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发信人: dormouse (出征 V 号带飘扬), 信区: Communication
标  题: 冲击雷达技术的应用
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年06月23日08:56:55 星期六), 站内信件

冲击雷达技术的应用

本文描述冲击雷达技术且提供了这类雷达系统怎样在各种民用和军用中得到应用的
例子。随着许多政府的防御预算的削减，雷达开发的重点移到了能在距离分辨率、
成像和目标识别方面改善性能的双应用技术系统上。冲击雷达技术提供了特殊能力
且冲击能用理想的雷达模糊函数来显示最佳晌应。

本文着重点在于高分辨率应用、如机载地形测剖面、法律增强、法庭调查应用、测
地应用冲击雷达以及诸如非合作目标检测、地雷探测、在植被遮盖中隐藏的车辆检
测和在高杂波环境中目标的高分辨率检测的一些军事应用。本文由三个主要内容组
成。第一个涉及瞬态波相关原理。第二个介绍诸如天线、信号源、接收机和冲击波
形处理用的算法的适宜的雷达部件。第三个题目描述冲击雷达技术一些应用。1冲
击雷达

图1示出一个冲击雷达方框图，它由分离的发射接收天线、发射机、接收机、处理
机和存贮器组成。

图1雷达系统方框图

当没有合适的双工器可采用时，就用了分离的发射接收天线。采用冲击脉冲作为发
射波形的雷达的带宽是瞬时带宽，它与采用线性调频脉冲的雷达不同，在那儿信号
是通过带宽扫掠的。冲击雷达发射是一个或多个周期的短脉冲，并且如图2示，辐
射信号的带宽可能占据几个倍频程甚至带宽的十倍。

图2典型的脉冲形状和相关的功率谱

发射和接收天线是不同的，天线用它们的传递函数来考虑，而不是它们的增益或有
效孔径.Shubet(1)。窄带雷达方程处理最多的量是功率，因此相位信息失去了，而
宽带雷达距离方程涉及实际电压，因此相位信息保留了。于是电场被发射天线辐射
、被目标反射、再入射到接收天线上，主要由宽带天线复阻抗来定义的。宽带目标
散射传递函数可以定义作离目标距离r的散射电场对目标上入射电场之比且包括极
化效应。

2技术

2.1天线

能够用于冲击雷达的天线有各种型式，Daniels(2)，用在冲击雷达系统中的典型天
线将需要工作在最少倍频程的频率范围上且理想上至少十倍频率范围。冲击雷达天
线端上的输入电压激励函数典型地为高斯脉冲或快速上升时间阶跃函数，并且天线
的冲击响应通常是极短的。要求冲击响应短的主要原因是，此天线对输入函数没有
畸变也或不产生时间旁瓣是重要的，这些会使雷达分辨率恶化。迄今所用的天线起
了高通滤波器的作用，因此，电场辐射的远场是与天线电流的导数成比例的。

诸如单极、偶极子、圆锥天线和蝴蝶结天线的单元天线已广泛用于冲击雷达中。当
需要只辐射单个冲击脉冲时，消除由天线远端负荷引起的反射不连续性或减小到达
远端的电荷和电流幅度是重要的，在此情况下带宽增大是牺牲辐射效率的。

能支持正向行进TEM波的天线通常由一对导体(平面、圆柱或圆锥)组成，在横截面
上形成V形结构，它们的能量沿着V形结构轴向传播。这种型式的天线的方向性在
10～15分贝量级上，因此，甚至在端接损耗3～5分贝量级上时也能获得有用的增益
冲击雷达的未来发展可以基于天线阵列的应用。经逆合成孔径处理完成波束形成的
能力可能在许多应用中有潜在的价值。也存在通过时间控制进行波束控制的可能性
，虽然单元间时间延迟被限制到与每个单元之间距离等效的最大值。采用这种发射
机阵列，并对接收机阵列信号进行逆合成孔径处理，可以大大改善本节前面讨论的
各种天线的方向性。

2.2发射机

由提供高脉冲重复频率的低电平峰值功率脉冲(而不是高峰值功率脉冲)的源产生由
近距离冲击雷达辐射的功率把雷达辐射的谱线峰值电平维持到数十毫微瓦，由此大
大减小其电磁信号特征。典型的雷达发射-系列幅度在20伏到200伏，宽度在200微
微秒到15毫微秒内的脉冲。此脉冲序列被每微秒加到发射天线上。虽然产生几百千
伏的脉冲是完全可行的，但重复频率被减到数毫秒。

此冲击脉冲产生器通常基于存贮在短传输线上的能量迅速放电的技术。最普通的方
法是将以雪崩击穿方式工作的晶体管用作有甚短传输线的快速开关。一种阶跃恢复
二极管能产生有30伏典型输出电压，具有100微微秒量级的持续冲击脉冲。产生冲
击脉冲的其它方法采用功率场效应晶体管且产生直到10千伏电压冲击脉冲，
Hares(3)。产生高功率冲击脉冲的另一种方法是基于采用光传导的半导体开关
(PCSS)，它使电容器放电进行短传线。一种微微秒激光器脉冲被用来使如GaAs半导
体材料在传导-非传导状态间迅速转换。已产生了在50欧姆阻抗的毫微秒或更短的
14千伏典型输出电压，此技术的进一步变化是凝结波产生器，它由经微微秒光传导
开关的串联连续的几段传输线组成。由集合来的此输出是任意特性即“凝结波”的
序列波形。已产生在千伏区域的输出电压。一些冲击雷达系统，特别是那些在俄罗
斯和前苏联的一些国家开发的，已产生大于兆瓦峰值功率的极高功率的冲击脉冲。
这与现在容易采用的技术相比较，能达到更远的自由空间工作距离。此技术的进一
步信息可以从适当的文献中收集到。

2.3接收机

来自接收天线的输出被放大后加到取样机接收机中。这通常由极高速取样和保持电
路构成。一般用来显示快速波形的高速取样方法引起低的信噪比，因为取样脉冲频
谱与接收脉冲频谱是不匹配的。通常，接收机噪声系数、辐射的平均功率和距离决
定了冲击雷达系统和媒质的系统性能。接收机噪声系数由趋于至少1千兆赫的系统
带宽来确定。广泛用在许多系统的取样桥具有50分贝到60分贝之间的有限动态范围
和30分贝或更大的噪声系数。采用低噪声前置放大器和时间变化增益级能改善系统
，导致90或更多分贝的有效动态范围和组合的噪声系统为10分贝或更小。

数据采集的另一方法基于高速模/数转换器或到相关器接收机。基准波形能与发射
波形相匹配，或在雷达这种情况下与特定目标的复信号特征相匹配，以及如需要，
基准波形能实时改变。构成互相关器需要的部件是小的、花费少的、低功率的和与
超大规模集成电路技术相容的。因而可由独立并行工作的大量相关器来提供高分辨
率、实时、时间编码工作所必需的吞吐量。其它的接收机设计采用频段分配和混频
器来下变频，然后在模/数变换前对此信号再组合。

2.4信号处理

在处理冲击雷达数据时遇到的通用处理问题在最广意义上是从时间序列提取定位的
子波函数，这时间序列与子波有非常类似的时域特性。由地面和其它反射表面以及
在内部从雷达系统来的信号产生这时间序列。子波最佳化一般原理是用这样的方法
对取样时间序列滤波，此方法中，滤波处理的理想输出是所需信号解卷积的冲击函
数。这样一冲击脉冲通常称为狄拉克或δ函数、单位冲击或尖峰脉冲。

子波理论的最近发展引入了子波变换的概念，子波变换与非平稳信号的冲击雷达输
出的分析有关。子波变换是把信号分解成一组基函数或子波的一类变换。傅里叶变
换是用于平稳信号的变换。用子波变换可以在高频上达到良好的时间分辨率和在低
频上达到良好的频率分辨率。这是连续子波变换(WT)的基础，在连续子波变换中，
原型子波h(t)用作基本的子波。一些子波变换可用于分析目的，各种时频表示法(
诸如STET、频谱图、子波变换、比例图、Gabor变换、Wigner分布)的关键特性是它
们允许把非平稳信号成功地分析成子波或线性调频连续波信号形式并且能比常规谱
分析技术更清晰地进行目标识别。

从谐振体来的自由空间散射得到相当大的注意，并且奇点展开法(SEM)可用作目标
识别方法。在此领域内做了很多的工作。奇点展开法提示，一个目标后期散射场能
被表示成与激励无关的自然谐振模式的总和，这些模式取决于此目标详细尺寸和形
状。

图3埋在路面材料下200毫米深的塑料反坦克地雷的雷达平面成像(1.8米×1.8米)和
一张此地雷像片

3应用

下述应用适合于冲击雷达

·道路调查

·地面穿透雷达-考古-地质形成-矿物

·结构检查-桥梁-隧道-建筑物

·安全应用-搜索-建筑物防护

·地雷探测-地下水-化学物溢出

·实用-煤气-水-光纤电缆

·水平检测

·安全应用-碰撞警告

·过程控制-材料非破坏性试验

·用冲击脉冲作电磁兼容性测试

·电缆测试

·机载地面下目标检测

·机载冰和永久性冻土测剖面

·机载近程雷达-导弹弹着点-引信

·机载近程目标分类雷达

·星载地形测剖面-沙漠-行星探查

下面各节将给出某些应用的例子。

3.1地面穿透

地下探测雷达或地面穿透雷达有相当多的应用，特别是对非金属结构的评定。这些
应用包括：

为军用和警察用、埋藏的爆炸物、非金属地雷、埋藏的军械、武器的贮藏、毒品等
的探测，为民用工程的法庭调查，道路，桥梁、隧道砌层、下水道、建筑物结构等
的评定。考古界发现雷达在某场合有价值，而雷达在球物理学中也得到广泛应用：
从冰层厚度评定到地面下30米内地形的高分辨率测绘。

3.2塑料地雷的探测

在许多第三世界国家非金属或最少金属地雷导致了相当多的生命损失和人身伤害。
冲击雷达被看作在多探测器系统中少量有希望的探测器技术之一。可以在几个不同
的作用中采用地雷探测系统：近距离手持探测用、车载远距离探测用或作为远距离
探测器装到低飞固定翼飞机或旋转翼飞机上用。在美国，冲击雷达研究示范器硬件
被选在低飞固定翼或旋转翼飞机上，并且宣称已成功探测到放在地面的金属地雷。


3.3非破坏性测试

冲击雷达也能用来对诸如陶瓷、混合物、混凝土、砖块、塑料、有机材料如木材以
及矿物和岩石等非导电材料的非破坏性测试。在这儿难以应用机械波(如超声波)技
术。困为与地面紧密接触是难的，而冲击雷达是一种有价值的补充技术。大多数应
用需要探测空隙、分层、裂缝和其它缺陷，并且分辨率直接与接收信号有效带宽成
比例。材料的电介质通常比自由空间高，因而传播速度比在自由空间中慢些。因此
信号在此材料中行迹时波长变短，这就改善了此技术的分辨率。

3.4警察和法庭调查

把此雷达用于警察法庭调查是众所周知的，已证实此技术的成功应用。在英国(克
伦威尔街25号)和在比利时(Dutreux)最新例子已证实其法庭调查的可应用性。从制
造厂家可买到一系列设备，而预期不断增长的发展会改善外场能力和容易使用。安
全部队(军事或警察)需要的地面穿透雷达的应用起源于需要检查建筑物中和地下的
隐藏目标，其特征诸如恐怖分子隐藏、武器、毒品、或走私物资、炸弹的贮藏或未
经批准的结构完整的修改即逃距地道等。

3.5考古

在某些土壤条件下，冲击技术能够是有价值的考古工具，一典型例子是由苏格兰国
家博物馆支持在埃及孟菲斯撒哈拉墓地的项目使用了冲击技术。图4示出一系统在
工作，而图5示出对Gisr El-Mudir西墙探测的结果(图片已校正)，在此西墙中能确
定风吹沙层。

图4在撒哈拉应用的设备像片

3.6机载地形测剖面和树叶穿透

机载冲击雷达的有益应用是树叶穿透用测绘地平面或对森林覆盖下的车辆的探测。
在美国斯担福研究所报告了采用机载合成孔径冲击示范雷达的试验结果。它工作的
频率范围在100兆赫到600兆赫，达到了1米的方位和距离分辨率。起初此雷达用来
测量印度尼西亚热带雨林的地形剖面。获得了森林中14，000公里线剖面。后来
Vickers提出，此雷达能对中美洲密林中的卡车探测和成像，可用于探测运送的车
辆走私毒品。Vickers在后来的论文中评论了与光激励半导体开关寿命有关的一些
技术限制，这开关限制了工作寿命。在密歇根研究所的Sheen研究了安装在喷气飞
机上的机载冲击合成孔径雷达，指出极化对树干一类的垂直目标的鉴别是有用的。
美国陆军研究实验室正在评定装在50米吊杆上的一部冲击合成孔径雷达(树叶穿透
用)。此雷达的标称性能是能够探测在60米距离上30厘米小的隐藏的目标。

在此领域里取得了重要的研究进展，突出地采用了冲击雷达系统结构。极化测量合
成孔径冲击雷达对于树叶穿透机载应用更为可行，这里飞行状态的动态特性使得调
频连续波脉冲压缩处理器的较长积累时间可能不适于近程和中程。

图5Gist El-Mudir剖面

3.7近中程目标分类雷达

雷达系统的两个主要类型是成像和参数识别。成像雷达采用聚焦点扫描和逆合成孔
径这样的技术提供二维或三维目标几何可视显示。参数识别雷达用来处理和检测目
标的具体非光学姿态。电磁自然谐振用作目标识别的方法是新的雷达方法。电磁自
然谐振是目标结构的固有特性，与声学自然谐振类似。电磁自然谐振通常不取决于
入射雷达信号的到达方向或反射方向，也不取决于目标的取向。

明显地，鉴别特定目标或一个目标的能力强烈依赖于分析目标响应的健壮方法。任
何线性系统可以由在复频率平面上一系列奇点和留数表示。所有留数乘以指数衰减
正弦波之和可以导出系统的冲击响应。这种方法称作奇点展开法，已广泛地被许多
研究人员研究。此方法涉及到的关键问题包括目标特性数据库的构成、从噪声数据
提取极点的能力以及这些极点的姿态独立的程度。也出现如子波变换这样的其它技
术来提供目标识别和分类的希望。当目标的自然体谐振与物理尺寸相关时，此方法
要求，信号的最大波长是此目标最大谐振散射体长度的2到4倍。波形中较短波长分
量将激励此结构的较小单元或较大谐振特征的较高模式。图6示出飞机目标模型前
视响应的计算结果。

图6飞机目标模型冲击响应的计算结果

4小结

冲击雷达有许多应用且在能力和有效性方面已开发了持续二十年，新一代的测地雷
达系统是重量轻的、紧凑的、能提供高质量数据且容易解释的。这样的系统的商业
应用指出了这种雷达技术的可能增长领域。机载远程冲击雷达探测器未来发展提供
了高分辨率目标成像和识别的可能性。

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    I am dormouse.    我是睡鼠
    too lazy.

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