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弄清频率对雷达功能的影响,选出最佳

雷达对频率的选择是权衡了众多因素之后做出的最佳决策。下面将介绍频率对雷达性能的影响以及如何选择最佳频率?

物理尺寸

用来产生和传输射频功率的硬件尺寸,通常与频率成反比。对于较低的频率,硬件往往又大又重;对于较高的频率,雷达的尺寸要小些,也因此更加轻便、更省空间。然而,有限的空间需要电子设备的排列更为紧密,从而给设计带来一定挑战。

传输功率

由于频率大小会影响到硬件尺寸大小,频率的选择会间接影响雷达传输大功率的能力。雷达发射机能处理的功率水平在很大程度上受到电压梯度和散热要求的限制。因此,较大较重的米波雷达平均传输功率可达兆瓦,而毫米波雷达的平均功率可能只有几百瓦。

很多时候,在可用功率范围内,实际使用的功率是由尺寸、重量、可靠性、成本和探测范围共同决定的。

波束宽度

雷达的角宽度与波长和天线宽度的比值成正比。想要获得给定的波束宽度,波长越长,则天线必须越宽。低频下,需选用非常大尺寸的天线才能产生理想的窄波束。而高频下,小天线就足够了。我们知道,波束越窄,角分辨力也就越高。

大气衰减

无线电波通过大气层,会受到两种个因素影响而衰减:吸收和散射。吸收的主因是氧气(60GHz)和水蒸气(21GHz)。散射几乎完全是凝结的水蒸气(如雨滴)造成的,吸收和散射均随频率增加而明显。

大气衰减在频率不足100MHz时,可以忽略不计;而高于10GHz左右时,大气衰减影响激增。在不使用动目标检测(MTI)的简单雷达中,天气杂波可能会令雷达目标模糊不清。

虽然机载雷达基本不受此影响,但大气衰减对通过电离层的超高频及其以下的雷达信号的影响(衰减、折射、色散和法拉第旋转)也可能相当大。

树叶穿透性能

特定情况下,可能需要机载雷达来探测隐藏在树下的目标。雷达的穿透能力取决于树叶冠层的衰减特性,而衰减特性是随着频率的增加而增强的。实际上,L波段或L波段以下的频率具备叶穿透能力。

分数带宽

雷达分数带宽等于其信号带宽除以中心频率所得出的值。对于一个给定的雷达信号带宽,中心频率越低,则分数带宽越大。大的分数带宽(大于15%)会给雷达硬件,特别是天线带来不少难题。

共享频谱

除了雷达之外,电磁频谱还有其他许多用途,特别是在通信、广播、无线电导航上。国际协议规定了频谱必须分配给不同的用户,因此某些频带是专门分配给某一特定应用的,而其他频段是共享的。

频谱上的用户都希望自己的带宽越大越好,然而电磁频谱是个极其有限的资源。因此,即使有了分配方案,也免不了相互干扰这个问题。

如何选择最佳频率?

雷达频率的选择受到若干因素的影响:雷达性能、雷达工作环境、雷达操作平台的物理限制以及成本。

地面雷达

由于不受大小和重量的限制,这些雷达的设计可以大到足以提供可接受的高角度分辨率,却又能在相对较低的频率上运行。正如我们所见,超视距雷达作业于有电离层适当反射的高频波段。空间监视预警雷达的作业波段位于超高频和甚高频波段,那里环境噪声很小,大气衰减可以忽略不计。

但是这些频带挤满了通信信号,因此雷达的使用(其传输通常占用较宽的频带)仅限于特殊应用和地理区域。如果不需要如此长的探测距离,那么部分大气衰减也是可以接受的,地面雷达可以通过增加到L、S和C波段频率或更高的频率来减小体积。

舰载雷达

雷达设备一旦上船,物理尺寸限制了许多应用。同时船舶可在最不利天气下还能正常工作的要求,也对可使用的频率做出了更多限制。好在限制条件比较宽松,并未要求一定有超远探测距离。舰载雷达在对水面目标和低仰角目标作业时,需要要用到更高的频率。

掠角接近零的情况下,从目标直接传回的回波几乎被经过水面折射形成的回波抵消掉了-这种现象叫做多径效应。抵消是由于波返回时出现了180°相位反转。随着夹角的增大,直接和间接路径的相差也在增加,抵消现象也在减少。波长越短,抵消的速度越快。

由此,较短的S和X波段频率被广泛用于低空飞行目标的表面搜索、检测和驾驶。而且雷达在平坦的地面上作业时,也会遇到同类现象。

机载雷达

航空器(飞机)对雷达尺寸的限制条件十分苛刻。因而常用的最低频率是超高频、L波段、S波段,且只用在特别专门的应用领域。它们使得需要机载早期预警系统的警告和控制系统(AWACS)具有了长距离探测能力。

气象雷达在C波段和X波段都能工作,选择两个波段,是经过了双重权衡的。一重权衡是风暴穿透与散射。如果散射得太厉害,雷达就无法深入风暴看清全貌。但要是反散到雷达上的能量太少,则根本看不见风暴;另一重权衡是风暴穿透与设备尺寸。C波段雷达突防能力更好,探测距离更长,主要用于商用飞机。X波段雷达体积更小,性能俱全,广泛应用于私人飞机。

大多数战斗机、攻击机和侦察机的雷达都在X波段和Ku波段工作,许多雷达的工作波段集中在X波的3厘米波长,和Ku波的2厘米波长区域。

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