1、10.1 雷达系统10.2 微波通信系统10.3 微波遥感系统10.4 无线传感与射频识别系统,第10章 微波应用系统,10.1 雷达系统,雷达(Radar)是微波的最早应用之一。“Radar”一词是英文无线电探测与测距(Radio Detection and Ranging)的缩写。雷达的工作机理是:电磁波在传播过程中遇到物体会产生反射，当电磁波垂直入射到接近理想的金属表面时所产生的反射最强烈，于是可根据从物体上反射回来的回波获得被测物体的有关信息。因此，雷达必须具有产生和发射电磁波的装置，以及接收物体反射波(简称回波)并对其进行检测、显示的装置(即天线、接收机和显示设备)。由于无论发射与接
2、收电磁波都需要天线，根据天线收发互易原理，一般收发共用一部天线，这样就需要使用收发开关实现收发天线的共用。另外，天线系统一般需要旋转扫描，故还需天线控制系统。雷达系统的基本组成框图如图 10-1 所示。,图10 1 雷达系统的基本组成框图,传统的雷达主要用于探测目标的距离、方位、速度等尺度信息，随着计算机技术、信号处理技术、电子技术、通信技术等相关技术的发展，现代雷达系统还能识别目标的类型、姿态，实时显示航迹甚至实现实时进行图像显示。所以，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，其原理框图如图 10-2 所示。,图 10 2
3、现代雷达系统的组成框图,(1)测距 电磁波在自由空间是以光速这一有限速度传播的。设雷达与目标之间的距离为s,则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2s的距离。若能测得发射脉冲与回波脉冲之间的时间间隔t,则目标距雷达的距离可由下式求得:,(10-1-1),1.雷达探测原理,2)测向 传统雷达是利用尖锐的天线波束瞄准目标，从而来确定目标的方位。天线波束越尖锐，则测向就越精确。由天线理论可知，在工作频率一定时，波束越窄要求天线的口径越大，反之，天线口径一定，则要求的频率越高，因此雷达一般在微波波段工作。为了实现窄波束全方位搜索，传统的雷达系统必须使天线波束按一定规律在要搜索的空间
4、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，但由天线方向图可知，波束最强的方向附近，对方向性是很不敏感的，这给测向带来了较大的误差，因此这种方法适合搜索雷达而不适合跟踪雷达。,(3)测速 由振荡源发射的电磁波以不变的光速c传播时,如果接收者相对振荡源是不动的,那么它在单位时间内所收到的振荡数目与振荡源产生的相同;如果振荡源与接收者之间有相对接近运动,则接收者在单位时间内接收的振荡数目比它不动时要多一点,也就是接收到的频率升高,当两者相反方向运动时接收到的频率会
5、下降。这就是多卜勒效应。可以证明,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,(10-1-2),式中,fd称为多卜勒频率,为飞行目标相对雷达的运动速度。可见,只要测得飞行目标的多卜勒频率，就可利用上式求得飞行目标的速度。这就是雷达测速原理。,(4)目标识别原理 所谓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,这涉及到对目标的编码、特征选择与提取、自动匹配算法的研制等过程。由于目标识别涉及到电磁散射理论、模式识别理论、数字信号处理及合成孔径技术等多学科知识，而
6、且特征信息提取的原理、方法也很多，因此在这里不一一介绍，仅对频域极点特征提取法加以简单介绍。,2.几种典型的雷达系统 1)单脉冲雷达 前面在探测原理中讲到,用尖锐的方向图的最大值来测向的误差是较大的,对跟踪雷达来说是不合适的。单脉冲技术是提高测向误差的有效手段。由此技术构成的雷达称为单脉冲雷达。下面简单分析其中一种单脉冲雷达的工作原理。,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。对如图 10-3 所示的矩形
7、喇叭馈源，当目标在喇叭中心线右面时，使喇叭右侧的能量较大而左侧的较小，这时等效为主模TE10和高次模TE20按图中相位关系叠加，即右侧是两个模式分量的相加，而左侧是两个模式分量的相减;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。于是只要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。用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。这就是单脉冲雷达的工作原理。,图 10 3 馈源口面不对称照射激起TE10、TE20模,2)相控阵雷达
8、 一般雷达对目标的搜索是用机械扫描来实现的,但这种搜索的速度有限,而且一旦发现目标进入跟踪状态,就不能顾及来自不同方向的其他目标。相控阵雷达就能实现多个目标的同时跟踪,而且采用自动波束扫描方式实现快速搜索。,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的阵列,在计算机的控制下对各天线单元的射频功率和相位进行控制，从而实现波束的扫描。由前面阵列天线的原理可知：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,当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。这就是称其为“相控阵雷达”的原因。相控阵雷达的组成原
9、理与其他雷达一样,但相对要复杂一些,实质上它是由多部“子雷达”组成的“母雷达”,天线波束的扫描、组合和赋形以及雷达工作状态的选择、转换、目标的识别等均由计算机来完成。它能在几微秒之内,使波束从一个方向变换到另一个方向,其扫描速度之快是机械扫描雷达望尘莫及的。,3)合成孔径雷达 要提高雷达的角分辨率,必须增大天线的口径或采用更短的工作波长。这两方面的努力都受到实际条件的限制,而用于卫星和飞机上的雷达对天线的限制就更严了。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两种。不聚焦型合成孔径雷达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
10、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。所谓聚焦型合成孔径雷达是在数据存储后,扣除接收到的回波信号中由雷达天线移动带来的附加相移,使其同相合成,分辨率更高,当然处理也就变得更复杂了。,微波中继通信也称为微波接力通信。由第7章可知,微波在空间是直线传播的,设地球上A,B两点天线的架设高度分别为h1,h2,则由式（7-2-2）可得两者间的最大传输距离为,10.2 微波通信系统,天线架设高度一般在100 m以下,所以一般视距为50 km左右。因此要利用微波进行远距离
11、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），以接力的方式将信号一站一站传递下去，从而实现远距离通信，这种通信方式就称为微波中继通信。,1.微波中继转接方式按传输信号的形式，微波中继通信可分为模拟微波中继通信和数字微波中继通信。按中继方式可分为基带转接、中频转接和微波转接三种。所谓基带转接，是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，然后又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。所谓中频转接，是指在中继站将接收到的载频为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
12、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，这样设备就相对简单了。所谓微波转接，是在中继站直接对接收到的微波信号放大、变频后再经微波功率放大后直接发射出去，这种转接的设备更为简单。基带转接的原理框图如图 10-4 所示。,图 10-4 基带转接的原理框图,2.SDH数字微波通信系统 数字微波中继通信与光纤通信、卫星通信一起被称为现代通信传输的三大主要手段。它具有传输容量大、长途传输质量稳定、投资少、建设周期短、维护方便等特点,因此受到各国普遍重视。,同步数字系列（SDH）是新一代数字传输网体制,它是通信容量迅速增长、光纤通信持续发展的
13、产物。SDH的应用很广泛,它不仅可用于光纤通信系统,而且在微波传输中也被大量采用,从而成为数字微波中继通信的主要方式。SDH数字微波中继通信系统广泛采用一些新技术，诸如:全新的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。SDH数字微波中继通信系统一般由终端站、枢纽站、分路站及若干中继站组成,如图 10-5 所示。,图 10 5 SDH数字微波中继通信系统组成框图,1.微波遥感系统的工作原理 现代遥感系统由遥感工作平台、遥感器、无线电通信系统及信号处理系统组成,其中遥感工作平台是安装遥感仪器的运载工具;遥感器是用来接收、记录被测目标电磁辐射的传感器，如扫描仪、雷达
14、等;无线电通信系统用于控制、跟踪遥感仪器设备和传输遥感器所获得的目标信息;信号处理系统用以分析、处理、解译各种遥感信息。,10.3 微波遥感系统,微波遥感的一般过程是:地面目标的电磁辐射通过周围环境进入遥感器后，遥感器将目标的特征信息加以接收、记录和处理后，再以无线电方式送给信息处理系统，信息处理系统将遥感信息进行加工处理，变成人们能够识别和分析的信号或图像。微波遥感之所以能够根据收集到的电磁辐射信息识别地面目标和现象，是基于电磁波与物质的相互作用 一切物质由于其种类和环境条件的不同，它就具有完全不同的电磁辐射特性。当电磁波与物体相遇时，会发生各种相互作用，并满足动量和能量守恒定律。在物质表面
15、发生的相互作用称为面效应，电磁波透入物体表面以下一定距离发生的相互作用称为体效应，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，以此便能识别不同的物体。电磁波与物质的相互作用主要包括入射电磁波的反射、散射及透射、热效应及热辐射等。不同的遥感器的作用机制不同。,2.微波遥感器 1)微波辐射计我们知道，任何温度高于绝对零度的物体，都会有热辐射，热辐射的波长范围从1 m1 m 左右，而热辐射的频率主要取决于物体的温度和比辐射率。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。进一
16、步研究还发现，在微波波段，各种物质的比辐射率相差很大，这种差别为识别物体提供了有用的信息。如油脂的比辐射率比海水高得多，在同样的温度下，油脂对微波辐射计的辐射能量比海水大很多，因此在海面上有油脂污染时，若将微波辐射计测得的信号转换成图片，就会看到浅色的油污漂浮在深色的海面上。这就是微波辐射计的遥感原理。图 10-6所示就是微波辐射计的一种微波比较辐射计，下面讨论其工作原理。,图 10 6 微波比较辐射计工作原理图,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,开关周期s一般为10-310-1s。于是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
17、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,(10-3-1),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(10-3-1)代入式(10-3-2),并令 Gs=2GpCdGkB,则有,(10-3-2),(10-3-3),2)微波成像雷达 主动式微波遥感器实质上就是遥感雷达,它向目标发射微波信号,由于目标的几何形状、性质不同,接收到的回波的强度、极化、散射特性也不相同,从而可以提取所需信息。在遥感雷达中,微波成像雷达是最典型的,它能提供目标
18、图像,因此得到了广泛的应用。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,在上一节已经简单介绍了合成孔径雷达的工作原理,下面主要介绍一下真实孔径侧视雷达(也称为机载侧视雷达)。,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上形成窄带，如图 10-7 所示。天线将脉冲微波能量相继照射到窄带上各点，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另一次扫描，从而产生条带状的雷达图像。这
19、种雷达的方位分辨率会随着距离的增大而迅速变坏。而合成孔径雷达则解决了这个问题，大大提高了分辨率，从而得到了更广泛的应用。,图 10 7 机载侧视雷达地面航迹与照射窄带示意图,3.微波遥感的应用 微波遥感除用在军事上外,还在民用方面，诸如水文、农业、气象等领域得到了广泛应用，如下表所示。,将传感器、微处理芯片、无线收发电路集成在一起构成无线智能传感单元(标签)，通过阅读器接收信息，再通过无线和有线网络无缝连接形成“物联网”，如图10-8所示。射频识别技术是无线传感网中的一个重要环节，它实现了传感单元与阅读器之间的无线信息交换。下面介绍射频识别技术。射频识别(Radio Frequency Ide
20、ntification，RFID)系统主要由阅读器，应答器和后台计算机系统组成，如图10-9所示。,10.4 射频识别系统,图 10-8 射频识别器的组成框图,图 10-9 微波1比特应答器原理图,1.RFID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。1比特系统只能识别“有响应”和“无响应”两种状态，该系统虽然不能区分各个应答器，但由于系统简单、可靠，被广泛应用于商场的防盗系统中；电子数据载体系统是一类编码系统，每个应答器都有一个识别码，同时还可以存储1664 kb的数据，而且一般需要将识别码和数据调制到一个载波上。,RFID系统按工作频段可分为低频(50150 kH
21、z，13.56MHz)、超高频(260470 MHz)和微波(902928 MHz，2.45 GHz，5.8 GHz)波段。低频段的应答器一般是无源的，应答器所需要的能量是由阅读器通过耦合元件传递给应答器的。因此，一般情况下，该类应答器和阅读器之间的有效距离是很近的，也称之为密耦合。而微波波段的应答器一般是远距离系统，其作用距离从1 m到10 m甚至更远。,2.微波波段典型RFID的工作原理,工作在微波波段的射频识别系统往往具有较远的工作距离、较小的尺寸、较可靠的数据传输，特别是集成电路技术和数字信号处理技术的迅速进步，使微波波段的RFID得到了迅猛的发展，成为非接触识别技术的主要手段之一。这
22、里主要介绍两种典型的微波波段RFID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10-10所示。,图 10-10 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,在一定的发射功率、收发距离的前提下，比值b的大小取决于反向散射功率，而此功率取决于接收天线与负载的匹配程度。当接收天线与负载几乎匹配时，几乎没有功率被反向散射回去；而当天线开路或短路时，几乎全部功率反射回去；特别当工作波长处于天线的谐振区时，反射十分明显。电磁反向散射式应答器正是利用电磁波的谐振反射特性，通过改变天线负载的状态，实现数据流的传输。当负载匹配时，比值b几乎为零，此时可以代表数字“0”；当CPU控制的开关使负载变为零(即短路)时，比值b将达到一定的数值，此时可以代表数字“1”。,
