1、惠更斯原理在雷达中的应用-相位控制雷达原理PB04203157 车韶雷达 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
2、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 .雷达的工作原理雷达的工作原理 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
3、 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。 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。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=IS 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= IdS 对于球面波， P=I4r2 由于波源的功率是常量，故：
4、I=P/4r2 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。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
5、 . 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 .惠更斯原理介质中，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 +
6、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。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 )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
7、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。）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 ， 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 方向运动。 设波源 A1产生的波的运动方程为： Y=Acos(t-x/c)+0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： t-（ x+dcos） /c+0 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：（ dcos） /c=（ 2dcos） /
