雷达(radio diction and ranging,radar)是指“发射电磁波信号并接收在其作用范围内的被观测物体(目标)的回波的装置”。电磁波能量从雷达硬件输出到天线,再从天线辐射出去,而后从一个或多个物体返回的回波通过先前辐射能量的天线接收,最后传输回雷达的硬件设备。在雷达术语中最为关键的一词为——电磁波。
那么,电磁波是什么呢?
早在1865年James Clerk Maxwell提出了电磁基本方程(麦克斯韦方程)预测了电磁波的存在,并指出电磁波是由波动的电场和磁场构成,传播速度可通过自由空间的基本电磁属性来计算。
我们常见的可见光就是电磁波的一种,其波长范围为380-780nm。通常情况下温度高于绝对零度的物质或粒子都有电磁辐射,温度越高辐射量越大,但大多不能被肉眼观察到。
后来,Hertiz证明了不可见的电磁波的存在,我们称之为无线电波。现在,我们知道了电磁波有一个连续的波谱,包括无线电波、红外线、可见光、紫外线、x射线、γ射线。
通常“雷达”术语是指利用无线电波的系统。
电磁场包含电场与磁场两个方面,分别用电场强度E或电位移D及磁通密度B(或磁场强度H)表示其特性;E和H在空间上都是正弦变化的。在相位上,电场和磁场相互垂直,并且都垂直于传播方向。每秒通过某特定位置的波峰的个数成为频率(f),可用每秒的周期数来量度(赫兹Hz)。
在雷达系统中,频率通常指载波的频率。两个相邻波峰之间的距离成为波长λ。波长与频率的关系:λ=c/f=2π/λ=2πf/c。瞬时的能量通量密度(w/m2)为|S|=E×H,S为波印亭矢量。
我们常说的真空中的光速,也就是电磁波的真空速度c=299792458m/s,利用光速人们定义了米这个长度单位。光速的近似值为3*10^8m/s,除少数特殊情况外,工程上一般使用近似值。
电与磁可说是一体两面,电流会产生磁场,变动的磁场则会产生电流。变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场,这就是电磁场,而变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波,电磁的变动就如同微风轻拂水面产生水波一般,因此被称为电磁波,也常称为电波。
产生机理
无线电波是可以人工制造的,是振荡电路中自由电子的周期性的运动产生的。红外线、可见光、紫外线;伦琴射线;γ射线分别是原子的外层电子、内层电子和原子核受激发后产生的。
电磁波为横波。电磁波的磁场、电场及其行进方向三者互相垂直。振幅沿传播方向的垂直方向作周期性交变,其强度与距离的平方成反比,波本身带动能量,任何位置之能量功率与振幅的平方成正比。
电磁波频率低时,主要借由有形的导电体才能传递;电磁波频率高时即可以在自由空间内传递,也可以束缚在有形的导电体内传递。
特征参量
自然界中各类辐射源的电磁波谱是相当丰富、相当宽阔的,与光电子成像技术直接有关的是其中的X线,紫外线,可见光线,红外线和微波等电磁波谱,它们的特征参量是波长λ、频率f和光子能量E。
三者的关系是f=c/λ,E=hf=hc/λ和E=1.24/λ,式中,E和λ的单位分别是eV(电子伏)和μm,h为普朗克常数(6.6260755X10^(-34)J·S);
“辐射”本质
本质是原子中电子的能级跃迁并交换能量的结果,低能级电子受到某种外界能量激发,可跃迁至高能级,当这些处于不稳定状态的受激电子落入较低能级时,就会以辐射的形式,向外传播能量。上述E=1.24/λ,正好将辐射的波长λ与其能量E联系起来。
例如,E高-E低=1.24eV时,辐射的波长λ=1μm。
频段划分
名 称 |
频率范围 |
波长范围 |
主要应用 |
甚低频VLF[超长波] |
3~30kHz |
100~10km |
导航,声纳 |
低频LF[长波,LW] |
30~300kHz |
10~1km |
导航,授时 |
中频MF[中波,MW] |
300~3000kHz |
1km~100m |
调幅广播 |
高频HF[短波,SW] |
3~30MHz |
100~10m |
调幅广播,通信 |
甚高频VHF[超短波] |
30~300MHz |
10~1 m |
调频广播,广播电视,移动通信 |
特高频UHF[微波] |
300~3000MHz |
100~10cm |
广播电视,移动通信,卫星定位导航,无线局域网 |
超高频SHF[微波] |
3~30GHz |
10~1cm |
卫星广播,卫星电视,通信,雷达,无线局域网 |
极高频EHF[微波] |
30~300GHz |
10~1mm |
通信,雷达,射电天文 |
光频[光波] |
1~50THz |
300~0.006μm |
光纤通信 |
几种常用的波段
中波调幅广播(AM):550kHz~1650kHz
短波调幅广播(AM):2MHz~30MHz
调频广播(FM):88MHz~108MHz
电视频道(TV):
50MHz~100 MHz(第1~5频道)
170MHz~220MHz(第6~12频道)
470MHz~870MHz(第13以上频道)
卫星直播电视(SDTV):4GHz~6GHz;12GHz~14GHz
卫星直播广播(SDB):12GHz~14 GHz
全球卫星定位系统(GPS):L1=1575.42MHz;L2=1227.60MHz
IEEE标准雷达频率字母频段名称
波段名称 |
标称频率范围 |
依据ITU,分配的专用的雷达频率范围 |
HF |
3~30 MHz |
138~144 MHz |
VHF |
30~300 MHz |
216~225 MHz |
UHF |
300~3000 MHz |
420~450 MHz 850~942 MHz |
L |
1~2 GHz |
1215~1400 MHz |
S |
2~4 GHz |
2300~2500 MHz 2700~3700 MHz |
C |
4~8 GHz |
5250~5925 MHz |
X |
8~12 GHz |
8500~10680 MHz |
Ku |
12~18 GHz |
13.4~14.0 GHz 15.7~17.7 GHz |
K |
18~27 GHz |
24.05~24.25 GHz |
Ka |
27~40 GHz |
33.4~36 GHz |
V |
40~75 GHz |
59~64 GHz |
W |
75~110 GHz |
76~81 GHz 92~100 GHz |
mm |
110~300 GHz |
126~142 GHz 144~149 GHz 231~235 GHz 238~248 GHz |