高中物理電磁波的應(yīng)用素材粵教版4

電磁波的應(yīng)用――雷達原理及應(yīng)用雷達概述雷達，英文單詞radar中文譯音，即radioDetectionandranging（無線電發(fā)現(xiàn)和測距）開頭字母組成，早期的雷達就是用來發(fā)現(xiàn)目標和測量目標距離，那么雷達在什么時間、什么情況下出現(xiàn)的呢？二十世紀初，無線電技術(shù)的迅速發(fā)展，得力于人們對電磁波的不斷深化認識，同時人們對電磁波的應(yīng)用也不斷擴大。電磁波幫助人類將通信距離伸展幾千公里，是一個很好的例子。那么，能否利用電磁波實現(xiàn)對運動物體的遠距離測量呢？人們從蝙蝠這一動物得到啟發(fā)，它利用喉部發(fā)出的超聲波，通過障礙物如蟲、飛蛾的反射，再被耳朵接收，從而發(fā)現(xiàn)目標。利用電磁波探測目標是在二十世紀三十年代后期出現(xiàn)的。１９３４年，英國科學(xué)家瓦特在對地球大氣層進行無線電回波信號研究時，偶然發(fā)現(xiàn)熒光屏上有一串明亮的光點。經(jīng)過反復(fù)試驗，證實了這些光點正是實驗室附近某幢大樓的反射回波信號。這個意外的發(fā)現(xiàn)，使他萌發(fā)了利用無線電回波探測移動目標的設(shè)想。１９３５年由瓦特和其他英國電氣工程師研制的第一部用于探測飛機的雷達，雖然探測距離只有幾十公里，但卻開辟了利用電磁波探測和定位的道路。第二次世界大戰(zhàn)卻給剛剛誕生的雷達事業(yè)提供了良好的發(fā)展機會。大戰(zhàn)開始階段，雷達作為一種新型防御系統(tǒng)用來預(yù)報敵機的入侵，當時在德國飛機狂轟濫炸的威脅下，英國根據(jù)瓦特的建議在沿海地帶建起了許多雷達站，用來預(yù)報來犯敵機的數(shù)量，航向和距離。這是雷達首次投入使用。而隨后太平洋戰(zhàn)爭爆發(fā)，著名的"珍珠港"事件給美國了沉重的一課，使他們從輕視雷達神奇作用的迷夢中驚醒過來。１９４１年１２月７日，美國夏威夷海軍基地風平浪靜，誰會想到一場著名的偷襲戰(zhàn)的來臨，而戰(zhàn)前美國的雷達預(yù)警確有一群來犯的日本飛機。而美國人的猛醒又給日軍以沉重的打擊。在隨后爆發(fā)的中途島海戰(zhàn)中，美國打了一個漂亮的報復(fù)仗，而在其中，雷達也幫了不少美國的忙。在戰(zhàn)爭中逐漸成長起來的雷達，不斷接受戰(zhàn)爭的洗禮，因此越發(fā)變得成熟完美。戰(zhàn)爭后期，雷達與武器操縱系統(tǒng)結(jié)合在一起。也被炮兵、部隊用于搜索自動跟蹤和轟擊目標，從而使火炮的命中率大為提高，逐漸廣泛用于海、陸、空全面的防御和打擊戰(zhàn)中，發(fā)揮著舉足輕重的作用。雷達不僅在國防軍事方面有著重要的作用。同樣，雷達的廣泛應(yīng)用不斷滲透到國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域。如：應(yīng)用雷達探測大氣奧秘，進行天氣災(zāi)害預(yù)報；跟蹤導(dǎo)航對衛(wèi)星進行跟蹤和定軌。對飛船進行和控制，所有這些都是雷達電波為人類社會做出的卓越貢獻。作為一名大學(xué)生，有必要對雷達的工作系統(tǒng)、原理作較為系統(tǒng)、全面的了解。２．雷達工作原理

２．１雷達系統(tǒng)的組成

雷達最主要的功能是發(fā)現(xiàn)目標和測定目標的位置，它的基本組成包括三個部分，發(fā)射機，接收機和無線外加顯示器、定時器和控制系統(tǒng)等主要構(gòu)件。脈沖發(fā)射機在定時器控制下周期地產(chǎn)生強大功率的矩形脈沖調(diào)制的高頻電磁波，這個電磁波經(jīng)系統(tǒng)和收發(fā)開關(guān)到天線后，按特定的方向向空間集束輻射。天線受控制系統(tǒng)操縱使波束在空間掃描，以便搜索目標，當目標受電磁圖１雷達系統(tǒng)示意圖波照射時，產(chǎn)生后向散射回波。這個回波經(jīng)收集，通過無線開關(guān)送到接收機。接收機將收到的回波信號連同發(fā)射機工作時通過收發(fā)開頭漏過來的一小部分主波信號，一起進行高頻放大、中放、檢波和視頻放大、最后將視頻脈沖信號加至顯示器。雷達顯示器在受到定時信號觸發(fā)后開始工作，最初在顯示器的熒光屏上出現(xiàn)的是經(jīng)開線開頭漏過來的主波信號。這也是電磁波離開天線時的起始信號。待回波信號到來時，經(jīng)計算機處理，熒光屏上顯示目標的位置及有關(guān)參數(shù)。

最常用的雷達顯示器采用極坐標的平面顯示裝置，屏幕的中心代表雷達站所處的位置，目標以亮點顯示出來。亮點與圓心之間的距離即目標與雷達站之間的距離顯示。它與正北的夾角就是目標的方位角，在實際的顯示器中都有坐標的機械刻度和電子刻度；因此能直接從顯示器上讀出有關(guān)目標的系列參數(shù)。新型雷達采用電子計算機進行數(shù)據(jù)處理，內(nèi)置相應(yīng)支撐軟件，計算機控制各部分協(xié)調(diào)工作達到方便、快捷，有的雷達還根據(jù)實際情況，由計算機控制工作頻率或變更工作方式，以提高工作效率和精度。

２．２電磁波定位和測速的原理和方法：

如右圖是電磁波定位的原理圖，由發(fā)射機

產(chǎn)生的一定調(diào)制的高頻電磁波，經(jīng)發(fā)射天線按

特定方向輻射到空間，若電磁波在空間傳播時

遇到目標，一部分高頻電磁波被反射回來，經(jīng)

過無線并且進入接收機，觀察人員通過顯示器圖２雷達工作原理示意圖

在接收終端判斷有無目標及目標的性質(zhì)，且通過自動化處理，給出目標的系列參數(shù)，以明辯敵我，及時作出應(yīng)對。

一般情況下，我們只用一副即可完成電磁波的發(fā)射和接收，當有脈沖時，電磁波通過天線發(fā)射出去，這時可以利用觸動開關(guān)或電子信號使接收機關(guān)閉，當發(fā)射機停止工作時，立即打開接收機，則可利用一副天線，而完成電磁波的發(fā)射和接收。

現(xiàn)在我們假設(shè)空間傳播介質(zhì)是均勻的，則電磁波在這樣的空間內(nèi)傳播我們認為是勻速的；沿直線的傳播，電磁波離開天線到目標后，經(jīng)反射又回到天線所用的時間為，設(shè)目標距離雷達站的距離為Ｒ，則電磁波在這段時間內(nèi)所經(jīng)歷的路程為２Ｒ，根據(jù)路程的速度公式，則，其中ｃ為電磁波的傳播速度。

這是雷達測量目標距離的基本公式，從式子我們可以看出，只要測出即可實現(xiàn)對目標距離的測量，但在通常情況下，我們所要知道的是運動目標的系列參數(shù)，如徑向速度，即目標向著或（背著）雷達站方向的速度。在雷達系統(tǒng)中，我們利用多卜勒效應(yīng)來實現(xiàn)測速的。

日常生活中有這樣的體驗，當鳴笛的火車由遠處開來時，我們聽到汽笛聲由低到高；而當火車急弛而過時，我們則感覺到汽笛聲由高到低，音調(diào)的高低是由聲源振動的頻率所決定的，但是在上述情況下，我們聽到的音調(diào)變化完全是由聲源與聽者之間的相對運動所引起的，由于波源或觀察者的運動而出現(xiàn)觀測頻率與波源頻率不同的現(xiàn)象，稱為多卜勒效應(yīng)，是奧地利物理學(xué)家多卜勒（）在1842年發(fā)現(xiàn)的。[2]

多卜勒效應(yīng)有如下三種情況：

１．觀察者靜止而波源運動，則有：（１），其中為觀測頻率，為波源頻率，為波速，為波源運動速度。

２．波源靜止而觀察者運動，則有（２），其中為觀察者運動速度。

３．若觀察者和波源在同一直線上運動（３），其中為波源運動速度。

自從在音頻范圍內(nèi)發(fā)現(xiàn)多卜勒效應(yīng)以后，

經(jīng)過幾十年研究，在1938年證明了在電磁

波頻域內(nèi)同樣有多卜勒效應(yīng)，下面，我們結(jié)

合有關(guān)電磁波的知識，研究利用多卜勒效應(yīng)

測量目標經(jīng)向速度的方法。圖３電磁波受移動目標的反射

設(shè)雷達發(fā)射波長為，頻率為的一段電磁波，它在空間延伸的長度為Ｄ，而其中包含的波數(shù)為：.

若這段電磁波自左向右傳播時，在Ｐ點遇到了目標，則在前方Ａ點的電磁波先反射回來，然后是后方的Ｂ點被反射，如果目標Ｐ是靜止的，則這段電磁波與目標的接觸時間為，且反射后ＡＢ點的距離也為Ｄ。

若目標沿一定速度向雷達站飛行，由運動學(xué)知識所知，目標與這段電磁波的接觸時間變?yōu)?，在這段時間內(nèi)目標的前進距離為：，也就是說Ｂ點受目標反射時將比Ａ點反射時縮短了以上這段距離，在這段距離上電磁波傳播時間為：，也即接收這段電磁波的持續(xù)時間將縮短。因而由于目標的徑向運動，接收的持續(xù)時間將是

因回波信號在AB間的波長數(shù)ｎ不變，所以持續(xù)的減少必使頻率的增高：

（４）由上式可知：

（１）當，說明目標與雷達站無相對運動，回波頻率等于發(fā)射信號的頻率。

（２）當，說明目標向雷達站運動，接收頻率高于信號頻率。

（３）當，說明目標遠離雷達站運動，接收頻率低于信號頻率。

同樣，也可直接從（１）、（２）式推導(dǎo)出雷達接收頻率與雷達發(fā)射頻率之間的關(guān)系：

（同上式）

通常，我們將相對運動所引起的接收頻率與發(fā)射頻率之間的差距稱為多卜勒頻率，用表示

（５）

由于電磁波的傳播速度遠遠大于相對運動的速度，即，則略將（７）式化簡為：

（６）

從上式可以看出，只要測出信號的多卜勒頻率就可以求出目標運動的徑向速度：

在雷達系統(tǒng)中，采用一種專門的設(shè)備，可直接測量出，經(jīng)計算機處理，在顯示器上可讀出。

２．３雷達目標的散射截面積：

雷達發(fā)射的電磁波遇到目標時，一部分能量被目標吸收轉(zhuǎn)化為熱，另一部分在目標表面產(chǎn)生感應(yīng)電流而重新輻射，這種重新輻射的能量，有一小部分被接收天線截獲，從而發(fā)現(xiàn)目標。

為了便于發(fā)現(xiàn)目標，通常希望目標盡量少吸收發(fā)射的電磁波的能量，且有較強的將電磁波反射回雷達站的能力，然而這種能力不僅取決于雷達站發(fā)射電磁波時天線的定向性，電磁波的波長和極化方式，還與目標的幾何形狀、尺寸、表面性質(zhì)以及電磁波的入射角等因素有關(guān)。

通常情況下，我們用目標的雷達截面積來表示目標對電磁波的散射能力。它定義為：目標散射的電磁功率與目標所在處入射的電磁波密度之比，即（㎡），具有面積的量綱。

如果雷達站的發(fā)熱功率是，發(fā)射無線的方向函數(shù)是，目標與雷達站間的距離為Ｒ，則在目標入射處電磁波的功率密度是：[3]

（7）由可知：即目標的雷達截面積，它的等效形式是：

[3]式中為目標處散射波的電場強度，為入射波的電場強度。

２．４雷達方程：

雷達最基本的功能是發(fā)現(xiàn)目標，因而雷達用戶往往關(guān)心的是當雷達參數(shù)給定時，它究竟能發(fā)現(xiàn)多遠處的目標，也即雷達的作用距離。

設(shè)目標的雷達截面積為，入射電磁波在目標處的功率密度是并假定目標把入射的電磁能量全部均勻散射到各個方向，由可知，經(jīng)目標散射回到雷達站的功率密度將是：代入（９）式有：

（8）根據(jù)無線理論，接收無線的有效面積和無線增益之間有關(guān)系，其中為電磁波波長，因而天線接收到的回波功率是

或者表示為Ｒ與一般參數(shù)之間的形式為：[3]

（9）即雷達的作用距離。通常，雷達采用一副無線并作接收和發(fā)射，在微波波段，天線的效率接近于１，天線的增益系數(shù)與天線方向系數(shù)相等，于是在共用天線的雷達中，上式可簡寫成：

（10）此即雷達方程，當接收的回波功率低于為發(fā)現(xiàn)目標所必需的最低輸入功率時，雷達就不能發(fā)現(xiàn)這個目標，也就是目標處于雷達的作用距離之外，當取最小值時，Ｒ有最大值，也就是此時雷達的作用距離最大。

[3]（11）所以雷達工作時，通常要求接收機將全部回波信號積累起來，以便提高接收靈敏度和更加有效地增加雷達的作用距離。

２．５環(huán)境對電磁探測的影響：

影響雷達探測的因素是多方面的，首先是地面反射的影響，有的情況下，地面反射波有可能使跟蹤雷達把目標在地面以下的鏡像誤以為真實目標，從而造成錯誤的跟蹤，有時也會影響到探測距離和精度，從而影響工作效果。其次，地表的彎曲也給探測目標的高度和仰角帶來麻煩。還有，比如地球磁場，宇宙射線，雷電，建筑等都會給雷達的探測精度帶來麻煩，這就要求在雷達開發(fā)中，盡顯通過各種方法和手段減少這種不必要的影響。

３．雷達的應(yīng)用

雷達在軍事方面的應(yīng)用主要用于預(yù)警系統(tǒng)，下面分析臺灣獨立分子所布置的雷達防御系統(tǒng)，借以說明其應(yīng)用。

臺獨分子借用美國支持，瘋狂擴軍備戰(zhàn)，企圖分裂祖國大陸，不斷布置其防御系統(tǒng)，目前已基本構(gòu)筑了一個由地面、空中和空間立體配制的近、中、遠多種探測手段相結(jié)合的全方位立體預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)的布置主要由三部分組成：

１．地面防空雷達：在地面子系統(tǒng)中，用各種雷達構(gòu)成一個雷達網(wǎng)，對覆蓋的空域進行嚴密的監(jiān)視，如臺獨配置的大型返程相控陣預(yù)警雷達，能對1448公里之外的彈道導(dǎo)彈進行探測，可提供７－１０分鐘的預(yù)警時間；其低空監(jiān)視雷達，主要對小型飛機的探測距離為８０公里?？蛇B續(xù)跟蹤２６５個目標，主要承擔低空補盲的作用；另外其配制的４Ｒ－3000防空雷達對雷達同為１平方米目標的探測距離為３２０公里。主要用于對空搜索構(gòu)成了臺軍地面的防護網(wǎng)。而美國所實施的ＮＭＤ導(dǎo)彈防御系統(tǒng)，其中也是由各種雷達所構(gòu)成的雷達網(wǎng)，承擔預(yù)警任務(wù)。

２．機載雷達：即裝在飛機上的各種雷達，就其基本功能來說與地面防空雷達，沒什么區(qū)別，即將地面雷達搬到了空中。由于站得高，望得遠，所以能為防空系統(tǒng)提供更多的預(yù)警時間，臺軍配有的低空監(jiān)視雷達，主要由輕型車輛或運輸機空運，實際上是對低空的掃描控制。另外如Ｅ－２Ｔ預(yù)警機，配有ＡＮ／ＡＰＳ－１４５雷達在正常情況下，它可以探測達至６４８公里以外的轟炸機，４８０公里以外的戰(zhàn)斗機和２５８公里外的導(dǎo)彈?？赏瑫r跟蹤、監(jiān)視，顯示２０００個空中和海上目標，預(yù)警時間提高到２５分鐘。某些機載雷達還具有識別跟蹤和瞄準目標的功能。

３．預(yù)警衛(wèi)星：臺軍空間通信技術(shù)剛剛起步，但由于地理位置，不在赤道地區(qū)，所以不能用一顆衛(wèi)星持續(xù)不斷地提供預(yù)警信息，需要發(fā)射多顆衛(wèi)星才能使衛(wèi)星輪流通過臺灣上空完成預(yù)警任務(wù)。而美國的參與，則加快了預(yù)警衛(wèi)星的發(fā)展。目前，空間預(yù)警也是各國所大力開發(fā)研究的一個方面。

雷達在國民生活中也有重要的運用。如現(xiàn)代化的機場，利用雷達來管理和調(diào)度，航海雷達可以幫助避免觸礁等；雷達也應(yīng)用于天氣和災(zāi)害預(yù)報；同時在宇宙航行方面，雷達已被用于測量火箭、人造衛(wèi)星和飛船的位置，速度等軌道參數(shù)，也可以用來地下探測等，成為我們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚慕M成部分。

4．對雷達發(fā)展的展望

針對雷達對抗技術(shù)的迅速發(fā)展，對未來雷達的發(fā)展也提出了新的要求。針對各種干擾，雷達可輻射頻率不斷改變的電磁波。使它們分別工作在不同波段，從而擺脫干擾信號的跟蹤；也可以使用多部的發(fā)射機迫使干擾機在寬頻帶內(nèi)分散干擾功能，從而降低干擾的能力。同時，我們期望使用