(一)MIT公开课雷达系统工程之基本介绍(上)

0 写在前面

凡事需多听但少言，聆听他人之意见，但保留自己之判断。—— 莎士比亚

1 背景

战争的不确定性：1944:Omaha Beach 和1945：Iwo Jima。

雷达出现之前的飞机探测：光学系统。范围限制：大气衰减；视野狭窄：由非常小的波长引起；云层覆盖限制了作战有用性：全球范围内40-80%的时间。

云层覆盖率：不透明的红外和光学辐射。

雷达出现之前的飞机探测：声学系统。20世纪上半叶开发和使用。属性：范围有限；大约10多英里–视野有限；环境背景噪声有限（天气等）。夜间与探照灯一起使用。

Sound Mirrors Dunge, Kent, UK：用于飞机探测（第二次世界大战前）；探测范围短（小于15英里）：在战术上有助于探测一战中缓慢的齐柏林飞艇；不适用于探测二战中速度更快的德国轰炸机。

雷达工作过程：雷达发射电磁波，当它击中远处的目标时，部分能量会被散射，雷达天线收集了一小部分散射能量，即雷达回波。当发射电磁能脉冲时以及当接收到目标回波时差，是衡量目标距离的指标。相信我，事情会变得复杂得多！

雷达的早期：SirRobert Alexander Watson-Watt，1892年4月13日－1973年12月5日），英国苏格兰物理学家，雷达的发明者。他是蒸汽机发明者詹姆斯·瓦特的后代。包括美国在内的许多其他国家都开展了重要的早期工作（20世纪20年代和30年代）。在对原理进行实验验证后，Watson Watt于1935年获得专利。Chain Home雷达系统开发的领导者。Chain Home 是地面控制拦截和机载拦截雷达。

Portrait photograph of Robert Watson-Watt

“Tizard使命”（英国驻美国技术与科学使命）：1940年秋天，七名英国雷达专家和一个“黑匣子”被派往美国。包含空腔磁控管和“英国知道几乎所有关于雷达的东西”。拥有腔磁控管技术对盟军战争雷达的发展至关重要。英国原装10cm 10kW脉冲磁控管如下图所示。

麻省理工学院辐射实验室（1940年至1945年间运营）：开发并部署了用于战争的先进雷达系统；利用英国10厘米腔磁控管发明；增加到近4000人（9人获得诺贝尔奖）；设计了几乎一半在第二次世界大战中部署的雷达；创建了100多个不同的雷达系统（价值15亿美元的雷达）。

Chain Home Radar System Deployment Began 1936：这部分可参考雷达系统导论内容。

V-1 “Buzz Bomb” – The Threat：

The SCR 584 Fire-Control Radar：

雷达近程引信：雷达近程引信革命性AAA与炮兵作战。

第二次世界大战防空系统：

2 雷达基础

2.1 雷达属性

雷达的主要正面属性：目标的远程探测和跟踪：1000英里；全天候全天时运行；广域搜索功能；相干操作可以：同时可靠地检测目标并抑制不需要的“杂乱”物体；目标成像（固定和移动）；通过天线的电子扫描实现非常快的波束移动（微秒）；能够自适应地调整天线波束以减轻自然干扰和人为干扰；在微波频率下相对无损的直线传播。

雷达的主要负面属性：远程检测需要：大型和重型天线；高功率变送器；大量用电量；$$$$$。雷达波束传播不畅：穿过地球、水或茂密的树叶；障碍物周围。易受干扰和反辐射导弹的影响。目标可以检测到它正在被照亮。目标可以在角度空间中定位雷达。来自某些目标的回波变得非常小：低可观测技术。

监视和火控雷达：

机载雷达：

测量雷达：

民用雷达：

其他民用雷达：

2.2 雷达测量

脉冲雷达术语和概念：

雷达观测变量：幅度、角度、时延、多普勒。

多普勒频移：

\begin{cases} t_A = \frac{2R_0}{c+V}\\ t_B = T + \frac{2(R_0-VT)}{c+V} \end{cases} \Rightarrow T_R = T[\frac{c-V}{c+V}] \Rightarrow f_R =f_0[\frac{c+V}{c-V}]=f_0[\frac{1+\frac{V}{c}}{1-\frac{V}{c}}] \tag{1} 假设 V<< c，则有 \frac{1}{1-\frac{V}{c}}=1+\frac{V}{c}-(\frac{V}{c})^2+\cdots \tag{2} 得到下式： f_R \approx f_0 + \frac{2V}{c/f_0} \Rightarrow f_d = \pm\frac{2V}{c/f_0}\tag{3} Christian Andreas Doppler:多普勒1803年11月29日出生于奥地利萨尔茨堡的一个石匠家族。曾在维也纳工学院学习。1841年成为布拉格理工学院的数学教授。1850年，多普勒担任维也纳大学物理学院的首任院长。1853年在意大利的威尼斯去世，终年49岁。

Christian Andreas Doppler

多普勒于1842年提出了多普勒效应，即：当观测者与波源发生相对运动时，所接收的波的频率会发生变化。这个效应后来通过聆听行进中的火车上演奏的音乐得到证实。多普勒试图用此来解释双星的颜色变化。现在这一效应广泛应用于光学、天文学、气象学、医学诊断和日常生活等诸多方面。

雷达系统框图：

3 总结讨论

下节继续介绍雷达波长和频率划分、雷达分类和对本课程内容的概述。

4 参考文献

[1] 百度翻译

[2] MIT 公开课： Radar Systems Engineering

[3] 维基百科