惠更斯原理在雷達中的應(yīng)用--相位控制雷達原理

1、惠更斯原理在雷達中的應(yīng)用--相位控制雷達原理,PB04203157 車韶,雷達,雷達利用電磁波探測目標(biāo)并測定其位置、速度和其他特征的電子設(shè)備。雷達具有發(fā)現(xiàn)目標(biāo)距離遠、測定目標(biāo)坐標(biāo)速度快、能全天候工作等特點，在軍事上廣泛應(yīng)用于警戒、引導(dǎo)、武器控制、偵察、測量、航行保障、敵我識別和氣象觀測等方面，是一種重要的軍用電子技術(shù)裝備。雷達在國民經(jīng)濟和科學(xué)研究等領(lǐng)域中也廣泛應(yīng)用。相控陣?yán)走_(全稱相位控制陣列雷達,Phased Array Rada

2、r):雷達的分類方式很多,這里說的相控陣?yán)走_是按雷達天線波束掃描控制方式分類的一種雷達.它產(chǎn)生較晚,最初由美國于1958年開始研制.但由于它很好地解決了波束聚集和掃描跟蹤的問題,并具有反應(yīng)時間短的優(yōu)點,正越來越多地被人們所認同.相控陣?yán)走_的原理可以用我們學(xué)過的惠更斯原理來解釋.,雷達的工作原理,工作原理　雷達通常是通過向空間發(fā)射電磁波和接收目標(biāo)回波信號進行工作的。當(dāng)雷達發(fā)射的電磁波遇到各種物體時，就會向各個方向產(chǎn)生散射，其中的一小

3、部分能量返回雷達，這種反射波稱為回波。從所要探測的目標(biāo)反射的回波，稱為目標(biāo)信號；從非需要目標(biāo)反射的回波，稱為雜波雷達到目標(biāo)的距離(斜距)r可以通過測定電磁波從雷達到目標(biāo)，然后返回雷達所需要的傳播時間t來確定 目標(biāo)的方向(方位和仰角)是利用雷達天線定向輻射的特性測定。雷達天線把電磁波能量集聚成尖銳的波束，并使波束對目標(biāo)所在區(qū)域進行掃描，回波最強時的波束指向即為目標(biāo)方向。,,雷達的工作原理要求解決的兩個問題：1.把雷達發(fā)出的電磁波聚集

4、到一個窄的波束上，保證其具有較大的能流密度。2.為了使雷達能探測空間各個方向上的目標(biāo)，就必須使波束能自由地移動，實現(xiàn)掃描或跟蹤目標(biāo)。,雷達應(yīng)用時遇到的主要問題,單一波源的能量很小，且以球形波陣面向空間各向傳播。波在單位時間內(nèi)通過某一面積S的平均能量稱為波通過該面的平均功率,記為P.則有P=I·S I為能流密度波源的功率是對包圍波源的閉合曲面的功率，即P=∮I·dS對于球面波，P=I·4πr

5、2由于波源的功率是常量，故：I=P/4πr2∝r-2既球面波的能流密度與球形波陣面的半徑平方成反比，亦既與目標(biāo)于雷達間距離平方成反比。,,由此可知，到達目標(biāo)的雷達波在單位面積上的能量與目標(biāo)與雷達距離平方成反比。使用普通的波源時，即使忽略能量在傳播過程中的損失，也因反射信號極微弱而難以接收。,,雷達應(yīng)用時遇到的主要問題,為增加雷達波的強度，理論上可以采用的方法：1.增加發(fā)射功率。2.讓雷達波盡可能平行發(fā)射以聚焦能量。

6、 如拋物面雷達： 在拋物面焦點處安裝發(fā)射天線，經(jīng)拋物面反射后近似產(chǎn)生平行的雷達波束。,拋物面雷達產(chǎn)生平行波束,上述方法的缺點：,1.因為I∝r-2的反比關(guān)系,單純增大發(fā)射功率對提高探測距離產(chǎn)生的作用很小.2.使用拋物面天線雖然解決了雷達波的平行發(fā)射問題,但是在實用當(dāng)中,雷達波束需要時刻指向目標(biāo)以便跟蹤.因此拋物面天線必須裝在可以旋轉(zhuǎn)的支架上,并需要伺服馬達加以驅(qū)動. 在探測洲際導(dǎo)彈或進行衛(wèi)星測控等與高速目標(biāo)有關(guān)的場合,往往

7、要用較大尺寸的天線,而目標(biāo)相對于雷達的角速度很大,因此雷達也要高速轉(zhuǎn)動.天線的巨大慣性會導(dǎo)致很多工程技術(shù)上的難題.,惠更斯原理,介質(zhì)中，波傳播到的各點不論在同一波前或不同波前上，都可以看作一個發(fā)射子撥的波源。在 t 時刻的波前上的這些子波源發(fā)出的子波，經(jīng)⊿t 時間后形成半徑為 v⊿t（ v為波速）的球面，在波的前進方向上，子波的包跡就成為時刻 t +⊿t 的新波前，如圖所示。,利用惠更斯原理可以由已知的波前通過幾何作圖方法確定下

8、一時刻的波前，從而確定撥的傳播方向。例如當(dāng)波在均勻的各向同性介質(zhì)中傳播時，用上述作圖法求出的波前的幾何形狀總是保持不變的。,波線：用有向線段表示波的傳播方向，也叫波射線。波面：媒質(zhì)中振動相位相同的各質(zhì)點組成的面，也叫波陣面。波前：在波已傳到的空間區(qū)域，有一系列的波面，這些波面的最前沿的那一個叫做波前。平面波：波面是一些平面的波。球面波：波面是一些同心球面的(可以是球面的一部分),相位控制陣列雷達的解決方案,相位控制陣列

9、雷達利用了惠更斯原理：當(dāng)有很多點波源并且個波源產(chǎn)生波的頻率一致時相當(dāng)于各個點波源為子波的波源，點波源以平面排列，則可產(chǎn)生平面波。其原理可由圖表示：很多密集的點波源相當(dāng)于子波的波源。以個波源為圓心取相同的半徑畫半圓，得到各波的波前。合成波的波前即為各子波波前的包絡(luò)線，如果在單位面積里點波源的數(shù)量越多，合成波的波前就越接近平面，即產(chǎn)生平行于雷達陣面的波。所以相控陣?yán)走_的天線為平面。（背景為美國“鋪路爪”遠程預(yù)警雷達，在圓形天線陣列上

10、排列著15360個天線單元。）,,,,相位控制陣列雷達的解決方案,在解決掃描跟蹤問題上，相控陣?yán)走_有著更大優(yōu)勢：如圖所示，考慮三個相鄰的點波源A1，A2，A3。為了改變波束的傳播方向，使波線與天線陣面夾角為θ，則T時刻A3，A2，A1的波前分別如圖所示。合成波的波前即指向θ方向運動。,,θ,設(shè)波源A1產(chǎn)生的波的運動方程為：,Y=Acos[ω(t-x/c)+ψ0],波源A2產(chǎn)生的波要在同一時刻到達包絡(luò)線，要求A2的相位比A1大：,A

11、2的相位應(yīng)為：ω[t-（x+dcosθ）/c+ψ0] 其中d為兩相鄰波源的距離,由此可得相鄰兩波源的相位差應(yīng)為：（ωdcosθ）/c=（2πdcosθ）/λ,,若目標(biāo)T的坐標(biāo)為（θ，ψ，r），天線陣列位于YoZ平面內(nèi)。設(shè)O點的波源初相位為0，則陣面上第（m，n）號波源的相位應(yīng)為：ω（t-x/c）+d·（mcosθ+ncosψ）/c由移相器來控制不同天線單元的相位，不用轉(zhuǎn)動整個天線陣面，因此掃描速度不受到天線大小

12、的限制。,,,,y,x,z,,T,,,,ψ,θ,,相控陣?yán)走_具有很多優(yōu)點：相控陣?yán)走_利用電子掃描而非機械掃描，具有靈活，快速的特點。在處理系統(tǒng)允許的情況下，相控陣?yán)走_能夠同時形成多個獨立控制的波束，即將天線陣列上的天線單元分成若干組，采用不同的相位以指向不同的目標(biāo)。可靠性高。天線陣列由很多單元組成，在少量單元失效時仍可正常工作。因此，相控陣?yán)走_是目前各國研究的熱門項目。它已廣泛地應(yīng)用于飛機，艦船以及導(dǎo)彈防御系統(tǒng)中。,美軍“伯克”

13、級驅(qū)逐艦裝載的相控陣?yán)走_,美軍F/A-18戰(zhàn)斗機裝載的相控陣?yán)走_,F-22戰(zhàn)斗機的雷達,美國導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的預(yù)警雷達,由于相控陣?yán)走_的原理要求其天線陣面為平面，因此很容易將其與普通的拋物面天線雷達相區(qū)別,題外話,2001年中國同以色列達成合同進口“費爾康”預(yù)警機?！∫陨械摹百M爾康”預(yù)警機是一種全新概念的預(yù)警，它是以波音707民航客機為操作平臺載機，更換發(fā)動機，加裝以色列研制的“費爾康”空中預(yù)警管制系統(tǒng)和其它眾多的電子設(shè)備而成的，其

14、關(guān)鍵技術(shù)為機頭一側(cè)安裝的相控陣?yán)走_。但美國出面干涉該項目，導(dǎo)致合作計劃最終停止。該事件從一定側(cè)面反映出相控陣?yán)走_的優(yōu)秀作戰(zhàn)性能。,寫在最后的感想,相控陣?yán)走_是當(dāng)今最先進的軍事技術(shù)之一，而其基本原理用惠更斯原理解釋起來非常簡單。在聽課時覺得惠更斯原理只不過是一個為了解釋波的傳播中的一些現(xiàn)象的純理論的東西。但沒有想到在實際的應(yīng)用中，相控陣?yán)走_的先驅(qū)者能敏銳地發(fā)現(xiàn)通過改變相鄰波源相位來改變合成波方向的方法，在某種程度上可以說影響了當(dāng)今新