惠更斯原理在雷達(dá)中的應(yīng)用--相位控制雷達(dá)原理

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

2、r):雷達(dá)的分類方式很多,這里說的相控陣?yán)走_(dá)是按雷達(dá)天線波束掃描控制方式分類的一種雷達(dá).它產(chǎn)生較晚,最初由美國(guó)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(shí)間短的優(yōu)點(diǎn),正越來越多地被人們所認(rèn)同.相控陣?yán)走_(dá)的原理可以用我們學(xué)過的惠更斯原理來解釋.,雷達(dá)的工作原理,工作原理　雷達(dá)通常是通過向空間發(fā)射電磁波和接收目標(biāo)回波信號(hào)進(jìn)行工作的。當(dāng)雷達(dá)發(fā)射的電磁波遇到各種物體時(shí)，就會(huì)向各個(gè)方向產(chǎn)生散射，其中的一小

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

4、到一個(gè)窄的波束上，保證其具有較大的能流密度。2.為了使雷達(dá)能探測(cè)空間各個(gè)方向上的目標(biāo)，就必須使波束能自由地移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)掃描或跟蹤目標(biāo)。,雷達(dá)應(yīng)用時(shí)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(shí)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(duì)包圍波源的閉合曲面的功率，即P=∮I·dS對(duì)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(dá)間距離平方成反比。,,由此可知，到達(dá)目標(biāo)的雷達(dá)波在單位面積上的能量與目標(biāo)與雷達(dá)距離平方成反比。使用普通的波源時(shí)，即使忽略能量在傳播過程中的損失，也因反射信號(hào)極微弱而難以接收。,,雷達(dá)應(yīng)用時(shí)遇到的主要問題,為增加雷達(dá)波的強(qiáng)度，理論上可以采用的方法：1.增加發(fā)射功率。2.讓雷達(dá)波盡可能平行發(fā)射以聚焦能量。

6、 如拋物面雷達(dá)： 在拋物面焦點(diǎn)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(dá)波束。,拋物面雷達(dá)產(chǎn)生平行波束,上述方法的缺點(diǎn)：,1.因?yàn)镮∝r-2的反比關(guān)系,單純?cè)龃蟀l(fā)射功率對(duì)提高探測(cè)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(dá)波的平行發(fā)射問題,但是在實(shí)用當(dāng)中,雷達(dá)波束需要時(shí)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(dá)加以驅(qū)動(dòng). 在探測(cè)洲際導(dǎo)彈或進(jìn)行衛(wèi)星測(cè)控等與高速目標(biāo)有關(guān)的場(chǎng)合,往往

7、要用較大尺寸的天線,而目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)的角速度很大,因此雷達(dá)也要高速轉(zhuǎn)動(dòng).天線的巨大慣性會(huì)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(diǎn)不論在同一波前或不同波前上，都可以看作一個(gè)發(fā)射子撥的波源。在 t 時(shí)刻的波前上的這些子波源發(fā)出的子波，經(jīng)⊿t 時(shí)間后形成半徑為 v⊿t（ v為波速）的球面，在波的前進(jìn)方向上，子波的包跡就成為時(shí)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(shí)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(shí)，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(dòng)相位相同的各質(zhì)點(diǎn)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(gè)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(dá)的解決方案,相位控制陣列

9、雷達(dá)利用了惠更斯原理：當(dāng)有很多點(diǎn)波源并且個(gè)波源產(chǎn)生波的頻率一致時(shí)相當(dāng)于各個(gè)點(diǎn)波源為子波的波源，點(diǎn)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(diǎn)波源相當(dāng)于子波的波源。以個(gè)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(diǎn)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(dá)陣面的波。所以相控陣?yán)走_(dá)的天線為平面。（背景為美國(guó)“鋪路爪”遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)，在圓形天線陣列上

10、排列著15360個(gè)天線單元。）,,,,相位控制陣列雷達(dá)的解決方案,在解決掃描跟蹤問題上，相控陣?yán)走_(dá)有著更大優(yōu)勢(shì)：如圖所示，考慮三個(gè)相鄰的點(diǎn)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(shí)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(yùn)動(dòng)。,,θ,設(shè)波源A1產(chǎn)生的波的運(yùn)動(dòng)方程為：,Y=Acos[ω(t-x/c)+ψ0],波源A2產(chǎn)生的波要在同一時(shí)刻到達(dá)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(diǎn)的波源初相位為0，則陣面上第（m，n）號(hào)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(dòng)整個(gè)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_(dá)具有很多優(yōu)點(diǎn)：相控陣?yán)走_(dá)利用電子掃描而非機(jī)械掃描，具有靈活，快速的特點(diǎn)。在處理系統(tǒng)允許的情況下，相控陣?yán)走_(dá)能夠同時(shí)形成多個(gè)獨(dú)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(shí)仍可正常工作。因此，相控陣?yán)走_(dá)是目前各國(guó)研究的熱門項(xiàng)目。它已廣泛地應(yīng)用于飛機(jī)，艦船以及導(dǎo)彈防御系統(tǒng)中。,美軍“伯克”

13、級(jí)驅(qū)逐艦裝載的相控陣?yán)走_(dá),美軍F/A-18戰(zhàn)斗機(jī)裝載的相控陣?yán)走_(dá),F-22戰(zhàn)斗機(jī)的雷達(dá),美國(guó)導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的預(yù)警雷達(dá),由于相控陣?yán)走_(dá)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(dá)相區(qū)別,題外話,2001年中國(guó)同以色列達(dá)成合同進(jìn)口“費(fèi)爾康”預(yù)警機(jī)?！∫陨械摹百M(fèi)爾康”預(yù)警機(jī)是一種全新概念的預(yù)警，它是以波音707民航客機(jī)為操作平臺(tái)載機(jī)，更換發(fā)動(dòng)機(jī)，加裝以色列研制的“費(fèi)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(jī)頭一側(cè)安裝的相控陣?yán)走_(dá)。但美國(guó)出面干涉該項(xiàng)目，導(dǎo)致合作計(jì)劃最終停止。該事件從一定側(cè)面反映出相控陣?yán)走_(dá)的優(yōu)秀作戰(zhàn)性能。,寫在最后的感想,相控陣?yán)走_(dá)是當(dāng)今最先進(jìn)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(jiǎn)單。在聽課時(shí)覺得惠更斯原理只不過是一個(gè)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(shí)際的應(yīng)用中，相控陣?yán)走_(dá)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