1、第 10 章 微波应用系统10.1 基本概念和公式基本概念和公式 10.2 基本要求基本要求10.3 练练 习习 题题10.1 基本概念和公式基本概念和公式10.1.1 雷达系统雷达系统1.雷达系统的定义及构成雷达系统的定义及构成雷达(Radar)是英文无线电探测与测距(RadioDetectionandRanging)的缩写。现代雷达系统一般由天馈子系统、射频收发子系统、信号处理子系统、控制子系统、显示子系统及中央处理子系统等组成,如图 10 1 所示。图 10 1 现代雷达系统的组成框图2.雷达探测原理雷达探测原理电磁波具有幅度信息、相位信息、频率信息、时域信息及极化信息等多种信息。雷达利
2、用从目标反射或散射回来的电磁波中提取相关信息,从而实现测距、测向、测速及目标识别与重建等目的。1)测距设雷达与目标之间的距离为 s,由发射机经天线发射的雷达脉冲,经目标反射后回到雷达,共走了 2 s 的距离,若能测得发射脉冲与回波脉冲之间时间间隔 t,则目标离雷达的距离为2)测向 天线波束按一定规律在要搜索的空间进行扫描以捕获目标,当发现目标时,停止扫描,微微转动天线,当接收信号最强时,天线所指的方向就是目标所在的方向。3)测速 当飞行目标向雷达靠近运动时,接收到的频率f 与雷达振荡源发出的频率f0 的频 差为式中,fd 称为多卜勒频移;vr 为飞行目标相对雷达的运动速度。4)目标识别原理 所
3、谓的目标识别,就是利用雷达接收到的飞行目标的散射信号,从中提取特征信息并 进行分析处理,从而分辨出飞行目标的类别和姿态。目标识别的关键是目标特征信息的提 取,这涉及对目标的编码、特征选择与提取、自动匹配算法的研制等过程。3.几种典型雷达系统几种典型雷达系统 1)单脉冲雷达 单脉冲雷达采用的天线一般为卡塞格伦天线,其馈源为矩形多模喇叭。当天线完全对 准目标方向时,接收的电磁波在喇叭馈源中激发的电磁场只有主模 TE10模,当天线偏离目 标方向时,除主模外还会产生高次模,其中 TE20模会随着天线角度的变化而变化。对矩形 喇叭馈源,当目标在喇叭中心线右面时,喇叭右侧的能量等效为主模 TE10和高次模
4、 TE20 两个模式分量的相加,而左侧是两个模式分量的相减,如图10 2所示,因此喇叭右侧的 能量较大而左侧较小;当目标在喇叭中心线左面时,激起的 TE20模极性与上述情形相反。图 10 2 馈源口面不对称照射激起 TE10、TE20模2)相控阵雷达 相控阵雷达实际上是阵列天线的一种应用,它由为数众多的天线单元组成阵列,当馈 送给阵列天线单元的微波载波幅度与相位不同时,就得到不同的天线阵列辐射方向图。随 着时间的变化连续不停地改变单元之间的相位时,便能使形成的波束在一定的空间范围内 扫描。这就是称为“相控阵雷达”的原因3)合成孔径雷达 合成孔径雷达是一种相干多卜勒雷达,它分为不聚焦型和聚焦型合
5、成孔径雷达。不聚 焦型合成孔径雷达的优点是利用雷达天线随运载工具的有规律运动而依次移动到若干位置 上,在每个位置上发射一个相干脉冲信号,并依次对一连串回波信号进行接收存储,存储 时保持接收信号的幅度和相位,当雷达天线移动一段相当长的距离L 后,合成接收信号就 相当于一个天线尺寸为L 的大天线收到的信号,从而提高了分辨率。10.1.2 微波通信系统微波通信系统 1.微波中继通信微波中继通信 微波在空间是视距传播的。由于天线架设高度一般在100 m 以下,所以一般视距为 50km 左右。因此要利用微波进行远距离传输,必须在远距离的两个微波站之间设置许多 中间站(称为中继站),按接力的方式将信号一站
6、一站传递下去,从而实现远距离通信,这 种通信方式就称为微波中继通信。2.微波中继转接方式微波中继转接方式 1)三种常用的中继转接方式 基带转接:在中继站首先将接收到载频为fI 的微波信号经混频变成中频信号,然 后经中放送到解调器,解调还原出基带信号,然后再对发射机的载波进行调制,并经微波 功率放大后,以载频fI 发射出去,如图10 3所示。图 10 3 基带转接的原理框图 中频转接:它是指在中继站将接收到载频为fI 的微波信号经混频变成中频信号,然后经中放后直接上变频得到载频为fI 微波信号,最后经微波功率放大后发射出去。显 然它没有上下话路分离与信码再生的功能,只起到了增加通信距离的作用。微
7、波转接:在中继站直接对接收到微波信号放大、变频后再经微波功率放大后直接 发射出去。2)三种中继转接方式的特点及应用 数字系统一般采用基带转接方式。它利用数字差错控制技术实现基带信号再生,从 而避免了噪声的沿站积累,将带再生技术的中继站称为再生中继站。设备较复杂。有时为 了简化设备、降低功耗,也可采用混合中继方式,即在两个再生中继站之间的一些中继站 采用中频转接或微波转接。对模拟系统由于基带电平变化积累,基带频响偏移等原因,故一般不宜用基带转接 方式,而采用中频转接或微波转接。3.SDH 数字微波通信系统数字微波通信系统 1)SDH 数字微波通信系统的构成 SDH 数字微波通信系统一 般 由 终
8、 端 站、枢 纽 站、分 路 站 及 若 干 中 继 站 组 成,如 图 10 4所示。无论是终端站还是中间站,它都需要收发天线、馈线及各种微波器件。图 10 4 SDH 数字微波中继通信系统组成框图 终端站:处于线路两端或分支线路终点,它可上、下全部支路信号,配备SDH 数字 微波传输设备和复用设备。枢纽站:处于干线上,需完成数个方向上的通信任务,它要完成某些波道的转接、复接与分接,还有某些波道的信号可能需要再生后继续传输,故这一类站的设备最多。分路站:处于线路中间,除了可以在本站上、下某收/发信波道的部分支路外,还可 以沟通干线上两个方向之间的通信。中继站:指处于线路中间不上、下话路的站,
9、可分为信码再生中继和非再生中继。2)SDH 数字微波中继通信系统采用的技术 SDH 数字微波中继通信系统采用基带数字信号处理方式、高效率的数字载波调制技 术、自适应的发信功率控制技术等。10.1.3 微波遥感系统微波遥感系统 1.微波遥感系统的工作原理微波遥感系统的工作原理 当电磁波与物体(不论是固体、液体、气体还是等离子体)相遇时,会发生各种相互作 用。相互作用的结果会使入射波的振幅、方向、频率、相位和极化等发生变化,从而产生各 种有用的特征信息,由此便能识别不同的物体。这种相互作用主要包括:入射电磁波的反 射或散射及透射、热效应及热辐射等。2.微波遥感器微波遥感器 1)微波辐射计 任何温度
10、高于绝对零度的物体,都会有热辐射,热辐射的波长为1m1m 左右,而 热辐射的频率主要取决于它的温度和比辐射率。比辐射率表示物质通过辐射释放热量的难 易程度,两个在同样环境中温度相同的物体,具有较高比辐射率的物体将更强烈地辐射出 热射线。从天线接收到的微波辐射能量和参考负载在开关的控制下交替输入到接收机,如图 10 5所示,开关周期s 一般在10-3s10-1s之间。检波前部分的输入功率分别来自天 线的信号和参考负载的噪声功率,忽略输入开关的上升、衰落时间对接收机波形的影响,则平方律检波后的直流电压为式中,Cd 为平方律检波灵敏度(V/W);k 为玻尔兹曼常数;s 为开关周期;G,B 分别为滤
11、波放大部分的增益和带宽。则积分器输出的平均电压为式中,Gp 为 检 波 输 出 到 积 分 器 输 出 间 的 电 压 增 益。将 式(10 1 3)代 入,并 令 Gs=2GpCdGkB,则有图 10 5 微波比较辐射计工作原理图2)微波成像雷达 微波成像雷达可分为真实孔径侧视雷达和合成孔径侧视雷达两类。机载侧视雷达是将 一个长的水平孔径天线装在飞机的一侧或两侧,天线将微波能量集中成一个窄的扇形波束 并在地面形成窄带。天线将脉冲微波能量相继照射到窄带上各点(见图10 6),不同距离 目标反射回来的回波在接收机中按时间先后分开,一个同步的强度调制光点在摄影胶片或 显示器上横扫一条线,以便在与目
12、标的地面距离成比例的地方记录目标的回波,当各条回 波记录好后,再发另一个脉冲进行新一次扫描,从而产生条带状的雷达图像。图 10 6 机载侧视雷达地面航迹与照射窄带示意图10.1.4 无线传感与射频识别无线传感与射频识别1.射频识别系统的构成射频识别系统的构成 射频识别系统主要由阅读器、应答器和后台计算机系统组成,如图10 7所示。它是 利用无线电波将电子数据载体(即应答器)中的数据非接触地与阅读器进行数据交换从而实 现识别的系统。图 10 7 射频识别器的组成框图2.射频识别系统射频识别系统(RFID)的分类的分类 RFID系统按数据量来分,可分为1比特系统和电子数据载体系统。3.微波波段典型
13、微波波段典型 RFID的工作原理的工作原理 1)微波1比特应答器 微波1比特应答器是利用电容二极管的非线性特性和能量存储特性来实现的,其典型 原理图如图10 8所示。图图 10 8 微波微波1比特应答器原理图比特应答器原理图2)电磁反向散射式应答器 电磁反向散射式应答器利用电磁波的散射原理来实现数据的传输,其典型原理图如图 10 9所示。图 10 9 反向散射应答器的作用原理阅读器经定向耦合器再通过天线将功率为P1 的电磁波发送到自由空间,经空间传播 到达应答器时接收天线的功率为P1。该功率一部分通过接收天线送入负载转变为热能,另 一部分则反向散射至自由空间。设反向散射的功率为P2,再次通过自由空间衰减,到达阅 读器天线处的功率为P2,经定向耦合器进入接收机,接收机可以获得反向散射功率P2 与 发射功率P1 的比值为10.2 基基 本本 要要 求求 了解雷达系统的构成及雷达测距、测向、测速的原理。了解目标识别及目标识别的原理。了解单脉冲雷达、相控阵雷达、合成孔径雷达。了解微波中继通信及微波中继转接方式。了解SDH 数字微波通信系统的构成。了解微波遥感系统的工作原理。了解射频识别系统(RFID)的工作原理。10.3 练练 习习 题题1.雷达测距、测向及测速的原理分别是什么?2.什么是目标识别?其原理是什么?3.常用的微波中继转接方式有哪些?它们分别有何特点?4.简述微波遥感的原理。
