高中物理电磁波的应用素材粤教版4

电磁波的应用――雷达原理及应用雷达概述雷达，英文单词radar中文译音，即radioDetectionandranging（无线电发现和测距）开头字母组成，早期的雷达就是用来发现目标和测量目标距离，那么雷达在什么时间、什么情况下出现的呢？二十世纪初，无线电技术的迅速发展，得力于人们对电磁波的不断深化认识，同时人们对电磁波的应用也不断扩大。电磁波帮助人类将通信距离伸展几千公里，是一个很好的例子。那么，能否利用电磁波实现对运动物体的远距离测量呢？人们从蝙蝠这一动物得到启发，它利用喉部发出的超声波，通过障碍物如虫、飞蛾的反射，再被耳朵接收，从而发现目标。利用电磁波探测目标是在二十世纪三十年代后期出现的。１９３４年，英国科学家瓦特在对地球大气层进行无线电回波信号研究时，偶然发现荧光屏上有一串明亮的光点。经过反复试验，证实了这些光点正是实验室附近某幢大楼的反射回波信号。这个意外的发现，使他萌发了利用无线电回波探测移动目标的设想。１９３５年由瓦特和其他英国电气工程师研制的第一部用于探测飞机的雷达，虽然探测距离只有几十公里，但却开辟了利用电磁波探测和定位的道路。第二次世界大战却给刚刚诞生的雷达事业提供了良好的发展机会。大战开始阶段，雷达作为一种新型防御系统用来预报敌机的入侵，当时在德国飞机狂轰滥炸的威胁下，英国根据瓦特的建议在沿海地带建起了许多雷达站，用来预报来犯敌机的数量，航向和距离。这是雷达首次投入使用。而随后太平洋战争爆发，著名的"珍珠港"事件给美国了沉重的一课，使他们从轻视雷达神奇作用的迷梦中惊醒过来。１９４１年１２月７日，美国夏威夷海军基地风平浪静，谁会想到一场著名的偷袭战的来临，而战前美国的雷达预警确有一群来犯的日本飞机。而美国人的猛醒又给日军以沉重的打击。在随后爆发的中途岛海战中，美国打了一个漂亮的报复仗，而在其中，雷达也帮了不少美国的忙。在战争中逐渐成长起来的雷达，不断接受战争的洗礼，因此越发变得成熟完美。战争后期，雷达与武器操纵系统结合在一起。也被炮兵、部队用于搜索自动跟踪和轰击目标，从而使火炮的命中率大为提高，逐渐广泛用于海、陆、空全面的防御和打击战中，发挥着举足轻重的作用。雷达不仅在国防军事方面有着重要的作用。同样，雷达的广泛应用不断渗透到国民经济的各个领域。如：应用雷达探测大气奥秘，进行天气灾害预报；跟踪导航对卫星进行跟踪和定轨。对飞船进行和控制，所有这些都是雷达电波为人类社会做出的卓越贡献。作为一名大学生，有必要对雷达的工作系统、原理作较为系统、全面的了解。２．雷达工作原理

２．１雷达系统的组成

雷达最主要的功能是发现目标和测定目标的位置，它的基本组成包括三个部分，发射机，接收机和无线外加显示器、定时器和控制系统等主要构件。脉冲发射机在定时器控制下周期地产生强大功率的矩形脉冲调制的高频电磁波，这个电磁波经系统和收发开关到天线后，按特定的方向向空间集束辐射。天线受控制系统操纵使波束在空间扫描，以便搜索目标，当目标受电磁图１雷达系统示意图波照射时，产生后向散射回波。这个回波经收集，通过无线开关送到接收机。接收机将收到的回波信号连同发射机工作时通过收发开头漏过来的一小部分主波信号，一起进行高频放大、中放、检波和视频放大、最后将视频脉冲信号加至显示器。雷达显示器在受到定时信号触发后开始工作，最初在显示器的荧光屏上出现的是经开线开头漏过来的主波信号。这也是电磁波离开天线时的起始信号。待回波信号到来时，经计算机处理，荧光屏上显示目标的位置及有关参数。

最常用的雷达显示器采用极坐标的平面显示装置，屏幕的中心代表雷达站所处的位置，目标以亮点显示出来。亮点与圆心之间的距离即目标与雷达站之间的距离显示。它与正北的夹角就是目标的方位角，在实际的显示器中都有坐标的机械刻度和电子刻度；因此能直接从显示器上读出有关目标的系列参数。新型雷达采用电子计算机进行数据处理，内置相应支撑软件，计算机控制各部分协调工作达到方便、快捷，有的雷达还根据实际情况，由计算机控制工作频率或变更工作方式，以提高工作效率和精度。

２．２电磁波定位和测速的原理和方法：

如右图是电磁波定位的原理图，由发射机

产生的一定调制的高频电磁波，经发射天线按

特定方向辐射到空间，若电磁波在空间传播时

遇到目标，一部分高频电磁波被反射回来，经

过无线并且进入接收机，观察人员通过显示器图２雷达工作原理示意图

在接收终端判断有无目标及目标的性质，且通过自动化处理，给出目标的系列参数，以明辩敌我，及时作出应对。

一般情况下，我们只用一副即可完成电磁波的发射和接收，当有脉冲时，电磁波通过天线发射出去，这时可以利用触动开关或电子信号使接收机关闭，当发射机停止工作时，立即打开接收机，则可利用一副天线，而完成电磁波的发射和接收。

现在我们假设空间传播介质是均匀的，则电磁波在这样的空间内传播我们认为是匀速的；沿直线的传播，电磁波离开天线到目标后，经反射又回到天线所用的时间为，设目标距离雷达站的距离为Ｒ，则电磁波在这段时间内所经历的路程为２Ｒ，根据路程的速度公式，则，其中ｃ为电磁波的传播速度。

这是雷达测量目标距离的基本公式，从式子我们可以看出，只要测出即可实现对目标距离的测量，但在通常情况下，我们所要知道的是运动目标的系列参数，如径向速度，即目标向着或（背着）雷达站方向的速度。在雷达系统中，我们利用多卜勒效应来实现测速的。

日常生活中有这样的体验，当鸣笛的火车由远处开来时，我们听到汽笛声由低到高；而当火车急弛而过时，我们则感觉到汽笛声由高到低，音调的高低是由声源振动的频率所决定的，但是在上述情况下，我们听到的音调变化完全是由声源与听者之间的相对运动所引起的，由于波源或观察者的运动而出现观测频率与波源频率不同的现象，称为多卜勒效应，是奥地利物理学家多卜勒（）在1842年发现的。[2]

多卜勒效应有如下三种情况：

１．观察者静止而波源运动，则有：（１），其中为观测频率，为波源频率，为波速，为波源运动速度。

２．波源静止而观察者运动，则有（２），其中为观察者运动速度。

３．若观察者和波源在同一直线上运动（３），其中为波源运动速度。

自从在音频范围内发现多卜勒效应以后，

经过几十年研究，在1938年证明了在电磁

波频域内同样有多卜勒效应，下面，我们结

合有关电磁波的知识，研究利用多卜勒效应

测量目标经向速度的方法。图３电磁波受移动目标的反射

设雷达发射波长为，频率为的一段电磁波，它在空间延伸的长度为Ｄ，而其中包含的波数为：.

若这段电磁波自左向右传播时，在Ｐ点遇到了目标，则在前方Ａ点的电磁波先反射回来，然后是后方的Ｂ点被反射，如果目标Ｐ是静止的，则这段电磁波与目标的接触时间为，且反射后ＡＢ点的距离也为Ｄ。

若目标沿一定速度向雷达站飞行，由运动学知识所知，目标与这段电磁波的接触时间变为，在这段时间内目标的前进距离为：，也就是说Ｂ点受目标反射时将比Ａ点反射时缩短了以上这段距离，在这段距离上电磁波传播时间为：，也即接收这段电磁波的持续时间将缩短。因而由于目标的径向运动，接收的持续时间将是

因回波信号在AB间的波长数ｎ不变，所以持续的减少必使频率的增高：

（４）由上式可知：

（１）当，说明目标与雷达站无相对运动，回波频率等于发射信号的频率。

（２）当，说明目标向雷达站运动，接收频率高于信号频率。

（３）当，说明目标远离雷达站运动，接收频率低于信号频率。

同样，也可直接从（１）、（２）式推导出雷达接收频率与雷达发射频率之间的关系：

（同上式）

通常，我们将相对运动所引起的接收频率与发射频率之间的差距称为多卜勒频率，用表示

（５）

由于电磁波的传播速度远远大于相对运动的速度，即，则略将（７）式化简为：

（６）

从上式可以看出，只要测出信号的多卜勒频率就可以求出目标运动的径向速度：

在雷达系统中，采用一种专门的设备，可直接测量出，经计算机处理，在显示器上可读出。

２．３雷达目标的散射截面积：

雷达发射的电磁波遇到目标时，一部分能量被目标吸收转化为热，另一部分在目标表面产生感应电流而重新辐射，这种重新辐射的能量，有一小部分被接收天线截获，从而发现目标。

为了便于发现目标，通常希望目标尽量少吸收发射的电磁波的能量，且有较强的将电磁波反射回雷达站的能力，然而这种能力不仅取决于雷达站发射电磁波时天线的定向性，电磁波的波长和极化方式，还与目标的几何形状、尺寸、表面性质以及电磁波的入射角等因素有关。

通常情况下，我们用目标的雷达截面积来表示目标对电磁波的散射能力。它定义为：目标散射的电磁功率与目标所在处入射的电磁波密度之比，即（㎡），具有面积的量纲。

如果雷达站的发热功率是，发射无线的方向函数是，目标与雷达站间的距离为Ｒ，则在目标入射处电磁波的功率密度是：[3]

（7）由可知：即目标的雷达截面积，它的等效形式是：

[3]式中为目标处散射波的电场强度，为入射波的电场强度。

２．４雷达方程：

雷达最基本的功能是发现目标，因而雷达用户往往关心的是当雷达参数给定时，它究竟能发现多远处的目标，也即雷达的作用距离。

设目标的雷达截面积为，入射电磁波在目标处的功率密度是并假定目标把入射的电磁能量全部均匀散射到各个方向，由可知，经目标散射回到雷达站的功率密度将是：代入（９）式有：

（8）根据无线理论，接收无线的有效面积和无线增益之间有关系，其中为电磁波波长，因而天线接收到的回波功率是

或者表示为Ｒ与一般参数之间的形式为：[3]

（9）即雷达的作用距离。通常，雷达采用一副无线并作接收和发射，在微波波段，天线的效率接近于１，天线的增益系数与天线方向系数相等，于是在共用天线的雷达中，上式可简写成：

（10）此即雷达方程，当接收的回波功率低于为发现目标所必需的最低输入功率时，雷达就不能发现这个目标，也就是目标处于雷达的作用距离之外，当取最小值时，Ｒ有最大值，也就是此时雷达的作用距离最大。

[3]（11）所以雷达工作时，通常要求接收机将全部回波信号积累起来，以便提高接收灵敏度和更加有效地增加雷达的作用距离。

２．５环境对电磁探测的影响：

影响雷达探测的因素是多方面的，首先是地面反射的影响，有的情况下，地面反射波有可能使跟踪雷达把目标在地面以下的镜像误以为真实目标，从而造成错误的跟踪，有时也会影响到探测距离和精度，从而影响工作效果。其次，地表的弯曲也给探测目标的高度和仰角带来麻烦。还有，比如地球磁场，宇宙射线，雷电，建筑等都会给雷达的探测精度带来麻烦，这就要求在雷达开发中，尽显通过各种方法和手段减少这种不必要的影响。

３．雷达的应用

雷达在军事方面的应用主要用于预警系统，下面分析台湾独立分子所布置的雷达防御系统，借以说明其应用。

台独分子借用美国支持，疯狂扩军备战，企图分裂祖国大陆，不断布置其防御系统，目前已基本构筑了一个由地面、空中和空间立体配制的近、中、远多种探测手段相结合的全方位立体预警系统，该系统的布置主要由三部分组成：

１．地面防空雷达：在地面子系统中，用各种雷达构成一个雷达网，对覆盖的空域进行严密的监视，如台独配置的大型返程相控阵预警雷达，能对1448公里之外的弹道导弹进行探测，可提供７－１０分钟的预警时间；其低空监视雷达，主要对小型飞机的探测距离为８０公里。可连续跟踪２６５个目标，主要承担低空补盲的作用；另外其配制的４Ｒ－3000防空雷达对雷达同为１平方米目标的探测距离为３２０公里。主要用于对空搜索构成了台军地面的防护网。而美国所实施的ＮＭＤ导弹防御系统，其中也是由各种雷达所构成的雷达网，承担预警任务。

２．机载雷达：即装在飞机上的各种雷达，就其基本功能来说与地面防空雷达，没什么区别，即将地面雷达搬到了空中。由于站得高，望得远，所以能为防空系统提供更多的预警时间，台军配有的低空监视雷达，主要由轻型车辆或运输机空运，实际上是对低空的扫描控制。另外如Ｅ－２Ｔ预警机，配有ＡＮ／ＡＰＳ－１４５雷达在正常情况下，它可以探测达至６４８公里以外的轰炸机，４８０公里以外的战斗机和２５８公里外的导弹。可同时跟踪、监视，显示２０００个空中和海上目标，预警时间提高到２５分钟。某些机载雷达还具有识别跟踪和瞄准目标的功能。

３．预警卫星：台军空间通信技术刚刚起步，但由于地理位置，不在赤道地区，所以不能用一颗卫星持续不断地提供预警信息，需要发射多颗卫星才能使卫星轮流通过台湾上空完成预警任务。而美国的参与，则加快了预警卫星的发展。目前，空间预警也是各国所大力开发研究的一个方面。

雷达在国民生活中也有重要的运用。如现代化的机场，利用雷达来管理和调度，航海雷达可以帮助避免触礁等；雷达也应用于天气和灾害预报；同时在宇宙航行方面，雷达已被用于测量火箭、人造卫星和飞船的位置，速度等轨道参数，也可以用来地下探测等，成为我们日常生活中不可缺少的组成部分。

4．对雷达发展的展望

针对雷达对抗技术的迅速发展，对未来雷达的发展也提出了新的要求。针对各种干扰，雷达可辐射频率不断改变的电磁波。使它们分别工作在不同波段，从而摆脱干扰信号的跟踪；也可以使用多部的发射机迫使干扰机在宽频带内分散干扰功能，从而降低干扰的能力。同时，我们期望使用