,第10章 微波應(yīng)用系統(tǒng),微波應(yīng)用系統(tǒng),第10章 微波應(yīng)用系統(tǒng),10.1 雷達(dá)系統(tǒng),雷達(dá)（RADAR）是微波的最早應(yīng)用之一。RADAR一詞是英文無(wú)線電探測(cè)與測(cè)距（Radio Detection And Ranging）的縮寫(xiě)。雷達(dá)的工作機(jī)理是:電磁波在傳播過(guò)程中遇到物體會(huì)產(chǎn)生反射,當(dāng)電磁波垂直入射到接近理想的金屬表面時(shí)所產(chǎn)生的反射最強(qiáng)烈,于是可根據(jù)從物體上反射回來(lái)的回波獲得被測(cè)物體的有關(guān)信息。,因此，雷達(dá)必須具有產(chǎn)生和發(fā)射電磁波的裝置（即發(fā)射機(jī)和天線）,以及接收物體反射波（簡(jiǎn)稱回波）并對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)、顯示的裝置（即天線、接收機(jī)和顯示設(shè)備。由于無(wú)論發(fā)射與接收電磁波都需要天線,根據(jù)天線收發(fā)互易原理,一般收發(fā)共用一部天線,這樣就需要使用收發(fā)開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)收發(fā)天線的共用。,另外,天線系統(tǒng)一般需要旋轉(zhuǎn)掃描,故還需天線控制系統(tǒng)。雷達(dá)系統(tǒng)的基本組成框圖如圖 10-1所示。,傳統(tǒng)的雷達(dá)主要用于探測(cè)目標(biāo)的距離、方位、速度等尺度信息,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、電子技術(shù)、通信技術(shù)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)還能識(shí)別目標(biāo)的類型、姿態(tài)，實(shí)時(shí)顯示航跡甚至實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)圖像顯示。,圖 10 1 雷達(dá)系統(tǒng)的基本組成框圖,所以，現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)一般由天饋?zhàn)酉到y(tǒng)、射頻收發(fā)子系統(tǒng)、信號(hào)處理子系統(tǒng)、控制子系統(tǒng)、顯示子系統(tǒng)及中央處理子系統(tǒng)等組成,其原理框圖如圖 10-2 所示。,大多數(shù)雷達(dá)工作于超短波或微波波段,因此在不同的雷達(dá)系統(tǒng)中,既有各種微波傳輸系統(tǒng)(包括矩形波導(dǎo)、阻抗匹配器、功率分配器等),又有線天線、陣列天線及面天線等天線系統(tǒng)。在這里就不一一羅列,而把重點(diǎn)放在介紹幾種典型雷達(dá)系統(tǒng)的工作原理,以使讀者對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)有所了解。,1.雷達(dá)探測(cè)原理,由于電磁波具有幅度信息、相位信息、頻率信息、時(shí)域信息及極化信息等多種信息,雷達(dá)就是利用從目標(biāo)反射或散射回來(lái)的電磁波中提取相關(guān)信息,從而實(shí)現(xiàn)測(cè)距、測(cè)向、測(cè)速及目標(biāo)識(shí)別與重建等。下面就基本探測(cè)原理加以介紹。,圖 10 2 現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)的組成框圖,(1)測(cè)距,電磁波在自由空間是以光速這一有限速度傳播的。設(shè)雷達(dá)與目標(biāo)之間的距離為s,則由發(fā)射機(jī)經(jīng)天線發(fā)射的雷達(dá)脈沖經(jīng)目標(biāo)反射后回到雷達(dá),共走了2s的距離。若能測(cè)得發(fā)射脈沖與回波脈沖之間的時(shí)間間隔t,則目標(biāo)距雷達(dá)的距離可由下式求得:,傳統(tǒng)的雷達(dá)采用同步掃描顯示方式,使回波脈沖和發(fā)射脈沖同時(shí)顯示在屏上,并根據(jù)時(shí)間比例刻度讀出時(shí)差或距離,現(xiàn)代雷達(dá)則通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理器將所測(cè)距離直接顯示或記錄下來(lái)。,由天線理論可知,在工作頻率一定時(shí),波束越窄，要求天線的口徑越大,反之,天線口徑一定,則要求的頻率越高,因此雷達(dá)一般在微波波段工作。為了實(shí)現(xiàn)窄波束全方位搜索,傳統(tǒng)的雷達(dá)系統(tǒng)必須使天線波束按一定規(guī)律在要搜索的空間進(jìn)行掃描以捕獲目標(biāo)。,當(dāng)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時(shí),停止掃描,微微轉(zhuǎn)動(dòng)天線,使接收信號(hào)最強(qiáng)時(shí),天線所指的方向就是目標(biāo)所在方向。從原理上講，利用天線波束尖端的最強(qiáng)方向指向目標(biāo)從而測(cè)定目標(biāo)的方位是準(zhǔn)確的,但由天線方向圖可知,波束最強(qiáng)的方向附近,對(duì)方向性是很不敏感的,這給測(cè)向帶來(lái)了較大的誤差,因此這種方法適合搜索雷達(dá)而不適合跟蹤雷達(dá)。單脈沖技術(shù)是解決測(cè)向精度的有效方法,這部分內(nèi)容在后面敘述。,(3)測(cè)速,由振蕩源發(fā)射的電磁波以不變的光速c傳播時(shí),如果接收者相對(duì)振蕩源是不動(dòng)的,那么它在單位時(shí)間內(nèi)所收到的振蕩數(shù)目與振蕩源產(chǎn)生的相同;如果振蕩源與接收者之間有相對(duì)接近運(yùn)動(dòng),則接收者在單位時(shí)間內(nèi)接收的振蕩數(shù)目比它不動(dòng)時(shí)要多一點(diǎn),也就是接收到的頻率升高,當(dāng)兩者相反方向運(yùn)動(dòng)時(shí)接收到的頻率會(huì)下降。這就是多卜勒效應(yīng)?？梢宰C明,當(dāng)飛行目標(biāo)向雷達(dá)靠近運(yùn)動(dòng)時(shí),接收到的頻率f與雷達(dá)振蕩源發(fā)出的頻率f,0,的頻差為,式中,f,d,稱為多卜勒頻率,vr為飛行目標(biāo)相對(duì)雷達(dá)的運(yùn)動(dòng)速度。可見(jiàn),只要測(cè)得飛行目標(biāo)的多卜勒頻率，就可利用上式求得飛行目標(biāo)的速度。這就是雷達(dá)測(cè)速原理。,(4)目標(biāo)識(shí)別原理,所謂目標(biāo)識(shí)別就是利用雷達(dá)接收到的飛行目標(biāo)的散射信號(hào),從中提取特征信息并進(jìn)行分析處理,從而分辨出飛行目標(biāo)的類別和姿態(tài)。目標(biāo)識(shí)別的關(guān)鍵是目標(biāo)特征信息的提取,這涉及到對(duì)目標(biāo)的編碼、特征選擇與提取、自動(dòng)匹配算法的研制等過(guò)程。,由于目標(biāo)識(shí)別涉及到電磁散射理論、模式識(shí)別理論、數(shù)字信號(hào)處理及合成孔徑技術(shù)等多學(xué)科知識(shí),而且特征信息提取的原理、方法也很多,因此在這里不一一介紹,僅對(duì)頻域極點(diǎn)特征提取法加以簡(jiǎn)單介紹。,如前所述,從目標(biāo)反射或散射回來(lái)的電磁波包含了幅度、相位、極化等有用信息,其中回波中有限頻率的幅度響應(yīng)數(shù)據(jù)與目標(biāo)的特征極點(diǎn)有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,因此基于頻域極點(diǎn)特征提取的目標(biāo)識(shí)別方法是根據(jù)回波中有限頻率的幅度響應(yīng)數(shù)據(jù)提取目標(biāo)極點(diǎn),然后將提取的目標(biāo)極點(diǎn)與各類目標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)模板庫(kù)進(jìn)行匹配識(shí)別,從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的識(shí)別。,現(xiàn)代許多雷達(dá)系統(tǒng)正是根據(jù)上述原理不僅能探測(cè)飛行目標(biāo)的距離、方位及速度,而且能分辨目標(biāo)的類別和姿態(tài),以便采取恰當(dāng)?shù)倪M(jìn)攻或防御策略。,2.幾種典型的雷達(dá)系統(tǒng),科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,使雷達(dá)系統(tǒng)不斷推陳出新,雷達(dá)的用途也越來(lái)越廣,品種繁多,在此不可能全面、系統(tǒng)地介紹所有的雷達(dá)系統(tǒng),下面僅對(duì)單脈沖跟蹤雷達(dá)、相控陣?yán)走_(dá)及合成孔徑雷達(dá)的工作原理加以簡(jiǎn)單介紹。,(1)單脈沖雷達(dá),前面在探測(cè)原理中講到,用尖銳的方向圖的最大值來(lái)測(cè)向的誤差是較大的,對(duì)跟蹤雷達(dá)來(lái)說(shuō)是不合適的。單脈沖技術(shù)是提高測(cè)向誤差的有效手段。由此技術(shù)構(gòu)成的雷達(dá)稱為單脈沖雷達(dá)。下面簡(jiǎn)單分析其中一種單脈沖雷達(dá)的工作原理。,圖 10-3饋源口面不對(duì)稱照射激起TE,10,、TE,20,模單脈沖雷達(dá)采用的天線一般為卡塞格倫天線,其饋源為矩形多模喇叭。當(dāng)天線完全對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)方向時(shí),接收的電磁波在喇叭饋源中激發(fā)的電磁場(chǎng)只有主模TE,10,模,當(dāng)天線偏離目標(biāo)方向時(shí),除主模外還會(huì)產(chǎn)生高次模,其中TE,20,模會(huì)隨著天線角度的變化而變化。對(duì)如圖 10-3 所示的矩形喇叭饋源,當(dāng)目標(biāo)在喇叭中心線右面時(shí),使喇叭右側(cè)的能量較大而左側(cè)較小,這時(shí)等效為主模TE,10,和高次模TE,20,按圖中相位關(guān)系疊加,即右側(cè)是兩個(gè)模式分量的相加,而左側(cè)是兩個(gè)模式分量的相減;當(dāng)目標(biāo)在喇叭中心線左面時(shí),激起的TE,20,模極性與上述情形相反。,圖 10 3 饋源口面不對(duì)稱照射激起TE,10,、TE,20,模,于是只要設(shè)法從喇叭饋源中取出TE20模,它的幅度隨目標(biāo)偏離天線軸而增加,相位取決于偏離方向而相差180,從而為單脈沖接收機(jī)提供了方向性。檢測(cè)到的角度誤差信號(hào)去控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)使天線轉(zhuǎn)動(dòng),改變其方位和俯仰,當(dāng)誤差為零時(shí)天線瞄準(zhǔn)目標(biāo),從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤的目的。這就是單脈沖雷達(dá)的工作原理。,(2)相控陣?yán)走_(dá),一般雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的搜索是用機(jī)械掃描來(lái)實(shí)現(xiàn)的,但這種搜索的速度有限,而且一旦發(fā)現(xiàn)目標(biāo)進(jìn)入跟蹤狀態(tài),就不能顧及來(lái)自不同方向的其他目標(biāo)。相控陣?yán)走_(dá)就能實(shí)現(xiàn)多個(gè)目標(biāo)的同時(shí)跟蹤,而且采用自動(dòng)波束掃描方式實(shí)現(xiàn)快速搜索。,相控陣?yán)走_(dá)實(shí)際上是陣列天線的一種應(yīng)用,它由為數(shù)眾多的天線單元組成的陣列,在計(jì)算機(jī)的控制下對(duì)各天線單元的射頻功率和相位進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)波束的掃描。由前面陣列天線的原理可知：當(dāng)饋送給陣列天線單元的微波載波幅度與相位不同時(shí),就得到不同的天線陣列輻射方向圖,當(dāng)隨著時(shí)間的變化連續(xù)不停地改變單元之間的相位時(shí),便能使形成的波束在一定的空間范圍內(nèi)掃描。這就是稱其為“相控陣?yán)走_(dá)”的原因。,相控陣?yán)走_(dá)的組成原理與其他雷達(dá)一樣,但相對(duì)要復(fù)雜一些,實(shí)質(zhì)上它是由多部“子雷達(dá)”組成的“母雷達(dá)”,天線波束的掃描、組合和賦形以及雷達(dá)工作狀態(tài)的選擇、轉(zhuǎn)換、目標(biāo)的識(shí)別等均由計(jì)算機(jī)來(lái)完成。它能在幾微秒之內(nèi),使波束從一個(gè)方向變換到另一個(gè)方向,其掃描速度之快是機(jī)械掃描雷達(dá)望塵莫及的。,(3)合成孔徑雷達(dá),要提高雷達(dá)的角分辨率,必須增大天線的口徑或采用更短的工作波長(zhǎng)。這兩方面的努力都受到實(shí)際條件的限制,而用于衛(wèi)星和飛機(jī)上的雷達(dá)對(duì)天線的限制就更嚴(yán)了。,合成孔徑雷達(dá)是一種相干多卜勒雷達(dá),它分為不聚焦型和聚焦型兩種。不聚焦型合成孔徑雷達(dá)是利用雷達(dá)天線隨運(yùn)載工具的有規(guī)律運(yùn)動(dòng)而依次移動(dòng)到若干位置上,在每個(gè)位置上發(fā)射一個(gè)相干脈沖信號(hào),并依次對(duì)一連串回波信號(hào)進(jìn)行接收存儲(chǔ),存儲(chǔ)時(shí)保持接收信號(hào)的幅度和相位。當(dāng)雷達(dá)天線移動(dòng)一段相當(dāng)長(zhǎng)的距離L后,合成接收信號(hào)就相當(dāng)于一個(gè)天線尺寸為L(zhǎng)的大天線收到的信號(hào),從而提高了分辨率。所謂聚焦型合成孔徑雷達(dá)是在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)后,扣除接收到的回波信號(hào)中由雷達(dá)天線移動(dòng)帶來(lái)的附加相移,使其同相合成,分辨率更高,當(dāng)然處理也就變得更復(fù)雜了。,10.2 微波通信系統(tǒng),利用微波的寬頻帶特性可以實(shí)現(xiàn)多路信號(hào)共用同一信道,具有較大的通信容量,但微波具有視距傳播的局限性,因此如何克服地球曲率和地面上各種障礙物的影響是建立微波遠(yuǎn)距離通信的首要條件,其中微波中繼通信系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)和對(duì)流層散射通信系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)微波遠(yuǎn)距離通信的典型。下面就對(duì)微波中繼通信系統(tǒng)做以簡(jiǎn)單介紹。,微波中繼通信也稱為微波接力通信。由第7章可知,微波在空間是直線傳播的,設(shè)地球上A,B兩點(diǎn)天線的架設(shè)高度分別為h,1,h,2,則由式（7-2-2）可得兩者間的最大傳輸距離為,天線架設(shè)高度一般在100m以下,所以一般視距為50km左右。因此要利用微波進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸,必須在遠(yuǎn)距離的兩個(gè)微波站之間設(shè)置許多中間站（即中繼站）,以接力的方式將信號(hào)一站一站地傳遞下去,從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信,這種通信方式就稱為微波中繼通信。下面就微波中繼的轉(zhuǎn)接方式及SDH數(shù)字微波通信系統(tǒng)組成做一介紹。,1.微波中繼轉(zhuǎn)接方式,按傳輸信號(hào)的形式，微波中繼通信可分為模擬微波中繼通信和數(shù)字微波中繼通信。按中繼方式可分為基帶轉(zhuǎn)接、中頻轉(zhuǎn)接和微波轉(zhuǎn)接三種。,所謂基帶轉(zhuǎn)接，是在中繼站首先將接收到載頻為f,I,的微波信號(hào)經(jīng)混頻變成中頻信號(hào),然后經(jīng)中放送到解調(diào)器,解調(diào)還原出基帶信號(hào),然后又對(duì)發(fā)射機(jī)的載波進(jìn)行調(diào)制,并經(jīng)微波功率放大后,以載頻f,I,發(fā)射出去。所謂中頻轉(zhuǎn)接，是指在中繼站將接收到的載頻為fI的微波信號(hào)經(jīng)混頻變成中頻信號(hào),然后經(jīng)中放后直接上變頻得到載頻為f,I,微波信號(hào),最后經(jīng)微波功率放大后發(fā)射出去。顯然它沒(méi)有上下話路分離與信碼再生的功能,只起到了增加通信距離的作用，這樣設(shè)備就相對(duì)簡(jiǎn)單了。所謂微波轉(zhuǎn)接,是在中繼站直接對(duì)接收到的微波信號(hào)放大、變頻后再經(jīng)微波功率放大后直接發(fā)射出去,這種轉(zhuǎn)接的設(shè)備更為簡(jiǎn)單。基帶轉(zhuǎn)接方式的框圖如圖 10-4 所示。,圖 10-4 基帶轉(zhuǎn)接的原理框圖,無(wú)論數(shù)字信號(hào)還是模擬信號(hào),經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離的傳輸,經(jīng)一站一站轉(zhuǎn)接后,原始信號(hào)將疊加上各種干擾與噪聲,使信號(hào)質(zhì)量下降。對(duì)數(shù)字系統(tǒng)一般采用基帶轉(zhuǎn)接方式,它可利用數(shù)字差錯(cuò)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)基帶信號(hào)再生,從而避免了噪聲的沿站積累,這也是數(shù)字微波中繼系統(tǒng)主要采用基帶轉(zhuǎn)接方式的主要原因,將帶再生技術(shù)的中繼站稱為再生中繼站，有時(shí)為了簡(jiǎn)化設(shè)備，降低功耗,也可采用混合中繼方式,即在兩個(gè)再生中繼站之間的一些中繼站采用中頻轉(zhuǎn)接或微波轉(zhuǎn)接。對(duì)模擬系統(tǒng)，由于基帶電平變化積累、基帶頻響偏移等原因,一般不宜用基帶轉(zhuǎn)接方式,而采用中頻轉(zhuǎn)接或微波轉(zhuǎn)接。,2.SDH數(shù)字微波通信系統(tǒng),數(shù)字微波中繼通信與光纖通信、衛(wèi)星通信一起被稱為現(xiàn)代通信傳輸?shù)娜笾饕侄巍?它具有傳輸容量大、長(zhǎng)途傳輸質(zhì)量穩(wěn)定、投資少、建設(shè)周期短、維護(hù)方便等特點(diǎn),因此受到各國(guó)普遍重視。,同步數(shù)字系列（SDH）是新一代數(shù)字傳輸網(wǎng)體制,它是通信容量迅速增長(zhǎng)、光纖通信持續(xù)發(fā)展的產(chǎn)物。SDH的應(yīng)用很廣泛,它不僅可用于光纖通信系統(tǒng),而且在微波傳輸中也被大量采用,從而成為數(shù)字微波中繼通信的主要方式。SDH數(shù)字微波中繼通信系統(tǒng)廣泛采用一些新技術(shù)，諸如:全新的基帶數(shù)字信號(hào)處理方式、高效率的數(shù)字載波調(diào)制技術(shù)、自適應(yīng)的發(fā)信功率控制技術(shù)等。SDH數(shù)字微波中繼通信系統(tǒng)一般由終端站、樞紐站、分路站及若干中繼站組成,如圖 10-5 所示。,圖 10-5SDH數(shù)字微波中繼通信系統(tǒng)組成框圖,處于線路兩端或分支線路終點(diǎn)的站稱為終端站,它可上、下全部支路信號(hào),配備SDH數(shù)字微波傳輸設(shè)備和復(fù)用設(shè)備;處于線路中間,除了可以在本站上、下某收、發(fā)信波道的部分支路外,還可以溝通干線上兩個(gè)方向之間通信的站稱為分路站,有時(shí)還完成部分波道的信號(hào)再生后繼續(xù)傳輸,一般配備SDH數(shù)字微