[科普中國]-毫米波雷達

毫米波雷達，是工作在毫米波波段（millimeter wave ）探測的雷達。通常毫米波是指30～300GHz頻域(波長為1～10mm)的。毫米波的波長介于微波和厘米波之間，因此毫米波雷達兼有微波雷達和光電雷達的一些優(yōu)點。

同厘米波導(dǎo)引頭相比，毫米波導(dǎo)引頭具有體積小、質(zhì)量輕和空間分辨率高的特點。與紅外、激光、電視等光學(xué)導(dǎo)引頭相比，毫米波導(dǎo)引頭穿透霧、煙、灰塵的能力強，具有全天候(大雨天除外)全天時的特點。另外，毫米波導(dǎo)引頭的抗干擾、反隱身能力也優(yōu)于其他微波導(dǎo)引頭 。毫米波雷達能分辨識別很小的目標(biāo)，而且能同時識別多個目標(biāo)；具有成像能力，體積小、機動性和隱蔽性好，在戰(zhàn)場上生存能力強1。

簡介毫米波雷達工作在毫米波段。通常毫米波是指30～300GHz頻段(波長為1～10mm)。毫米波的波長介于厘米波和光波之間，因此毫米波兼有微波制導(dǎo)和光電制導(dǎo)的優(yōu)點。同厘米波導(dǎo)引頭相比，毫米波導(dǎo)引頭具有體積小、質(zhì)量輕和空間分辨率高的特點。與紅外、激光、電視等光學(xué)導(dǎo)引頭相比，毫米波導(dǎo)引頭穿透霧、煙、灰塵的能力強，具有全天候(大雨天除外)全天時的特點。另外，毫米波導(dǎo)引頭的抗干擾、反隱身能力也優(yōu)于其他微波導(dǎo)引頭 。

優(yōu)點光波在大氣中傳播衰減嚴(yán)重，器件加工精度要求高。毫米波與光波相比，它們利用大氣窗口（毫米波與亞毫米波在大氣中傳播時，由于氣體分子諧振吸收所致的某些衰減為極小值的頻率）傳播時的衰減小，受自然光和熱輻射源影響小。為此，它們在通信、雷達、制導(dǎo)、遙感技術(shù)、射電天文學(xué)和波譜學(xué)方面都有重大的意義。利用大氣窗口的毫米波頻率可實現(xiàn)大容量的衛(wèi)星-地面通信或地面中繼通信。利用毫米波天線的窄波束和低旁瓣性能可實現(xiàn)低仰角精密跟蹤雷達和成像雷達。在遠(yuǎn)程導(dǎo)彈或航天器重返大氣層時，需采用能順利穿透等離子體的毫米波實現(xiàn)通信和制導(dǎo)。高分辨率的毫米波輻射計適用于氣象參數(shù)的遙感。用毫米波和亞毫米波的射電天文望遠(yuǎn)鏡探測宇宙空間的輻射波譜可以推斷星際物質(zhì)的成分。優(yōu)勢主要有以下幾點：

（1）小天線口徑、窄波束：高跟蹤和引導(dǎo)精度；易于進行低仰角跟蹤，抗地面多徑和雜波干擾；對近空目標(biāo)具有高橫向分辨力；對區(qū)域成像和目標(biāo)監(jiān)視具備高角分辨力；窄波束的高抗干擾性能；高天線增益；容易檢測小目標(biāo)，包括電力線、電桿和彈丸等。

（2）大帶寬：具有高信息速率，容易采用窄脈沖或?qū)拵д{(diào)頻信號獲得目標(biāo)的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)特征；具有寬的擴譜能力，減少多徑、雜波并增強抗干擾能力；相鄰頻率的雷達或毫米波識別器工作，易克服相互干擾；高距離分辨力，易得到精確的目標(biāo)跟蹤和識別能力。

（3）高多普勒頻率：慢目標(biāo)和振動目標(biāo)的良好檢測和識別能力；易于利用目標(biāo)多普勒頻率特性進行目標(biāo)特征識別；對干性大氣污染的穿透特性，提供在塵埃、煙塵和干雪條件下的良好檢測能力。

（4）良好的抗隱身性能：當(dāng)前隱身飛行器上所涂覆的吸波材料都是針對厘米波的。根據(jù)國外的研究，毫米波雷達照射的隱身目標(biāo)，能形成多部位較強的電磁散射，使其隱身性能大大降低，所以，毫米波雷達還具有反隱身的潛力。

劣勢毫米波在雷達中應(yīng)用的主要限制有：雨、霧和濕雪等高潮濕環(huán)境的衰減，以及大功率器件和插損的影響降低了毫米波雷達的探測距離；樹叢穿透能力差，相比微波，對密樹叢穿透力低；元器件成本高，加工精度相對要求高，單片收發(fā)集成電路的開發(fā)相對遲緩。

發(fā)展簡況毫米波雷達的研制是從上世紀(jì)40年代開始的。50年代出現(xiàn)了用于機場交通管制和船用導(dǎo)航的毫米波雷達（工作波長約為 8毫米），顯示出高分辨力、高精度、小天線口徑等優(yōu)越性。但是，由于技術(shù)上的困難，毫米波雷達的發(fā)展一度受到限制。這些技術(shù)上的困難主要是：隨著工作頻率的提高，功率源輸出功率和效率降低，接收機混頻器和傳輸線損失增大。上世紀(jì)70年代中期以后，毫米波技術(shù)有了很大的進展,研制成功一些較好的功率源:固態(tài)器件如雪崩管（見雪崩二極管）和耿氏振蕩器（見電子轉(zhuǎn)移器件）；熱離子器件如磁控管、行波管、速調(diào)管、擴展的相互作用振蕩器、返波管振蕩器和回旋管等。脈沖工作的固態(tài)功率源多采用雪崩管,其峰值功率可達5～15瓦(95吉赫)。磁控管可用作高功率的脈沖功率源，峰值功率可達1～6千瓦（95吉赫）或1千瓦(140吉赫)，效率約為10%?；匦苁且环N新型微波和毫米波振蕩器或放大器，在毫米波波段可提供兆瓦級的峰值功率。在低噪聲混頻器方面，肖特基二極管（見晶體二極管、肖特基結(jié)）混頻器在毫米波段已得到應(yīng)用，在 100吉赫范圍，低噪聲混頻器噪聲溫度可低至500K(未致冷)或100K（致冷）。此外，在高增益天線、集成電路和鰭線波導(dǎo)等方面的技術(shù)也有所發(fā)展。70年代后期以來，毫米波雷達已經(jīng)應(yīng)用于許多重要的民用和軍用系統(tǒng)中，如近程高分辨力防空系統(tǒng)、導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)、目標(biāo)測量系統(tǒng)等。

適用需求根據(jù)毫米波雷達的特點，它容易滿足以下的應(yīng)用需求：

（1）高精度多維搜索測量：進行高精度距離、方位、頻率和空間位置的測量定位；

（2）雷達安裝平臺有體積、重量、振動和其它環(huán)境的嚴(yán)格要求：毫米波雷達天線尺寸小、重量輕，容易滿足便攜、彈載、車載、機載和星載等不同平臺的特殊環(huán)境要求；

（3）目標(biāo)特征提取和分類識別：毫米波雷達高分辨力、寬工作頻帶、大數(shù)值的多普勒頻率響應(yīng)、短的波長易獲得目標(biāo)細(xì)節(jié)特征和清晰輪廓成像等特點，適于目標(biāo)分類和識別的重要戰(zhàn)術(shù)要求；

（4）小目標(biāo)和近距離探測：毫米波短波長對應(yīng)的光學(xué)區(qū)尺寸較小，相對微波雷達更適于小目標(biāo)探測。除特殊的空間目標(biāo)觀測等遠(yuǎn)程毫米波雷達外，一般毫米波雷達適用于30 km 以下的近距離探測；

（5）抗電子戰(zhàn)干擾性強：毫米波窗口可用頻段寬，易進行寬頻帶擴頻和跳頻設(shè)計。同時針對毫米波雷達的偵察和干擾設(shè)備面臨寬頻帶、大氣衰減和窄波束等干擾難題，毫米波雷達相對微波雷達具有更好的抗干擾能力。

應(yīng)用①導(dǎo)彈制導(dǎo)：毫米波雷達的主要用途之一是戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的末段制導(dǎo)。毫米波導(dǎo)引頭具有體積小、電壓低和全固態(tài)等特點，能滿足彈載環(huán)境要求。當(dāng)工作頻率選在35吉赫或94吉赫時，天線口徑一般為10～20厘米。此外，毫米波雷達還用于波束制導(dǎo)系統(tǒng)，作為對近程導(dǎo)彈的控制。②目標(biāo)監(jiān)視和截獲：毫米波雷達適用于近程、高分辨力的目標(biāo)監(jiān)視和目標(biāo)截獲，用于對低空飛行目標(biāo)、地面目標(biāo)和外空目標(biāo)進行監(jiān)測。③炮火控制和跟蹤：毫米波雷達可用于對低空目標(biāo)的炮火控制和跟蹤，已研制成94吉赫的單脈沖跟蹤雷達。④雷達測量：高分辨力和高精度的毫米波雷達可用于測量目標(biāo)與雜波特性。這種雷達一般有多個工作頻率、多種接收和發(fā)射極化形式和可變的信號波形。目標(biāo)的雷達截面積測量采用頻率比例的方法。利用毫米波雷達，對于按比例縮小了的目標(biāo)模型進行測量，可得到在較低頻率上的雷達目標(biāo)截面積。此外，毫米波雷達在地形跟蹤、導(dǎo)彈引信、船用導(dǎo)航等方面也有應(yīng)用2。

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

杜強 - 高級工程師 - 中國科學(xué)院工程熱物理研究所張履謙 - 院士、雷達與電子技術(shù)專家 - 中國工程院