Microwave radar
imaging and advanced concepts
雷达成像原理
第一章 雷达基础知识
1.1雷达的定义
雷达是指"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"[1].雷达(radar)源于"radio diction and ranging"的首字母缩写.现存的许多有用的系统都有同样的描述.有时,人们使用声波(或超声波)而不用电磁波,这样的系统成为声纳.按这种定义,蝙蝠使用的是声纳而并非雷达.声纳的原理和雷达的原理很相似,但声纳不在本书的讨论范围内.如无特别声明,本书假设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.这样的雷达成为单站雷达,也就是说,电磁波的发射和接收在同一位置处.有时我们也会提到双站,多站雷达.在双站雷达系统中,发射天线和接收天线在不同位置处.在多站雷达系统中,可能电磁波从一个或多个位置处发射,并在一个或多个位置处接收.对于雷达讨论详见参考书目[2-16].
1.2雷达简史
雷达的历史,特别是早期历史富有传奇色彩.当Budrieri[17],Burns[18],Swords[19]等人作好一批优秀的论文之后,雷达的历史就随之开始了.在1886年Heinrich Hertz证实了无线电波的传播.1904年德国的杜塞尔布市的Huelsmeyer获得了第一个雷达的专利.Huelsmeyer称他的发明为"发射,接收赫兹波的装置,如在波的投射方向上存在金属物体如舰船,火车等,该装置可以示警".1922年Tayler和Young在华盛顿的海军实验室完成了第一部舰船探测雷达.1922年Hyland制作了第一部飞机探测器.在1941年美国陆军的雷达发现了接近珍珠港的日军机群,但当值的军官认为那是假目标.二战期间,英国的Chain Home雷达系统的快速发展,对于英国成功的防御德军的空袭起了很重要的作用.战后,雷达更是飞速发展,人们制造出了各种类型的雷达一直延用至今.
1.3电磁波
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.电磁波由波动的电场和磁场构成.电磁波的传播速度可通过自由空间的基本电磁属性来计算.
ε0(对于自由空间)=8.85×10-12 kg-1m-3s-2coul2
μ0(对于自由空间)=4π×10-7 kg m coul
c= =2.998×108 m/s (1.1)
这种计算速度的方法同样适用于可见光.这也就说明了可见光也是一种电磁波.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.通常雷达这个术语是指利用无线电波的系统.
本书只是电磁波的简介,读者若想进一步研究,可供参考的文章很多,如Jackson[21]和Stratton[22]的文章.电磁波的理论可使用不同的单位量纲系统表示,本书中使用的是公认更合理的千克-米-秒的量纲系统.[文献22, 16-23页].
图1.1描绘了在真空中传播的几种简单的电磁波在某一特定时刻的波形.电场(E)和磁场(H)在空间上都是正弦变化的(黑体表示矢量).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).f可用每秒的周期数来量度(赫兹).在雷达系统中,频率通常是指载波的频率.两个相邻波峰之间的距离成为波长λ.λ=c/f=2π/λ=2πf/c并且k=e*h(^表示单位向量).瞬时的能量通量密度(w/m2)表示为|S|=E×H= cε0E2= c 0μH2.S为波印亭矢量[22].
场强的单位是V/m,波印亭矢量S的单位是W/m2,因此可以推出,常数cε0的单位是1/Ω或S.
cε0 ==1/377Ω (1.2)
cε0的倒数有时被成为自由空间的阻抗.一般用矢量表示电场E的方向.如图1.1(a)所示的波形,矢量的值是常数(不记正负号).的方向决定了波电磁波的极化形式.若矢量的数值为常数,则称电磁波是线极化.若重力场存在,并且波的传播方向与重力场方向垂直,则称这样的线极化波是水平极化或垂直极化的.更常见的情况是,E(或H)的方向与传播方向垂直,但在垂直关系下,指向不固定.此时,E的方向可以用两个相互正交,且都垂直与的矢量表示.这样的波不再是线性极化的.
在一般情况下,电场E可以用一组垂直于传播方向的椭圆形螺旋线来描绘.这样的波是椭圆极化波(特殊情况下为圆极化波),波形如图1.1 (b) (c)所示.

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