微波特性及其应用（三）

——雷达检测技术

徐长发，2019.8.1

雷达是利用发射波和反射波之间的关系去探测物体的。雷达所用的波可以是声波、超声波、电磁波（包括微波）、红外波等，虽然所有的波都可以用于雷达技术，但要根据不同的检测目的和检测对象去选择不同的波。

微波是一种电磁波，微波用于雷达技术是发挥微波特性的重要应用之一。微波雷达的检测应用有很多，有用于检测物体的距离和速度的，有用于定位的，有用于检测云层气象的，有用于探测地下结构的，等等。这里主要介绍微波雷达的基本原理，介绍它在民用和军用方面的基本知识。

一.多普勒效应和雷达技术

常用的雷达检测技术依靠的是物理学中的多普勒效应，什么是多普勒效应？

拿日常生活中的一个事实来说明。人站着不动，火车响着汽笛从远处开过来，你会感到汽笛的音调越来越高，也就是汽笛声音的频率越来越高；当火车响着汽笛远离而去时，你会发现汽笛的音调会由高变低，也就是汽笛声音的频率越来越低。

多普勒效应是这样描述的：

假设在观测点处发射波，并接受物体的反射波；这里所说的波，无论是声波，电磁波，光波；

当波遇到静止不动的物体时，其反射波的频率不改变，反射波是发射波的延迟信号，延迟距离是发射器和物体距离的两倍，延迟时间是微波在这段来回路程中传播所需的时间，如果测量出延迟时间，就可计算出观测点和物体之间的距离；

当移动物体向观测点快速移动时，测量出的反射波的频率会向高处偏移,即反射波的频率会比发射波的频率高，物体的速度越快，反射波频率向高处偏移越多；

当移动物体离开观测点快速移动时，测量出的反射波的频率会向低处偏移，即反射波的频率会比发射波的频率低，物体的速度越快，反射波频率向低处偏移越多。

无论是民用的速度距离检测技术，还是军用的雷达技术，气象雷达技术，天文的测量星球运动速度的射电技术，都是利用了多普勒效应。

下面简单地介绍一下多普勒频移量的计算办法，见下图，这里记

V - 汽车行驶速度C - 微波行进速度，300,000Km/S

-反射波微波波长

△t-对于检测移动物体的情形，发射波行进到被探测物体所需的时间减去物体发射的波传回接收器的时间。

△T-对于检测不动物体的情形，发射波遇到物体成为发射波，发射波再传吧到接收器，发射波和反射波来回传播的总时间。

S-对于检测不动物体的情形，发射波源和不动物体之间的距离。

配合上面的图，这里先解释检测移动物体的情形。

如果能够知道发射波的波长和反射波的波长，于是就有

所以，如果知道发射波和反射波波长，可以计算出物体的运动速度

简单地说，移动物体的反射波可以告诉人们很多信息：反射波和发射波在频率和波长方面的差距；在观测点发出的发射波与接受到反射波之间的时间差，从而推断移动物体的速度。

再看检测不动物体的情形。

如果知道了发射波和接受到的反射波之间的时间差△T，在这段时间内，电磁波来回传播了2倍的距离，是2S,所以 

简单地说，不动物体的发射波也可以告诉人们很多信息，反射波和发射波在频率和波长方面是一样的；在观测点发出的发射波与接受到反射波之间的时间差△T，从而推断出检测点到不动物体之间的距离；另外，不同类型的物体对发射波的吸收能力和反射表现是不相同的，例如，不动物体全反射来波，那么在观测点出接受到的发射波仅仅在行进过程中被衰减，衰减少，如果不动物体吸收了部分来波再反射，那么观测点处接受到的反射波不仅在行进过程中被衰减，而且还被物体吸收一部分，衰减量就大些，这样回波的衰减量能反映物体吸收波的程度。

二．日常生活中的微波检测例子      

微波雷达就是微波发射器和信号接收器的统一体。

民用微波雷达用于检测移动目标，往往速度不是很快，距离不是很远，所以半导体的小功率的微波发生器就能满足需要。这类微波探测器构造简单，体积可以比火柴盒还小，而且性能稳定，价格便宜。它广泛用于工业、交通及民用装置中， 如车辆测速、液位测定、自动门、自动灯、自动盥洗、生产线物料探测、倒车雷达等方方面面。

1．微波雷达检测车速

如下面的图片所示，要用微波检测马路上车辆的速度情况，车流的情况等等。

对于这种情况，一般要用连续发射微波的半导体微波发生器。

凡是通过检测线的车辆，其反射波也被检测到，于是就立即计算出车辆的速度了。为了增加检测的准确性，有的还在马路下面埋设环形线圈，车辆通过会引起线圈磁场的电感量变化，并上传给控制系统，以此满足对车辆的准确检测需要。

这种检测方法已经广泛应用于公路交通检测，能够全天候地精确地检测公路上的车辆行驶状况，车辆类型，是拖车还是大货车。

这种检测方法也已经普遍用于对铁路、桥梁交通状况，生产流水线的运行状况等的精细检测。     

这些用于检测问题速度的微波雷达，仅利用了微波的波的性质，是用波的多普勒效应来实现检测目的的，微波的其它特殊性质没有被利用。

2.微波水分检测

因为微波在穿过被测介质时，介质中的水分子会吸收穿过介质的微波能量，被水分子吸收的这部分能量和水分子含量保持着线性关系。不同的电磁频段、在不同的含水率和介质间其特性都不同。把这些数据建立一个数据库。这样，通过同时发射多段不同频率的频谱，结合数据模型和特殊算法就能够确定被测介质的密度与水分含量。

在测量水分含量方面有很多应用。

在环保行业：检测污泥、垃圾的水分含量。

在冶金行业：检测烧结料、球团料的水分含量。

在煤炭行业：检测煤块、焦炭的水分含量。

烟草行业：检测烟包、麻包、烟箱的水分含量。

造纸行业：检测纸包、纸箱的水分含量。

粮食行业：检测粮包、药包等的水分含量。

应用设备：检测皮带、辊轴、料仓的水分含量。

在钢铁行业：入厂原料、料场堆料、配料室（混匀矿、焦粉、煤粉、生石灰

等）、烧结混合料、 高炉入炉焦炭、球团原料、干燥前后、造球等。

电力行业：入厂原料、料场堆料、输煤系统、磨煤系统、锅炉煤粉、炉渣、灰渣、石灰石等都需要检测水分含量。

在焦化行业：入厂煤原料、料场堆料、输煤系统、磨煤系统、干燥系统、焦炉煤粉、焦炭等都需要检测水分含量。

在煤炭行业：煤块、泥煤、煤粉、煤炭、焦炭、热煤、焦煤、贸易结算等

有色金属：铝土矿、铜精矿、矿物砂、镍矿、金银铅锌精矿、氧化铝以及有色冶炼等都需要检测水分含量。

烟草行业：烟包、烟梗、烟叶、烟丝、复烤、烟枝等都需要检测水分含量。

不再一一举例。

3.微波雷达检测云层

机场要检测上空云层的含水量、有没有雪花、冰晶、冰雹，以便保证飞机的起降安全；民航飞机机载雷达要探测前方云层有没有大范围的雷暴云层、冰晶云层，以便保证飞机的飞行安全；卫星上的气象雷达要在更大范围内检测云层的状况。这些气象雷达的检测原理是什么？

微波有被水吸收的特性：云层中含水量小，云层对微波吸收少，反射量就会大；云层中含水量大，云层对微波吸收多，反射量就会小；于是可根据微波的反射强度检测云层中的含水量。

如果云层中有冰晶或冰雹，因为微波对固态界面有特殊的反射表现，所以云层中含有冰晶颗粒的大小不同、多少不同，反射回来的微波表现也不同；于是可根据微波的反射表现检测云层中的冰晶含量和冰晶大小。

显然，微波气象雷达主要应用了微波的对水的吸收特性。

三.测地雷达

1.利用反射波探测地下反射层的基本原理

参见下面的示意图。

在示意图中，地下密度大的物体约为椭圆形，在物体上方地表安排有5个信号发射源和信号接收器，每个信号传入地下，遇到物体的上表面反射回来，其反射信号有较强的表现，捕捉住这些信号；每个信号传入地下，遇到物体的下表面也反射回来，下表面反射波到达接收器的时间要长些，其反射信号也有较强的表现，也捕捉住这些信号；连接上表面的反射信号位置，连接下表面的反射信号位置，就大致确定了地下物体的位置和形状。

当然，要正确地捕捉反射表面的信号，不被其它反射信号所混淆和误导是重要的，这要使用一些算法去解决。只有正确地解决了地下反射层的信号和位置，才能实现利用反射波探测地下物体的目的。

2.地震勘探基本方法

早先，要探测某块区域的地层结构，主要靠地震波，如地震勘探石油，就是用地震波检测地层结构，再根据地层结构判断可能有油的地方，大致过程是这样的。先把某区域地表按横竖画成矩形网格；在一条横线的网格节点上安放爆炸物和地震信号接收器，该线上的爆炸物同时爆炸，爆炸波向下传播再反射到信号接收器，如果爆炸波遇到石头界面则反射波会较强地反射回来，石头层面越浅，接收器就会较早地接受到反射波；石头层面越深，接收器就会较迟地接受到反射波；这样就可以知道该横线下面有哪些深浅不同的石头发射层。每条横线都如此操作，那么每条横线下面的石头层面深浅都知道了；再把所有横线的地下表现，竖向连接起来，就知道了地下的石头层面在不同深度是怎么分布的。再根据地下石头层面的走向结构，确定容易生成和保存石油的“能源盆地”；对此盆地钻探，看看有没有石油。

地震勘探的局限性太大，山区、海洋都不行；探测过程有一定的破坏性；探测效果也太粗糙。

3.探地雷达

现在用探地雷达去探测地下结构，它是依靠电磁波在地下传播、散射、反射的原理去探测地下结构的。方法过程基本上同于地震探地，所不同的是，信号源不用爆炸物而是信号发生器，接受反射信号用天线。

事先对要检测区域的地表分划为矩形网格；在一条横线的每个节点上放置信号发生器和信号接受天线；同时发射深入地下较浅的波，接受回波；再同时发射深入地下较深的波，接受回波；再根据回波可知道此横线下面的详细的地层结构，可知道石头层的深浅分布，每个地下层面大致是由什么物质构成的（一般土层、水层、石头层、煤炭层、石油层、其它矿层都可以分辨出来）；再把所有横线表现沿着竖向连接起来，就能获得详细的地层分布结构图。当然必须对各种信号做分析处理，必须对信号图像做分析处理，所有探测地下结构是要用到很多高端技术的。

读者可能疑问：

①为什么要发射不同深度的波？

波的频率高，波长短，深入地下较浅，用这种波可探测较浅的地层结构。然后，降低发射波的频率，波长变长了，深入地下更深一些了，在获得较深地层结构时，浅层结构可提供校正，这样浅层的、较深层的结构都知道了。还可以发射频率更低波长更长的波去探测更深的地层。

②为什么可以知道地下的石头层、水层、煤层、油层、盐层、矿层？

因为不同的波向地下传播时，其衰减程度还与地下介质的密度、电性系数有关。介质层密度大，反射波会强；介质层密度小，发射波会弱；不同的介质层对不同频率的波有着不同的衰减和反射表现，总结归纳好这些表现，就可以根据回波的衰减表现推知介质层的物质。

③探地雷达探测地层有破坏性吗？

没有一点破坏性。

④探地雷达探测地层有地域的局限性吗？

几乎没有局限性。可以在平原、山区、区林、沙漠、湖区、洋区，不受影响的探测地层的结构。

⑤探地雷达的成效如何？

越来越多的海洋油气田被发现，越来越多的沙漠油田被发现，越来越多的矿藏被发现。探地雷达用于考古，可以较详细的描述墓室结构。用探地雷达探测地下结构成果非凡。

四.军用雷达

作为科普读者需要了解，对于不同的监测目标，距离不同，移动速度不同，应该选择不同波长的雷达，才能达到较好的检测目的，选用雷达既要考虑效果好分辨率高，也要考虑使用方便的特点。

雷达波的波长越长，波的衰减就越慢，雷达波就会传的越远，这种雷达就可以用于远距离的监测。

雷达波的波长越短，波的衰减就越快，雷达波就会传的越近，这种雷达就可以用于较近距离的监测。

对于远距离的移动物体，无论其速度快慢，都比较容易探测。

对于近距离的移动物体，速度越快的，只有用越短波长的波去探测。

军用雷达的种类非常多。

1.军用雷达按频段分类。

2.军用雷达按用途分类

3.多波段雷达

顾名思义，这种雷达能够交替发射多个频段的电磁波。有什么用？可以达到远近结合的监测效果；特别的用于监测隐形飞机。大家知道，隐形飞机一般是通过吸收雷达电磁波、减少雷达角反射面、散射雷达电波来达到隐形目的，但是所用的隐形材料不可能对所有的电磁波都有较强的吸收率，一定对某种波长的电磁波有较少的吸收率和较强的反射率。知道了隐形材料，就知道了隐形的优点和缺点，就可以用某种波段去监测它。因此，现在的很多军用雷达都是采用多个频段交替发射的。

4.相控阵雷达

传统雷达的天线是一个整体，而且不停地旋转。相控阵雷达的天线是固定不动的；它由成千上万个天线单元组合成一个天线阵面；；多个不同相位的电磁波可以形成不同方向的集中波束；计算机可控制全部天线单元形每个单元都具有发射和接受功能，用不同相位的电流发射不同相位的电磁波，每个单元都受计算机控制成一个波束扫描，也可形成多个波束扫描；相位可控的阵列天线，“相控阵”由此得名。

相控阵雷达的优点:

（1）波束指向灵活，能实现无惯性快速扫描，准确性高；

（2）一个雷达可同时形成多个独立波束，分别实现搜索、识别、跟踪、制导等多种功能；

（3）目标容量大，可在空域内同时监视、跟踪数百个目标；

（4）对复杂目标环境的适应能力强；

（5）抗干扰性能好。全即使少量组件失效仍能正常工作

（6）大功率波导管发射微波缺点多多，人们可以改用体积很小的小功率半导体微波发生、接受器，用计算机控制，若干个相位控制组合发射出大功率的波束。

相控阵雷达的不足:

设备复杂、造价昂贵；波束扫描范围有限，最大扫描角为90°～120°，当需要进行全方位监视时，需配置3～4个天线阵面。 

相控阵雷达与机械扫描雷达相比，扫描更灵活、性能更可靠、抗干扰能力更强，能快速适应战场条件的变化。

相控阵雷达已广泛用于地面远程预警系统、机载和舰载防空系统、机载和舰载系统、炮位测量、靶场测量等，相控阵雷达是21世纪军用雷达的变革之举。

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