基于凸透鏡原理的新型雷達

李 叢， 徐建城， 李義新

(1西北工業(yè)大學(xué)電子信息學(xué)院 西安 710029 2上海電機學(xué)院電氣學(xué)院 上海 200240)

前 言

現(xiàn)有的雷達主要有激光雷達和相控陣雷達，軍事應(yīng)用比較廣泛，它們分別基于激光技術(shù)和電子掃描技術(shù)。但是這兩種雷達造價高，不適于普遍推廣。本文介紹一種基于凸透鏡原理的新型雷達，利用凸透鏡成像原理，通過接收光信號，對目標物體進行定位，通過對目標物體的連續(xù)定位，實時監(jiān)測物體的一系列性能，其測量精度取決于光敏傳感器的靈敏度，需要最低的光亮限制，即要使光敏傳感器能夠感受到光信號。這種雷達制造簡單，材料便宜，適宜于民用和普遍推廣。

1 基于凸透鏡原理的新型雷達工作原理

1.1 成像原理

利用凸透鏡成像原理，根據(jù)凸透鏡成像規(guī)律進行物距和角度的確定，并根據(jù)目標物體的移動，確定目標物體的速度和方向。通過旋轉(zhuǎn)凸透鏡，理論上可以無限遠定位目標物體，根據(jù)目標物體的大小、速度、位置、方向來確定物體的性質(zhì)和性能等。根據(jù)凸透鏡成像規(guī)律，有公式(1)[1]。

式(1)中，u為物距，v為像距，f為透鏡焦距。

由式(1)變形后可以得到:

或

或

凸透鏡成像原理如圖1所示。當物距小于一倍焦距時，成像為正立、放大的虛像，且與物體在凸透鏡的同一側(cè);當物距大于一倍焦距小于二倍焦距時，成像為倒立、放大的實像，且像與物體分處凸透鏡的兩側(cè)，成像在凸透鏡的二倍焦距之外;當物距大于二倍焦距時，成像為倒立、縮小的實像，且像與物體分處凸透鏡的兩側(cè)，成像在凸透鏡的一倍焦距至二倍焦距之間[2]。

1.2 感光板結(jié)構(gòu)

如圖2所示，設(shè)計感光板為圓形網(wǎng)狀晶格結(jié)構(gòu)，每個晶格均為一光敏傳感器單元，所成的像映在成像板上，光敏傳感器感受到目標物體的光學(xué)信息后，通過數(shù)據(jù)傳輸將信息傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理單元，數(shù)據(jù)處理單元對信息進行處理，進而判斷出目標物體的一系列參數(shù)。

圖1 凸透鏡成像原理

圖2 感光板結(jié)構(gòu)

1.3 三維坐標系

三維坐標系模式及成像原理如圖3所示。以凸透鏡主光軸為Z軸，通過光心垂直于主光軸的平面為XOY平面，在第一卦限內(nèi)的目標物體A(距XOY平面的距離大于二倍焦距)所成的像A'在第七卦限，且距XOY平面的距離在一倍焦距和二倍焦距之間。根據(jù)凸透鏡成像規(guī)律，成倒立、縮小的實像，且目標物體與像位于凸透鏡的兩側(cè)。若A距XOY平面的距離位于一倍焦距和二倍焦距之間，則所成的像A'在二倍焦距之外，成倒立、放大的實像，且與A分別位于凸透鏡的兩側(cè)。當雷達轉(zhuǎn)動時，通過對目標物體三維位置的坐標變換，可以確定目標物體的一系列參數(shù)。

圖3 三維坐標系模式及成像原理

1.4 光敏信息傳輸

光敏信息傳輸過程如圖4所示。感光板由成千上萬個光敏傳感器組成，每個傳感器都經(jīng)由數(shù)據(jù)線與數(shù)據(jù)總線連接在一起，將捕捉到的光敏信號實時傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心，數(shù)據(jù)處理中心對光敏信息進行處理，確定目標物體的信息。

圖4 光敏信息傳輸過程

2 實施方式

根據(jù)凸透鏡成像原理，在凸透鏡一側(cè)距凸透鏡光心O所在平面XOY一倍焦距以外的所有物體均能在成像板上成倒立的實像，而位于距凸透鏡光心一倍焦距以內(nèi)的所有物體均成倒立、放大的虛像，不能成實像，且所成像與目標物體位于凸透鏡同一側(cè)[3]。

當目標物體出現(xiàn)時，其發(fā)出的光或者反射的光經(jīng)過傳播，到達凸透鏡，一般情況下物距均大于凸透鏡的焦距，且絕大多數(shù)情況下物距在二倍焦距以上，因此都能在感光板上成倒立、縮小、清晰的實像。以圖3為例，凸透鏡主光軸為Z軸，以XOY平面為光心O所在平面，光心點O位置固定?？梢钥闯?，圖中第一卦限物體A距XOY平面的距離大于二倍焦距，在AOZ平面內(nèi)，根據(jù)凸透鏡成像原理，判斷出A點成的像A'，A'即是A在空間坐標系中所成的像，A、A'、OZ軸在同一平面內(nèi)(A、A'位于OZ軸上時共線)，且A、A'和O點在空間同一直線上。

如圖2所示，設(shè)計感光板由許多光敏元件組成(即光敏元件陣)，感光板只能沿著主光軸來回移動。

在感光板上所成的像A'的信息通過光敏元件感觸，通過數(shù)據(jù)傳輸送到信息處理中心，信息處理中心根據(jù)感光元件在感光板的位置，以及感光板相對于光心O的位置，來判斷目標物體的空間位置。對目標物體進行實時監(jiān)測，可以得到目標物體的速度、方向等一系列信息，進而判斷目標的危險程度等。

目標物體A在空間的某一位置一經(jīng)確定，其在感光板上成的像也就唯一確定，即目標物體與像是一一對應(yīng)的關(guān)系，因此可以通過像相對于凸透鏡的位置來判斷目標物體的位置。

若像A'距光心O所在平面XOY的距離為a'，則其所對應(yīng)的目標物體A距平面XOY的距離a與a'成比例。而像A'距XOZ、YOZ平面的距離可由感光板上光敏元件所處的位置確定，同理可得出b'、c'和b、c(b'、c'為像A'距XOZ、YOZ平面的距離;b、c為目標物體A距XOZ、YOZ平面的距離，分別與b'、c'成比例)。則可得出目標物體距光心的距離(也可由，按照a'與a的比例關(guān)系得出和目標物體位置。通過連續(xù)時刻的物體所在位置的確定，可得出目標物體的速度、運動方向等信息，進而判斷目標的性質(zhì)和性能。基于凸透鏡原理的新型雷達的工作過程如圖5所示。

圖5 基于凸透鏡原理的新型雷達的工作過程

目前，這一理論還存在一些先天的制約因素，如太陽的影響。當太陽光聚焦到某一點或小面時，會在上面產(chǎn)生很高的溫度，有時可達1000℃以上[4]。一般物距相對于凸透鏡的焦距來說都是無窮大，當物體離凸透鏡較遠時，成像基本上在一倍焦距處，這時太陽的像也會成在凸透鏡后面的感光板上[5]，且基本位于一倍焦距處，而凸透鏡對太陽匯聚后的像具有很高的熱能，成像處溫度很高[6]，會損壞成像板，因此考慮到太陽的影響，須提高光敏傳感器的耐熱性[7]。若要提高該裝置的精確度，則可采取增大凸透鏡的焦距、增大光敏傳感器的密度等措施。

3 結(jié)束語

當今世界，新技術(shù)層出不窮，尤其是軍事領(lǐng)域。雷達號稱軍隊的眼睛，誰看得更遠，看得更準，誰就能掌握戰(zhàn)場先機，立于不敗之地。在民用和科研領(lǐng)域，氣象臺要密切注意云層的狀況，天文臺需要對宇宙空間進行觀察。為此，本文設(shè)計了一種基于凸透鏡原理技術(shù)的新型雷達，價格便宜，應(yīng)用范圍廣泛，軍用、民用前景廣闊。

[1]蔚道環(huán)，孫慧玲，閻淑華.物理教與學(xué)[M].北京:測繪出版社，1992.

[2]宋大衛(wèi).物理應(yīng)用基礎(chǔ)[M].北京:人民衛(wèi)生出版社，2008.

[3]陳永濤.技術(shù)物理基礎(chǔ)[M].上海:華東師范大學(xué)出版社，2001.

[4]朱 娜.太陽能光熱電站發(fā)電子系統(tǒng)熱力設(shè)備設(shè)計計算[D].成都理工大學(xué)，2010.

[5]陳夫進，趙明勤，趙廷林，等.太陽能集能器自動跟蹤裝置[J].可再生能源，2006，(1):30～32.

[6]鄧昭華.光觸媒作用下聚光太陽光對垃圾滲濾液有機質(zhì)的降解[D].華中科技大學(xué)，2011.

[7]孫迎光.自動跟蹤聚焦式太陽能光伏發(fā)電技術(shù)[J].能源工程，2002，(3):7～10.