第1章 緒論

1.1 電子探測系統的任務

電子探測系統是重要的戰場傳感器，其中雷達和聲吶在電子探測系統中占據了重要地位。雷達是英文“radar”的音譯，是英文Radio Detection and Ranging的縮寫，原意是“無線電探測和測距”，即用無線電方法檢測目標并測定它們在空間的位置。因此，雷達也稱為“無線電定位”。聲吶是英文“sonar”的音譯，是英文Sound Navigation Ranging的縮寫，原意是“聲導航和定位”。

雷達和聲吶主要任務包括：目標的探測，目標的距離、方位和仰角測量，目標的速度測量，目標成像和目標識別。

雷達有主動和被動之分。主動雷達大部分都自己發射電磁波，它是利用目標的回波對目標進行探測和定位。主動雷達還可以采用應答方式工作，稱為二次雷達，它要求目標為合作目標，如航管雷達。二次雷達信噪比高，距離、角度測量估計精度高，且目標應答時，可為雷達提供自身的番號等信息，可用于目標的類型判別和敵我目標識別。被動雷達利用目標自身輻射、廣播電視或背景輻射電磁波對目標進行定位，被動雷達如俄羅斯“鎧甲”、美國的寂靜哨兵和電磁輻射計等。被動雷達具有隱蔽性好的優點，可以有效地對付反輻射導彈。

被動聲吶利用目標的聲輻射（機械噪聲和螺旋槳空化噪聲）來發現目標并測定其參數，主動聲吶發射聲波并接收目標的回波來發現目標并測定其參數。主動聲吶和被動聲吶在應用中平分秋色。被動聲吶一般用于潛艇聲吶和固定式水下聲吶站，主動聲吶多用于水面艦艇聲吶和海洋儀器。應答方式工作的聲吶主要用于定位，也用于敵我識別。

雷達的工作原理是利用太空或大氣中電磁波的傳播與反射，它的工作環境只能是太空或大氣。因為海水是電的良好導體，它使電磁能很快地以熱的方式耗散掉。因此，在海水中，相同波長的電磁波比聲波的衰減快得多。聲吶的工作原理是利用聲波的傳播與反射，它的工作環境只能在水中和空氣中，不能工作在太空，因為聲波是機械波，它必須借助介質傳播。

1.1.1 目標的探測

目標的探測是信號檢測問題，即判斷目標的有無。通常它也是目標參數測量的前提。我們把雷達或聲吶接收到的目標回波或輻射波稱為信號。信號的幅度與目標特性、傳播損失、主動探測設備的發射功率、天線或基陣孔徑（尺寸）有關。

信號檢測的背景是復雜的，如雷達中的熱噪聲、電磁干擾和雷達雜波；聲吶中的海洋背景噪聲、流噪聲和平臺自噪聲，以及主動聲吶中的混響等。

雷達的雜波來自地面、云雨或海表面的不希望的電磁散射。主動聲吶混響來自水體、海底和海面的不希望的聲散射。它們不同于噪聲和干擾，其強度隨發射功率增大而增大。因此，雷達雜波和主動聲吶混響具有相似的屬性。

信號檢測的性能取決于信噪比。雷達檢測性能取決于信噪比、信雜比和信干比，檢測背景分別對應于熱噪聲、雜波和電子干擾。聲吶檢測性能取決于信噪比、信混比和信干比，檢測背景分別對應于噪聲背景、混響背景和水聲對抗器材的干擾。

1.1.2 目標參數測量

1.雷達和聲吶可測量的參數

目標參數的測量是參數估計問題。雷達和聲吶的測量參數基本相同。以雷達參數測量為例進行說明，圖1.1所示為采用極坐標表示目標在空間的位置。

① 目標的斜距：雷達到目標的直線距離OP。在雷達、聲吶中斜距簡稱距離。

② 方位角α：目標斜距R在水平面上的投影OB與某一起始方向（正北、正南或其他參考方向）在水平面上的夾角。聲吶方位一般用左右舷來區分。

③ 仰角β：目標斜距R與它在水平面上的投影在鉛垂面上的夾角，也稱為傾角或高低角。

雷達參數測量可以是二維的，也可以是三維的；分別稱為二坐標雷達和三坐標雷達。二坐標雷達測量的參數有目標的距離和方位；三坐標雷達測量的參數有目標的距離、方位和俯仰角。

聲吶參數測量可以是一維、二維乃至三維。被動聲吶一般僅能測量目標的方位，即一維測量；被動測距聲吶利用三點式被動測距，可測量出目標的距離和方位參數，即二維測量。主動聲吶可以測量目標的距離和方位。匹配場聲吶可以給出目標在圓柱坐標中的參數，即目標的方位、水平距離和深度，即三維測量。由于聲線在水中傳播是彎曲的，給出俯仰角是沒有意義的。

此外，雷達和聲吶還可以測量目標的速度。雷達還可以測量目標的極化特性。

2.基本測量原理

（1）距離測量

距離測量的物理基礎是波在均勻介質的自由空間中勻速直線傳播。在距離測量中，絕大部分采用脈沖測距。以雷達為例說明如下。雷達工作時，發射機經天線向空間發射一串重復周期一定的高頻脈沖。如果在電磁波傳播的途徑上有目標存在，那么雷達就可以接收到由目標反射回來的回波。由于回波信號往返于雷達與目標之間，它將滯后于發射脈沖一個時間tr，如圖1.2所示。而電磁波是以光速c傳播的，設目標相對雷達的距離為R，由于電磁波傳播的距離是雙程的，因此有：

電磁波在真空中傳播的速度約為3×108m/s，聲波在海水中傳播的速度約為1500m/s。

測距還可以采用應答測距方式。應答測距信噪比高，精度高，還可以給出目標的屬性，便于敵我目標識別。應答測距方位廣泛用于航管雷達、水聲定位中長基線、短基線和超短基線定位聲吶，此外通信聲吶也可進行應答測距。

測距思想還用于相對時差的測定，利用相對時差也可以對目標進行定位。相對時差定位有統一時鐘和波形互相關的兩種方式。例如，GPS就是基于統一時鐘的時差來定位的。

潛艇聲吶出于隱蔽考慮，可采用三點式被動測距。被動測距也是利用相對時差進行的，在測量相對時差時，通常采用基于互相關時延測距或基于相位差測距。

對于脈沖工作的雷達和聲吶，其測距精度與信號帶寬成反比，與信噪比的開方成反比。

（2）角度測量

角度測量的物理基礎是天線或基陣的指向性及其在均勻介質的自由空間中波按直線傳播。陣的指向性是指電磁波或機械波能量在空間的具有聚集的特性，像探照燈的光束具有聚集的特性一樣，如圖1.3所示。陣的指向性可以用波束的寬度描述。波束寬度θ與工作波長λ及天線的尺寸D的關系如下：

但天線或基陣僅有指向性還不夠，為了定向，波束的方向必須能改變以擴大搜索范圍。改變波束方向的方式分為機械掃描和電子掃描。

雷達波束通常是采用機械掃描，旋轉的雷達天線我們經常見到。還有一種改變波束的方式是利用載體的直線運動，如側掃聲吶、合成孔徑雷達、全向聲吶等。機械掃描的波束在空間上出現有先有后，這種波束稱為順序波瓣。

電子掃描方式的工作基礎是天線陣列或聲陣列，它有發射波束掃描和接收波束掃描兩部分。發射波束掃描通常稱為相控發射，它通過改變陣元的發射信號的相位來改變波束的方向。但隨著信號帶寬的增加，需要采用延時的方法來改變波束方向。接收掃描是采用波束形成技術在空間同時形成多個波束，它可分為窄帶波束形成和寬帶波束形成兩大類，分別采用移相和延時形成波束。

角度測量中也可能是發射寬波束接收窄波束。這類方位測量的方法在聲吶中很常見，也見于地波和天波雷達。它們采用信號處理方式同時形成指向不同的多個波束。因此，地波、天波雷達天線、部分相控陣雷達天線和聲吶的基陣通常不需要旋轉，能同時給出多個方位波束，稱為同時波瓣。

雷達和聲吶角度測量的精度與波束寬度成正比，與信噪比的開方成反比。所以，波束越窄，信噪比越高，角度測量精度越高。

對雷達和聲吶來說，距離、方位角是最重要的測量參數，其次是目標的俯仰角（對于雷達）和深度（對于聲吶）。

（3）徑向速度測量

電子探測系統徑向速度測量的物理基礎是物理學中的多普勒效應。當目標與雷達有徑向運動時，回波信號相對于發射信號的頻率會有一個偏差，這個頻率的偏差就是多普勒頻率。當我們站在站臺上，一列火車從我們面前經過，我們可以感受到火車汽笛聲音頻率的改變。利用信號的頻移可以檢測運動目標和估計目標的速度。但是雷達和聲吶測速的方法是不同的，雷達一般利用脈間測頻，聲吶一般利用脈內測頻。雷達對高速運動的天體（如衛星、洲際導彈）也可以采用脈內測頻。

利用空間分布的兩個電子探測設備（站）同時測量目標的徑向速度，可以得出目標的速度矢量。例如，在海流測量中，通常利用兩臺地波雷達測量海流矢量。

雷達和聲吶測頻精度與測量時間的寬度成反比，與信噪比的開方成反比。需要說明的是，對于雷達的脈間測頻，其時間寬度是多個脈沖持續的時間，而非單個脈沖的寬度。

（4）切向速度測量

如果目標距離相對傳感器沒有改變，即徑向速度等于零，那么回波是沒有多普勒頻偏的，利用多普勒效應無法測量目標的切向速度。切向速度測量基于空域多普勒頻率，這包括真實孔徑和合成孔徑方法。真實孔徑利用沿切向布置的陣列天線工作，其基本原理是波形不變原理。聲相關流速剖面儀（ACCP）就是采用這一原理工作的。合成孔徑方法采用單傳感器，利用回波多普勒斜率來估計目標切向速度。

（5）極化測量

測量目標、介質和干擾背景的極化散射矩陣，在一定程度上可獲得雷達目標的構成及屬性的信息。極化信息可以用于目標檢測、分辨和識別。

1.1.3 目標成像及識別

俗話說“百聞不如一見”，足見圖像的重要性。成像雷達或聲吶的特點就是分辨率非常高。所謂的分辨率就是指傳感器能區分空間兩個目標的能力。對于二維成像來說，分辨率包括距離分辨率和橫向分辨率。距離分辨率與發射信號的帶寬有關，帶寬越寬，分辨率越高。對于真實孔徑成像來說，橫向分辨率取決于波束寬度，波束越窄，分辨率越高，真實孔徑成像分辨率還與距離有關，距離越遠，分辨率越低，人眼就是真實孔徑成像，遠處東西的細節看不清楚。真實孔徑成像一般用于近距離、要求不高的水聲成像。1950年Wiley提出的一個劃時代的思想，即距離—多普勒成像原理。它利用多普勒頻率來提高橫向分辨率，這個原理是合成孔徑雷達和合成孔徑聲吶的基石。在合成孔徑成像中，波束越寬，分辨率越高，正好與真實孔徑相反。目前SAR的成像分辨率甚至超過同等距離上的光學圖像。圖1.4是美國捕食者無人機攜帶的Mini SAR成像結果。

雷達和聲吶不僅可以得到測繪場景的二維圖像，還可以得到測繪場景的三維圖像，如圖1.5所示。三維圖像形成，從機理上可以分成真實孔徑和干涉成像兩大類。真實孔徑的方法是利用面陣或十字陣得到針狀波束，獲取二維空間高分辨率；再加上距離維分辨率，得到三維高分辨率。干涉成像不需要面陣，它與人雙眼的立體視覺相似，只要有兩個在待測量維空間分隔（即高度方向分隔）的天線或基陣即可，但與針狀波束成像不同，干涉成像只是高度的測量值，而沒有三維分辨能力，因此是偽三維的。

目標識別是利用目標回波特性的差異，對目標的類型、敵我屬性進行判斷。回波的差異表現在回波時域、頻域、時頻域、極化域和其他變換域的差異。敵我屬性還可以采用二次雷達應答來識別。目標成像是目標類型識別的有效技術手段。

1.1.4 雷達與聲吶工作波段劃分

1.雷達的工作頻段

最早用于搜索雷達的電磁波波長為23cm，這一波段被定義為L波段（英文Long的字頭），后來這一波段的中心波長變為22cm。當波長為10cm的電磁波被使用后，其波段被定義為S波段（英文Short的字頭，意為比原有波長短的電磁波）。

在主要使用3cm電磁波的火控雷達出現后，3cm波長的電磁波被稱為X波段，因為X代表坐標上的某點。

為了結合X波段和S波段的優點，逐漸出現了使用中心波長為5cm的雷達，該波段被稱為C波段（C即Compromise，英文“結合”一詞的字頭）。

在英國人之后，德國人也開始獨立開發自己的雷達，他們選擇1.5cm作為自己雷達的中心波長。這一波長的電磁波被稱為K波段（K即Kurtz，德文中“短”的字頭）。

最后，由于最早的雷達使用的是米波，這一波段被稱為P波段（P為Previous的縮寫，即英文“以往”的字頭）。

最初的代碼（如P、L、S、X和K）是在第二次世界大戰期間為保密而引入的。盡管后來不再需要保密，但這些代碼仍沿用至今。由于雷達使用了新的頻段，其他的字符是后來增加的，其中UHF代替了P波段，P波段不再使用。按國際電信協會（ITU）關于頻段的劃分，它作為一種標準已被電氣和電子工程師協會（IEEE）正式接受，并被美國國防部認可。雷達工作頻段的劃分參見表1.1。

國際電信聯盟（ITU）為無線電定位（雷達）指定了特定的頻段。這些頻段列于表1.1的第三列。它們適用于包括北美、南美在內的ITU第II區。其他兩個區的劃分略有不同。例如，盡管L波段如表1.1的第二列所示，它的范圍為1000～2000MHz，實際上，L波段雷達的工作頻率均在國際電信聯盟指定的1215～1400MHz的范圍內。

雷達的工作頻率主要由天線的尺寸、傳播的途徑、目標回波的強弱、傳播的衰減、多普勒頻率和距離分辨率等因素決定。

雷達工作頻率越低，天線尺寸越大。因此，米波雷達只能用作地面雷達。有限空間的雷達（如機載雷達），一般只能采用厘米波或更短波長工作。電磁波的傳播途徑有：沿地面傳播（俗稱地波）、電離層反射傳播（俗稱天波）直線傳播和曲線傳播（即大氣波導）。我們身邊的收音機短波就是依靠電離層傳播。直線傳播的電磁波就像光傳播一樣，這是絕大部分雷達使用的傳播方式。對于一般的目標，其回波的強弱隨波長增大而減小，但對于隱身目標米波波段的回波反而會增強。隨著波長的縮短，電磁波的云雨衰減會迅速增大。多普勒頻率與載頻成正比，如果希望利用多普勒效應檢測目標或測速，那么采用頻率高的電磁波較為合適。采用米波檢測動目標就非常困難了。如果要提高雷達的距離分辨率，就必須提高發射信號帶寬。提高帶寬可以采用提高發射系統的技術水平，降低Q值。而發射系統的Q值（中心頻率與帶寬之比）一般難以提高，如果希望提高帶寬，提高工作頻率是一個不錯的選擇。

米波雷達的特點是天線十分龐大，但由于它可以沿地面傳播或電離層傳播，探測距離不受地球半徑的影響，因此探測距離可達上萬千米，適合用于遠程警戒雷達使用。米波雷達可以探測隱身目標和難以被反輻射導彈攻擊的優點，但缺點是天波和地波雷達的天線太龐大、造價高，容易被偵察和打擊。UHF波段的米波雷達可以用于戰術預警。

分米波多用于警戒雷達，厘米波一般用于高精度火控雷達和機載火控雷達。毫米波大氣衰減大，一般只能用于近程，但有數個衰減小的窗口可供挑選使用。毫米波器件體積小、重量輕，絕對帶寬大，美國無人機使用的Mini SAR就是采用的毫米波，其成像分辨率高達厘米量級。

隨著超視距雷達和激光雷達的出現，新波段的開辟，雷達采用的工作波長已擴展到從大于166m的短波至小于10-7m的紫外線光譜。

2.聲吶的工作頻段

聲吶的工作頻段沒有嚴格的定義和界限，但根據使用情況大致可以分成：10 Hz～1 kHz，500Hz～10kHz，10kHz～100kHz和100kHz以上4個頻段。

選擇聲吶工作頻段所考慮的因素與雷達相似，但更為復雜。首先，考慮的是聲波傳播的衰減。海洋聲吸收主要原因是由于硫酸鎂的離子弛豫吸收，聲波在海水中的衰減大約與頻率的二分之三次方成正比；此外還受到海底底質和聲速剖面（聲速沿深度分布）的影響。其次，考慮的是目標特性。對于被動聲吶，目標的線譜一般在300Hz以下，而線譜信噪比高且線譜檢測是相干處理，處理增益高；同時不同的目標有不同的線譜，可以用于目標識別。對于主動聲吶，潛艇對主動聲吶的隱身，主要依靠敷消聲瓦（簡稱敷瓦）技術。但敷消聲瓦在低頻（1kHz以下）很難奏效。其三，還需要考慮海洋背景噪聲。一般來說，低頻段海洋噪聲高，但到500kHz以后，又需要考慮海洋分子熱運動噪聲。

遠距離水聲探測一般選擇10 Hz～1 kHz的工作頻率，但為了保證足夠的空間增益和方位的測量精度，聲基陣就會很長，因此出現了舷側陣聲吶、拖曳線列陣（簡稱拖線陣）聲吶和固定式線陣聲吶，還出現了主動拖線陣聲吶。水下短基線定位、魚雷自導頻率多選擇在30kHz左右。高分辨率圖像聲吶一般選擇在100kHz以上。醫用超聲成像設備工作頻段多在1MHz以上。圖1.6給出了各種聲吶工作頻率大致的范圍。