惠更斯原理在雷达中的应用 --相位控制雷达原理

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1 惠更斯原理在雷达中的应用 --相位控制雷达原理
PB 车韶

2 雷达 雷达利用电磁波探测目标并测定其位置、速度和其他特征的电子设备。雷达具有发现目标距离远、测定目标坐标速度快、能全天候工作等特点，在军事上广泛应用于警戒、引导、武器控制、侦察、测量、航行保障、敌我识别和气象观测等方面，是一种重要的军用电子技术装备。雷达在国民经济和科学研究等领域中也广泛应用。 相控阵雷达(全称相位控制阵列雷达,Phased Array Radar): 雷达的分类方式很多,这里说的相控阵雷达是按雷达天线波束扫描控制方式分类的一种雷达. 它产生较晚,最初由美国于1958年开始研制.但由于它很好地解决了波束聚集和扫描跟踪的问题,并具有反应时间短的优点,正越来越多地被人们所认同. 相控阵雷达的原理可以用我们学过的惠更斯原理来解释.

3 雷达的工作原理 工作原理　雷达通常是通过向空间发射电磁波和接收目标回波信号进行工作的。当雷达发射的电磁波遇到各种物体时，就会向各个方向产生散射，其中的一小部分能量返回雷达，这种反射波称为回波。从所要探测的目标反射的回波，称为目标信号；从非需要目标反射的回波，称为杂波 雷达到目标的距离(斜距)r可以通过测定电磁波从雷达到目标，然后返回雷达所需要的传播时间t来确定 目标的方向(方位和仰角)是利用雷达天线定向辐射的特性测定。雷达天线把电磁波能量集聚成尖锐的波束，并使波束对目标所在区域进行扫描，回波最强时的波束指向即为目标方向。

4 雷达的工作原理要求解决的两个问题： 1.把雷达发出的电磁波聚集到一个窄的波束上，保证其具有较大的能流密度。 2.为了使雷达能探测空间各个方向上的目标，就必须使波束能自由地移动，实现扫描或跟踪目标。

5 雷达应用时遇到的主要问题 单一波源的能量很小，且以球形波阵面向空间各向传播。
波在单位时间内通过某一面积S的平均能量称为波通过该面的平均功率,记为P. 则有P=I·S I为能流密度 波源的功率是对包围波源的闭合曲面的功率，即P=∮I·dS 对于球面波，P=I·4πr2 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与球形波阵面的半径平方成反比，亦既与目标于雷达间距离平方成反比。 由此可知，到达目标的雷达波在单位 面积上的能量与目标与雷达距离平方 成反比。使用普通的波源时， 即使忽略能量在传播过程中的损失， 也因反射信号极微弱而难以接收。

6 雷达应用时遇到的主要问题 为增加雷达波的强度，理论上可以采用的方法： 1.增加发射功率。 2.让雷达波尽可能平行发射以聚焦能量。
如抛物面雷达： 在抛物面焦点处安装发射天线，经抛物面反射后近似产生平行的雷达波束。 抛物面雷达产生平行波束

7 上述方法的缺点： 1.因为I∝r-2的反比关系,单纯增大发射功率对提高探测距离产生的作用很小.
2.使用抛物面天线虽然解决了雷达波的平行发射问题,但是在实用当中,雷达波束需要时刻指向目标以便跟踪.因此抛物面天线必须装在可以旋转的支架上,并需要伺服马达加以驱动. 在探测洲际导弹或进行卫星测控等与高速目标有关的场合,往往要用较大尺寸的天线,而目标相对于雷达的角速度很大,因此雷达也要高速转动.天线的巨大惯性会导致很多工程技术上的难题.

8 惠更斯原理 波线：用有向线段表示波的传播方向，也叫波射线。 波面：媒质中振动相位相同的各质点组成的面，也叫 波阵面。
波前：在波已传到的空间区域，有一系列的波面，这 些波面的最前沿的那一个叫做波前。 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) 介质中，波传播到的各点不论在同一波前或不同波前上，都 可以看作一个发射子拨的波源。在 t 时刻的波前上的这些子 波源发出的子波，经⊿t 时间后形成半径为 v⊿t（ v为波速） 的球面，在波的前进方向上，子波的包迹就成为时刻 t +⊿t 的新波前，如图所示。 利用惠更斯原理可以由已知的波前通过几何作图方法确定下 一时刻的波前，从而确定拨的传播方向。例如当波在均匀的 各向同性介质中传播时，用上述作图法求出的波前的几何形 状总是保持不变的。

9 相位控制阵列雷达的解决方案 相位控制阵列雷达利用了惠更斯原理：
当有很多点波源并且个波源产生波的频率一致时相当于各个点波源为子波的波源，点波源以平面排列，则可产生平面波。 其原理可由图表示： 很多密集的点波源相当于子波的波源。以个波源为圆心取相同的半径画半圆，得到各波的波前。合成波的波前即为各子波波前的包络线，如果在单位面积里点波源的数量越多，合成波的波前就越接近平面，即产生平行于雷达阵面的波。所以相控阵雷达的天线为平面。 （背景为美国“铺路爪”远程预警雷达，在圆形天线阵列上排列着15360个天线单元。）

10 相位控制阵列雷达的解决方案 在解决扫描跟踪问题上，相控阵雷达有着更大优势： 如图所示，考虑三个相邻的点波源A1，A2，A3。
为了改变波束的传播方向，使波线与天线阵面夹角为θ， 则T时刻A3，A2，A1的波前分别如图所示。合成波的波前即指向θ方向运动。 θ 设波源A1产生的波的运动方程为： Y=Acos[ω(t-x/c)+ψ0] 波源A2产生的波要在同一时刻到达包络线，要求A2的相位比A1大： A2的相位应为：ω[t-（x+dcosθ）/c+ψ0] 其中d为两相邻波源的距离 由此可得相邻两波源的相位差应为：（ωdcosθ）/c=（2πdcosθ）/λ

11 若目标T的坐标为（θ，ψ，r），天线阵列位于YoZ平面内。 设O点的波源初相位为0，则阵面上第（m，n）号波源的相位应为：
ω（t-x/c）+d·（mcosθ+ncosψ）/c 由移相器来控制不同天线单元的相位，不用转动整个天线阵面，因此扫描速度不受到天线大小的限制。 z T ψ y θ x

12 F-22战斗机的雷达 相控阵雷达具有很多优点： 相控阵雷达利用电子扫描而非机械扫描，具有灵活，快速的特点。
在处理系统允许的情况下，相控阵雷达能够同时形成多个独立控制的波束，即将天线阵列上的天线单元分成若干组，采用不同的相位以指向不同的目标。 可靠性高。天线阵列由很多单元组成，在少量单元失效时仍可正常工作。 因此，相控阵雷达是目前各国研究的热门项目。它已广泛地应用于飞机，舰船以及导弹防御系统中。 美军“伯克”级驱逐舰装载的相控阵雷达 由于相控阵雷达的原理要求其天线 阵面为平面，因此很容易将其与普 通的抛物面天线雷达相区别 美军F/A-18战斗机装载的相控阵雷达 F-22战斗机的雷达 美国导弹防御系统的预警雷达

13 题外话 2001年中国同以色列达成合同进口“费尔康”预警机。
　以色列的“费尔康”预警机是一种全新概念的预警，它是以波音707民航客机为操作平台载机，更换发动机，加装以色列研制的“费尔康”空中预警管制系统和其它众多的电子设备而成的，其关键技术为机头一侧安装的相控阵雷达。 但美国出面干涉该项目，导致合作计划最终停止。 该事件从一定侧面反映出相控阵雷达的优秀作战性能。

14 写在最后的感想 相控阵雷达是当今最先进的军事技术之一，而其基本原理用惠更斯原理解释起来非常简单。 在听课时觉得惠更斯原理只不过是一个为了解释波的传播中的一些现象的纯理论的东西。但没有想到在实际的应用中，相控阵雷达的先驱者能敏锐地发现通过改变相邻波源相位来改变合成波方向的方法，在某种程度上可以说影响了当今新军事技术革命的方向。 可见学习物理学的理论，不单单是要掌握它的基本原理，更应该能在实践中发现它巧妙的用途，从而使知识真正的成为力量。