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多普勒雷達(dá)是一種利用多普勒效應(yīng)來探測運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的位置和相對運(yùn)動(dòng)速度的雷達(dá)。它通常被用于軍事、氣象探測等領(lǐng)域。在軍事方面,多普勒雷達(dá)可以用于探測敵方導(dǎo)彈、飛機(jī)、船舶等目標(biāo),并引導(dǎo)導(dǎo)彈進(jìn)行攻擊。在氣象方面,多普勒雷達(dá)可以用于探測風(fēng)暴、臺(tái)風(fēng)、地震等自然災(zāi)害,以及研究大氣物理學(xué)、氣象學(xué)等領(lǐng)域。
多普勒雷達(dá)的工作原理是基于多普勒效應(yīng),即當(dāng)一個(gè)物體在運(yùn)動(dòng)時(shí),其發(fā)出的波的頻率會(huì)因?yàn)橛^察者的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生變化。多普勒雷達(dá)向周圍發(fā)射電磁波,并接收物體反射回來的信號。通過測量反射信號的頻率和相位變化,可以計(jì)算出物體的位置和相對運(yùn)動(dòng)速度。
多普勒雷達(dá)有多種應(yīng)用,其中一些包括:軍事目標(biāo)探測、導(dǎo)彈制導(dǎo)、飛機(jī)著陸系統(tǒng)、氣象探測、地震探測、交通控制等。工作原理
多普勒效應(yīng)
1842年,奧地利物理學(xué)家J·C·多普勒發(fā)現(xiàn),當(dāng)波源和觀測者有相對運(yùn)動(dòng)時(shí),觀測者接受到的波的頻率和波源發(fā)來的頻率不同,這種現(xiàn)象被稱為多普勒效應(yīng)。波源和觀測者相互接近時(shí),接受到的頻率升高;兩者相互離開時(shí),則降低。例如,當(dāng)波源離開我們而運(yùn)動(dòng),相繼的兩個(gè)波峰之間的間隔,要比它們離開發(fā)射源時(shí)的間隔增大,因?yàn)槊恳粋€(gè)后續(xù)的波峰都要比前一個(gè)波峰多走一點(diǎn)路程,才能抵達(dá)我們這里。因此,接受頻率將低于發(fā)射頻率,這時(shí)我們會(huì)覺得,從一個(gè)離開我們而運(yùn)動(dòng)著的波源發(fā)出的波的波長,比這個(gè)波源靜止時(shí)所發(fā)射的波長要長一些。同樣,從一個(gè)向著我們而運(yùn)動(dòng)的波源發(fā)出的波的波長,比這個(gè)波靜止時(shí)所發(fā)射的波長要短一些?;疖囻傔^車站時(shí)汽笛音調(diào)的變化即為多普勒效應(yīng)的一個(gè)例子。在天文學(xué)上,利用天體發(fā)出的光譜中譜線的移動(dòng),可以推測天體接近或離開觀測者的速度: 根據(jù)多普勒效應(yīng),當(dāng)天體發(fā)出的光譜線向波長較長一端偏移(即紅移),表明天體是離開觀測者而去; 當(dāng)天體發(fā)出的光譜線向波長較短的一端偏移(即紫移),表明天體是向著觀測者而來。 雷達(dá)工作原理
多普勒雷達(dá)的工作原理可表述如下:當(dāng)雷達(dá)發(fā)射一固定頻率的脈沖波對空掃描時(shí),如遇到活動(dòng)目標(biāo),回波的頻率與發(fā)射波的頻率出現(xiàn)頻率差,稱為多普勒頻率。根據(jù)多普勒頻率的大小,可測出目標(biāo)對雷達(dá)的徑向相對運(yùn)動(dòng)速度;根據(jù)發(fā)射脈沖和接收的時(shí)間差,可以測出目標(biāo)的距離。同時(shí)用頻率過濾方法檢測目標(biāo)的多普勒頻率譜線,濾除干擾雜波的譜線,可使雷達(dá)從強(qiáng)雜波中分辨出目標(biāo)信號。所以多普勒雷達(dá)比普通雷達(dá)的抗雜波干擾能力強(qiáng),能探測出隱蔽在背景中的活動(dòng)目標(biāo)。
發(fā)展過程
脈沖多普勒雷達(dá)于20世紀(jì)60年代研制成功并投入使用。20世紀(jì)70年代以來,隨著大規(guī)模集成電路和數(shù)字處理技術(shù)的發(fā)展,脈沖多普勒雷達(dá)廣泛用于機(jī)載預(yù)警、導(dǎo)航、導(dǎo)彈制導(dǎo)、衛(wèi)星跟蹤、戰(zhàn)場偵察、靶場測量、武器火控和氣象探測等方面,成為重要的軍事裝備。裝有脈沖多普勒雷達(dá)的預(yù)警飛機(jī),已成為對付低空轟炸機(jī)和巡航導(dǎo)彈的有效軍事裝備。例如,機(jī)載火控系統(tǒng)用的主要是脈沖多普勒雷達(dá)。如美國戰(zhàn)機(jī)裝備的 A P G-68雷達(dá),代表了機(jī)載脈沖多普勒火控雷達(dá)的先進(jìn)水平。它有18種工作方式,可對空中、地面和海上目標(biāo)邊搜索邊跟蹤,抗干擾性能好,當(dāng)飛機(jī)在低空飛行時(shí),還可引導(dǎo)飛機(jī)跟蹤地形起伏,以避免與地面相撞。這種雷達(dá)體積小,重量輕,可靠性高。 此外,這種雷達(dá)還用于氣象觀測。常規(guī)天氣雷達(dá)的信號測量僅限于氣象目標(biāo)的強(qiáng)度。而多普勒天氣雷達(dá)除具備常規(guī)天氣雷達(dá)的全部功能外,還能同時(shí)提供大氣風(fēng)場的信號。通過對氣象回波進(jìn)行多普勒速度分辨,可獲得不同高度大氣層中各種空氣湍流運(yùn)動(dòng)的分布情況。我國多普勒天氣雷達(dá)技術(shù)開發(fā)起步較晚,上個(gè)世紀(jì)80年代末開始進(jìn)行多普勒天氣雷達(dá)的研制和在氣象業(yè)務(wù)上的試用。90年代已生產(chǎn)出714CD、714SD型脈間相干。1997年全國第一部進(jìn)口的WSR88D新一代多普勒天氣雷達(dá)在上海落戶。99年對WSR-88D進(jìn)行改造,第一部先進(jìn)的S波段全相干脈沖多普勒雷CINRAD/CC 3824。CINRAD/CC重大改進(jìn)是利用物理學(xué)上的多普勒效應(yīng)測定降水粒子的徑向運(yùn)動(dòng)速度,并通過速度信息推斷降水云體的風(fēng)速分布、風(fēng)場結(jié)構(gòu)特征、垂直氣流速度等。目前已是美國、西歐等發(fā)達(dá)國家的主導(dǎo)地基氣象探測設(shè)備。多普勒雷達(dá)是目前世界上最先進(jìn)的雷達(dá)系統(tǒng),有“超級千里眼”之稱,最大探測距離半徑為460km 。相較于傳統(tǒng)天氣雷達(dá),多普勒雷達(dá)能夠監(jiān)測到位于垂直地面8-12公里的高空中的對流云層的生成和變化,判斷云的移動(dòng)速度,其產(chǎn)品信息達(dá)72種,天氣預(yù)報(bào)的精確度比以前將會(huì)有較大提高。以提高我國突發(fā)暴雨、沿海臺(tái)風(fēng)和大江大河強(qiáng)降水預(yù)警等災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)時(shí)效和準(zhǔn)確為目的的新一代天氣雷達(dá)網(wǎng)正在建設(shè)。截至2010年底,我國已建成126部新一代天氣雷達(dá)站,占全國擬建158部計(jì)劃的73%。分S、C兩種波段,S波段內(nèi)有三種不同型號雷達(dá),(CINRAD/SA、CINRAD/SB、CINRAD/SC)主要分布在長江沿海。C波段型號雷達(dá)(CINRAD/CC、CINRAD/CB、CINRAD/CD、CINRAD/CCJ)主要分布在內(nèi)陸。 結(jié)構(gòu)組成
機(jī)載脈沖多普勒雷達(dá)主要由天線、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、伺服系統(tǒng)、數(shù)字信號處理機(jī)、雷達(dá)數(shù)據(jù)處理機(jī)和數(shù)據(jù)總線等組成。機(jī)載脈沖多普勒雷達(dá)通常采用相干體制,有著極高的載頻穩(wěn)定度和頻譜純度以及極低的天線旁瓣,并采取先進(jìn)的數(shù)字信號處理技術(shù)。脈沖多普勒雷達(dá)通常采用較高以及多種的重復(fù)頻率和多種發(fā)射信號形式,以在數(shù)據(jù)處理機(jī)中利用代數(shù)方法,并可應(yīng)用濾波理論在數(shù)據(jù)處理機(jī)中對目標(biāo)坐標(biāo)數(shù)據(jù)作進(jìn)一步濾波或預(yù)測。 特點(diǎn)
多普勒雷達(dá)與傳統(tǒng)雷達(dá)的一個(gè)區(qū)別在于它的發(fā)射機(jī)一直處于開啟狀態(tài),這種類型的
雷達(dá)稱為連續(xù)波或CW雷達(dá)。發(fā)射機(jī)之所以必須一直開啟,因?yàn)樗幌駛鹘y(tǒng)雷達(dá),需計(jì)算發(fā)射與接收間的時(shí)間,多普勒雷達(dá)尋找頻率變化。而頻率變化不會(huì)持續(xù)很長時(shí)間,因此發(fā)射機(jī)必須一直處于開啟狀態(tài)。
脈沖多普勒雷達(dá)具有下列特點(diǎn):
①采用可編程序信號處理機(jī),以增大雷達(dá)信號的處理容量、速度和靈活性,提高設(shè)備的復(fù)用性,從而使雷達(dá)能在跟蹤的同時(shí)進(jìn)行搜索并能改變或增加雷達(dá)的工作狀態(tài),使雷達(dá)具有對付各種干擾的能力和超視距的識別目標(biāo)的能力;
②采用可編程序柵控行波管,使雷達(dá)能工作在不同脈沖重復(fù)頻率,具有自適應(yīng)波形的能力,能根據(jù)不同的戰(zhàn)術(shù)狀態(tài)選用低、中或高三種脈沖重復(fù)頻率的波形,并可獲得各種工作狀態(tài)的最佳性能; ③采用多普勒波束銳化技術(shù)獲得高分辨率,在空對地應(yīng)用中可提供高分辨率的地圖測繪和高分辨率的局部放大測繪,在空對空敵情判斷狀態(tài)可分辨出密集編隊(duì)的群目標(biāo)。
應(yīng)用
軍事應(yīng)用
多普勒雷達(dá)廣泛用于機(jī)載預(yù)警、導(dǎo)航、導(dǎo)彈制導(dǎo)、衛(wèi)星跟蹤、戰(zhàn)場偵察、靶場測量、武器等方面。
氣象探測
多普勒雷達(dá)也用于氣象探測等場合。通過對氣象回波進(jìn)行多普勒速度分辨,可獲得不同高度大氣層中各種空氣湍流運(yùn)動(dòng)的分布情況,從而得到相關(guān)的氣象信息。