基于凸透镜原理的新型雷达

2014-11-09徐建城李义新

遥测遥控 2014年3期

李丛，徐建城，李义新

(1西北工业大学电子信息学院西安 710029 2上海电机学院电气学院上海 200240)

前言

现有的雷达主要有激光雷达和相控阵雷达，军事应用比较广泛，它们分别基于激光技术和电子扫描技术。但是这两种雷达造价高，不适于普遍推广。本文介绍一种基于凸透镜原理的新型雷达，利用凸透镜成像原理，通过接收光信号，对目标物体进行定位，通过对目标物体的连续定位，实时监测物体的一系列性能，其测量精度取决于光敏传感器的灵敏度，需要最低的光亮限制，即要使光敏传感器能够感受到光信号。这种雷达制造简单，材料便宜，适宜于民用和普遍推广。

1 基于凸透镜原理的新型雷达工作原理

1.1 成像原理

利用凸透镜成像原理，根据凸透镜成像规律进行物距和角度的确定，并根据目标物体的移动，确定目标物体的速度和方向。通过旋转凸透镜，理论上可以无限远定位目标物体，根据目标物体的大小、速度、位置、方向来确定物体的性质和性能等。根据凸透镜成像规律，有公式(1)[1]。

式(1)中，u为物距，v为像距，f为透镜焦距。

由式(1)变形后可以得到:

或

凸透镜成像原理如图1所示。当物距小于一倍焦距时，成像为正立、放大的虚像，且与物体在凸透镜的同一侧;当物距大于一倍焦距小于二倍焦距时，成像为倒立、放大的实像，且像与物体分处凸透镜的两侧，成像在凸透镜的二倍焦距之外;当物距大于二倍焦距时，成像为倒立、缩小的实像，且像与物体分处凸透镜的两侧，成像在凸透镜的一倍焦距至二倍焦距之间[2]。

1.2 感光板结构

如图2所示，设计感光板为圆形网状晶格结构，每个晶格均为一光敏传感器单元，所成的像映在成像板上，光敏传感器感受到目标物体的光学信息后，通过数据传输将信息传输到数据处理单元，数据处理单元对信息进行处理，进而判断出目标物体的一系列参数。

图1 凸透镜成像原理

图2 感光板结构

1.3 三维坐标系

三维坐标系模式及成像原理如图3所示。以凸透镜主光轴为Z轴，通过光心垂直于主光轴的平面为XOY平面，在第一卦限内的目标物体A(距XOY平面的距离大于二倍焦距)所成的像A'在第七卦限，且距XOY平面的距离在一倍焦距和二倍焦距之间。根据凸透镜成像规律，成倒立、缩小的实像，且目标物体与像位于凸透镜的两侧。若A距XOY平面的距离位于一倍焦距和二倍焦距之间，则所成的像A'在二倍焦距之外，成倒立、放大的实像，且与A分别位于凸透镜的两侧。当雷达转动时，通过对目标物体三维位置的坐标变换，可以确定目标物体的一系列参数。

图3 三维坐标系模式及成像原理

1.4 光敏信息传输

光敏信息传输过程如图4所示。感光板由成千上万个光敏传感器组成，每个传感器都经由数据线与数据总线连接在一起，将捕捉到的光敏信号实时传输到数据处理中心，数据处理中心对光敏信息进行处理，确定目标物体的信息。

图4 光敏信息传输过程

2 实施方式

根据凸透镜成像原理，在凸透镜一侧距凸透镜光心O所在平面XOY一倍焦距以外的所有物体均能在成像板上成倒立的实像，而位于距凸透镜光心一倍焦距以内的所有物体均成倒立、放大的虚像，不能成实像，且所成像与目标物体位于凸透镜同一侧[3]。

当目标物体出现时，其发出的光或者反射的光经过传播，到达凸透镜，一般情况下物距均大于凸透镜的焦距，且绝大多数情况下物距在二倍焦距以上，因此都能在感光板上成倒立、缩小、清晰的实像。以图3为例，凸透镜主光轴为Z轴，以XOY平面为光心O所在平面，光心点O位置固定。可以看出，图中第一卦限物体A距XOY平面的距离大于二倍焦距，在AOZ平面内，根据凸透镜成像原理，判断出A点成的像A'，A'即是A在空间坐标系中所成的像，A、A'、OZ轴在同一平面内(A、A'位于OZ轴上时共线)，且A、A'和O点在空间同一直线上。

如图2所示，设计感光板由许多光敏元件组成(即光敏元件阵)，感光板只能沿着主光轴来回移动。

在感光板上所成的像A'的信息通过光敏元件感触，通过数据传输送到信息处理中心，信息处理中心根据感光元件在感光板的位置，以及感光板相对于光心O的位置，来判断目标物体的空间位置。对目标物体进行实时监测，可以得到目标物体的速度、方向等一系列信息，进而判断目标的危险程度等。

目标物体A在空间的某一位置一经确定，其在感光板上成的像也就唯一确定，即目标物体与像是一一对应的关系，因此可以通过像相对于凸透镜的位置来判断目标物体的位置。

若像A'距光心O所在平面XOY的距离为a'，则其所对应的目标物体A距平面XOY的距离a与a'成比例。而像A'距XOZ、YOZ平面的距离可由感光板上光敏元件所处的位置确定，同理可得出b'、c'和b、c(b'、c'为像A'距XOZ、YOZ平面的距离;b、c为目标物体A距XOZ、YOZ平面的距离，分别与b'、c'成比例)。则可得出目标物体距光心的距离(也可由，按照a'与a的比例关系得出和目标物体位置。通过连续时刻的物体所在位置的确定，可得出目标物体的速度、运动方向等信息，进而判断目标的性质和性能。基于凸透镜原理的新型雷达的工作过程如图5所示。

图5 基于凸透镜原理的新型雷达的工作过程

目前，这一理论还存在一些先天的制约因素，如太阳的影响。当太阳光聚焦到某一点或小面时，会在上面产生很高的温度，有时可达1000℃以上[4]。一般物距相对于凸透镜的焦距来说都是无穷大，当物体离凸透镜较远时，成像基本上在一倍焦距处，这时太阳的像也会成在凸透镜后面的感光板上[5]，且基本位于一倍焦距处，而凸透镜对太阳汇聚后的像具有很高的热能，成像处温度很高[6]，会损坏成像板，因此考虑到太阳的影响，须提高光敏传感器的耐热性[7]。若要提高该装置的精确度，则可采取增大凸透镜的焦距、增大光敏传感器的密度等措施。