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鬼泣2中文版下載:擊落美軍無人機?原理學會了,就差個雷達系統了
2019-06-27 09:21:53 LADYMAX
擊落美軍無人機?原理學會了,就差個雷達系統了

導讀

6月20日,美國的一架RQ-4A無人機被伊朗擊落。

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圖1 RQ-4A,翼展達到37米,是其容易被雷達發現的原因之一

伊朗發布了無人機的行進路線圖,藍色是無人機的軌跡,黃色是伊朗的飛行情報識別區,紅色是伊朗的領海。黃點表示無人機接收伊朗無線電警告的位置,紅點則是伊朗最終將無人機擊落的地點。

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那么此次擊落事件,與伊朗的防空雷達密切相關。

班長最近也在向很多同學們科普雷達的工作原理,那么就利用此次事件,將內容寫下來。

雷達的基本原理

雷達工作的原理與聲波反射原理非常相似。

如果你朝著反射聲音的物體(如巖石、峽谷或洞穴)的方向呼喊,你就會聽到回聲。

如果你知道聲音在空氣中的速度,你就可以估計物體的距離和方向。

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圖2 聲波的回聲

雷達以同樣的方式使用電磁能量脈沖,如圖3所示。

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圖3 電磁波的反射

無線電頻率(Radio-Frequency,RF)能量被傳送到反射物體,并從反射物體反射出來。

反射能量的一小部分返回到雷達裝置。這種返回的能量被稱為回聲

雷達站利用回波來確定反射物體的方向和距離。

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圖4 雷達的工作過程

雷達的英文名字叫作Radar,Radar,Radio (aim) detecting and ranging

"雷達"這個詞是在1940年11月,美國海軍中校塞繆爾·M·塔克F.R.福斯發明的。這個縮略詞是1943年第二次世界大戰盟國通過的,后來得到了國際上的普遍認可。

在一定條件下,雷達系統可以測量這些目標的方向、高度、距離、航向速度

雷達電磁能量的頻率不受白天與夜晚的影響,還能穿透云霧。

這使得雷達系統可以確定由于距離、黑暗天氣而肉眼看不到的飛機、船只或其他障礙物的位置。

現代雷達系統還可以從目標回波信號中提取比距離更多的信息。

但是,通過測量延遲時間來計算距離仍然是其最重要的功能之一。

雷達測距原理

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圖5 雷達測距系統簡化方框圖

圖5是雷達測距系統的簡化方框圖。

脈沖信號產生器產生的矩形周期性信號對高頻振蕩進行調制,由此形成微波(射頻)脈沖序列。

微波頻率約在幾百兆赫茲到幾十吉赫,例如,一個雷達的實際頻率值為10GHz,其波長為3cm,此頻率值處于x波段。

矩形脈沖信號的寬度約在us和ms量級。微波信號經天線輻射到達目標物體形成反射波,經天線再送回到接收機。

對微波信號檢波、放大之后得到一個大體上仍為矩形的延時脈沖。

測量兩信號的延遲時間即可折算出目標距離。

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圖6 主要的發射與接收波形

雷達以很高的脈沖功率發射短脈沖。

這種脈沖通過天線向一個方向聚焦。如果在這個方向遇到障礙,例如飛機,那么脈沖的一部分能量分散在各個方向。一小部分也被反射回雷達。

雷達天線接收到這種能量,雷達對包含的信息進行評估。

我們可以用一個簡單的示波器測量的距離。

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圖7 示波器顯示發射與反射過程

在示波器上,與發射的脈沖同步移動一個發光點,并留下一個軌跡。此時,當天線接收回波脈沖時,這個脈沖也會顯示在示波器上。示波器上顯示的兩個脈沖之間的距離是飛機距離。

由于無線電波的傳播是以恒定的速度(光速c0)進行的,這個距離是由高頻發射信號的運行時決定的。

雷達目標的實際距離稱為傾斜距離R,其表達式如下

R=c0*t/2

t為發射到反射回來的時間。

圖7中的示波器不夠直觀。

另一種回波指示設備稱為"平面位置顯示器PPI",見圖8。它利用陰極射線管屏幕中心表示雷達站位置,每次掃描開始都自屏幕中心產生一個亮點,此亮點以恒速沿半徑向外掃描(稱為距離掃描)并隨天線方位變化同步旋轉(稱為方位掃描)。

掃描的指向對應著天線的方位角,若天線指向正北方向時,掃描線設定為垂直向上。反射回波信號可以控制屏幕在各個位置產生加強亮點,如果加強亮點離屏幕中心越遠,表示目標物體與雷達站距離越遠。

利用長余暉顯示屏幕可以使天線旋轉一周時亮點強度保持不變,從而形成受回波反射信號全面控制的二維圖像。

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圖8 雷達PPI

我們在電視天氣預報中看到的云圖就是這類系統的應用實例。

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圖9 雷達天氣云圖(臺風)

雷達信號的頻譜特征

我們假設圖6所示的基本參數如下:

  • 高頻振蕩(載波、射頻)頻率fc=200MHz
  • 矩形脈沖(調制信號)寬度T0=100ns
  • 矩形脈沖重復周期T1=100us

實際的雷達系統脈沖要復雜一點,如圖10所示。

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圖10 實際的雷達系統信號

高頻振蕩信號的時域表達式,

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矩形脈沖可以用g(t)表示,f(t)為雷達的發射信號

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那么雷達發射信號f(t)的頻譜可以通過求解傅里葉變換得到

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時域的乘積,等于頻域的卷積。

由于余弦函數的傅里葉變換為沖激函數,矩形脈沖的傅里葉變換為Sa函數。

所以整體上雷達信號f(t)的傅里葉變換為Sa函數搬移到+-ωc兩側。

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圖11 雷達信號幅度譜

Sa的中心對稱點為wc,圖11中為200MHz。

同時Sa函數中心點wc兩邊過零點為wc+2π/T0,wc-2π/T0,圖11中為210MHz和190MHz。

實際的雷達矩形脈沖必然是周期的,那么頻域就會離散化,離散的間隔就是時域周期的倒數。

如果不理解這句話,請看班長之前的文章哦。傅里葉變換FT-FS-DTFT-DFS復雜?理解了離散周期的概念,就懂了!

所以,實際的雷達信號的頻譜是離散的,在每個離散點是沖激函數,離散間隔為1/T1,本文中為0.01MHz。如果畫在圖11中,將會非常的密集。

總結

雷達的基本原理雖然簡單,但在實際的應用中會有大量的困難與問題需要解決。如探尋隱身目標,反擊輻射導彈,應對低空突防,抵御電子干擾等實際問題,迫切需要研究雷達優化配置與組網、信息壓縮及其傳輸、信息融合與決策、雷達目標的大規模綜合顯示以及人工智能技術的應用等新概念和新理論,并建立全新的數字化、軟件化、全自動化的防空雷達網[2]。

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圖12 有源相控陣雷達

參考文獻:

[1]radartutorial.eu

[2]鄭君里,應啟珩,楊為理."信號與系統(第三版)",2010.

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