2015年6月30日 星期二

投石問路的科學----雷達如何測速?

雷達如何測定目標速度                                     2011/01/03
        雷達RADAR所提供的目標資料都不脫其原名:Radio Detection And Range,但事實上這僅是雷達演進過程中的原始功能而已;藉著都卜勒效應在雷達工程上的應用,現代雷達大大擴充它本名以外處理目標資料的能力,其中最重要的就是測定目標速度的功能。下文便先介紹都卜勒效應的物理內涵,再進一步說明效應在雷達上的應用。至於雷達運用此效應時涉及的訊號處理及最困難的訊號研判的過程部份,我們姑且將之歸類在教科書的範圍而不在這個園地裡討論,畢竟以筆者的這點微末道行,稍深入一點的專業部份挺容易戳破牛皮的,藏拙點的好。
都卜勒效應      都卜勒效應涵蓋所有觀察者與波動間因觀察的相對位置變化而產生的波長變化的效應,由於相對論告訴我們宇宙間你找不到一個絕對的時空點進行絕對客觀的權威觀察或測量,所以這個效應可影響到任何有相對運動關係的波動觀察結果,聲波、光波、乃至電磁波無一倖免。 
要描述這個效應最常用被用到的例子就是火車進站離場的汽笛聲變化,當火車向你接近時,到達你耳朵的聲音頻率會高於氣笛所產生的實際頻率(嚴格地說,實際的意思是指相對於火車汽笛跟你都靜止時你聽到的頻率)。反之,火車離場時你所聽到的又會比實際的頻率為低。

     發自靜止火車的汽笛聲向四面八方傳播,大家聽到的都是同一頻率。當火車開動時,聲波卻得在其行經路徑的沿線發散傳播,因而火車正發出的音波有一接近之前已傳播出去的聲波的趨勢,這種變化壓縮了波長,亦即升高了頻率。(因為:音速(為溫度的函數) ~某一定數 ~波長*頻率,它們成反比)其反方向(即遠離方向)則反之。請參考下圖警車的例子,再不然便聽一聽薛岳當年唱的機場的前奏部份。


都卜勒效應在雷達上的應用        由於這種效應包含所有頻段的波傳播,當目標向雷達天線飛近時,雷達電磁波的回波頻率也會相對高於發射電波的頻率。這些許的頻率變化大小正暗示著目標速度改變反射回波的能力” ,只要我們找得出發出接收電磁波頻率變化大小便可計算出目標與雷達間的相對速度,亦即所謂的目標接近率。雖然這並非目標真正的速度而是相對雷達方向的徑向速度分量,然而僅憑藉都卜勒效應一項,雷達便弄到了三個目標物的訊息:1.活動目標的存在2.瞭解目標的徑向速度3.知道目標是在遠離或是接近。它對現代雷達的意義還不僅於此,空戰中最關鍵的雷達俯視能力由於都卜勒雷達技術的發展而有決定性的進展。

      雷達量測頻率差異有助於加強電磁波環境下分離回波信號的能力,其中之一就是實質地降低或消除背景雜波(clutter,字典中又有雜草的意思,雜波漫射於空間各處,天線在接收回波的同時必定將它們夾帶進到放大線路內,與真正想要的訊號共推移” ,所以所有的訊號處理前接收機必定要想盡辦法割草”) 。移動率對低飛的飛行目標來說,一般而言與其背景的靜止反射物如地面、雨雲或太慢的移動物而言有很大不同,所謂的不同就是指它們相對於本機的都卜勒位移有所區別,於是乎藉著它們間相對速率的不同便可分離出我們想要搜尋到的低飛移動物(甚至地面移動物)而不受地面背景的雜波干擾了。所以在雷達俯視的應用上,都卜勒效應不但有助於濾雜波亦附帶使雷達具備對地目標指示的能力(MTI; Moving Target Indicating;用於空用雷達的較為複雜,MTI的極致發揚可見於J-STAR/E-8,後者整合MTI與雷達地圖功能,使成為地面作戰的空中指管中心)。空用雷達若沒有此功能便極難觀測到低空的目標,對於戰機的前半球將形成下半圓的死角!別說要靠地面攔管導引攔截敵機,更不用想有任何對地獵殺的能力了。有無俯視能力的火控雷達端視其是否為都卜勒雷達
      都卜勒效應也可以用來測定雷達本身的地速,飛機雷達可用三個以上已知的對地天線角度各自取得都卜勒頻率,導出雷達本身的對地速度(如下)。但實務上來看,像IDF的雷達屬脈波都卜勒雷達可以具有這種測定能力,卻好像並未整合在航電系統中,我想或許是因都卜勒雷達測定受限於測定平飛時飛機的水平地速,僅有校對的意義而無全時空使用的價值吧?

        最後再介紹一都卜勒雷達的重要應用:現代的多功能雷達必定都有顯示雷達地圖的能力,它的原理是出自雷達發出的電磁波會因反射物特性而有不同強度的回波,小的如平坦的湖面,平整的道路(不知咱們的路面是否出於政府的欺敵企圖?),大的如建築物、山脈等;藉由各式地表的物體反射回波強度差異轉換成視訊的差異(例如灰階處理),變成一如同地圖的畫面。這種應用謂之雷達製圖”(ground mapping)。雷達畫出的江山萬里圖絕非像我們肉眼看到的那般柔和自然。目標反射特性對電磁波的回波反應程度遠比可見光靈敏,故它們之間反射強度的落差變化遠比目視的大很多。另外,ground map 畫質的細緻程度取決於雷達在方位與距離相鄰物體的分辨能力,亦即所謂的解析度(resolution),距離解析度基本上受雷達脈寬(pulse width)影響,設法使發射脈波變得更窄或運用脈波壓縮技術可使雷達達到若干呎的數量級的解析能力。至於方位解析度的增進便不是那麼容易獲得的了。在傳統的mapping 技術下方位解析度取決於波束寬度(beam width),然而即使是僅3度窄的波束到了20浬外其寬度都已超過1浬!成像品質可藉加大雷達天線尺寸或以較高的頻率操作改善,然而這些方案在空用雷達的應用上均大受限制;天線受飛機尺寸及外型的嚴重拘限不可能太大,而頻率高的操作區間的物理特性又會受到大氣水氣的衰減影響。這個限制的局面可以用都卜勒效應來解決,除了航跡前方小範圍角度之外,雷達波束對同一距離但有些微方位差異的地面而言便有了可資感知之接近率差異,因而可量測出各的都卜勒頻率差異來。藉由回波測到的都卜勒頻率差,地面特徵即可被分辨出來,如此便大幅增強傳統掃描的方位解析問題(參考圖6說明)。當然,講到雷達製圖,以飛機雷達的尺寸,僅靠單次波束掃描成像就想達到空照相片級的高畫質畫面仍是力有未殆的,合成孔徑雷達(SAR; Synthetic Aperture Radar)的掃描處理技術如今已可達到差可比擬空照圖的地步,此不在本文討論範圍,下次有機會再介紹給各位。
       由上文可以瞭解到在應用上,幾乎無處沒有都卜勒頻率處理的影子,所以我們幾乎可以武斷地說:沒有雷達不是都卜勒雷達也。老闆座車的倒車警告音響、閣下愛車在高速公路上的英姿留影、暴風半徑100公里,中心最大風速每秒XX公尺……”,都卜勒雷達的應用就在你身邊!!


    


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