第31-33讲-电磁场与电磁波知识典型应用课件

电磁场与电磁波知识典型应用第31-33讲7/24/20231CRIRP雷达系统雷达(radar):RadioDetectionAndRanging无线电探测与测距。工作机理:电波遇到物体产生反射根据从物体反射回波获得被测物体的有关信息电波垂直入射近理想金属表面时所产生的反射最强烈7/24/20232CRIRP发射机发射天线接收天线雷达组成接收机显示、记录设备天线控制系统

7/24/20233CRIRP雷达主要用途：传统：探测目标的距离、方位、速度等尺度信息。现代：传统+目标识别发展原因：计算机技术、信号处理技术、电子技术、通信技术等相关技术的发展。7/24/20234CRIRP探测定位与拦截7/24/20235CRIRP现代雷达系统组成7/24/20236CRIRP雷达探测原理雷达目标位置测量目标速度与其它参数的测量

目标距离测量目标方位角和俯仰角的测量目标高度的测量

目标径向速度测量目标识别7/24/20237CRIRP目标位置探测7/24/20238CRIRP目标位置探测——测距电磁波在自由空间是以光速传播雷达与目标之间的距离为s发射脉冲与回波脉冲之间的时间间隔Δt则目标距雷达的距离为:传统的雷达采用同步扫描显示方式现代雷达采用DSP将所测距离直接显示或记录下来。7/24/20239CRIRP目标位置探测——测向雷达系统使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,使接收信号最强时,天线所指的方向就是目标所在方向。从原理上讲，利用天线波束尖端的最强方向指向目标从而测定目标的方位是准确的。由天线方向图可知,波束最强的方向附近,对方向性是很不敏感的,带来较大误差,这种方法适合搜索雷达而不适合跟踪雷达。单脉冲技术是解决测向精度的有效方法。7/24/202310CRIRP目标位置探测——测高度7/24/202311CRIRP目标速度探测多卜勒效应：振荡源发射电波以不变的光速c传播目标相对雷达运动时,接收频率f与雷达振荡频率f0差为接收者相对振荡源不动,则接收频率与发射频率相等振荡源与接收者之间有相对接近运动,则接收频率大于发射频率振荡源与接收者之间有相对远离运动,则接收频率小于发射频率7/24/202312CRIRP目标识别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。目标识别涉及到的知识：电磁散射理论模式识别理论数字信号处理合成孔径技术等7/24/202313CRIRP例如频域极点特征提取法：基点：回波中有限频率的幅度响应数据与目标的特征极点有一一对应关系。根据回波中有限频率的幅度响应数据提取目标极点将提取的目标极点与各类目标的标准模板库进行匹配识别7/24/202314CRIRP雷达方程7/24/202315CRIRP单脉冲雷达天线：卡塞格伦天线馈源：矩形多模喇叭当天线对准目标时：接收电磁场只有主模TE10模当天线偏离目标时,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。

几种典型的雷达系统7/24/202316CRIRP

目标在喇叭中心线右面时，喇叭右侧的能量较大而左侧较小,这时等效为主模TE10和高次模TE20按图中相位关系叠加（加）。当目标在喇叭中心线左面时,等效为主模TE10和高次模TE20按图中相位关系叠加（减）。

7/24/202317CRIRP单脉冲雷达的工作原理：设法从喇叭馈源中取出TE20模,它的幅度随目标偏离天线轴而增加,相位取决于偏离方向而相差180°,

从而为单脉冲接收机提供了方向性。检测到的角度误差信号去控制驱动机构使天线转动,改变其方位和俯仰,当误差为零时天线瞄准目标,从而实现自动跟踪的目的。

7/24/202318CRIRP相控阵雷达7/24/202319CRIRP相控阵雷达特点便于实现共形相控阵天线所必须的幅度、相位补偿。减小了高频传输损耗，可获得更大射频功率，有利于提高雷达性能。降低了大量微波元器件的耐功率要求，改善了阵面结构设计，缩小了体积，减轻了重量。有利于提高雷达工作可靠性、有效性和改善系统的响应速度。有利于实现数字波束形成和多个接收波束的自适应控制。7/24/202320CRIRP合成孔径雷达合成孔径雷达分类：不聚焦型聚焦型合成孔径雷达（SAR）逆合成孔径雷达(ISAR)

7/24/202321CRIRP今后合成孔径雷达的发展方向主要有：高分辨合成孔径雷达技术三维成像技术地面运动目标检测技术多频多极化合成孔径雷达技术相干斑噪声消除技术高速实时数字信号处理技术7/24/202322CRIRP电磁波地波传播典型应用丛林通信矿井通信探地雷达随钻测井7/24/202323CRIRP近地空间环境遥感

探测及应用

7/24/202324CRIRP遥感技术

任何物质都对电磁场有一定的响应遥感：通过电磁场与物质的作用（不直接接触）获取物质的某些特征信息，从而感知物质的存在与特性。

遥感技术：用遥感方法得到需要信息的各种方法7/24/202325CRIRP遥感对象

环境媒质结构及其发生的物理变化地球大气地面植物森林资源地壳结构自然或人为的在空间上更为局限的特定目标

地下矿体、溶洞、管道地雷、军事目标、飞机、火箭、航天器人体肿瘤7/24/202326CRIRP电磁波遥感

电磁波传播技术遥感地球环境涉及：环境结构特性电子信道特性各种环境中目标检测与识别等使用频段：从极低频直至微波优点：速度快、全天候、能较深穿入各种媒质等是在有限时间内获取广大空间环境数据的有效方法。7/24/202327CRIRP电磁波遥感方法

电磁波遥感就是通过检测遥感对象与电磁波相互作用中波场在时、空、频域的变化效应来实现。也就是通过一定的遥感技术获得逆问题所需的波场数据,然后采用某种反演方法确定遥感对象的特性。7/24/202328CRIRP电磁波大气探测在大气探测中的相互作用有两种类型

:光谱学效应：即大气分子在与波的作用过程中所产生的吸收、散射及辐射效应,其吸收和散射截面依赖于特定分子特性、频率及环境状况(压力、温度)。利用微波吸收测量、卫星红外遥感、脉冲多普勒雷达和激光雷达等可测量反演粒子折射指数特性及其尺寸分布、大气运动与温度剖面及水汽分布等。折射指数不均匀性的折射与散射：大气湍流引起的折射指数起伏,导致电磁波的幅、相波动,由此可检测湍流特性,反演由结构常数Cn

表征的湍流强度和风速。目前的遥感研究几乎全部基于较成熟的弱起伏理论,因此,在光频段只能应用于几千米以内。由折射弯曲效应可测定折射指数的空间分布特性。7/24/202329CRIRP遥感技术主要问题

波源选择探测平台测试设备环境影响修正7/24/202330CRIRP地面与植被遥感

地面散射特性测量地面辐射特性测量卫星微波遥感7/24/202331CRIRP对流层遥感

大气辐射遥感温度、湿度、云中含水量、折射率湍流与风场遥感湍流、风剖面声波大气遥感低层大气结构、大气污染7/24/202332CRIRP电离层遥感

电离层电子浓度遥感测高仪GPS斜向探测仪7/24/202333CRIRP对流层遥感应用——微波辐射计

机理只要温度大于-273度的物质不仅接受电磁波，而且以热电磁辐射方式向外辐射。微波辐射计就是一种测量物体热电磁辐射的高灵敏度的微波噪声功率接收机，它可以以很高的灵敏度探测物体发射的电磁波能量。

7/24/202334CRIRP对流层遥感应用——微波辐射计

7/24/202335CRIRP微波辐射计

——作用雷达电波折射误差修正大气温度、湿度、折射率、云中含水量测量隐身飞行物的测量定位

7/24/202336CRIRP微波辐射计

——雷达电波折射修正采用对水汽含量敏感的微波辐射计来直接测量电波传播路径上的大气辐射亮温来得到折射率湿项的积分，从而得到折射率湿项产生的距离误差。

7/24/202337CRIRP微波辐射计

——大气参数反演大气积分水汽、云中液态水含量的测量利用微波辐射计测量降水大气温度廓线反演大气湿度廓线反演大气折射率反演

7/24/202338CRIRP微波辐射计

—隐身飞行物的测量定位隐身飞机是一种现代军事技术武器王牌海湾战争中，美国应用F-117A隐身飞机进行突防美国计划在2005-2010年期间解决对隐身飞机的探测问题我国的反隐身技术研究起步较晚

7/24/202339CRIRP辐射计探测隐身飞行物机理隐身飞机——减小反射截面隐身飞机——涂吸波材料吸波就要发热辐射计测量热辐射7/24/202340CRIRP探测隐身飞行物试验

7/24/202341CRIRP探测隐身飞行物试验

7/24/202342CRIRP辐射计其它应用1.环境应用沙子潮湿的测量海洋表面的风速洪水绘图雪层/冰层的测绘2.军事应用目标检测监视目标确认绘图3.天文学应用行星绘图银河星系射电噪声目标的测绘太阳辐射测绘宇宙黑体辐射的测量7/24/202343CRIRP遥感应用——雷电探测

机理发生闪电时，同时产生强大的闪电电磁脉冲，辐射出频谱极宽的电磁波。雷电探测仪就是一种接收闪电电磁辐射的高灵敏度接收机，它可以探测出雷电的强度和方位。

7/24/202344CRIRP遥感应用——雷电探测

7/24/202345CRIRP遥感应用——雷电探测

7/24/202346CRIRP遥感应用——雷电探测

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