微波应用系统

第10章微波应用系统10.1雷达系统10.2微波通信系统10.3微波遥感系统微波应用系统返回主目录第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（RadioDetectionAndRanging）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.雷达探测原理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第10章微波应用系统(1)测距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 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下来。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)测速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)目标识别原理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.几种典型的雷达系统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)单脉冲雷达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)相控阵雷达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)合成孔径雷达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微波通信系统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.微波中继转接方式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,在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微波遥感系统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.微波遥感系统的工作原理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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)微波辐射计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)微波成像雷达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。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.微波遥感的应用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