提取特征信息并进行分析处理,从而分辨出飞行目标
的类别和姿态 。 目标识别的关键是目标特征信息的提取,这涉
及到对目标的编码, 特征选择与提取, 自动匹配算法的研制
等过程 。
由于目标识别涉及到电磁散射理论, 模式识别理论, 数
字信号处理及合成孔径技术等多学科知识,而且特征信息提取
的原理, 方法也很多,因此在这里不一一介绍,仅对频域极点
特征提取法加以简单介绍 。
第 10章 微波应用系统
如前所述,从目标反射或散射回来的电磁波包含了幅度,
相位, 极化等有用信息,其中回波中有限频率的幅度响应数据
与目标的特征极点有一一对应关系,因此基于频域极点特征提
取的目标识别方法是根据回波中有限频率的幅度响应数据提取
目标极点,然后将提取的目标极点与各类目标的标准模板库进
行匹配识别,从而实现目标的识别 。
现代许多雷达系统正是根据上述原理不仅能探测飞行目标
的距离, 方位及速度,而且能分辨目标的类别和姿态,以便采取
恰当的进攻或防御策略 。
第 10章 微波应用系统
2,
科学技术的飞速发展,使雷达系统不断推陈出新,雷达的用
途也越来越广,品种繁多,在此不可能全面, 系统地介绍所有的
雷达系统,下面仅对单脉冲跟踪雷达, 相控阵雷达及合成孔径
雷达的工作原理加以简单介绍 。
(1)
前面在探测原理中讲到,用尖锐的方向图的最大值来测向
的误差是较大的,对跟踪雷达来说是不合适的 。 单脉冲技术是
提高测向误差的有效手段 。 由此技术构成的雷达称为单脉冲雷
达 。 下面简单分析其中一种单脉冲雷达的工作原理 。
第 10章 微波应用系统
图 10 - 3馈源口面不对称照射激起 TE10,TE20模单脉冲雷
达采用的天线一般为卡塞格伦天线,其馈源为矩形多模喇叭 。
当天线完全对准目标方向时,接收的电磁波在喇叭馈源中激发
的电磁场只有主模 TE10模,当天线偏离目标方向时,除主模外还
会产生高次模,其中 TE20模会随着天线角度的变化而变化 。 对
如图 10 - 3 所示的矩形喇叭馈源,当目标在喇叭中心线右面时,
使喇叭右侧的能量较大而左侧较小,这时等效为主模 TE10和高
次模 TE20按图中相位关系叠加,即右侧是两个模式分量的相加,
而左侧是两个模式分量的相减 ; 当目标在喇叭中心线左面时,
激起的 TE20模极性与上述情形相反 。
第 10章 微波应用系统
图 10 – 3 馈源口面不对称照射激起 TE10,TE20模
TE
10
TE
20
嗽叭口面
第 10章 微波应用系统
于是只要设法从喇叭馈源中取出 TE20模,它的幅度随目标
偏离天线轴而增加,相位取决于偏离方向而相差 180°,从而为
单脉冲接收机提供了方向性 。 检测到的角度误差信号去控制
驱动机构使天线转动,改变其方位和俯仰,当误差为零时天线
瞄准目标,从而实现自动跟踪的目的 。 这就是单脉冲雷达的工
作原理 。
(2)
一般雷达对目标的搜索是用机械扫描来实现的,但这种搜
索的速度有限,而且一旦发现目标进入跟踪状态,就不能顾及
来自不同方向的其他目标 。 相控阵雷达就能实现多个目标的
同时跟踪,而且采用自动波束扫描方式实现快速搜索 。
第 10章 微波应用系统
相控阵雷达实际上是阵列天线的一种应用,它由为数众多
的天线单元组成的阵列,在计算机的控制下对各天线单元的射
频功率和相位进行控制, 从而实现波束的扫描 。 由前面阵列天
线的原理可知：当馈送给阵列天线单元的微波载波幅度与相位
不同时,就得到不同的天线阵列辐射方向图,当随着时间的变化
连续不停地改变单元之间的相位时,便能使形成的波束在一定
的空间范围内扫描 。 这就是称其为, 相控阵雷达, 的原因 。
相控阵雷达的组成原理与其他雷达一样,但相对要复杂一
些,实质上它是由多部, 子雷达, 组成的, 母雷达,,天线波束
的扫描, 组合和赋形以及雷达工作状态的选择, 转换, 目标
的识别等均由计算机来完成 。 它能在几微秒之内,使波束从一
个方向变换到另一个方向,其扫描速度之快是机械扫描雷达望
尘莫及的 。
第 10章 微波应用系统
(3)
要提高雷达的角分辨率,必须增大天线的口径或采用更短
的工作波长 。 这两方面的努力都受到实际条件的限制,而用于
卫星和飞机上的雷达对天线的限制就更严了 。
合成孔径雷达是一种相干多卜勒雷达,它分为不聚焦型和
聚焦型两种 。 不聚焦型合成孔径雷达是利用雷达天线随运载
工具的有规律运动而依次移动到若干位置上,在每个位置上发
射一个相干脉冲信号,并依次对一连串回波信号进行接收存储,
存储时保持接收信号的幅度和相位 。 当雷达天线移动一段相
当长的距离 L后,合成接收信号就相当于一个天线尺寸为 L的大
天线收到的信号,从而提高了分辨率 。 所谓聚焦型合成孔径雷
达是在数据存储后,扣除接收到的回波信号中由雷达天线移动
带来的附加相移,使其同相合成,分辨率更高,当然处理也就变
得更复杂了 。
第 10章 微波应用系统
10.2
利用微波的宽频带特性可以实现多路信号共用同一信道,
具有较大的通信容量,但微波具有视距传播的局限性,因此如何
克服地球曲率和地面上各种障碍物的影响是建立微波远距离通
信的首要条件,其中微波中继通信系统, 卫星通信系统和对流
层散射通信系统是实现微波远距离通信的典型 。 下面就对微波
中继通信系统做以简单介绍 。
微波中继通信也称为微波接力通信 。 由第 7章可知,微波在
空间是直线传播的,设地球上 A,B两点天线的架设高度分别为
h1,h2,则由式 （ 7 -2 -2） 可得两者间的最大传输距离为
第 10章 微波应用系统
)]([1057.3 213 mhhv ????
天线架设高度一般在 100m以下,所以一般视距为 50km
左右 。 因此要利用微波进行远距离传输,必须在远距离的两个
微波站之间设置许多中间站 （ 即中继站 ）,以接力的方式将信
号一站一站地传递下去,从而实现远距离通信,这种通信方式
就称为微波中继通信 。 下面就微波中继的转接方式及 SDH数
字微波通信系统组成做一介绍 。
1,
按传输信号的形式, 微波中继通信可分为模拟微波中继
通信和数字微波中继通信 。 按中继方式可分为基带转接, 中
频转接和微波转接三种 。
第 10章 微波应用系统
所谓基带转接, 是在中继站首先将接收到载频为 fI的微波
信号经混频变成中频信号,然后经中放送到解调器,解调还原出
基带信号,然后又对发射机的载波进行调制,并经微波功率放大
后,以载频 fI′发射出去 。 所谓中频转接, 是指在中继站将接收到
的载频为 fI的微波信号经混频变成中频信号,然后经中放后直接
上变频得到载频为 fI′微波信号,最后经微波功率放大后发射出去 。
显然它没有上下话路分离与信码再生的功能,只起到了增加通
信距离的作用, 这样设备就相对简单了 。 所谓微波转接,是在
中继站直接对接收到的微波信号放大, 变频后再经微波功率放
大后直接发射出去,这种转接的设备更为简单 。 基带转接方式
的框图如图 10 - 4 所示 。
第 10章 微波应用系统
图 10-4 基带转接的原理框图
混
频
中
放
解调
再生
数字
接口
调
制
微波
放大
f
I
f
I
′
主
振
本
振
第 10章 微波应用系统
无论数字信号还是模拟信号,经过长距离的传输,经一站一
站转接后,原始信号将叠加上各种干扰与噪声,使信号质量下降 。
对数字系统一般采用基带转接方式,它可利用数字差错控制技
术实现基带信号再生,从而避免了噪声的沿站积累,这也是数字
微波中继系统主要采用基带转接方式的主要原因,将带再生技
术的中继站称为再生中继站, 有时为了简化设备, 降低功耗,
也可采用混合中继方式,即在两个再生中继站之间的一些中继
站采用中频转接或微波转接 。 对模拟系统, 由于基带电平变化
积累, 基带频响偏移等原因,一般不宜用基带转接方式,而采用
中频转接或微波转接 。
2.SDH数字微波通信系统
数字微波中继通信与光纤通信, 卫星通信一起被称为现代
通信传输的三大主要手段 。
第 10章 微波应用系统
它具有传输容量大, 长途传输质量稳定, 投资少, 建设周
期短, 维护方便等特点,因此受到各国普遍重视 。
同步数字系列 （ SDH） 是新一代数字传输网体制,它是通
信容量迅速增长, 光纤通信持续发展的产物 。 SDH的应用很广
泛,它不仅可用于光纤通信系统,而且在微波传输中也被大量采
用,从而成为数字微波中继通信的主要方式 。 SDH数字微波中
继通信系统广泛采用一些新技术, 诸如, 全新的基带数字信号
处理方式, 高效率的数字载波调制技术, 自适应的发信功率控
制技术等 。 SDH数字微波中继通信系统一般由终端站, 枢纽站,
分路站及若干中继站组成,如图 10 -5 所示 。
第 10章 微波应用系统
图 10 - 5 SDH数字微波中继通信系统组成框图
中继站 枢纽站 分路站 终端站
第 10章 微波应用系统
处于线路两端或分支线路终点的站称为终端站,它可上,
下全部支路信号,配备 SDH数字微波传输设备和复用设备 ; 处于
线路中间,除了可以在本站上, 下某收, 发信波道的部分支路
外,还可以沟通干线上两个方向之间通信的站称为分路站,有时
还完成部分波道的信号再生后继续传输,一般配备 SDH数字微
波传输设备和 SDH分插复用设备,有时还需再生型传输设备 ; 枢
纽站一般处于干线上,需完成数个方向上的通信任务,它要完成
某些波道的转接, 复接与分接,还有某些波道的信号可能需要
再生后继续传输,故这一类站的设备最多 ; 中继站是处于线路中
间不上, 下话路的站,可分为信码再生中继和非再生中继,
SDH系统中一般采用再生中继方式,它可以去掉传输中引入的
噪声, 干扰和失真,这也体现了数字通信的优越性 。
第 10章 微波应用系统
10.3
遥感技术是一门新兴的多学科交叉的综合性科学技术,是
空间技术与电子技术相结合的产物,它是在一定距离以外感受,
探测和识别所需要研究的对象 。 微波遥感是遥感技术的重要分
支之一,它是以地球为研究对象,通过电磁波传感器,收集地面
目标辐射或反射的电磁波,获得其特征信息,经过接收记录, 数
据传输和加工处理,变成人们可以直接识别的信号或图像,从而
揭示被测目标的性质和变化规律 。
微波遥感系统的遥感器, 可分为被动遥感和主动遥感, 它
工作在微波波段 。 所谓被动遥感, 是指遥感器直接接收目标的
反射或散射信号 ; 而主动遥感是指利用人工辐射源向目标发射
电磁波,再接收由目标反射或散射的电磁波 。
第 10章 微波应用系统
由于微波波段的特殊性,微波遥感器具有全天候工作, 对
地表有穿透能力及能提供有别于红外线, 可见光以外的特征信
息等特点,从而使微波遥感在军事上, 民用方面得到了广泛的
应用 。
1,
现代遥感系统由遥感工作平台, 遥感器, 无线电通信系
统及信号处理系统组成,其中遥感工作平台是安装遥感仪器的
运载工具 ; 遥感器是用来接收, 记录被测目标电磁辐射的传感
器, 如扫描仪, 雷达等 ; 无线电通信系统用于控制, 跟踪遥感
仪器设备和传输遥感器所获得的目标信息 ; 信号处理系统用以
分析, 处理, 解译各种遥感信息 。
第 10章 微波应用系统
微波遥感的一般过程是, 地面目标的电磁辐射通过周围环
境 (如大气 )进入遥感器后, 遥感器将目标的特征信息加以接收,
记录和处理后,再以无线电方式送给信息处理系统 ; 信息处理系
统将遥感信息进行加工处理,变成人们能够识别和分析的信号
或图像 。 微波遥感之所以能够根据收集到的电磁辐射信息识别
地面目标和现象,是基于电磁波与物质的相互作用 —— 一切物质
由于其种类 (性质, 形状, 结构等 )和环境条件的不同,它就具有
完全不同的电磁辐射特性 。 当电磁波与物体 (不论是固体, 液体,
气体还是等离子体 )相遇时,会发生各种相互作用,并满足动量和
能量守恒定律 。 在物质表面发生的相互作用称为面效应,电磁
波透入物体表面以下一定距离发生的相互作用称为体效应,相
互作用的结果会使入射波的振幅, 方向, 频率, 相位和极化等
发生变化,从而产生各种有用的特征信息,以此便能识别不同的
物体 。
第 10章 微波应用系统
电磁波与物质的相互作用主要包括入射电磁波的反射, 散
射及透射, 热效应及热辐射等 。 不同的遥感器的作用机制不同 。
2,
微波遥感器是微波遥感系统的关键,它的种类较多,这里主
要介绍微波辐射计和微波成像雷达 。
(1)
我们知道,任何温度高于绝对零度的物体,都会有热辐射,
热辐射的波长范围从 1μm到 1m左右,而热辐射的频率主要取决
于物体的温度和比辐射率 。 比辐射率表示物质通过辐射释放热
量的难易程度,两个在同样环境中温度相同的物体,具有较高比
辐射率的物体将更强烈地辐射出热射线 。
第 10章 微波应用系统
进一步研究还发现,在微波波段,各种物质的比辐射率相差
很大,这种差别为识别物体提供了有用的信息 。 如油脂的比辐
射率比海水高得多,在同样的温度下,油脂对微波辐射计的辐射
能量比海水大很多,因此在海面上有油脂污染时,若将微波辐射
计测得的信号转换成图片,就会看到浅色的油污漂浮在深色的
海面上 。 这就是微波辐射计的遥感原理 。 图 10 - 6所示就是微
波辐射计的一种 ——微波比较辐射计,下面讨论其工作原理 。
从天线接收到的微波辐射能量和参考负载在开关的控制下
交替输入到接收机,开关周期 τs一般为 10-3~10-1s。 于是检波前
部分的输入功率分别来自天线的信号和参考负载的噪声功率,
忽略输入开关的上升, 衰落时间对接收机波形的影响,则平方
律检波后的直流电压为
第 10章 微波应用系统
图 10 – 6 微波比较辐射计工作原理图
开 关 激 励 器 方 波 发 生 器
参考负载
R E C
T ′
等 效 噪 声 源
滤波放大
K B
输入
开关
A
T ′
R E F
T
U
d
＋ 1
－ 1
积分器
U
o u t
第 10章 微波应用系统
CdGkB(TA′+T′REC 0≤t≤τs/2
CdGkB(TREF+T′REC τs/2≤t≤τs
ud=
式中,Cd为平方律检波灵敏度 (V/W),k为玻尔兹曼常数,τs
为开关周期,G,B分别为滤波放大部分的增益和带宽 。 则积分
器输出的平均电压为
][
2/
2/
0 ??
?? s
s
s dtudtuGu
dd
s
p
out
?
?
?
?
式中,Gp为检波输出到积分器输出间的电压增益 。 将式
(10 -3 -1)代入式 (10 -3 -2),并令 Gs=2GpCdGkB,则有
第 10章 微波应用系统
][
2
1
REFASout TTGu ???
可见微波比较辐射计的输出与遥感温度 TA′和参考负载温
度 TREF之差成正比,从而检测到了遥感物体的热辐射功率,这就
是微波比较辐射计的工作原理 。 它与接收机的等效噪声温度
无关,从而保证了测量的稳定性 。
以上介绍了微波比较辐射计的工作原理,其它类型一般是
其改进型,有兴趣的读者可参考有关文献作进一步的了解 。
(2)
主动式微波遥感器实质上就是遥感雷达,它向目标发射微
波信号,由于目标的几何形状, 性质不同,接收到的回波的强度,
极化, 散射特性也不相同,从而可以提取所需信息 。
RECT?
第 10章 微波应用系统
在遥感雷达中,微波成像雷达是最典型的,它能提供目标图
像,因此得到了广泛的应用 。 微波成像雷达可分为真实孔径侧
视雷达和合成孔径侧视雷达两类,在上一节已经简单介绍了合
成孔径雷达的工作原理,下面主要介绍一下真实孔径侧视雷达
(也称为机载侧视雷达 )。
机载侧视雷达是将一个长的水平孔径天线装在飞机的一侧
或两侧,天线将微波能量集中成一个窄的扇形波束并在地面形
成窄带,如图 10 - 7 所示 。 天线将脉冲微波能量相继照射到窄
带上各点,不同距离目标反射回来的回波在接收机中按时间先
后分开,一个同步的强度调制光点在摄影胶片或显示器上横扫
一条线,以便在与目标的地面距离成比例的地方记录目标的回
波,当各条回波记录好后,再发另一个脉冲进行另一次扫描,从
而产生条带状的雷达图像 。
第 10章 微波应用系统
图 10 – 7 机载侧视雷达地面航迹与照射窄带示意图
地 面 窄 带
地 面 航 迹
飞 行 方 向
孔径 D
x
y
第 10章 微波应用系统
这种雷达的方位分辨率会随着距离的增大而迅速变坏 。
而合成孔径雷达则解决了这个问题,大大提高了分辨率,从而得
到了更广泛的应用 。
3,
微波遥感除用在军事上外,还在民用方面, 诸如水文, 农
业, 气象等领域得到了广泛应用, 如下表所示 。
由此可见,微波遥感在保护生态环境, 监测自然灾害等方
面起着越来越重要的作用,这在强调环境保护的今天尤为重要 。
另一方面,随着遥感技术, 信号处理技术, 计算机技术等相关
学科的进一步发展,微波遥感的分辨率会进一步提高,微波遥感
势必为人类的生存与发展作出更大的贡献 。
第 10章 微波应用系统
