Slide 1

第4章

感測與偵測

4.1節
4.2節
4.3節
4.4節

1

波
雷達
聲納
光電

4.0 簡介
 偵測子系統（Sensors subsystem）是兵器
系統四大子系統中的第一個子系統，在整
個兵器系統中，扮演耳目的角色
 偵測子系統的功能
1. 「獲得目標資訊」
2. 提供「周遭環境狀況認知」，亦即所謂的「戰
場知覺」（battlespace awareness ）。

2

張彥之教官

4.0 簡介
 二種「獲得目標資訊」的方式
 主動式（偵測）：
發出信號，並接收該信號被目標反射回來的
回信，加以計算後獲得目標資訊
例如：雷達、聲納(主動模式)

 被動式（感測）：
不發射信號，直接接收週遭環境或目標所發
出的信號，來取得環境或目標資訊
例如：温度計、電視導引飛彈、水中聽音器

3

張彥之教官

4.0 簡介
提供「周遭環境狀況認知」的方式：
將偵測器所獲得的目標資訊，顯示在螢幕
上，提供周遭環境情形；有下列二種方式
1. 直接顯示單一偵測器所獲得之資訊
2. 整合顯示各類偵測器所獲得之資訊

二種基本資訊：位置、大小

4

張彥之教官

第4章

4.1 波
4.1.1 波的參數
4.1.2 波的行進
4.1.3 頻率域與時間域
4.1.4 電磁波

5

感測與偵測

4.1 波(Waves) 是能量在空間中擾動的傳遞

6

張彥之教官

4.1.1 波的參數 The Parameters of a Wave
正弦波 Sine Wave
y = Sin (x)

λ
A

1. 波長 (λ)：波形重複出現的距離
2. 振幅 (Α)：最大擾動值－平均擾動值
3. 相位 (Φorθ)：波起始時的角差
7

張彥之教官

相位 (Φorθ)：波起始時的樣態
上
比
下
超
前
90
度

8

張彥之教官

或落後270度

4.1.2 波的行進 Traveling waves





一個波行過所需的時間，稱為週期（T）
單位時間內行過的波數，稱為頻率（f）
頻率與週期互為倒數（f = 1/T）
波行進的速度（v）為一常數，但會因傳
遞時介質的不同而改變速度。
 fλ＝ c (頻率 × 波長＝波速)
 此稱「散射關係式」，波速根據頻率的高低改變
 光穿過三菱鏡時，因介質改變使各色光（頻率不
同）速度不同，各色光依此分開。

9

張彥之教官

4.1.2 波的行進 分光散射

由疏介質進入密介質，頻率較高的光產生較大的
速度改變，因而產生分光現象。

10

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域表示法

12

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域

頻率域較時間域簡單

13

張彥之教官

4.1.4 電磁波：電場與磁場擾動所生的能量波

14

張彥之教官

4.1.4.1 電磁波的傳遞





速度
球形波
平面波
反射：



入射角等於反射角
入射波與反射波之相
位相差 180 度

 具有折射、干涉、散
射之現象

15

張彥之教官

球形波

平面波

4.1.4.2 電磁波的干涉現象
 不同的電磁波可以無限制地相互「疊加」
 若相互疊加的不同電磁波具有相同頻率，
則會變成一個具有某種特定波形的波，這
種現象，稱為干涉(interference)現象
 干涉可能產生有下列二種效果：
 增強（constructive）
 消減（destructive）
 干涉的情形與其兩個波的相位有關

16

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波在大氣中的傳遞模式
 電磁波頻譜區分
 Low Frequency 低頻：30~300k Hz
 ELF(30-3000)、VLF、LF

 Medium Frequency 中頻：300k~3000k (3M)
 High Frequency 高頻：3M~300G
 HF、UHF、SHF、EHF

 地波(Ground wave)、天波(Sky wave)

17

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波對人體有沒有影響？





20

曾有研究指出電磁場會影響人體健康
微波爐的發明—美國海軍的雷達實驗
微波爐使用 2450 兆赫電磁波
現行大哥大是 900 與 1800 兆赫

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2 雷達
4.2.1 雷達基本原理
4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.3 雷達大部組成

21

4.2 雷達 RADAR
雷達是什麼？可由其英文名稱來暸解
RADAR 是 RAdio Detection And Ranging
的縮寫，而中文的雷達，是該縮寫的直接音譯
Radio：指電磁波。
大部分的雷達，使用波長 1 ~ 300厘米，亦即頻率
1~300 GHz 的電磁波。
電磁波波長可介於 10-6 到 107 米（公尺）

22

張彥之教官

4.2 雷達 RADAR
Detection : 偵知。
指藉由接收物體反射回來的電磁波，來偵知物體
的存在
Ranging : 測距。
計算發波與回波的時間間隔，即可得知物體與我
之間的距離 R = cΔt/2。

雷達，若以意譯，則為電磁波偵知測距儀

23

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.1 雷達基本原理
4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
4.2.1.2 脈波雷達參數
4.2.1.3 脈波雷達效能

24

4.2.1 雷達基本原理

25

張彥之教官

4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
 脈波，指間歇性的波。
 脈波可以是有規律的，例如每隔 X 時間，有 Y
時間的波動出現。
 而此 Y 時間的波動，又可以有自己的頻率和持
續時間。

 電磁波的脈波型式，是雷達偵測的基礎。
 它可以很明確地計算出發射信號與反射信號間
的時間差，進而計算目標的距離

26

張彥之教官

4.2.1.2 脈波雷達參數

 PRT (脈波來復時) : 每隔多少時間會有一個脈波。
 PRF (脈波來復頻) : 脈波出現的頻率，亦即單位時
間內有幾個脈波，PRF = 1/PRT
 PW (脈 波 寛 度) : 指脈波中，波動持續的時間
 RT (停 止 時 間) : 指脈波中，沒有波動的時間
 RF (發 射 頻 率) : 指波動的頻率
27

張彥之教官

4.2.1.3 脈波雷達效能
脈波寬度(PW)的影響
距離解析力： RRES = c PW/2
偵測最近距： RMIN = c PW/2

脈波來復時(PRT)的影響
最遠可偵距離, RUNAMB = c PRT/2 = c/(2PRF).
Rotation Rate 旋轉率

28

張彥之教官

最遠可偵距 Maximum Range
真實距離 Unambiguous Range

29

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.2.1 天線
4.2.2.2 雷達波波套形成

30

4.2.2.1 天線
 天線的功用是將流於
其上的電流隅合成電
磁波發送出去，或是
應空間中電磁波的改
變，將其變為電流信
號傳送給接收機。
 最簡單的天線是雙極
式(dipole)天線。
雙極式(dipole)天線

31

張彥之教官

4.2.2.2 雷達波波套形成
 所謂雷達波波套(Loab)，指的是具有方向性
的電磁波束。
 將電磁波聚焦為波束，可以在相同電磁波
強度下，節省能量，以及確定能量方位。
 將電磁波形成波套，一般使用兩種方法：
 以天線將其他方向的電磁波反射，使其於某方
向形成波套
 使用電磁波干涉消長現象，使用相位差來形成
某方向的波套
32

張彥之教官

反射式天線 將能量聚焦成律定完整的波套
Main Lobe

Φ

Side Lobe
min overall coverage beam number = 360 / Θ
33

張彥之教官

相位式波套形成原理

34

張彥之教官

相位式波套形成原理(相位陣列雷達，PAR)

增強性干涉區

D

消減性干涉區

第4章 感測與偵測

4.2.3雷達大部組成
4.2.3.1 發射機
4.2.3.2 接收機
4.2.3.3 電源供應器
4.2.3.4 同步器及收發轉換器

36

4.2.3 雷達大部組成
同步器

發射機

收發轉
換器

電源

天線
複示器
37

張彥之教官

接收機

4.2.3.1 發射機 Transmitter
功能
產生電磁波並將其調變為脈波串
將發射信號功率提高至適當的大小，使其能提供
適當的偵測距離。

基本組件
磁控管 (magnetron)： 產生電磁微波的震

盪器(oscillator)
放大器 (amplifiers)： 將功率提高
38

張彥之教官

4.2.3.2 接收機 Receiver
功能
 感測 (Sense) 回波
 放大回波信號，供後續處理
及顯示

重要特性
 將回波信號由背景雜訊中分
辨出來的能力
 信號雜訊比＝信號功率/雜訊
功率
signal-to-noise ratio = S/N
Miss and FAR
39

張彥之教官

4.2.3.3 供電器 Power Supply
 功能：提供系統各種不同功率及電壓的電源
 在整個雷達系統之中，發射器 (transmitter) 是耗
電最多的組件：
 發射器將能量累積並提高，才能將其產生的脈波，在
經過遠距離的傳送後，仍具有可被感測到的能量。
 脈波中所發射出去的功率，稱為峰值功率 (peak
power)。 它較供應到發射器的平均功率要高出許多。

40

張彥之教官

4.2.3.4 同步器及收發轉換器
 同步器 (Synchronizer) :
同步器管制雷達各部件並為新脈波歸零計時器
 收發轉換器 (Duplexer) :
切換天線連接到發射機或接收機的切換開關
同步器發出
脈波起始信號
收發轉換器將天線接到
發射機

41

張彥之教官

同步器發出
脈波結束信號
收發轉換器將天線接到
接收機


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第4章

感測與偵測

4.1節
4.2節
4.3節
4.4節

1

波
雷達
聲納
光電

4.0 簡介
 偵測子系統（Sensors subsystem）是兵器
系統四大子系統中的第一個子系統，在整
個兵器系統中，扮演耳目的角色
 偵測子系統的功能
1. 「獲得目標資訊」
2. 提供「周遭環境狀況認知」，亦即所謂的「戰
場知覺」（battlespace awareness ）。

2

張彥之教官

4.0 簡介
 二種「獲得目標資訊」的方式
 主動式（偵測）：
發出信號，並接收該信號被目標反射回來的
回信，加以計算後獲得目標資訊
例如：雷達、聲納(主動模式)

 被動式（感測）：
不發射信號，直接接收週遭環境或目標所發
出的信號，來取得環境或目標資訊
例如：温度計、電視導引飛彈、水中聽音器

3

張彥之教官

4.0 簡介
提供「周遭環境狀況認知」的方式：
將偵測器所獲得的目標資訊，顯示在螢幕
上，提供周遭環境情形；有下列二種方式
1. 直接顯示單一偵測器所獲得之資訊
2. 整合顯示各類偵測器所獲得之資訊

二種基本資訊：位置、大小

4

張彥之教官

第4章

4.1 波
4.1.1 波的參數
4.1.2 波的行進
4.1.3 頻率域與時間域
4.1.4 電磁波

5

感測與偵測

4.1 波(Waves) 是能量在空間中擾動的傳遞

6

張彥之教官

4.1.1 波的參數 The Parameters of a Wave
正弦波 Sine Wave
y = Sin (x)

λ
A

1. 波長 (λ)：波形重複出現的距離
2. 振幅 (Α)：最大擾動值－平均擾動值
3. 相位 (Φorθ)：波起始時的角差
7

張彥之教官

相位 (Φorθ)：波起始時的樣態
上
比
下
超
前
90
度

8

張彥之教官

或落後270度

4.1.2 波的行進 Traveling waves





一個波行過所需的時間，稱為週期（T）
單位時間內行過的波數，稱為頻率（f）
頻率與週期互為倒數（f = 1/T）
波行進的速度（v）為一常數，但會因傳
遞時介質的不同而改變速度。
 fλ＝ c (頻率 × 波長＝波速)
 此稱「散射關係式」，波速根據頻率的高低改變
 光穿過三菱鏡時，因介質改變使各色光（頻率不
同）速度不同，各色光依此分開。

9

張彥之教官

4.1.2 波的行進 分光散射

由疏介質進入密介質，頻率較高的光產生較大的
速度改變，因而產生分光現象。

10

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域表示法

12

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域

頻率域較時間域簡單

13

張彥之教官

4.1.4 電磁波：電場與磁場擾動所生的能量波

14

張彥之教官

4.1.4.1 電磁波的傳遞





速度
球形波
平面波
反射：



入射角等於反射角
入射波與反射波之相
位相差 180 度

 具有折射、干涉、散
射之現象

15

張彥之教官

球形波

平面波

4.1.4.2 電磁波的干涉現象
 不同的電磁波可以無限制地相互「疊加」
 若相互疊加的不同電磁波具有相同頻率，
則會變成一個具有某種特定波形的波，這
種現象，稱為干涉(interference)現象
 干涉可能產生有下列二種效果：
 增強（constructive）
 消減（destructive）
 干涉的情形與其兩個波的相位有關

16

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波在大氣中的傳遞模式
 電磁波頻譜區分
 Low Frequency 低頻：30~300k Hz
 ELF(30-3000)、VLF、LF

 Medium Frequency 中頻：300k~3000k (3M)
 High Frequency 高頻：3M~300G
 HF、UHF、SHF、EHF

 地波(Ground wave)、天波(Sky wave)

17

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波對人體有沒有影響？





20

曾有研究指出電磁場會影響人體健康
微波爐的發明—美國海軍的雷達實驗
微波爐使用 2450 兆赫電磁波
現行大哥大是 900 與 1800 兆赫

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2 雷達
4.2.1 雷達基本原理
4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.3 雷達大部組成

21

4.2 雷達 RADAR
雷達是什麼？可由其英文名稱來暸解
RADAR 是 RAdio Detection And Ranging
的縮寫，而中文的雷達，是該縮寫的直接音譯
Radio：指電磁波。
大部分的雷達，使用波長 1 ~ 300厘米，亦即頻率
1~300 GHz 的電磁波。
電磁波波長可介於 10-6 到 107 米（公尺）

22

張彥之教官

4.2 雷達 RADAR
Detection : 偵知。
指藉由接收物體反射回來的電磁波，來偵知物體
的存在
Ranging : 測距。
計算發波與回波的時間間隔，即可得知物體與我
之間的距離 R = cΔt/2。

雷達，若以意譯，則為電磁波偵知測距儀

23

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.1 雷達基本原理
4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
4.2.1.2 脈波雷達參數
4.2.1.3 脈波雷達效能

24

4.2.1 雷達基本原理

25

張彥之教官

4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
 脈波，指間歇性的波。
 脈波可以是有規律的，例如每隔 X 時間，有 Y
時間的波動出現。
 而此 Y 時間的波動，又可以有自己的頻率和持
續時間。

 電磁波的脈波型式，是雷達偵測的基礎。
 它可以很明確地計算出發射信號與反射信號間
的時間差，進而計算目標的距離

26

張彥之教官

4.2.1.2 脈波雷達參數

 PRT (脈波來復時) : 每隔多少時間會有一個脈波。
 PRF (脈波來復頻) : 脈波出現的頻率，亦即單位時
間內有幾個脈波，PRF = 1/PRT
 PW (脈 波 寛 度) : 指脈波中，波動持續的時間
 RT (停 止 時 間) : 指脈波中，沒有波動的時間
 RF (發 射 頻 率) : 指波動的頻率
27

張彥之教官

4.2.1.3 脈波雷達效能
脈波寬度(PW)的影響
距離解析力： RRES = c PW/2
偵測最近距： RMIN = c PW/2

脈波來復時(PRT)的影響
最遠可偵距離, RUNAMB = c PRT/2 = c/(2PRF).
Rotation Rate 旋轉率

28

張彥之教官

最遠可偵距 Maximum Range
真實距離 Unambiguous Range

29

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.2.1 天線
4.2.2.2 雷達波波套形成

30

4.2.2.1 天線
 天線的功用是將流於
其上的電流隅合成電
磁波發送出去，或是
應空間中電磁波的改
變，將其變為電流信
號傳送給接收機。
 最簡單的天線是雙極
式(dipole)天線。
雙極式(dipole)天線

31

張彥之教官

4.2.2.2 雷達波波套形成
 所謂雷達波波套(Loab)，指的是具有方向性
的電磁波束。
 將電磁波聚焦為波束，可以在相同電磁波
強度下，節省能量，以及確定能量方位。
 將電磁波形成波套，一般使用兩種方法：
 以天線將其他方向的電磁波反射，使其於某方
向形成波套
 使用電磁波干涉消長現象，使用相位差來形成
某方向的波套
32

張彥之教官

反射式天線 將能量聚焦成律定完整的波套
Main Lobe

Φ

Side Lobe
min overall coverage beam number = 360 / Θ
33

張彥之教官

相位式波套形成原理

34

張彥之教官

相位式波套形成原理(相位陣列雷達，PAR)

增強性干涉區

D

消減性干涉區

第4章 感測與偵測

4.2.3雷達大部組成
4.2.3.1 發射機
4.2.3.2 接收機
4.2.3.3 電源供應器
4.2.3.4 同步器及收發轉換器

36

4.2.3 雷達大部組成
同步器

發射機

收發轉
換器

電源

天線
複示器
37

張彥之教官

接收機

4.2.3.1 發射機 Transmitter
功能
產生電磁波並將其調變為脈波串
將發射信號功率提高至適當的大小，使其能提供
適當的偵測距離。

基本組件
磁控管 (magnetron)： 產生電磁微波的震

盪器(oscillator)
放大器 (amplifiers)： 將功率提高
38

張彥之教官

4.2.3.2 接收機 Receiver
功能
 感測 (Sense) 回波
 放大回波信號，供後續處理
及顯示

重要特性
 將回波信號由背景雜訊中分
辨出來的能力
 信號雜訊比＝信號功率/雜訊
功率
signal-to-noise ratio = S/N
Miss and FAR
39

張彥之教官

4.2.3.3 供電器 Power Supply
 功能：提供系統各種不同功率及電壓的電源
 在整個雷達系統之中，發射器 (transmitter) 是耗
電最多的組件：
 發射器將能量累積並提高，才能將其產生的脈波，在
經過遠距離的傳送後，仍具有可被感測到的能量。
 脈波中所發射出去的功率，稱為峰值功率 (peak
power)。 它較供應到發射器的平均功率要高出許多。

40

張彥之教官

4.2.3.4 同步器及收發轉換器
 同步器 (Synchronizer) :
同步器管制雷達各部件並為新脈波歸零計時器
 收發轉換器 (Duplexer) :
切換天線連接到發射機或接收機的切換開關
同步器發出
脈波起始信號
收發轉換器將天線接到
發射機

41

張彥之教官

同步器發出
脈波結束信號
收發轉換器將天線接到
接收機


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感測與偵測

4.1節
4.2節
4.3節
4.4節

1

波
雷達
聲納
光電

4.0 簡介
 偵測子系統（Sensors subsystem）是兵器
系統四大子系統中的第一個子系統，在整
個兵器系統中，扮演耳目的角色
 偵測子系統的功能
1. 「獲得目標資訊」
2. 提供「周遭環境狀況認知」，亦即所謂的「戰
場知覺」（battlespace awareness ）。

2

張彥之教官

4.0 簡介
 二種「獲得目標資訊」的方式
 主動式（偵測）：
發出信號，並接收該信號被目標反射回來的
回信，加以計算後獲得目標資訊
例如：雷達、聲納(主動模式)

 被動式（感測）：
不發射信號，直接接收週遭環境或目標所發
出的信號，來取得環境或目標資訊
例如：温度計、電視導引飛彈、水中聽音器

3

張彥之教官

4.0 簡介
提供「周遭環境狀況認知」的方式：
將偵測器所獲得的目標資訊，顯示在螢幕
上，提供周遭環境情形；有下列二種方式
1. 直接顯示單一偵測器所獲得之資訊
2. 整合顯示各類偵測器所獲得之資訊

二種基本資訊：位置、大小

4

張彥之教官

第4章

4.1 波
4.1.1 波的參數
4.1.2 波的行進
4.1.3 頻率域與時間域
4.1.4 電磁波

5

感測與偵測

4.1 波(Waves) 是能量在空間中擾動的傳遞

6

張彥之教官

4.1.1 波的參數 The Parameters of a Wave
正弦波 Sine Wave
y = Sin (x)

λ
A

1. 波長 (λ)：波形重複出現的距離
2. 振幅 (Α)：最大擾動值－平均擾動值
3. 相位 (Φorθ)：波起始時的角差
7

張彥之教官

相位 (Φorθ)：波起始時的樣態
上
比
下
超
前
90
度

8

張彥之教官

或落後270度

4.1.2 波的行進 Traveling waves





一個波行過所需的時間，稱為週期（T）
單位時間內行過的波數，稱為頻率（f）
頻率與週期互為倒數（f = 1/T）
波行進的速度（v）為一常數，但會因傳
遞時介質的不同而改變速度。
 fλ＝ c (頻率 × 波長＝波速)
 此稱「散射關係式」，波速根據頻率的高低改變
 光穿過三菱鏡時，因介質改變使各色光（頻率不
同）速度不同，各色光依此分開。

9

張彥之教官

4.1.2 波的行進 分光散射

由疏介質進入密介質，頻率較高的光產生較大的
速度改變，因而產生分光現象。

10

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域表示法

12

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域

頻率域較時間域簡單

13

張彥之教官

4.1.4 電磁波：電場與磁場擾動所生的能量波

14

張彥之教官

4.1.4.1 電磁波的傳遞





速度
球形波
平面波
反射：



入射角等於反射角
入射波與反射波之相
位相差 180 度

 具有折射、干涉、散
射之現象

15

張彥之教官

球形波

平面波

4.1.4.2 電磁波的干涉現象
 不同的電磁波可以無限制地相互「疊加」
 若相互疊加的不同電磁波具有相同頻率，
則會變成一個具有某種特定波形的波，這
種現象，稱為干涉(interference)現象
 干涉可能產生有下列二種效果：
 增強（constructive）
 消減（destructive）
 干涉的情形與其兩個波的相位有關

16

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波在大氣中的傳遞模式
 電磁波頻譜區分
 Low Frequency 低頻：30~300k Hz
 ELF(30-3000)、VLF、LF

 Medium Frequency 中頻：300k~3000k (3M)
 High Frequency 高頻：3M~300G
 HF、UHF、SHF、EHF

 地波(Ground wave)、天波(Sky wave)

17

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波對人體有沒有影響？





20

曾有研究指出電磁場會影響人體健康
微波爐的發明—美國海軍的雷達實驗
微波爐使用 2450 兆赫電磁波
現行大哥大是 900 與 1800 兆赫

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2 雷達
4.2.1 雷達基本原理
4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.3 雷達大部組成

21

4.2 雷達 RADAR
雷達是什麼？可由其英文名稱來暸解
RADAR 是 RAdio Detection And Ranging
的縮寫，而中文的雷達，是該縮寫的直接音譯
Radio：指電磁波。
大部分的雷達，使用波長 1 ~ 300厘米，亦即頻率
1~300 GHz 的電磁波。
電磁波波長可介於 10-6 到 107 米（公尺）

22

張彥之教官

4.2 雷達 RADAR
Detection : 偵知。
指藉由接收物體反射回來的電磁波，來偵知物體
的存在
Ranging : 測距。
計算發波與回波的時間間隔，即可得知物體與我
之間的距離 R = cΔt/2。

雷達，若以意譯，則為電磁波偵知測距儀

23

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.1 雷達基本原理
4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
4.2.1.2 脈波雷達參數
4.2.1.3 脈波雷達效能

24

4.2.1 雷達基本原理

25

張彥之教官

4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
 脈波，指間歇性的波。
 脈波可以是有規律的，例如每隔 X 時間，有 Y
時間的波動出現。
 而此 Y 時間的波動，又可以有自己的頻率和持
續時間。

 電磁波的脈波型式，是雷達偵測的基礎。
 它可以很明確地計算出發射信號與反射信號間
的時間差，進而計算目標的距離

26

張彥之教官

4.2.1.2 脈波雷達參數

 PRT (脈波來復時) : 每隔多少時間會有一個脈波。
 PRF (脈波來復頻) : 脈波出現的頻率，亦即單位時
間內有幾個脈波，PRF = 1/PRT
 PW (脈 波 寛 度) : 指脈波中，波動持續的時間
 RT (停 止 時 間) : 指脈波中，沒有波動的時間
 RF (發 射 頻 率) : 指波動的頻率
27

張彥之教官

4.2.1.3 脈波雷達效能
脈波寬度(PW)的影響
距離解析力： RRES = c PW/2
偵測最近距： RMIN = c PW/2

脈波來復時(PRT)的影響
最遠可偵距離, RUNAMB = c PRT/2 = c/(2PRF).
Rotation Rate 旋轉率

28

張彥之教官

最遠可偵距 Maximum Range
真實距離 Unambiguous Range

29

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.2.1 天線
4.2.2.2 雷達波波套形成

30

4.2.2.1 天線
 天線的功用是將流於
其上的電流隅合成電
磁波發送出去，或是
應空間中電磁波的改
變，將其變為電流信
號傳送給接收機。
 最簡單的天線是雙極
式(dipole)天線。
雙極式(dipole)天線

31

張彥之教官

4.2.2.2 雷達波波套形成
 所謂雷達波波套(Loab)，指的是具有方向性
的電磁波束。
 將電磁波聚焦為波束，可以在相同電磁波
強度下，節省能量，以及確定能量方位。
 將電磁波形成波套，一般使用兩種方法：
 以天線將其他方向的電磁波反射，使其於某方
向形成波套
 使用電磁波干涉消長現象，使用相位差來形成
某方向的波套
32

張彥之教官

反射式天線 將能量聚焦成律定完整的波套
Main Lobe

Φ

Side Lobe
min overall coverage beam number = 360 / Θ
33

張彥之教官

相位式波套形成原理

34

張彥之教官

相位式波套形成原理(相位陣列雷達，PAR)

增強性干涉區

D

消減性干涉區

第4章 感測與偵測

4.2.3雷達大部組成
4.2.3.1 發射機
4.2.3.2 接收機
4.2.3.3 電源供應器
4.2.3.4 同步器及收發轉換器

36

4.2.3 雷達大部組成
同步器

發射機

收發轉
換器

電源

天線
複示器
37

張彥之教官

接收機

4.2.3.1 發射機 Transmitter
功能
產生電磁波並將其調變為脈波串
將發射信號功率提高至適當的大小，使其能提供
適當的偵測距離。

基本組件
磁控管 (magnetron)： 產生電磁微波的震

盪器(oscillator)
放大器 (amplifiers)： 將功率提高
38

張彥之教官

4.2.3.2 接收機 Receiver
功能
 感測 (Sense) 回波
 放大回波信號，供後續處理
及顯示

重要特性
 將回波信號由背景雜訊中分
辨出來的能力
 信號雜訊比＝信號功率/雜訊
功率
signal-to-noise ratio = S/N
Miss and FAR
39

張彥之教官

4.2.3.3 供電器 Power Supply
 功能：提供系統各種不同功率及電壓的電源
 在整個雷達系統之中，發射器 (transmitter) 是耗
電最多的組件：
 發射器將能量累積並提高，才能將其產生的脈波，在
經過遠距離的傳送後，仍具有可被感測到的能量。
 脈波中所發射出去的功率，稱為峰值功率 (peak
power)。 它較供應到發射器的平均功率要高出許多。

40

張彥之教官

4.2.3.4 同步器及收發轉換器
 同步器 (Synchronizer) :
同步器管制雷達各部件並為新脈波歸零計時器
 收發轉換器 (Duplexer) :
切換天線連接到發射機或接收機的切換開關
同步器發出
脈波起始信號
收發轉換器將天線接到
發射機

41

張彥之教官

同步器發出
脈波結束信號
收發轉換器將天線接到
接收機


Slide 4

第4章

感測與偵測

4.1節
4.2節
4.3節
4.4節

1

波
雷達
聲納
光電

4.0 簡介
 偵測子系統（Sensors subsystem）是兵器
系統四大子系統中的第一個子系統，在整
個兵器系統中，扮演耳目的角色
 偵測子系統的功能
1. 「獲得目標資訊」
2. 提供「周遭環境狀況認知」，亦即所謂的「戰
場知覺」（battlespace awareness ）。

2

張彥之教官

4.0 簡介
 二種「獲得目標資訊」的方式
 主動式（偵測）：
發出信號，並接收該信號被目標反射回來的
回信，加以計算後獲得目標資訊
例如：雷達、聲納(主動模式)

 被動式（感測）：
不發射信號，直接接收週遭環境或目標所發
出的信號，來取得環境或目標資訊
例如：温度計、電視導引飛彈、水中聽音器

3

張彥之教官

4.0 簡介
提供「周遭環境狀況認知」的方式：
將偵測器所獲得的目標資訊，顯示在螢幕
上，提供周遭環境情形；有下列二種方式
1. 直接顯示單一偵測器所獲得之資訊
2. 整合顯示各類偵測器所獲得之資訊

二種基本資訊：位置、大小

4

張彥之教官

第4章

4.1 波
4.1.1 波的參數
4.1.2 波的行進
4.1.3 頻率域與時間域
4.1.4 電磁波

5

感測與偵測

4.1 波(Waves) 是能量在空間中擾動的傳遞

6

張彥之教官

4.1.1 波的參數 The Parameters of a Wave
正弦波 Sine Wave
y = Sin (x)

λ
A

1. 波長 (λ)：波形重複出現的距離
2. 振幅 (Α)：最大擾動值－平均擾動值
3. 相位 (Φorθ)：波起始時的角差
7

張彥之教官

相位 (Φorθ)：波起始時的樣態
上
比
下
超
前
90
度

8

張彥之教官

或落後270度

4.1.2 波的行進 Traveling waves





一個波行過所需的時間，稱為週期（T）
單位時間內行過的波數，稱為頻率（f）
頻率與週期互為倒數（f = 1/T）
波行進的速度（v）為一常數，但會因傳
遞時介質的不同而改變速度。
 fλ＝ c (頻率 × 波長＝波速)
 此稱「散射關係式」，波速根據頻率的高低改變
 光穿過三菱鏡時，因介質改變使各色光（頻率不
同）速度不同，各色光依此分開。

9

張彥之教官

4.1.2 波的行進 分光散射

由疏介質進入密介質，頻率較高的光產生較大的
速度改變，因而產生分光現象。

10

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域表示法

12

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域

頻率域較時間域簡單

13

張彥之教官

4.1.4 電磁波：電場與磁場擾動所生的能量波

14

張彥之教官

4.1.4.1 電磁波的傳遞





速度
球形波
平面波
反射：



入射角等於反射角
入射波與反射波之相
位相差 180 度

 具有折射、干涉、散
射之現象

15

張彥之教官

球形波

平面波

4.1.4.2 電磁波的干涉現象
 不同的電磁波可以無限制地相互「疊加」
 若相互疊加的不同電磁波具有相同頻率，
則會變成一個具有某種特定波形的波，這
種現象，稱為干涉(interference)現象
 干涉可能產生有下列二種效果：
 增強（constructive）
 消減（destructive）
 干涉的情形與其兩個波的相位有關

16

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波在大氣中的傳遞模式
 電磁波頻譜區分
 Low Frequency 低頻：30~300k Hz
 ELF(30-3000)、VLF、LF

 Medium Frequency 中頻：300k~3000k (3M)
 High Frequency 高頻：3M~300G
 HF、UHF、SHF、EHF

 地波(Ground wave)、天波(Sky wave)

17

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波對人體有沒有影響？





20

曾有研究指出電磁場會影響人體健康
微波爐的發明—美國海軍的雷達實驗
微波爐使用 2450 兆赫電磁波
現行大哥大是 900 與 1800 兆赫

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2 雷達
4.2.1 雷達基本原理
4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.3 雷達大部組成

21

4.2 雷達 RADAR
雷達是什麼？可由其英文名稱來暸解
RADAR 是 RAdio Detection And Ranging
的縮寫，而中文的雷達，是該縮寫的直接音譯
Radio：指電磁波。
大部分的雷達，使用波長 1 ~ 300厘米，亦即頻率
1~300 GHz 的電磁波。
電磁波波長可介於 10-6 到 107 米（公尺）

22

張彥之教官

4.2 雷達 RADAR
Detection : 偵知。
指藉由接收物體反射回來的電磁波，來偵知物體
的存在
Ranging : 測距。
計算發波與回波的時間間隔，即可得知物體與我
之間的距離 R = cΔt/2。

雷達，若以意譯，則為電磁波偵知測距儀

23

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.1 雷達基本原理
4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
4.2.1.2 脈波雷達參數
4.2.1.3 脈波雷達效能

24

4.2.1 雷達基本原理

25

張彥之教官

4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
 脈波，指間歇性的波。
 脈波可以是有規律的，例如每隔 X 時間，有 Y
時間的波動出現。
 而此 Y 時間的波動，又可以有自己的頻率和持
續時間。

 電磁波的脈波型式，是雷達偵測的基礎。
 它可以很明確地計算出發射信號與反射信號間
的時間差，進而計算目標的距離

26

張彥之教官

4.2.1.2 脈波雷達參數

 PRT (脈波來復時) : 每隔多少時間會有一個脈波。
 PRF (脈波來復頻) : 脈波出現的頻率，亦即單位時
間內有幾個脈波，PRF = 1/PRT
 PW (脈 波 寛 度) : 指脈波中，波動持續的時間
 RT (停 止 時 間) : 指脈波中，沒有波動的時間
 RF (發 射 頻 率) : 指波動的頻率
27

張彥之教官

4.2.1.3 脈波雷達效能
脈波寬度(PW)的影響
距離解析力： RRES = c PW/2
偵測最近距： RMIN = c PW/2

脈波來復時(PRT)的影響
最遠可偵距離, RUNAMB = c PRT/2 = c/(2PRF).
Rotation Rate 旋轉率

28

張彥之教官

最遠可偵距 Maximum Range
真實距離 Unambiguous Range

29

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.2.1 天線
4.2.2.2 雷達波波套形成

30

4.2.2.1 天線
 天線的功用是將流於
其上的電流隅合成電
磁波發送出去，或是
應空間中電磁波的改
變，將其變為電流信
號傳送給接收機。
 最簡單的天線是雙極
式(dipole)天線。
雙極式(dipole)天線

31

張彥之教官

4.2.2.2 雷達波波套形成
 所謂雷達波波套(Loab)，指的是具有方向性
的電磁波束。
 將電磁波聚焦為波束，可以在相同電磁波
強度下，節省能量，以及確定能量方位。
 將電磁波形成波套，一般使用兩種方法：
 以天線將其他方向的電磁波反射，使其於某方
向形成波套
 使用電磁波干涉消長現象，使用相位差來形成
某方向的波套
32

張彥之教官

反射式天線 將能量聚焦成律定完整的波套
Main Lobe

Φ

Side Lobe
min overall coverage beam number = 360 / Θ
33

張彥之教官

相位式波套形成原理

34

張彥之教官

相位式波套形成原理(相位陣列雷達，PAR)

增強性干涉區

D

消減性干涉區

第4章 感測與偵測

4.2.3雷達大部組成
4.2.3.1 發射機
4.2.3.2 接收機
4.2.3.3 電源供應器
4.2.3.4 同步器及收發轉換器

36

4.2.3 雷達大部組成
同步器

發射機

收發轉
換器

電源

天線
複示器
37

張彥之教官

接收機

4.2.3.1 發射機 Transmitter
功能
產生電磁波並將其調變為脈波串
將發射信號功率提高至適當的大小，使其能提供
適當的偵測距離。

基本組件
磁控管 (magnetron)： 產生電磁微波的震

盪器(oscillator)
放大器 (amplifiers)： 將功率提高
38

張彥之教官

4.2.3.2 接收機 Receiver
功能
 感測 (Sense) 回波
 放大回波信號，供後續處理
及顯示

重要特性
 將回波信號由背景雜訊中分
辨出來的能力
 信號雜訊比＝信號功率/雜訊
功率
signal-to-noise ratio = S/N
Miss and FAR
39

張彥之教官

4.2.3.3 供電器 Power Supply
 功能：提供系統各種不同功率及電壓的電源
 在整個雷達系統之中，發射器 (transmitter) 是耗
電最多的組件：
 發射器將能量累積並提高，才能將其產生的脈波，在
經過遠距離的傳送後，仍具有可被感測到的能量。
 脈波中所發射出去的功率，稱為峰值功率 (peak
power)。 它較供應到發射器的平均功率要高出許多。

40

張彥之教官

4.2.3.4 同步器及收發轉換器
 同步器 (Synchronizer) :
同步器管制雷達各部件並為新脈波歸零計時器
 收發轉換器 (Duplexer) :
切換天線連接到發射機或接收機的切換開關
同步器發出
脈波起始信號
收發轉換器將天線接到
發射機

41

張彥之教官

同步器發出
脈波結束信號
收發轉換器將天線接到
接收機


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第4章

感測與偵測

4.1節
4.2節
4.3節
4.4節

1

波
雷達
聲納
光電

4.0 簡介
 偵測子系統（Sensors subsystem）是兵器
系統四大子系統中的第一個子系統，在整
個兵器系統中，扮演耳目的角色
 偵測子系統的功能
1. 「獲得目標資訊」
2. 提供「周遭環境狀況認知」，亦即所謂的「戰
場知覺」（battlespace awareness ）。

2

張彥之教官

4.0 簡介
 二種「獲得目標資訊」的方式
 主動式（偵測）：
發出信號，並接收該信號被目標反射回來的
回信，加以計算後獲得目標資訊
例如：雷達、聲納(主動模式)

 被動式（感測）：
不發射信號，直接接收週遭環境或目標所發
出的信號，來取得環境或目標資訊
例如：温度計、電視導引飛彈、水中聽音器

3

張彥之教官

4.0 簡介
提供「周遭環境狀況認知」的方式：
將偵測器所獲得的目標資訊，顯示在螢幕
上，提供周遭環境情形；有下列二種方式
1. 直接顯示單一偵測器所獲得之資訊
2. 整合顯示各類偵測器所獲得之資訊

二種基本資訊：位置、大小

4

張彥之教官

第4章

4.1 波
4.1.1 波的參數
4.1.2 波的行進
4.1.3 頻率域與時間域
4.1.4 電磁波

5

感測與偵測

4.1 波(Waves) 是能量在空間中擾動的傳遞

6

張彥之教官

4.1.1 波的參數 The Parameters of a Wave
正弦波 Sine Wave
y = Sin (x)

λ
A

1. 波長 (λ)：波形重複出現的距離
2. 振幅 (Α)：最大擾動值－平均擾動值
3. 相位 (Φorθ)：波起始時的角差
7

張彥之教官

相位 (Φorθ)：波起始時的樣態
上
比
下
超
前
90
度

8

張彥之教官

或落後270度

4.1.2 波的行進 Traveling waves





一個波行過所需的時間，稱為週期（T）
單位時間內行過的波數，稱為頻率（f）
頻率與週期互為倒數（f = 1/T）
波行進的速度（v）為一常數，但會因傳
遞時介質的不同而改變速度。
 fλ＝ c (頻率 × 波長＝波速)
 此稱「散射關係式」，波速根據頻率的高低改變
 光穿過三菱鏡時，因介質改變使各色光（頻率不
同）速度不同，各色光依此分開。

9

張彥之教官

4.1.2 波的行進 分光散射

由疏介質進入密介質，頻率較高的光產生較大的
速度改變，因而產生分光現象。

10

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域表示法

12

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域

頻率域較時間域簡單

13

張彥之教官

4.1.4 電磁波：電場與磁場擾動所生的能量波

14

張彥之教官

4.1.4.1 電磁波的傳遞





速度
球形波
平面波
反射：



入射角等於反射角
入射波與反射波之相
位相差 180 度

 具有折射、干涉、散
射之現象

15

張彥之教官

球形波

平面波

4.1.4.2 電磁波的干涉現象
 不同的電磁波可以無限制地相互「疊加」
 若相互疊加的不同電磁波具有相同頻率，
則會變成一個具有某種特定波形的波，這
種現象，稱為干涉(interference)現象
 干涉可能產生有下列二種效果：
 增強（constructive）
 消減（destructive）
 干涉的情形與其兩個波的相位有關

16

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波在大氣中的傳遞模式
 電磁波頻譜區分
 Low Frequency 低頻：30~300k Hz
 ELF(30-3000)、VLF、LF

 Medium Frequency 中頻：300k~3000k (3M)
 High Frequency 高頻：3M~300G
 HF、UHF、SHF、EHF

 地波(Ground wave)、天波(Sky wave)

17

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波對人體有沒有影響？





20

曾有研究指出電磁場會影響人體健康
微波爐的發明—美國海軍的雷達實驗
微波爐使用 2450 兆赫電磁波
現行大哥大是 900 與 1800 兆赫

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2 雷達
4.2.1 雷達基本原理
4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.3 雷達大部組成

21

4.2 雷達 RADAR
雷達是什麼？可由其英文名稱來暸解
RADAR 是 RAdio Detection And Ranging
的縮寫，而中文的雷達，是該縮寫的直接音譯
Radio：指電磁波。
大部分的雷達，使用波長 1 ~ 300厘米，亦即頻率
1~300 GHz 的電磁波。
電磁波波長可介於 10-6 到 107 米（公尺）

22

張彥之教官

4.2 雷達 RADAR
Detection : 偵知。
指藉由接收物體反射回來的電磁波，來偵知物體
的存在
Ranging : 測距。
計算發波與回波的時間間隔，即可得知物體與我
之間的距離 R = cΔt/2。

雷達，若以意譯，則為電磁波偵知測距儀

23

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.1 雷達基本原理
4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
4.2.1.2 脈波雷達參數
4.2.1.3 脈波雷達效能

24

4.2.1 雷達基本原理

25

張彥之教官

4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
 脈波，指間歇性的波。
 脈波可以是有規律的，例如每隔 X 時間，有 Y
時間的波動出現。
 而此 Y 時間的波動，又可以有自己的頻率和持
續時間。

 電磁波的脈波型式，是雷達偵測的基礎。
 它可以很明確地計算出發射信號與反射信號間
的時間差，進而計算目標的距離

26

張彥之教官

4.2.1.2 脈波雷達參數

 PRT (脈波來復時) : 每隔多少時間會有一個脈波。
 PRF (脈波來復頻) : 脈波出現的頻率，亦即單位時
間內有幾個脈波，PRF = 1/PRT
 PW (脈 波 寛 度) : 指脈波中，波動持續的時間
 RT (停 止 時 間) : 指脈波中，沒有波動的時間
 RF (發 射 頻 率) : 指波動的頻率
27

張彥之教官

4.2.1.3 脈波雷達效能
脈波寬度(PW)的影響
距離解析力： RRES = c PW/2
偵測最近距： RMIN = c PW/2

脈波來復時(PRT)的影響
最遠可偵距離, RUNAMB = c PRT/2 = c/(2PRF).
Rotation Rate 旋轉率

28

張彥之教官

最遠可偵距 Maximum Range
真實距離 Unambiguous Range

29

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.2.1 天線
4.2.2.2 雷達波波套形成

30

4.2.2.1 天線
 天線的功用是將流於
其上的電流隅合成電
磁波發送出去，或是
應空間中電磁波的改
變，將其變為電流信
號傳送給接收機。
 最簡單的天線是雙極
式(dipole)天線。
雙極式(dipole)天線

31

張彥之教官

4.2.2.2 雷達波波套形成
 所謂雷達波波套(Loab)，指的是具有方向性
的電磁波束。
 將電磁波聚焦為波束，可以在相同電磁波
強度下，節省能量，以及確定能量方位。
 將電磁波形成波套，一般使用兩種方法：
 以天線將其他方向的電磁波反射，使其於某方
向形成波套
 使用電磁波干涉消長現象，使用相位差來形成
某方向的波套
32

張彥之教官

反射式天線 將能量聚焦成律定完整的波套
Main Lobe

Φ

Side Lobe
min overall coverage beam number = 360 / Θ
33

張彥之教官

相位式波套形成原理

34

張彥之教官

相位式波套形成原理(相位陣列雷達，PAR)

增強性干涉區

D

消減性干涉區

第4章 感測與偵測

4.2.3雷達大部組成
4.2.3.1 發射機
4.2.3.2 接收機
4.2.3.3 電源供應器
4.2.3.4 同步器及收發轉換器

36

4.2.3 雷達大部組成
同步器

發射機

收發轉
換器

電源

天線
複示器
37

張彥之教官

接收機

4.2.3.1 發射機 Transmitter
功能
產生電磁波並將其調變為脈波串
將發射信號功率提高至適當的大小，使其能提供
適當的偵測距離。

基本組件
磁控管 (magnetron)： 產生電磁微波的震

盪器(oscillator)
放大器 (amplifiers)： 將功率提高
38

張彥之教官

4.2.3.2 接收機 Receiver
功能
 感測 (Sense) 回波
 放大回波信號，供後續處理
及顯示

重要特性
 將回波信號由背景雜訊中分
辨出來的能力
 信號雜訊比＝信號功率/雜訊
功率
signal-to-noise ratio = S/N
Miss and FAR
39

張彥之教官

4.2.3.3 供電器 Power Supply
 功能：提供系統各種不同功率及電壓的電源
 在整個雷達系統之中，發射器 (transmitter) 是耗
電最多的組件：
 發射器將能量累積並提高，才能將其產生的脈波，在
經過遠距離的傳送後，仍具有可被感測到的能量。
 脈波中所發射出去的功率，稱為峰值功率 (peak
power)。 它較供應到發射器的平均功率要高出許多。

40

張彥之教官

4.2.3.4 同步器及收發轉換器
 同步器 (Synchronizer) :
同步器管制雷達各部件並為新脈波歸零計時器
 收發轉換器 (Duplexer) :
切換天線連接到發射機或接收機的切換開關
同步器發出
脈波起始信號
收發轉換器將天線接到
發射機

41

張彥之教官

同步器發出
脈波結束信號
收發轉換器將天線接到
接收機


Slide 6

第4章

感測與偵測

4.1節
4.2節
4.3節
4.4節

1

波
雷達
聲納
光電

4.0 簡介
 偵測子系統（Sensors subsystem）是兵器
系統四大子系統中的第一個子系統，在整
個兵器系統中，扮演耳目的角色
 偵測子系統的功能
1. 「獲得目標資訊」
2. 提供「周遭環境狀況認知」，亦即所謂的「戰
場知覺」（battlespace awareness ）。

2

張彥之教官

4.0 簡介
 二種「獲得目標資訊」的方式
 主動式（偵測）：
發出信號，並接收該信號被目標反射回來的
回信，加以計算後獲得目標資訊
例如：雷達、聲納(主動模式)

 被動式（感測）：
不發射信號，直接接收週遭環境或目標所發
出的信號，來取得環境或目標資訊
例如：温度計、電視導引飛彈、水中聽音器

3

張彥之教官

4.0 簡介
提供「周遭環境狀況認知」的方式：
將偵測器所獲得的目標資訊，顯示在螢幕
上，提供周遭環境情形；有下列二種方式
1. 直接顯示單一偵測器所獲得之資訊
2. 整合顯示各類偵測器所獲得之資訊

二種基本資訊：位置、大小

4

張彥之教官

第4章

4.1 波
4.1.1 波的參數
4.1.2 波的行進
4.1.3 頻率域與時間域
4.1.4 電磁波

5

感測與偵測

4.1 波(Waves) 是能量在空間中擾動的傳遞

6

張彥之教官

4.1.1 波的參數 The Parameters of a Wave
正弦波 Sine Wave
y = Sin (x)

λ
A

1. 波長 (λ)：波形重複出現的距離
2. 振幅 (Α)：最大擾動值－平均擾動值
3. 相位 (Φorθ)：波起始時的角差
7

張彥之教官

相位 (Φorθ)：波起始時的樣態
上
比
下
超
前
90
度

8

張彥之教官

或落後270度

4.1.2 波的行進 Traveling waves





一個波行過所需的時間，稱為週期（T）
單位時間內行過的波數，稱為頻率（f）
頻率與週期互為倒數（f = 1/T）
波行進的速度（v）為一常數，但會因傳
遞時介質的不同而改變速度。
 fλ＝ c (頻率 × 波長＝波速)
 此稱「散射關係式」，波速根據頻率的高低改變
 光穿過三菱鏡時，因介質改變使各色光（頻率不
同）速度不同，各色光依此分開。

9

張彥之教官

4.1.2 波的行進 分光散射

由疏介質進入密介質，頻率較高的光產生較大的
速度改變，因而產生分光現象。

10

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域表示法

12

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域

頻率域較時間域簡單

13

張彥之教官

4.1.4 電磁波：電場與磁場擾動所生的能量波

14

張彥之教官

4.1.4.1 電磁波的傳遞





速度
球形波
平面波
反射：



入射角等於反射角
入射波與反射波之相
位相差 180 度

 具有折射、干涉、散
射之現象

15

張彥之教官

球形波

平面波

4.1.4.2 電磁波的干涉現象
 不同的電磁波可以無限制地相互「疊加」
 若相互疊加的不同電磁波具有相同頻率，
則會變成一個具有某種特定波形的波，這
種現象，稱為干涉(interference)現象
 干涉可能產生有下列二種效果：
 增強（constructive）
 消減（destructive）
 干涉的情形與其兩個波的相位有關

16

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波在大氣中的傳遞模式
 電磁波頻譜區分
 Low Frequency 低頻：30~300k Hz
 ELF(30-3000)、VLF、LF

 Medium Frequency 中頻：300k~3000k (3M)
 High Frequency 高頻：3M~300G
 HF、UHF、SHF、EHF

 地波(Ground wave)、天波(Sky wave)

17

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波對人體有沒有影響？





20

曾有研究指出電磁場會影響人體健康
微波爐的發明—美國海軍的雷達實驗
微波爐使用 2450 兆赫電磁波
現行大哥大是 900 與 1800 兆赫

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2 雷達
4.2.1 雷達基本原理
4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.3 雷達大部組成

21

4.2 雷達 RADAR
雷達是什麼？可由其英文名稱來暸解
RADAR 是 RAdio Detection And Ranging
的縮寫，而中文的雷達，是該縮寫的直接音譯
Radio：指電磁波。
大部分的雷達，使用波長 1 ~ 300厘米，亦即頻率
1~300 GHz 的電磁波。
電磁波波長可介於 10-6 到 107 米（公尺）

22

張彥之教官

4.2 雷達 RADAR
Detection : 偵知。
指藉由接收物體反射回來的電磁波，來偵知物體
的存在
Ranging : 測距。
計算發波與回波的時間間隔，即可得知物體與我
之間的距離 R = cΔt/2。

雷達，若以意譯，則為電磁波偵知測距儀

23

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.1 雷達基本原理
4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
4.2.1.2 脈波雷達參數
4.2.1.3 脈波雷達效能

24

4.2.1 雷達基本原理

25

張彥之教官

4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
 脈波，指間歇性的波。
 脈波可以是有規律的，例如每隔 X 時間，有 Y
時間的波動出現。
 而此 Y 時間的波動，又可以有自己的頻率和持
續時間。

 電磁波的脈波型式，是雷達偵測的基礎。
 它可以很明確地計算出發射信號與反射信號間
的時間差，進而計算目標的距離

26

張彥之教官

4.2.1.2 脈波雷達參數

 PRT (脈波來復時) : 每隔多少時間會有一個脈波。
 PRF (脈波來復頻) : 脈波出現的頻率，亦即單位時
間內有幾個脈波，PRF = 1/PRT
 PW (脈 波 寛 度) : 指脈波中，波動持續的時間
 RT (停 止 時 間) : 指脈波中，沒有波動的時間
 RF (發 射 頻 率) : 指波動的頻率
27

張彥之教官

4.2.1.3 脈波雷達效能
脈波寬度(PW)的影響
距離解析力： RRES = c PW/2
偵測最近距： RMIN = c PW/2

脈波來復時(PRT)的影響
最遠可偵距離, RUNAMB = c PRT/2 = c/(2PRF).
Rotation Rate 旋轉率

28

張彥之教官

最遠可偵距 Maximum Range
真實距離 Unambiguous Range

29

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.2.1 天線
4.2.2.2 雷達波波套形成

30

4.2.2.1 天線
 天線的功用是將流於
其上的電流隅合成電
磁波發送出去，或是
應空間中電磁波的改
變，將其變為電流信
號傳送給接收機。
 最簡單的天線是雙極
式(dipole)天線。
雙極式(dipole)天線

31

張彥之教官

4.2.2.2 雷達波波套形成
 所謂雷達波波套(Loab)，指的是具有方向性
的電磁波束。
 將電磁波聚焦為波束，可以在相同電磁波
強度下，節省能量，以及確定能量方位。
 將電磁波形成波套，一般使用兩種方法：
 以天線將其他方向的電磁波反射，使其於某方
向形成波套
 使用電磁波干涉消長現象，使用相位差來形成
某方向的波套
32

張彥之教官

反射式天線 將能量聚焦成律定完整的波套
Main Lobe

Φ

Side Lobe
min overall coverage beam number = 360 / Θ
33

張彥之教官

相位式波套形成原理

34

張彥之教官

相位式波套形成原理(相位陣列雷達，PAR)

增強性干涉區

D

消減性干涉區

第4章 感測與偵測

4.2.3雷達大部組成
4.2.3.1 發射機
4.2.3.2 接收機
4.2.3.3 電源供應器
4.2.3.4 同步器及收發轉換器

36

4.2.3 雷達大部組成
同步器

發射機

收發轉
換器

電源

天線
複示器
37

張彥之教官

接收機

4.2.3.1 發射機 Transmitter
功能
產生電磁波並將其調變為脈波串
將發射信號功率提高至適當的大小，使其能提供
適當的偵測距離。

基本組件
磁控管 (magnetron)： 產生電磁微波的震

盪器(oscillator)
放大器 (amplifiers)： 將功率提高
38

張彥之教官

4.2.3.2 接收機 Receiver
功能
 感測 (Sense) 回波
 放大回波信號，供後續處理
及顯示

重要特性
 將回波信號由背景雜訊中分
辨出來的能力
 信號雜訊比＝信號功率/雜訊
功率
signal-to-noise ratio = S/N
Miss and FAR
39

張彥之教官

4.2.3.3 供電器 Power Supply
 功能：提供系統各種不同功率及電壓的電源
 在整個雷達系統之中，發射器 (transmitter) 是耗
電最多的組件：
 發射器將能量累積並提高，才能將其產生的脈波，在
經過遠距離的傳送後，仍具有可被感測到的能量。
 脈波中所發射出去的功率，稱為峰值功率 (peak
power)。 它較供應到發射器的平均功率要高出許多。

40

張彥之教官

4.2.3.4 同步器及收發轉換器
 同步器 (Synchronizer) :
同步器管制雷達各部件並為新脈波歸零計時器
 收發轉換器 (Duplexer) :
切換天線連接到發射機或接收機的切換開關
同步器發出
脈波起始信號
收發轉換器將天線接到
發射機

41

張彥之教官

同步器發出
脈波結束信號
收發轉換器將天線接到
接收機


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第4章

感測與偵測

4.1節
4.2節
4.3節
4.4節

1

波
雷達
聲納
光電

4.0 簡介
 偵測子系統（Sensors subsystem）是兵器
系統四大子系統中的第一個子系統，在整
個兵器系統中，扮演耳目的角色
 偵測子系統的功能
1. 「獲得目標資訊」
2. 提供「周遭環境狀況認知」，亦即所謂的「戰
場知覺」（battlespace awareness ）。

2

張彥之教官

4.0 簡介
 二種「獲得目標資訊」的方式
 主動式（偵測）：
發出信號，並接收該信號被目標反射回來的
回信，加以計算後獲得目標資訊
例如：雷達、聲納(主動模式)

 被動式（感測）：
不發射信號，直接接收週遭環境或目標所發
出的信號，來取得環境或目標資訊
例如：温度計、電視導引飛彈、水中聽音器

3

張彥之教官

4.0 簡介
提供「周遭環境狀況認知」的方式：
將偵測器所獲得的目標資訊，顯示在螢幕
上，提供周遭環境情形；有下列二種方式
1. 直接顯示單一偵測器所獲得之資訊
2. 整合顯示各類偵測器所獲得之資訊

二種基本資訊：位置、大小

4

張彥之教官

第4章

4.1 波
4.1.1 波的參數
4.1.2 波的行進
4.1.3 頻率域與時間域
4.1.4 電磁波

5

感測與偵測

4.1 波(Waves) 是能量在空間中擾動的傳遞

6

張彥之教官

4.1.1 波的參數 The Parameters of a Wave
正弦波 Sine Wave
y = Sin (x)

λ
A

1. 波長 (λ)：波形重複出現的距離
2. 振幅 (Α)：最大擾動值－平均擾動值
3. 相位 (Φorθ)：波起始時的角差
7

張彥之教官

相位 (Φorθ)：波起始時的樣態
上
比
下
超
前
90
度

8

張彥之教官

或落後270度

4.1.2 波的行進 Traveling waves





一個波行過所需的時間，稱為週期（T）
單位時間內行過的波數，稱為頻率（f）
頻率與週期互為倒數（f = 1/T）
波行進的速度（v）為一常數，但會因傳
遞時介質的不同而改變速度。
 fλ＝ c (頻率 × 波長＝波速)
 此稱「散射關係式」，波速根據頻率的高低改變
 光穿過三菱鏡時，因介質改變使各色光（頻率不
同）速度不同，各色光依此分開。

9

張彥之教官

4.1.2 波的行進 分光散射

由疏介質進入密介質，頻率較高的光產生較大的
速度改變，因而產生分光現象。

10

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域表示法

12

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域

頻率域較時間域簡單

13

張彥之教官

4.1.4 電磁波：電場與磁場擾動所生的能量波

14

張彥之教官

4.1.4.1 電磁波的傳遞





速度
球形波
平面波
反射：



入射角等於反射角
入射波與反射波之相
位相差 180 度

 具有折射、干涉、散
射之現象

15

張彥之教官

球形波

平面波

4.1.4.2 電磁波的干涉現象
 不同的電磁波可以無限制地相互「疊加」
 若相互疊加的不同電磁波具有相同頻率，
則會變成一個具有某種特定波形的波，這
種現象，稱為干涉(interference)現象
 干涉可能產生有下列二種效果：
 增強（constructive）
 消減（destructive）
 干涉的情形與其兩個波的相位有關

16

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波在大氣中的傳遞模式
 電磁波頻譜區分
 Low Frequency 低頻：30~300k Hz
 ELF(30-3000)、VLF、LF

 Medium Frequency 中頻：300k~3000k (3M)
 High Frequency 高頻：3M~300G
 HF、UHF、SHF、EHF

 地波(Ground wave)、天波(Sky wave)

17

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波對人體有沒有影響？





20

曾有研究指出電磁場會影響人體健康
微波爐的發明—美國海軍的雷達實驗
微波爐使用 2450 兆赫電磁波
現行大哥大是 900 與 1800 兆赫

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2 雷達
4.2.1 雷達基本原理
4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.3 雷達大部組成

21

4.2 雷達 RADAR
雷達是什麼？可由其英文名稱來暸解
RADAR 是 RAdio Detection And Ranging
的縮寫，而中文的雷達，是該縮寫的直接音譯
Radio：指電磁波。
大部分的雷達，使用波長 1 ~ 300厘米，亦即頻率
1~300 GHz 的電磁波。
電磁波波長可介於 10-6 到 107 米（公尺）

22

張彥之教官

4.2 雷達 RADAR
Detection : 偵知。
指藉由接收物體反射回來的電磁波，來偵知物體
的存在
Ranging : 測距。
計算發波與回波的時間間隔，即可得知物體與我
之間的距離 R = cΔt/2。

雷達，若以意譯，則為電磁波偵知測距儀

23

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.1 雷達基本原理
4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
4.2.1.2 脈波雷達參數
4.2.1.3 脈波雷達效能

24

4.2.1 雷達基本原理

25

張彥之教官

4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
 脈波，指間歇性的波。
 脈波可以是有規律的，例如每隔 X 時間，有 Y
時間的波動出現。
 而此 Y 時間的波動，又可以有自己的頻率和持
續時間。

 電磁波的脈波型式，是雷達偵測的基礎。
 它可以很明確地計算出發射信號與反射信號間
的時間差，進而計算目標的距離

26

張彥之教官

4.2.1.2 脈波雷達參數

 PRT (脈波來復時) : 每隔多少時間會有一個脈波。
 PRF (脈波來復頻) : 脈波出現的頻率，亦即單位時
間內有幾個脈波，PRF = 1/PRT
 PW (脈 波 寛 度) : 指脈波中，波動持續的時間
 RT (停 止 時 間) : 指脈波中，沒有波動的時間
 RF (發 射 頻 率) : 指波動的頻率
27

張彥之教官

4.2.1.3 脈波雷達效能
脈波寬度(PW)的影響
距離解析力： RRES = c PW/2
偵測最近距： RMIN = c PW/2

脈波來復時(PRT)的影響
最遠可偵距離, RUNAMB = c PRT/2 = c/(2PRF).
Rotation Rate 旋轉率

28

張彥之教官

最遠可偵距 Maximum Range
真實距離 Unambiguous Range

29

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.2.1 天線
4.2.2.2 雷達波波套形成

30

4.2.2.1 天線
 天線的功用是將流於
其上的電流隅合成電
磁波發送出去，或是
應空間中電磁波的改
變，將其變為電流信
號傳送給接收機。
 最簡單的天線是雙極
式(dipole)天線。
雙極式(dipole)天線

31

張彥之教官

4.2.2.2 雷達波波套形成
 所謂雷達波波套(Loab)，指的是具有方向性
的電磁波束。
 將電磁波聚焦為波束，可以在相同電磁波
強度下，節省能量，以及確定能量方位。
 將電磁波形成波套，一般使用兩種方法：
 以天線將其他方向的電磁波反射，使其於某方
向形成波套
 使用電磁波干涉消長現象，使用相位差來形成
某方向的波套
32

張彥之教官

反射式天線 將能量聚焦成律定完整的波套
Main Lobe

Φ

Side Lobe
min overall coverage beam number = 360 / Θ
33

張彥之教官

相位式波套形成原理

34

張彥之教官

相位式波套形成原理(相位陣列雷達，PAR)

增強性干涉區

D

消減性干涉區

第4章 感測與偵測

4.2.3雷達大部組成
4.2.3.1 發射機
4.2.3.2 接收機
4.2.3.3 電源供應器
4.2.3.4 同步器及收發轉換器

36

4.2.3 雷達大部組成
同步器

發射機

收發轉
換器

電源

天線
複示器
37

張彥之教官

接收機

4.2.3.1 發射機 Transmitter
功能
產生電磁波並將其調變為脈波串
將發射信號功率提高至適當的大小，使其能提供
適當的偵測距離。

基本組件
磁控管 (magnetron)： 產生電磁微波的震

盪器(oscillator)
放大器 (amplifiers)： 將功率提高
38

張彥之教官

4.2.3.2 接收機 Receiver
功能
 感測 (Sense) 回波
 放大回波信號，供後續處理
及顯示

重要特性
 將回波信號由背景雜訊中分
辨出來的能力
 信號雜訊比＝信號功率/雜訊
功率
signal-to-noise ratio = S/N
Miss and FAR
39

張彥之教官

4.2.3.3 供電器 Power Supply
 功能：提供系統各種不同功率及電壓的電源
 在整個雷達系統之中，發射器 (transmitter) 是耗
電最多的組件：
 發射器將能量累積並提高，才能將其產生的脈波，在
經過遠距離的傳送後，仍具有可被感測到的能量。
 脈波中所發射出去的功率，稱為峰值功率 (peak
power)。 它較供應到發射器的平均功率要高出許多。

40

張彥之教官

4.2.3.4 同步器及收發轉換器
 同步器 (Synchronizer) :
同步器管制雷達各部件並為新脈波歸零計時器
 收發轉換器 (Duplexer) :
切換天線連接到發射機或接收機的切換開關
同步器發出
脈波起始信號
收發轉換器將天線接到
發射機

41

張彥之教官

同步器發出
脈波結束信號
收發轉換器將天線接到
接收機


Slide 8

第4章

感測與偵測

4.1節
4.2節
4.3節
4.4節

1

波
雷達
聲納
光電

4.0 簡介
 偵測子系統（Sensors subsystem）是兵器
系統四大子系統中的第一個子系統，在整
個兵器系統中，扮演耳目的角色
 偵測子系統的功能
1. 「獲得目標資訊」
2. 提供「周遭環境狀況認知」，亦即所謂的「戰
場知覺」（battlespace awareness ）。

2

張彥之教官

4.0 簡介
 二種「獲得目標資訊」的方式
 主動式（偵測）：
發出信號，並接收該信號被目標反射回來的
回信，加以計算後獲得目標資訊
例如：雷達、聲納(主動模式)

 被動式（感測）：
不發射信號，直接接收週遭環境或目標所發
出的信號，來取得環境或目標資訊
例如：温度計、電視導引飛彈、水中聽音器

3

張彥之教官

4.0 簡介
提供「周遭環境狀況認知」的方式：
將偵測器所獲得的目標資訊，顯示在螢幕
上，提供周遭環境情形；有下列二種方式
1. 直接顯示單一偵測器所獲得之資訊
2. 整合顯示各類偵測器所獲得之資訊

二種基本資訊：位置、大小

4

張彥之教官

第4章

4.1 波
4.1.1 波的參數
4.1.2 波的行進
4.1.3 頻率域與時間域
4.1.4 電磁波

5

感測與偵測

4.1 波(Waves) 是能量在空間中擾動的傳遞

6

張彥之教官

4.1.1 波的參數 The Parameters of a Wave
正弦波 Sine Wave
y = Sin (x)

λ
A

1. 波長 (λ)：波形重複出現的距離
2. 振幅 (Α)：最大擾動值－平均擾動值
3. 相位 (Φorθ)：波起始時的角差
7

張彥之教官

相位 (Φorθ)：波起始時的樣態
上
比
下
超
前
90
度

8

張彥之教官

或落後270度

4.1.2 波的行進 Traveling waves





一個波行過所需的時間，稱為週期（T）
單位時間內行過的波數，稱為頻率（f）
頻率與週期互為倒數（f = 1/T）
波行進的速度（v）為一常數，但會因傳
遞時介質的不同而改變速度。
 fλ＝ c (頻率 × 波長＝波速)
 此稱「散射關係式」，波速根據頻率的高低改變
 光穿過三菱鏡時，因介質改變使各色光（頻率不
同）速度不同，各色光依此分開。

9

張彥之教官

4.1.2 波的行進 分光散射

由疏介質進入密介質，頻率較高的光產生較大的
速度改變，因而產生分光現象。

10

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域表示法

12

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域

頻率域較時間域簡單

13

張彥之教官

4.1.4 電磁波：電場與磁場擾動所生的能量波

14

張彥之教官

4.1.4.1 電磁波的傳遞





速度
球形波
平面波
反射：



入射角等於反射角
入射波與反射波之相
位相差 180 度

 具有折射、干涉、散
射之現象

15

張彥之教官

球形波

平面波

4.1.4.2 電磁波的干涉現象
 不同的電磁波可以無限制地相互「疊加」
 若相互疊加的不同電磁波具有相同頻率，
則會變成一個具有某種特定波形的波，這
種現象，稱為干涉(interference)現象
 干涉可能產生有下列二種效果：
 增強（constructive）
 消減（destructive）
 干涉的情形與其兩個波的相位有關

16

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波在大氣中的傳遞模式
 電磁波頻譜區分
 Low Frequency 低頻：30~300k Hz
 ELF(30-3000)、VLF、LF

 Medium Frequency 中頻：300k~3000k (3M)
 High Frequency 高頻：3M~300G
 HF、UHF、SHF、EHF

 地波(Ground wave)、天波(Sky wave)

17

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波對人體有沒有影響？





20

曾有研究指出電磁場會影響人體健康
微波爐的發明—美國海軍的雷達實驗
微波爐使用 2450 兆赫電磁波
現行大哥大是 900 與 1800 兆赫

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2 雷達
4.2.1 雷達基本原理
4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.3 雷達大部組成

21

4.2 雷達 RADAR
雷達是什麼？可由其英文名稱來暸解
RADAR 是 RAdio Detection And Ranging
的縮寫，而中文的雷達，是該縮寫的直接音譯
Radio：指電磁波。
大部分的雷達，使用波長 1 ~ 300厘米，亦即頻率
1~300 GHz 的電磁波。
電磁波波長可介於 10-6 到 107 米（公尺）

22

張彥之教官

4.2 雷達 RADAR
Detection : 偵知。
指藉由接收物體反射回來的電磁波，來偵知物體
的存在
Ranging : 測距。
計算發波與回波的時間間隔，即可得知物體與我
之間的距離 R = cΔt/2。

雷達，若以意譯，則為電磁波偵知測距儀

23

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.1 雷達基本原理
4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
4.2.1.2 脈波雷達參數
4.2.1.3 脈波雷達效能

24

4.2.1 雷達基本原理

25

張彥之教官

4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
 脈波，指間歇性的波。
 脈波可以是有規律的，例如每隔 X 時間，有 Y
時間的波動出現。
 而此 Y 時間的波動，又可以有自己的頻率和持
續時間。

 電磁波的脈波型式，是雷達偵測的基礎。
 它可以很明確地計算出發射信號與反射信號間
的時間差，進而計算目標的距離

26

張彥之教官

4.2.1.2 脈波雷達參數

 PRT (脈波來復時) : 每隔多少時間會有一個脈波。
 PRF (脈波來復頻) : 脈波出現的頻率，亦即單位時
間內有幾個脈波，PRF = 1/PRT
 PW (脈 波 寛 度) : 指脈波中，波動持續的時間
 RT (停 止 時 間) : 指脈波中，沒有波動的時間
 RF (發 射 頻 率) : 指波動的頻率
27

張彥之教官

4.2.1.3 脈波雷達效能
脈波寬度(PW)的影響
距離解析力： RRES = c PW/2
偵測最近距： RMIN = c PW/2

脈波來復時(PRT)的影響
最遠可偵距離, RUNAMB = c PRT/2 = c/(2PRF).
Rotation Rate 旋轉率

28

張彥之教官

最遠可偵距 Maximum Range
真實距離 Unambiguous Range

29

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.2.1 天線
4.2.2.2 雷達波波套形成

30

4.2.2.1 天線
 天線的功用是將流於
其上的電流隅合成電
磁波發送出去，或是
應空間中電磁波的改
變，將其變為電流信
號傳送給接收機。
 最簡單的天線是雙極
式(dipole)天線。
雙極式(dipole)天線

31

張彥之教官

4.2.2.2 雷達波波套形成
 所謂雷達波波套(Loab)，指的是具有方向性
的電磁波束。
 將電磁波聚焦為波束，可以在相同電磁波
強度下，節省能量，以及確定能量方位。
 將電磁波形成波套，一般使用兩種方法：
 以天線將其他方向的電磁波反射，使其於某方
向形成波套
 使用電磁波干涉消長現象，使用相位差來形成
某方向的波套
32

張彥之教官

反射式天線 將能量聚焦成律定完整的波套
Main Lobe

Φ

Side Lobe
min overall coverage beam number = 360 / Θ
33

張彥之教官

相位式波套形成原理

34

張彥之教官

相位式波套形成原理(相位陣列雷達，PAR)

增強性干涉區

D

消減性干涉區

第4章 感測與偵測

4.2.3雷達大部組成
4.2.3.1 發射機
4.2.3.2 接收機
4.2.3.3 電源供應器
4.2.3.4 同步器及收發轉換器

36

4.2.3 雷達大部組成
同步器

發射機

收發轉
換器

電源

天線
複示器
37

張彥之教官

接收機

4.2.3.1 發射機 Transmitter
功能
產生電磁波並將其調變為脈波串
將發射信號功率提高至適當的大小，使其能提供
適當的偵測距離。

基本組件
磁控管 (magnetron)： 產生電磁微波的震

盪器(oscillator)
放大器 (amplifiers)： 將功率提高
38

張彥之教官

4.2.3.2 接收機 Receiver
功能
 感測 (Sense) 回波
 放大回波信號，供後續處理
及顯示

重要特性
 將回波信號由背景雜訊中分
辨出來的能力
 信號雜訊比＝信號功率/雜訊
功率
signal-to-noise ratio = S/N
Miss and FAR
39

張彥之教官

4.2.3.3 供電器 Power Supply
 功能：提供系統各種不同功率及電壓的電源
 在整個雷達系統之中，發射器 (transmitter) 是耗
電最多的組件：
 發射器將能量累積並提高，才能將其產生的脈波，在
經過遠距離的傳送後，仍具有可被感測到的能量。
 脈波中所發射出去的功率，稱為峰值功率 (peak
power)。 它較供應到發射器的平均功率要高出許多。

40

張彥之教官

4.2.3.4 同步器及收發轉換器
 同步器 (Synchronizer) :
同步器管制雷達各部件並為新脈波歸零計時器
 收發轉換器 (Duplexer) :
切換天線連接到發射機或接收機的切換開關
同步器發出
脈波起始信號
收發轉換器將天線接到
發射機

41

張彥之教官

同步器發出
脈波結束信號
收發轉換器將天線接到
接收機


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第4章

感測與偵測

4.1節
4.2節
4.3節
4.4節

1

波
雷達
聲納
光電

4.0 簡介
 偵測子系統（Sensors subsystem）是兵器
系統四大子系統中的第一個子系統，在整
個兵器系統中，扮演耳目的角色
 偵測子系統的功能
1. 「獲得目標資訊」
2. 提供「周遭環境狀況認知」，亦即所謂的「戰
場知覺」（battlespace awareness ）。

2

張彥之教官

4.0 簡介
 二種「獲得目標資訊」的方式
 主動式（偵測）：
發出信號，並接收該信號被目標反射回來的
回信，加以計算後獲得目標資訊
例如：雷達、聲納(主動模式)

 被動式（感測）：
不發射信號，直接接收週遭環境或目標所發
出的信號，來取得環境或目標資訊
例如：温度計、電視導引飛彈、水中聽音器

3

張彥之教官

4.0 簡介
提供「周遭環境狀況認知」的方式：
將偵測器所獲得的目標資訊，顯示在螢幕
上，提供周遭環境情形；有下列二種方式
1. 直接顯示單一偵測器所獲得之資訊
2. 整合顯示各類偵測器所獲得之資訊

二種基本資訊：位置、大小

4

張彥之教官

第4章

4.1 波
4.1.1 波的參數
4.1.2 波的行進
4.1.3 頻率域與時間域
4.1.4 電磁波

5

感測與偵測

4.1 波(Waves) 是能量在空間中擾動的傳遞

6

張彥之教官

4.1.1 波的參數 The Parameters of a Wave
正弦波 Sine Wave
y = Sin (x)

λ
A

1. 波長 (λ)：波形重複出現的距離
2. 振幅 (Α)：最大擾動值－平均擾動值
3. 相位 (Φorθ)：波起始時的角差
7

張彥之教官

相位 (Φorθ)：波起始時的樣態
上
比
下
超
前
90
度

8

張彥之教官

或落後270度

4.1.2 波的行進 Traveling waves





一個波行過所需的時間，稱為週期（T）
單位時間內行過的波數，稱為頻率（f）
頻率與週期互為倒數（f = 1/T）
波行進的速度（v）為一常數，但會因傳
遞時介質的不同而改變速度。
 fλ＝ c (頻率 × 波長＝波速)
 此稱「散射關係式」，波速根據頻率的高低改變
 光穿過三菱鏡時，因介質改變使各色光（頻率不
同）速度不同，各色光依此分開。

9

張彥之教官

4.1.2 波的行進 分光散射

由疏介質進入密介質，頻率較高的光產生較大的
速度改變，因而產生分光現象。

10

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域表示法

12

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域

頻率域較時間域簡單

13

張彥之教官

4.1.4 電磁波：電場與磁場擾動所生的能量波

14

張彥之教官

4.1.4.1 電磁波的傳遞





速度
球形波
平面波
反射：



入射角等於反射角
入射波與反射波之相
位相差 180 度

 具有折射、干涉、散
射之現象

15

張彥之教官

球形波

平面波

4.1.4.2 電磁波的干涉現象
 不同的電磁波可以無限制地相互「疊加」
 若相互疊加的不同電磁波具有相同頻率，
則會變成一個具有某種特定波形的波，這
種現象，稱為干涉(interference)現象
 干涉可能產生有下列二種效果：
 增強（constructive）
 消減（destructive）
 干涉的情形與其兩個波的相位有關

16

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波在大氣中的傳遞模式
 電磁波頻譜區分
 Low Frequency 低頻：30~300k Hz
 ELF(30-3000)、VLF、LF

 Medium Frequency 中頻：300k~3000k (3M)
 High Frequency 高頻：3M~300G
 HF、UHF、SHF、EHF

 地波(Ground wave)、天波(Sky wave)

17

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波對人體有沒有影響？





20

曾有研究指出電磁場會影響人體健康
微波爐的發明—美國海軍的雷達實驗
微波爐使用 2450 兆赫電磁波
現行大哥大是 900 與 1800 兆赫

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2 雷達
4.2.1 雷達基本原理
4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.3 雷達大部組成

21

4.2 雷達 RADAR
雷達是什麼？可由其英文名稱來暸解
RADAR 是 RAdio Detection And Ranging
的縮寫，而中文的雷達，是該縮寫的直接音譯
Radio：指電磁波。
大部分的雷達，使用波長 1 ~ 300厘米，亦即頻率
1~300 GHz 的電磁波。
電磁波波長可介於 10-6 到 107 米（公尺）

22

張彥之教官

4.2 雷達 RADAR
Detection : 偵知。
指藉由接收物體反射回來的電磁波，來偵知物體
的存在
Ranging : 測距。
計算發波與回波的時間間隔，即可得知物體與我
之間的距離 R = cΔt/2。

雷達，若以意譯，則為電磁波偵知測距儀

23

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.1 雷達基本原理
4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
4.2.1.2 脈波雷達參數
4.2.1.3 脈波雷達效能

24

4.2.1 雷達基本原理

25

張彥之教官

4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
 脈波，指間歇性的波。
 脈波可以是有規律的，例如每隔 X 時間，有 Y
時間的波動出現。
 而此 Y 時間的波動，又可以有自己的頻率和持
續時間。

 電磁波的脈波型式，是雷達偵測的基礎。
 它可以很明確地計算出發射信號與反射信號間
的時間差，進而計算目標的距離

26

張彥之教官

4.2.1.2 脈波雷達參數

 PRT (脈波來復時) : 每隔多少時間會有一個脈波。
 PRF (脈波來復頻) : 脈波出現的頻率，亦即單位時
間內有幾個脈波，PRF = 1/PRT
 PW (脈 波 寛 度) : 指脈波中，波動持續的時間
 RT (停 止 時 間) : 指脈波中，沒有波動的時間
 RF (發 射 頻 率) : 指波動的頻率
27

張彥之教官

4.2.1.3 脈波雷達效能
脈波寬度(PW)的影響
距離解析力： RRES = c PW/2
偵測最近距： RMIN = c PW/2

脈波來復時(PRT)的影響
最遠可偵距離, RUNAMB = c PRT/2 = c/(2PRF).
Rotation Rate 旋轉率

28

張彥之教官

最遠可偵距 Maximum Range
真實距離 Unambiguous Range

29

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.2.1 天線
4.2.2.2 雷達波波套形成

30

4.2.2.1 天線
 天線的功用是將流於
其上的電流隅合成電
磁波發送出去，或是
應空間中電磁波的改
變，將其變為電流信
號傳送給接收機。
 最簡單的天線是雙極
式(dipole)天線。
雙極式(dipole)天線

31

張彥之教官

4.2.2.2 雷達波波套形成
 所謂雷達波波套(Loab)，指的是具有方向性
的電磁波束。
 將電磁波聚焦為波束，可以在相同電磁波
強度下，節省能量，以及確定能量方位。
 將電磁波形成波套，一般使用兩種方法：
 以天線將其他方向的電磁波反射，使其於某方
向形成波套
 使用電磁波干涉消長現象，使用相位差來形成
某方向的波套
32

張彥之教官

反射式天線 將能量聚焦成律定完整的波套
Main Lobe

Φ

Side Lobe
min overall coverage beam number = 360 / Θ
33

張彥之教官

相位式波套形成原理

34

張彥之教官

相位式波套形成原理(相位陣列雷達，PAR)

增強性干涉區

D

消減性干涉區

第4章 感測與偵測

4.2.3雷達大部組成
4.2.3.1 發射機
4.2.3.2 接收機
4.2.3.3 電源供應器
4.2.3.4 同步器及收發轉換器

36

4.2.3 雷達大部組成
同步器

發射機

收發轉
換器

電源

天線
複示器
37

張彥之教官

接收機

4.2.3.1 發射機 Transmitter
功能
產生電磁波並將其調變為脈波串
將發射信號功率提高至適當的大小，使其能提供
適當的偵測距離。

基本組件
磁控管 (magnetron)： 產生電磁微波的震

盪器(oscillator)
放大器 (amplifiers)： 將功率提高
38

張彥之教官

4.2.3.2 接收機 Receiver
功能
 感測 (Sense) 回波
 放大回波信號，供後續處理
及顯示

重要特性
 將回波信號由背景雜訊中分
辨出來的能力
 信號雜訊比＝信號功率/雜訊
功率
signal-to-noise ratio = S/N
Miss and FAR
39

張彥之教官

4.2.3.3 供電器 Power Supply
 功能：提供系統各種不同功率及電壓的電源
 在整個雷達系統之中，發射器 (transmitter) 是耗
電最多的組件：
 發射器將能量累積並提高，才能將其產生的脈波，在
經過遠距離的傳送後，仍具有可被感測到的能量。
 脈波中所發射出去的功率，稱為峰值功率 (peak
power)。 它較供應到發射器的平均功率要高出許多。

40

張彥之教官

4.2.3.4 同步器及收發轉換器
 同步器 (Synchronizer) :
同步器管制雷達各部件並為新脈波歸零計時器
 收發轉換器 (Duplexer) :
切換天線連接到發射機或接收機的切換開關
同步器發出
脈波起始信號
收發轉換器將天線接到
發射機

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張彥之教官

同步器發出
脈波結束信號
收發轉換器將天線接到
接收機


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第4章

感測與偵測

4.1節
4.2節
4.3節
4.4節

1

波
雷達
聲納
光電

4.0 簡介
 偵測子系統（Sensors subsystem）是兵器
系統四大子系統中的第一個子系統，在整
個兵器系統中，扮演耳目的角色
 偵測子系統的功能
1. 「獲得目標資訊」
2. 提供「周遭環境狀況認知」，亦即所謂的「戰
場知覺」（battlespace awareness ）。

2

張彥之教官

4.0 簡介
 二種「獲得目標資訊」的方式
 主動式（偵測）：
發出信號，並接收該信號被目標反射回來的
回信，加以計算後獲得目標資訊
例如：雷達、聲納(主動模式)

 被動式（感測）：
不發射信號，直接接收週遭環境或目標所發
出的信號，來取得環境或目標資訊
例如：温度計、電視導引飛彈、水中聽音器

3

張彥之教官

4.0 簡介
提供「周遭環境狀況認知」的方式：
將偵測器所獲得的目標資訊，顯示在螢幕
上，提供周遭環境情形；有下列二種方式
1. 直接顯示單一偵測器所獲得之資訊
2. 整合顯示各類偵測器所獲得之資訊

二種基本資訊：位置、大小

4

張彥之教官

第4章

4.1 波
4.1.1 波的參數
4.1.2 波的行進
4.1.3 頻率域與時間域
4.1.4 電磁波

5

感測與偵測

4.1 波(Waves) 是能量在空間中擾動的傳遞

6

張彥之教官

4.1.1 波的參數 The Parameters of a Wave
正弦波 Sine Wave
y = Sin (x)

λ
A

1. 波長 (λ)：波形重複出現的距離
2. 振幅 (Α)：最大擾動值－平均擾動值
3. 相位 (Φorθ)：波起始時的角差
7

張彥之教官

相位 (Φorθ)：波起始時的樣態
上
比
下
超
前
90
度

8

張彥之教官

或落後270度

4.1.2 波的行進 Traveling waves





一個波行過所需的時間，稱為週期（T）
單位時間內行過的波數，稱為頻率（f）
頻率與週期互為倒數（f = 1/T）
波行進的速度（v）為一常數，但會因傳
遞時介質的不同而改變速度。
 fλ＝ c (頻率 × 波長＝波速)
 此稱「散射關係式」，波速根據頻率的高低改變
 光穿過三菱鏡時，因介質改變使各色光（頻率不
同）速度不同，各色光依此分開。

9

張彥之教官

4.1.2 波的行進 分光散射

由疏介質進入密介質，頻率較高的光產生較大的
速度改變，因而產生分光現象。

10

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域表示法

12

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域

頻率域較時間域簡單

13

張彥之教官

4.1.4 電磁波：電場與磁場擾動所生的能量波

14

張彥之教官

4.1.4.1 電磁波的傳遞





速度
球形波
平面波
反射：



入射角等於反射角
入射波與反射波之相
位相差 180 度

 具有折射、干涉、散
射之現象

15

張彥之教官

球形波

平面波

4.1.4.2 電磁波的干涉現象
 不同的電磁波可以無限制地相互「疊加」
 若相互疊加的不同電磁波具有相同頻率，
則會變成一個具有某種特定波形的波，這
種現象，稱為干涉(interference)現象
 干涉可能產生有下列二種效果：
 增強（constructive）
 消減（destructive）
 干涉的情形與其兩個波的相位有關

16

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波在大氣中的傳遞模式
 電磁波頻譜區分
 Low Frequency 低頻：30~300k Hz
 ELF(30-3000)、VLF、LF

 Medium Frequency 中頻：300k~3000k (3M)
 High Frequency 高頻：3M~300G
 HF、UHF、SHF、EHF

 地波(Ground wave)、天波(Sky wave)

17

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波對人體有沒有影響？





20

曾有研究指出電磁場會影響人體健康
微波爐的發明—美國海軍的雷達實驗
微波爐使用 2450 兆赫電磁波
現行大哥大是 900 與 1800 兆赫

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2 雷達
4.2.1 雷達基本原理
4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.3 雷達大部組成

21

4.2 雷達 RADAR
雷達是什麼？可由其英文名稱來暸解
RADAR 是 RAdio Detection And Ranging
的縮寫，而中文的雷達，是該縮寫的直接音譯
Radio：指電磁波。
大部分的雷達，使用波長 1 ~ 300厘米，亦即頻率
1~300 GHz 的電磁波。
電磁波波長可介於 10-6 到 107 米（公尺）

22

張彥之教官

4.2 雷達 RADAR
Detection : 偵知。
指藉由接收物體反射回來的電磁波，來偵知物體
的存在
Ranging : 測距。
計算發波與回波的時間間隔，即可得知物體與我
之間的距離 R = cΔt/2。

雷達，若以意譯，則為電磁波偵知測距儀

23

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.1 雷達基本原理
4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
4.2.1.2 脈波雷達參數
4.2.1.3 脈波雷達效能

24

4.2.1 雷達基本原理

25

張彥之教官

4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
 脈波，指間歇性的波。
 脈波可以是有規律的，例如每隔 X 時間，有 Y
時間的波動出現。
 而此 Y 時間的波動，又可以有自己的頻率和持
續時間。

 電磁波的脈波型式，是雷達偵測的基礎。
 它可以很明確地計算出發射信號與反射信號間
的時間差，進而計算目標的距離

26

張彥之教官

4.2.1.2 脈波雷達參數

 PRT (脈波來復時) : 每隔多少時間會有一個脈波。
 PRF (脈波來復頻) : 脈波出現的頻率，亦即單位時
間內有幾個脈波，PRF = 1/PRT
 PW (脈 波 寛 度) : 指脈波中，波動持續的時間
 RT (停 止 時 間) : 指脈波中，沒有波動的時間
 RF (發 射 頻 率) : 指波動的頻率
27

張彥之教官

4.2.1.3 脈波雷達效能
脈波寬度(PW)的影響
距離解析力： RRES = c PW/2
偵測最近距： RMIN = c PW/2

脈波來復時(PRT)的影響
最遠可偵距離, RUNAMB = c PRT/2 = c/(2PRF).
Rotation Rate 旋轉率

28

張彥之教官

最遠可偵距 Maximum Range
真實距離 Unambiguous Range

29

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.2.1 天線
4.2.2.2 雷達波波套形成

30

4.2.2.1 天線
 天線的功用是將流於
其上的電流隅合成電
磁波發送出去，或是
應空間中電磁波的改
變，將其變為電流信
號傳送給接收機。
 最簡單的天線是雙極
式(dipole)天線。
雙極式(dipole)天線

31

張彥之教官

4.2.2.2 雷達波波套形成
 所謂雷達波波套(Loab)，指的是具有方向性
的電磁波束。
 將電磁波聚焦為波束，可以在相同電磁波
強度下，節省能量，以及確定能量方位。
 將電磁波形成波套，一般使用兩種方法：
 以天線將其他方向的電磁波反射，使其於某方
向形成波套
 使用電磁波干涉消長現象，使用相位差來形成
某方向的波套
32

張彥之教官

反射式天線 將能量聚焦成律定完整的波套
Main Lobe

Φ

Side Lobe
min overall coverage beam number = 360 / Θ
33

張彥之教官

相位式波套形成原理

34

張彥之教官

相位式波套形成原理(相位陣列雷達，PAR)

增強性干涉區

D

消減性干涉區

第4章 感測與偵測

4.2.3雷達大部組成
4.2.3.1 發射機
4.2.3.2 接收機
4.2.3.3 電源供應器
4.2.3.4 同步器及收發轉換器

36

4.2.3 雷達大部組成
同步器

發射機

收發轉
換器

電源

天線
複示器
37

張彥之教官

接收機

4.2.3.1 發射機 Transmitter
功能
產生電磁波並將其調變為脈波串
將發射信號功率提高至適當的大小，使其能提供
適當的偵測距離。

基本組件
磁控管 (magnetron)： 產生電磁微波的震

盪器(oscillator)
放大器 (amplifiers)： 將功率提高
38

張彥之教官

4.2.3.2 接收機 Receiver
功能
 感測 (Sense) 回波
 放大回波信號，供後續處理
及顯示

重要特性
 將回波信號由背景雜訊中分
辨出來的能力
 信號雜訊比＝信號功率/雜訊
功率
signal-to-noise ratio = S/N
Miss and FAR
39

張彥之教官

4.2.3.3 供電器 Power Supply
 功能：提供系統各種不同功率及電壓的電源
 在整個雷達系統之中，發射器 (transmitter) 是耗
電最多的組件：
 發射器將能量累積並提高，才能將其產生的脈波，在
經過遠距離的傳送後，仍具有可被感測到的能量。
 脈波中所發射出去的功率，稱為峰值功率 (peak
power)。 它較供應到發射器的平均功率要高出許多。

40

張彥之教官

4.2.3.4 同步器及收發轉換器
 同步器 (Synchronizer) :
同步器管制雷達各部件並為新脈波歸零計時器
 收發轉換器 (Duplexer) :
切換天線連接到發射機或接收機的切換開關
同步器發出
脈波起始信號
收發轉換器將天線接到
發射機

41

張彥之教官

同步器發出
脈波結束信號
收發轉換器將天線接到
接收機


Slide 11

第4章

感測與偵測

4.1節
4.2節
4.3節
4.4節

1

波
雷達
聲納
光電

4.0 簡介
 偵測子系統（Sensors subsystem）是兵器
系統四大子系統中的第一個子系統，在整
個兵器系統中，扮演耳目的角色
 偵測子系統的功能
1. 「獲得目標資訊」
2. 提供「周遭環境狀況認知」，亦即所謂的「戰
場知覺」（battlespace awareness ）。

2

張彥之教官

4.0 簡介
 二種「獲得目標資訊」的方式
 主動式（偵測）：
發出信號，並接收該信號被目標反射回來的
回信，加以計算後獲得目標資訊
例如：雷達、聲納(主動模式)

 被動式（感測）：
不發射信號，直接接收週遭環境或目標所發
出的信號，來取得環境或目標資訊
例如：温度計、電視導引飛彈、水中聽音器

3

張彥之教官

4.0 簡介
提供「周遭環境狀況認知」的方式：
將偵測器所獲得的目標資訊，顯示在螢幕
上，提供周遭環境情形；有下列二種方式
1. 直接顯示單一偵測器所獲得之資訊
2. 整合顯示各類偵測器所獲得之資訊

二種基本資訊：位置、大小

4

張彥之教官

第4章

4.1 波
4.1.1 波的參數
4.1.2 波的行進
4.1.3 頻率域與時間域
4.1.4 電磁波

5

感測與偵測

4.1 波(Waves) 是能量在空間中擾動的傳遞

6

張彥之教官

4.1.1 波的參數 The Parameters of a Wave
正弦波 Sine Wave
y = Sin (x)

λ
A

1. 波長 (λ)：波形重複出現的距離
2. 振幅 (Α)：最大擾動值－平均擾動值
3. 相位 (Φorθ)：波起始時的角差
7

張彥之教官

相位 (Φorθ)：波起始時的樣態
上
比
下
超
前
90
度

8

張彥之教官

或落後270度

4.1.2 波的行進 Traveling waves





一個波行過所需的時間，稱為週期（T）
單位時間內行過的波數，稱為頻率（f）
頻率與週期互為倒數（f = 1/T）
波行進的速度（v）為一常數，但會因傳
遞時介質的不同而改變速度。
 fλ＝ c (頻率 × 波長＝波速)
 此稱「散射關係式」，波速根據頻率的高低改變
 光穿過三菱鏡時，因介質改變使各色光（頻率不
同）速度不同，各色光依此分開。

9

張彥之教官

4.1.2 波的行進 分光散射

由疏介質進入密介質，頻率較高的光產生較大的
速度改變，因而產生分光現象。

10

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域表示法

12

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域

頻率域較時間域簡單

13

張彥之教官

4.1.4 電磁波：電場與磁場擾動所生的能量波

14

張彥之教官

4.1.4.1 電磁波的傳遞





速度
球形波
平面波
反射：



入射角等於反射角
入射波與反射波之相
位相差 180 度

 具有折射、干涉、散
射之現象

15

張彥之教官

球形波

平面波

4.1.4.2 電磁波的干涉現象
 不同的電磁波可以無限制地相互「疊加」
 若相互疊加的不同電磁波具有相同頻率，
則會變成一個具有某種特定波形的波，這
種現象，稱為干涉(interference)現象
 干涉可能產生有下列二種效果：
 增強（constructive）
 消減（destructive）
 干涉的情形與其兩個波的相位有關

16

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波在大氣中的傳遞模式
 電磁波頻譜區分
 Low Frequency 低頻：30~300k Hz
 ELF(30-3000)、VLF、LF

 Medium Frequency 中頻：300k~3000k (3M)
 High Frequency 高頻：3M~300G
 HF、UHF、SHF、EHF

 地波(Ground wave)、天波(Sky wave)

17

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波對人體有沒有影響？





20

曾有研究指出電磁場會影響人體健康
微波爐的發明—美國海軍的雷達實驗
微波爐使用 2450 兆赫電磁波
現行大哥大是 900 與 1800 兆赫

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2 雷達
4.2.1 雷達基本原理
4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.3 雷達大部組成

21

4.2 雷達 RADAR
雷達是什麼？可由其英文名稱來暸解
RADAR 是 RAdio Detection And Ranging
的縮寫，而中文的雷達，是該縮寫的直接音譯
Radio：指電磁波。
大部分的雷達，使用波長 1 ~ 300厘米，亦即頻率
1~300 GHz 的電磁波。
電磁波波長可介於 10-6 到 107 米（公尺）

22

張彥之教官

4.2 雷達 RADAR
Detection : 偵知。
指藉由接收物體反射回來的電磁波，來偵知物體
的存在
Ranging : 測距。
計算發波與回波的時間間隔，即可得知物體與我
之間的距離 R = cΔt/2。

雷達，若以意譯，則為電磁波偵知測距儀

23

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.1 雷達基本原理
4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
4.2.1.2 脈波雷達參數
4.2.1.3 脈波雷達效能

24

4.2.1 雷達基本原理

25

張彥之教官

4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
 脈波，指間歇性的波。
 脈波可以是有規律的，例如每隔 X 時間，有 Y
時間的波動出現。
 而此 Y 時間的波動，又可以有自己的頻率和持
續時間。

 電磁波的脈波型式，是雷達偵測的基礎。
 它可以很明確地計算出發射信號與反射信號間
的時間差，進而計算目標的距離

26

張彥之教官

4.2.1.2 脈波雷達參數

 PRT (脈波來復時) : 每隔多少時間會有一個脈波。
 PRF (脈波來復頻) : 脈波出現的頻率，亦即單位時
間內有幾個脈波，PRF = 1/PRT
 PW (脈 波 寛 度) : 指脈波中，波動持續的時間
 RT (停 止 時 間) : 指脈波中，沒有波動的時間
 RF (發 射 頻 率) : 指波動的頻率
27

張彥之教官

4.2.1.3 脈波雷達效能
脈波寬度(PW)的影響
距離解析力： RRES = c PW/2
偵測最近距： RMIN = c PW/2

脈波來復時(PRT)的影響
最遠可偵距離, RUNAMB = c PRT/2 = c/(2PRF).
Rotation Rate 旋轉率

28

張彥之教官

最遠可偵距 Maximum Range
真實距離 Unambiguous Range

29

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.2.1 天線
4.2.2.2 雷達波波套形成

30

4.2.2.1 天線
 天線的功用是將流於
其上的電流隅合成電
磁波發送出去，或是
應空間中電磁波的改
變，將其變為電流信
號傳送給接收機。
 最簡單的天線是雙極
式(dipole)天線。
雙極式(dipole)天線

31

張彥之教官

4.2.2.2 雷達波波套形成
 所謂雷達波波套(Loab)，指的是具有方向性
的電磁波束。
 將電磁波聚焦為波束，可以在相同電磁波
強度下，節省能量，以及確定能量方位。
 將電磁波形成波套，一般使用兩種方法：
 以天線將其他方向的電磁波反射，使其於某方
向形成波套
 使用電磁波干涉消長現象，使用相位差來形成
某方向的波套
32

張彥之教官

反射式天線 將能量聚焦成律定完整的波套
Main Lobe

Φ

Side Lobe
min overall coverage beam number = 360 / Θ
33

張彥之教官

相位式波套形成原理

34

張彥之教官

相位式波套形成原理(相位陣列雷達，PAR)

增強性干涉區

D

消減性干涉區

第4章 感測與偵測

4.2.3雷達大部組成
4.2.3.1 發射機
4.2.3.2 接收機
4.2.3.3 電源供應器
4.2.3.4 同步器及收發轉換器

36

4.2.3 雷達大部組成
同步器

發射機

收發轉
換器

電源

天線
複示器
37

張彥之教官

接收機

4.2.3.1 發射機 Transmitter
功能
產生電磁波並將其調變為脈波串
將發射信號功率提高至適當的大小，使其能提供
適當的偵測距離。

基本組件
磁控管 (magnetron)： 產生電磁微波的震

盪器(oscillator)
放大器 (amplifiers)： 將功率提高
38

張彥之教官

4.2.3.2 接收機 Receiver
功能
 感測 (Sense) 回波
 放大回波信號，供後續處理
及顯示

重要特性
 將回波信號由背景雜訊中分
辨出來的能力
 信號雜訊比＝信號功率/雜訊
功率
signal-to-noise ratio = S/N
Miss and FAR
39

張彥之教官

4.2.3.3 供電器 Power Supply
 功能：提供系統各種不同功率及電壓的電源
 在整個雷達系統之中，發射器 (transmitter) 是耗
電最多的組件：
 發射器將能量累積並提高，才能將其產生的脈波，在
經過遠距離的傳送後，仍具有可被感測到的能量。
 脈波中所發射出去的功率，稱為峰值功率 (peak
power)。 它較供應到發射器的平均功率要高出許多。

40

張彥之教官

4.2.3.4 同步器及收發轉換器
 同步器 (Synchronizer) :
同步器管制雷達各部件並為新脈波歸零計時器
 收發轉換器 (Duplexer) :
切換天線連接到發射機或接收機的切換開關
同步器發出
脈波起始信號
收發轉換器將天線接到
發射機

41

張彥之教官

同步器發出
脈波結束信號
收發轉換器將天線接到
接收機


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第4章

感測與偵測

4.1節
4.2節
4.3節
4.4節

1

波
雷達
聲納
光電

4.0 簡介
 偵測子系統（Sensors subsystem）是兵器
系統四大子系統中的第一個子系統，在整
個兵器系統中，扮演耳目的角色
 偵測子系統的功能
1. 「獲得目標資訊」
2. 提供「周遭環境狀況認知」，亦即所謂的「戰
場知覺」（battlespace awareness ）。

2

張彥之教官

4.0 簡介
 二種「獲得目標資訊」的方式
 主動式（偵測）：
發出信號，並接收該信號被目標反射回來的
回信，加以計算後獲得目標資訊
例如：雷達、聲納(主動模式)

 被動式（感測）：
不發射信號，直接接收週遭環境或目標所發
出的信號，來取得環境或目標資訊
例如：温度計、電視導引飛彈、水中聽音器

3

張彥之教官

4.0 簡介
提供「周遭環境狀況認知」的方式：
將偵測器所獲得的目標資訊，顯示在螢幕
上，提供周遭環境情形；有下列二種方式
1. 直接顯示單一偵測器所獲得之資訊
2. 整合顯示各類偵測器所獲得之資訊

二種基本資訊：位置、大小

4

張彥之教官

第4章

4.1 波
4.1.1 波的參數
4.1.2 波的行進
4.1.3 頻率域與時間域
4.1.4 電磁波

5

感測與偵測

4.1 波(Waves) 是能量在空間中擾動的傳遞

6

張彥之教官

4.1.1 波的參數 The Parameters of a Wave
正弦波 Sine Wave
y = Sin (x)

λ
A

1. 波長 (λ)：波形重複出現的距離
2. 振幅 (Α)：最大擾動值－平均擾動值
3. 相位 (Φorθ)：波起始時的角差
7

張彥之教官

相位 (Φorθ)：波起始時的樣態
上
比
下
超
前
90
度

8

張彥之教官

或落後270度

4.1.2 波的行進 Traveling waves





一個波行過所需的時間，稱為週期（T）
單位時間內行過的波數，稱為頻率（f）
頻率與週期互為倒數（f = 1/T）
波行進的速度（v）為一常數，但會因傳
遞時介質的不同而改變速度。
 fλ＝ c (頻率 × 波長＝波速)
 此稱「散射關係式」，波速根據頻率的高低改變
 光穿過三菱鏡時，因介質改變使各色光（頻率不
同）速度不同，各色光依此分開。

9

張彥之教官

4.1.2 波的行進 分光散射

由疏介質進入密介質，頻率較高的光產生較大的
速度改變，因而產生分光現象。

10

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域表示法

12

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域

頻率域較時間域簡單

13

張彥之教官

4.1.4 電磁波：電場與磁場擾動所生的能量波

14

張彥之教官

4.1.4.1 電磁波的傳遞





速度
球形波
平面波
反射：



入射角等於反射角
入射波與反射波之相
位相差 180 度

 具有折射、干涉、散
射之現象

15

張彥之教官

球形波

平面波

4.1.4.2 電磁波的干涉現象
 不同的電磁波可以無限制地相互「疊加」
 若相互疊加的不同電磁波具有相同頻率，
則會變成一個具有某種特定波形的波，這
種現象，稱為干涉(interference)現象
 干涉可能產生有下列二種效果：
 增強（constructive）
 消減（destructive）
 干涉的情形與其兩個波的相位有關

16

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波在大氣中的傳遞模式
 電磁波頻譜區分
 Low Frequency 低頻：30~300k Hz
 ELF(30-3000)、VLF、LF

 Medium Frequency 中頻：300k~3000k (3M)
 High Frequency 高頻：3M~300G
 HF、UHF、SHF、EHF

 地波(Ground wave)、天波(Sky wave)

17

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波對人體有沒有影響？





20

曾有研究指出電磁場會影響人體健康
微波爐的發明—美國海軍的雷達實驗
微波爐使用 2450 兆赫電磁波
現行大哥大是 900 與 1800 兆赫

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2 雷達
4.2.1 雷達基本原理
4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.3 雷達大部組成

21

4.2 雷達 RADAR
雷達是什麼？可由其英文名稱來暸解
RADAR 是 RAdio Detection And Ranging
的縮寫，而中文的雷達，是該縮寫的直接音譯
Radio：指電磁波。
大部分的雷達，使用波長 1 ~ 300厘米，亦即頻率
1~300 GHz 的電磁波。
電磁波波長可介於 10-6 到 107 米（公尺）

22

張彥之教官

4.2 雷達 RADAR
Detection : 偵知。
指藉由接收物體反射回來的電磁波，來偵知物體
的存在
Ranging : 測距。
計算發波與回波的時間間隔，即可得知物體與我
之間的距離 R = cΔt/2。

雷達，若以意譯，則為電磁波偵知測距儀

23

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.1 雷達基本原理
4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
4.2.1.2 脈波雷達參數
4.2.1.3 脈波雷達效能

24

4.2.1 雷達基本原理

25

張彥之教官

4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
 脈波，指間歇性的波。
 脈波可以是有規律的，例如每隔 X 時間，有 Y
時間的波動出現。
 而此 Y 時間的波動，又可以有自己的頻率和持
續時間。

 電磁波的脈波型式，是雷達偵測的基礎。
 它可以很明確地計算出發射信號與反射信號間
的時間差，進而計算目標的距離

26

張彥之教官

4.2.1.2 脈波雷達參數

 PRT (脈波來復時) : 每隔多少時間會有一個脈波。
 PRF (脈波來復頻) : 脈波出現的頻率，亦即單位時
間內有幾個脈波，PRF = 1/PRT
 PW (脈 波 寛 度) : 指脈波中，波動持續的時間
 RT (停 止 時 間) : 指脈波中，沒有波動的時間
 RF (發 射 頻 率) : 指波動的頻率
27

張彥之教官

4.2.1.3 脈波雷達效能
脈波寬度(PW)的影響
距離解析力： RRES = c PW/2
偵測最近距： RMIN = c PW/2

脈波來復時(PRT)的影響
最遠可偵距離, RUNAMB = c PRT/2 = c/(2PRF).
Rotation Rate 旋轉率

28

張彥之教官

最遠可偵距 Maximum Range
真實距離 Unambiguous Range

29

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.2.1 天線
4.2.2.2 雷達波波套形成

30

4.2.2.1 天線
 天線的功用是將流於
其上的電流隅合成電
磁波發送出去，或是
應空間中電磁波的改
變，將其變為電流信
號傳送給接收機。
 最簡單的天線是雙極
式(dipole)天線。
雙極式(dipole)天線

31

張彥之教官

4.2.2.2 雷達波波套形成
 所謂雷達波波套(Loab)，指的是具有方向性
的電磁波束。
 將電磁波聚焦為波束，可以在相同電磁波
強度下，節省能量，以及確定能量方位。
 將電磁波形成波套，一般使用兩種方法：
 以天線將其他方向的電磁波反射，使其於某方
向形成波套
 使用電磁波干涉消長現象，使用相位差來形成
某方向的波套
32

張彥之教官

反射式天線 將能量聚焦成律定完整的波套
Main Lobe

Φ

Side Lobe
min overall coverage beam number = 360 / Θ
33

張彥之教官

相位式波套形成原理

34

張彥之教官

相位式波套形成原理(相位陣列雷達，PAR)

增強性干涉區

D

消減性干涉區

第4章 感測與偵測

4.2.3雷達大部組成
4.2.3.1 發射機
4.2.3.2 接收機
4.2.3.3 電源供應器
4.2.3.4 同步器及收發轉換器

36

4.2.3 雷達大部組成
同步器

發射機

收發轉
換器

電源

天線
複示器
37

張彥之教官

接收機

4.2.3.1 發射機 Transmitter
功能
產生電磁波並將其調變為脈波串
將發射信號功率提高至適當的大小，使其能提供
適當的偵測距離。

基本組件
磁控管 (magnetron)： 產生電磁微波的震

盪器(oscillator)
放大器 (amplifiers)： 將功率提高
38

張彥之教官

4.2.3.2 接收機 Receiver
功能
 感測 (Sense) 回波
 放大回波信號，供後續處理
及顯示

重要特性
 將回波信號由背景雜訊中分
辨出來的能力
 信號雜訊比＝信號功率/雜訊
功率
signal-to-noise ratio = S/N
Miss and FAR
39

張彥之教官

4.2.3.3 供電器 Power Supply
 功能：提供系統各種不同功率及電壓的電源
 在整個雷達系統之中，發射器 (transmitter) 是耗
電最多的組件：
 發射器將能量累積並提高，才能將其產生的脈波，在
經過遠距離的傳送後，仍具有可被感測到的能量。
 脈波中所發射出去的功率，稱為峰值功率 (peak
power)。 它較供應到發射器的平均功率要高出許多。

40

張彥之教官

4.2.3.4 同步器及收發轉換器
 同步器 (Synchronizer) :
同步器管制雷達各部件並為新脈波歸零計時器
 收發轉換器 (Duplexer) :
切換天線連接到發射機或接收機的切換開關
同步器發出
脈波起始信號
收發轉換器將天線接到
發射機

41

張彥之教官

同步器發出
脈波結束信號
收發轉換器將天線接到
接收機


Slide 13

第4章

感測與偵測

4.1節
4.2節
4.3節
4.4節

1

波
雷達
聲納
光電

4.0 簡介
 偵測子系統（Sensors subsystem）是兵器
系統四大子系統中的第一個子系統，在整
個兵器系統中，扮演耳目的角色
 偵測子系統的功能
1. 「獲得目標資訊」
2. 提供「周遭環境狀況認知」，亦即所謂的「戰
場知覺」（battlespace awareness ）。

2

張彥之教官

4.0 簡介
 二種「獲得目標資訊」的方式
 主動式（偵測）：
發出信號，並接收該信號被目標反射回來的
回信，加以計算後獲得目標資訊
例如：雷達、聲納(主動模式)

 被動式（感測）：
不發射信號，直接接收週遭環境或目標所發
出的信號，來取得環境或目標資訊
例如：温度計、電視導引飛彈、水中聽音器

3

張彥之教官

4.0 簡介
提供「周遭環境狀況認知」的方式：
將偵測器所獲得的目標資訊，顯示在螢幕
上，提供周遭環境情形；有下列二種方式
1. 直接顯示單一偵測器所獲得之資訊
2. 整合顯示各類偵測器所獲得之資訊

二種基本資訊：位置、大小

4

張彥之教官

第4章

4.1 波
4.1.1 波的參數
4.1.2 波的行進
4.1.3 頻率域與時間域
4.1.4 電磁波

5

感測與偵測

4.1 波(Waves) 是能量在空間中擾動的傳遞

6

張彥之教官

4.1.1 波的參數 The Parameters of a Wave
正弦波 Sine Wave
y = Sin (x)

λ
A

1. 波長 (λ)：波形重複出現的距離
2. 振幅 (Α)：最大擾動值－平均擾動值
3. 相位 (Φorθ)：波起始時的角差
7

張彥之教官

相位 (Φorθ)：波起始時的樣態
上
比
下
超
前
90
度

8

張彥之教官

或落後270度

4.1.2 波的行進 Traveling waves





一個波行過所需的時間，稱為週期（T）
單位時間內行過的波數，稱為頻率（f）
頻率與週期互為倒數（f = 1/T）
波行進的速度（v）為一常數，但會因傳
遞時介質的不同而改變速度。
 fλ＝ c (頻率 × 波長＝波速)
 此稱「散射關係式」，波速根據頻率的高低改變
 光穿過三菱鏡時，因介質改變使各色光（頻率不
同）速度不同，各色光依此分開。

9

張彥之教官

4.1.2 波的行進 分光散射

由疏介質進入密介質，頻率較高的光產生較大的
速度改變，因而產生分光現象。

10

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域表示法

12

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域

頻率域較時間域簡單

13

張彥之教官

4.1.4 電磁波：電場與磁場擾動所生的能量波

14

張彥之教官

4.1.4.1 電磁波的傳遞





速度
球形波
平面波
反射：



入射角等於反射角
入射波與反射波之相
位相差 180 度

 具有折射、干涉、散
射之現象

15

張彥之教官

球形波

平面波

4.1.4.2 電磁波的干涉現象
 不同的電磁波可以無限制地相互「疊加」
 若相互疊加的不同電磁波具有相同頻率，
則會變成一個具有某種特定波形的波，這
種現象，稱為干涉(interference)現象
 干涉可能產生有下列二種效果：
 增強（constructive）
 消減（destructive）
 干涉的情形與其兩個波的相位有關

16

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波在大氣中的傳遞模式
 電磁波頻譜區分
 Low Frequency 低頻：30~300k Hz
 ELF(30-3000)、VLF、LF

 Medium Frequency 中頻：300k~3000k (3M)
 High Frequency 高頻：3M~300G
 HF、UHF、SHF、EHF

 地波(Ground wave)、天波(Sky wave)

17

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波對人體有沒有影響？





20

曾有研究指出電磁場會影響人體健康
微波爐的發明—美國海軍的雷達實驗
微波爐使用 2450 兆赫電磁波
現行大哥大是 900 與 1800 兆赫

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2 雷達
4.2.1 雷達基本原理
4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.3 雷達大部組成

21

4.2 雷達 RADAR
雷達是什麼？可由其英文名稱來暸解
RADAR 是 RAdio Detection And Ranging
的縮寫，而中文的雷達，是該縮寫的直接音譯
Radio：指電磁波。
大部分的雷達，使用波長 1 ~ 300厘米，亦即頻率
1~300 GHz 的電磁波。
電磁波波長可介於 10-6 到 107 米（公尺）

22

張彥之教官

4.2 雷達 RADAR
Detection : 偵知。
指藉由接收物體反射回來的電磁波，來偵知物體
的存在
Ranging : 測距。
計算發波與回波的時間間隔，即可得知物體與我
之間的距離 R = cΔt/2。

雷達，若以意譯，則為電磁波偵知測距儀

23

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.1 雷達基本原理
4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
4.2.1.2 脈波雷達參數
4.2.1.3 脈波雷達效能

24

4.2.1 雷達基本原理

25

張彥之教官

4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
 脈波，指間歇性的波。
 脈波可以是有規律的，例如每隔 X 時間，有 Y
時間的波動出現。
 而此 Y 時間的波動，又可以有自己的頻率和持
續時間。

 電磁波的脈波型式，是雷達偵測的基礎。
 它可以很明確地計算出發射信號與反射信號間
的時間差，進而計算目標的距離

26

張彥之教官

4.2.1.2 脈波雷達參數

 PRT (脈波來復時) : 每隔多少時間會有一個脈波。
 PRF (脈波來復頻) : 脈波出現的頻率，亦即單位時
間內有幾個脈波，PRF = 1/PRT
 PW (脈 波 寛 度) : 指脈波中，波動持續的時間
 RT (停 止 時 間) : 指脈波中，沒有波動的時間
 RF (發 射 頻 率) : 指波動的頻率
27

張彥之教官

4.2.1.3 脈波雷達效能
脈波寬度(PW)的影響
距離解析力： RRES = c PW/2
偵測最近距： RMIN = c PW/2

脈波來復時(PRT)的影響
最遠可偵距離, RUNAMB = c PRT/2 = c/(2PRF).
Rotation Rate 旋轉率

28

張彥之教官

最遠可偵距 Maximum Range
真實距離 Unambiguous Range

29

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.2.1 天線
4.2.2.2 雷達波波套形成

30

4.2.2.1 天線
 天線的功用是將流於
其上的電流隅合成電
磁波發送出去，或是
應空間中電磁波的改
變，將其變為電流信
號傳送給接收機。
 最簡單的天線是雙極
式(dipole)天線。
雙極式(dipole)天線

31

張彥之教官

4.2.2.2 雷達波波套形成
 所謂雷達波波套(Loab)，指的是具有方向性
的電磁波束。
 將電磁波聚焦為波束，可以在相同電磁波
強度下，節省能量，以及確定能量方位。
 將電磁波形成波套，一般使用兩種方法：
 以天線將其他方向的電磁波反射，使其於某方
向形成波套
 使用電磁波干涉消長現象，使用相位差來形成
某方向的波套
32

張彥之教官

反射式天線 將能量聚焦成律定完整的波套
Main Lobe

Φ

Side Lobe
min overall coverage beam number = 360 / Θ
33

張彥之教官

相位式波套形成原理

34

張彥之教官

相位式波套形成原理(相位陣列雷達，PAR)

增強性干涉區

D

消減性干涉區

第4章 感測與偵測

4.2.3雷達大部組成
4.2.3.1 發射機
4.2.3.2 接收機
4.2.3.3 電源供應器
4.2.3.4 同步器及收發轉換器

36

4.2.3 雷達大部組成
同步器

發射機

收發轉
換器

電源

天線
複示器
37

張彥之教官

接收機

4.2.3.1 發射機 Transmitter
功能
產生電磁波並將其調變為脈波串
將發射信號功率提高至適當的大小，使其能提供
適當的偵測距離。

基本組件
磁控管 (magnetron)： 產生電磁微波的震

盪器(oscillator)
放大器 (amplifiers)： 將功率提高
38

張彥之教官

4.2.3.2 接收機 Receiver
功能
 感測 (Sense) 回波
 放大回波信號，供後續處理
及顯示

重要特性
 將回波信號由背景雜訊中分
辨出來的能力
 信號雜訊比＝信號功率/雜訊
功率
signal-to-noise ratio = S/N
Miss and FAR
39

張彥之教官

4.2.3.3 供電器 Power Supply
 功能：提供系統各種不同功率及電壓的電源
 在整個雷達系統之中，發射器 (transmitter) 是耗
電最多的組件：
 發射器將能量累積並提高，才能將其產生的脈波，在
經過遠距離的傳送後，仍具有可被感測到的能量。
 脈波中所發射出去的功率，稱為峰值功率 (peak
power)。 它較供應到發射器的平均功率要高出許多。

40

張彥之教官

4.2.3.4 同步器及收發轉換器
 同步器 (Synchronizer) :
同步器管制雷達各部件並為新脈波歸零計時器
 收發轉換器 (Duplexer) :
切換天線連接到發射機或接收機的切換開關
同步器發出
脈波起始信號
收發轉換器將天線接到
發射機

41

張彥之教官

同步器發出
脈波結束信號
收發轉換器將天線接到
接收機


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第4章

感測與偵測

4.1節
4.2節
4.3節
4.4節

1

波
雷達
聲納
光電

4.0 簡介
 偵測子系統（Sensors subsystem）是兵器
系統四大子系統中的第一個子系統，在整
個兵器系統中，扮演耳目的角色
 偵測子系統的功能
1. 「獲得目標資訊」
2. 提供「周遭環境狀況認知」，亦即所謂的「戰
場知覺」（battlespace awareness ）。

2

張彥之教官

4.0 簡介
 二種「獲得目標資訊」的方式
 主動式（偵測）：
發出信號，並接收該信號被目標反射回來的
回信，加以計算後獲得目標資訊
例如：雷達、聲納(主動模式)

 被動式（感測）：
不發射信號，直接接收週遭環境或目標所發
出的信號，來取得環境或目標資訊
例如：温度計、電視導引飛彈、水中聽音器

3

張彥之教官

4.0 簡介
提供「周遭環境狀況認知」的方式：
將偵測器所獲得的目標資訊，顯示在螢幕
上，提供周遭環境情形；有下列二種方式
1. 直接顯示單一偵測器所獲得之資訊
2. 整合顯示各類偵測器所獲得之資訊

二種基本資訊：位置、大小

4

張彥之教官

第4章

4.1 波
4.1.1 波的參數
4.1.2 波的行進
4.1.3 頻率域與時間域
4.1.4 電磁波

5

感測與偵測

4.1 波(Waves) 是能量在空間中擾動的傳遞

6

張彥之教官

4.1.1 波的參數 The Parameters of a Wave
正弦波 Sine Wave
y = Sin (x)

λ
A

1. 波長 (λ)：波形重複出現的距離
2. 振幅 (Α)：最大擾動值－平均擾動值
3. 相位 (Φorθ)：波起始時的角差
7

張彥之教官

相位 (Φorθ)：波起始時的樣態
上
比
下
超
前
90
度

8

張彥之教官

或落後270度

4.1.2 波的行進 Traveling waves





一個波行過所需的時間，稱為週期（T）
單位時間內行過的波數，稱為頻率（f）
頻率與週期互為倒數（f = 1/T）
波行進的速度（v）為一常數，但會因傳
遞時介質的不同而改變速度。
 fλ＝ c (頻率 × 波長＝波速)
 此稱「散射關係式」，波速根據頻率的高低改變
 光穿過三菱鏡時，因介質改變使各色光（頻率不
同）速度不同，各色光依此分開。

9

張彥之教官

4.1.2 波的行進 分光散射

由疏介質進入密介質，頻率較高的光產生較大的
速度改變，因而產生分光現象。

10

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域表示法

12

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域

頻率域較時間域簡單

13

張彥之教官

4.1.4 電磁波：電場與磁場擾動所生的能量波

14

張彥之教官

4.1.4.1 電磁波的傳遞





速度
球形波
平面波
反射：



入射角等於反射角
入射波與反射波之相
位相差 180 度

 具有折射、干涉、散
射之現象

15

張彥之教官

球形波

平面波

4.1.4.2 電磁波的干涉現象
 不同的電磁波可以無限制地相互「疊加」
 若相互疊加的不同電磁波具有相同頻率，
則會變成一個具有某種特定波形的波，這
種現象，稱為干涉(interference)現象
 干涉可能產生有下列二種效果：
 增強（constructive）
 消減（destructive）
 干涉的情形與其兩個波的相位有關

16

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波在大氣中的傳遞模式
 電磁波頻譜區分
 Low Frequency 低頻：30~300k Hz
 ELF(30-3000)、VLF、LF

 Medium Frequency 中頻：300k~3000k (3M)
 High Frequency 高頻：3M~300G
 HF、UHF、SHF、EHF

 地波(Ground wave)、天波(Sky wave)

17

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波對人體有沒有影響？





20

曾有研究指出電磁場會影響人體健康
微波爐的發明—美國海軍的雷達實驗
微波爐使用 2450 兆赫電磁波
現行大哥大是 900 與 1800 兆赫

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2 雷達
4.2.1 雷達基本原理
4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.3 雷達大部組成

21

4.2 雷達 RADAR
雷達是什麼？可由其英文名稱來暸解
RADAR 是 RAdio Detection And Ranging
的縮寫，而中文的雷達，是該縮寫的直接音譯
Radio：指電磁波。
大部分的雷達，使用波長 1 ~ 300厘米，亦即頻率
1~300 GHz 的電磁波。
電磁波波長可介於 10-6 到 107 米（公尺）

22

張彥之教官

4.2 雷達 RADAR
Detection : 偵知。
指藉由接收物體反射回來的電磁波，來偵知物體
的存在
Ranging : 測距。
計算發波與回波的時間間隔，即可得知物體與我
之間的距離 R = cΔt/2。

雷達，若以意譯，則為電磁波偵知測距儀

23

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.1 雷達基本原理
4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
4.2.1.2 脈波雷達參數
4.2.1.3 脈波雷達效能

24

4.2.1 雷達基本原理

25

張彥之教官

4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
 脈波，指間歇性的波。
 脈波可以是有規律的，例如每隔 X 時間，有 Y
時間的波動出現。
 而此 Y 時間的波動，又可以有自己的頻率和持
續時間。

 電磁波的脈波型式，是雷達偵測的基礎。
 它可以很明確地計算出發射信號與反射信號間
的時間差，進而計算目標的距離

26

張彥之教官

4.2.1.2 脈波雷達參數

 PRT (脈波來復時) : 每隔多少時間會有一個脈波。
 PRF (脈波來復頻) : 脈波出現的頻率，亦即單位時
間內有幾個脈波，PRF = 1/PRT
 PW (脈 波 寛 度) : 指脈波中，波動持續的時間
 RT (停 止 時 間) : 指脈波中，沒有波動的時間
 RF (發 射 頻 率) : 指波動的頻率
27

張彥之教官

4.2.1.3 脈波雷達效能
脈波寬度(PW)的影響
距離解析力： RRES = c PW/2
偵測最近距： RMIN = c PW/2

脈波來復時(PRT)的影響
最遠可偵距離, RUNAMB = c PRT/2 = c/(2PRF).
Rotation Rate 旋轉率

28

張彥之教官

最遠可偵距 Maximum Range
真實距離 Unambiguous Range

29

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.2.1 天線
4.2.2.2 雷達波波套形成

30

4.2.2.1 天線
 天線的功用是將流於
其上的電流隅合成電
磁波發送出去，或是
應空間中電磁波的改
變，將其變為電流信
號傳送給接收機。
 最簡單的天線是雙極
式(dipole)天線。
雙極式(dipole)天線

31

張彥之教官

4.2.2.2 雷達波波套形成
 所謂雷達波波套(Loab)，指的是具有方向性
的電磁波束。
 將電磁波聚焦為波束，可以在相同電磁波
強度下，節省能量，以及確定能量方位。
 將電磁波形成波套，一般使用兩種方法：
 以天線將其他方向的電磁波反射，使其於某方
向形成波套
 使用電磁波干涉消長現象，使用相位差來形成
某方向的波套
32

張彥之教官

反射式天線 將能量聚焦成律定完整的波套
Main Lobe

Φ

Side Lobe
min overall coverage beam number = 360 / Θ
33

張彥之教官

相位式波套形成原理

34

張彥之教官

相位式波套形成原理(相位陣列雷達，PAR)

增強性干涉區

D

消減性干涉區

第4章 感測與偵測

4.2.3雷達大部組成
4.2.3.1 發射機
4.2.3.2 接收機
4.2.3.3 電源供應器
4.2.3.4 同步器及收發轉換器

36

4.2.3 雷達大部組成
同步器

發射機

收發轉
換器

電源

天線
複示器
37

張彥之教官

接收機

4.2.3.1 發射機 Transmitter
功能
產生電磁波並將其調變為脈波串
將發射信號功率提高至適當的大小，使其能提供
適當的偵測距離。

基本組件
磁控管 (magnetron)： 產生電磁微波的震

盪器(oscillator)
放大器 (amplifiers)： 將功率提高
38

張彥之教官

4.2.3.2 接收機 Receiver
功能
 感測 (Sense) 回波
 放大回波信號，供後續處理
及顯示

重要特性
 將回波信號由背景雜訊中分
辨出來的能力
 信號雜訊比＝信號功率/雜訊
功率
signal-to-noise ratio = S/N
Miss and FAR
39

張彥之教官

4.2.3.3 供電器 Power Supply
 功能：提供系統各種不同功率及電壓的電源
 在整個雷達系統之中，發射器 (transmitter) 是耗
電最多的組件：
 發射器將能量累積並提高，才能將其產生的脈波，在
經過遠距離的傳送後，仍具有可被感測到的能量。
 脈波中所發射出去的功率，稱為峰值功率 (peak
power)。 它較供應到發射器的平均功率要高出許多。

40

張彥之教官

4.2.3.4 同步器及收發轉換器
 同步器 (Synchronizer) :
同步器管制雷達各部件並為新脈波歸零計時器
 收發轉換器 (Duplexer) :
切換天線連接到發射機或接收機的切換開關
同步器發出
脈波起始信號
收發轉換器將天線接到
發射機

41

張彥之教官

同步器發出
脈波結束信號
收發轉換器將天線接到
接收機


Slide 15

第4章

感測與偵測

4.1節
4.2節
4.3節
4.4節

1

波
雷達
聲納
光電

4.0 簡介
 偵測子系統（Sensors subsystem）是兵器
系統四大子系統中的第一個子系統，在整
個兵器系統中，扮演耳目的角色
 偵測子系統的功能
1. 「獲得目標資訊」
2. 提供「周遭環境狀況認知」，亦即所謂的「戰
場知覺」（battlespace awareness ）。

2

張彥之教官

4.0 簡介
 二種「獲得目標資訊」的方式
 主動式（偵測）：
發出信號，並接收該信號被目標反射回來的
回信，加以計算後獲得目標資訊
例如：雷達、聲納(主動模式)

 被動式（感測）：
不發射信號，直接接收週遭環境或目標所發
出的信號，來取得環境或目標資訊
例如：温度計、電視導引飛彈、水中聽音器

3

張彥之教官

4.0 簡介
提供「周遭環境狀況認知」的方式：
將偵測器所獲得的目標資訊，顯示在螢幕
上，提供周遭環境情形；有下列二種方式
1. 直接顯示單一偵測器所獲得之資訊
2. 整合顯示各類偵測器所獲得之資訊

二種基本資訊：位置、大小

4

張彥之教官

第4章

4.1 波
4.1.1 波的參數
4.1.2 波的行進
4.1.3 頻率域與時間域
4.1.4 電磁波

5

感測與偵測

4.1 波(Waves) 是能量在空間中擾動的傳遞

6

張彥之教官

4.1.1 波的參數 The Parameters of a Wave
正弦波 Sine Wave
y = Sin (x)

λ
A

1. 波長 (λ)：波形重複出現的距離
2. 振幅 (Α)：最大擾動值－平均擾動值
3. 相位 (Φorθ)：波起始時的角差
7

張彥之教官

相位 (Φorθ)：波起始時的樣態
上
比
下
超
前
90
度

8

張彥之教官

或落後270度

4.1.2 波的行進 Traveling waves





一個波行過所需的時間，稱為週期（T）
單位時間內行過的波數，稱為頻率（f）
頻率與週期互為倒數（f = 1/T）
波行進的速度（v）為一常數，但會因傳
遞時介質的不同而改變速度。
 fλ＝ c (頻率 × 波長＝波速)
 此稱「散射關係式」，波速根據頻率的高低改變
 光穿過三菱鏡時，因介質改變使各色光（頻率不
同）速度不同，各色光依此分開。

9

張彥之教官

4.1.2 波的行進 分光散射

由疏介質進入密介質，頻率較高的光產生較大的
速度改變，因而產生分光現象。

10

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域表示法

12

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域

頻率域較時間域簡單

13

張彥之教官

4.1.4 電磁波：電場與磁場擾動所生的能量波

14

張彥之教官

4.1.4.1 電磁波的傳遞





速度
球形波
平面波
反射：



入射角等於反射角
入射波與反射波之相
位相差 180 度

 具有折射、干涉、散
射之現象

15

張彥之教官

球形波

平面波

4.1.4.2 電磁波的干涉現象
 不同的電磁波可以無限制地相互「疊加」
 若相互疊加的不同電磁波具有相同頻率，
則會變成一個具有某種特定波形的波，這
種現象，稱為干涉(interference)現象
 干涉可能產生有下列二種效果：
 增強（constructive）
 消減（destructive）
 干涉的情形與其兩個波的相位有關

16

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波在大氣中的傳遞模式
 電磁波頻譜區分
 Low Frequency 低頻：30~300k Hz
 ELF(30-3000)、VLF、LF

 Medium Frequency 中頻：300k~3000k (3M)
 High Frequency 高頻：3M~300G
 HF、UHF、SHF、EHF

 地波(Ground wave)、天波(Sky wave)

17

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波對人體有沒有影響？





20

曾有研究指出電磁場會影響人體健康
微波爐的發明—美國海軍的雷達實驗
微波爐使用 2450 兆赫電磁波
現行大哥大是 900 與 1800 兆赫

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2 雷達
4.2.1 雷達基本原理
4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.3 雷達大部組成

21

4.2 雷達 RADAR
雷達是什麼？可由其英文名稱來暸解
RADAR 是 RAdio Detection And Ranging
的縮寫，而中文的雷達，是該縮寫的直接音譯
Radio：指電磁波。
大部分的雷達，使用波長 1 ~ 300厘米，亦即頻率
1~300 GHz 的電磁波。
電磁波波長可介於 10-6 到 107 米（公尺）

22

張彥之教官

4.2 雷達 RADAR
Detection : 偵知。
指藉由接收物體反射回來的電磁波，來偵知物體
的存在
Ranging : 測距。
計算發波與回波的時間間隔，即可得知物體與我
之間的距離 R = cΔt/2。

雷達，若以意譯，則為電磁波偵知測距儀

23

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.1 雷達基本原理
4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
4.2.1.2 脈波雷達參數
4.2.1.3 脈波雷達效能

24

4.2.1 雷達基本原理

25

張彥之教官

4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
 脈波，指間歇性的波。
 脈波可以是有規律的，例如每隔 X 時間，有 Y
時間的波動出現。
 而此 Y 時間的波動，又可以有自己的頻率和持
續時間。

 電磁波的脈波型式，是雷達偵測的基礎。
 它可以很明確地計算出發射信號與反射信號間
的時間差，進而計算目標的距離

26

張彥之教官

4.2.1.2 脈波雷達參數

 PRT (脈波來復時) : 每隔多少時間會有一個脈波。
 PRF (脈波來復頻) : 脈波出現的頻率，亦即單位時
間內有幾個脈波，PRF = 1/PRT
 PW (脈 波 寛 度) : 指脈波中，波動持續的時間
 RT (停 止 時 間) : 指脈波中，沒有波動的時間
 RF (發 射 頻 率) : 指波動的頻率
27

張彥之教官

4.2.1.3 脈波雷達效能
脈波寬度(PW)的影響
距離解析力： RRES = c PW/2
偵測最近距： RMIN = c PW/2

脈波來復時(PRT)的影響
最遠可偵距離, RUNAMB = c PRT/2 = c/(2PRF).
Rotation Rate 旋轉率

28

張彥之教官

最遠可偵距 Maximum Range
真實距離 Unambiguous Range

29

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.2.1 天線
4.2.2.2 雷達波波套形成

30

4.2.2.1 天線
 天線的功用是將流於
其上的電流隅合成電
磁波發送出去，或是
應空間中電磁波的改
變，將其變為電流信
號傳送給接收機。
 最簡單的天線是雙極
式(dipole)天線。
雙極式(dipole)天線

31

張彥之教官

4.2.2.2 雷達波波套形成
 所謂雷達波波套(Loab)，指的是具有方向性
的電磁波束。
 將電磁波聚焦為波束，可以在相同電磁波
強度下，節省能量，以及確定能量方位。
 將電磁波形成波套，一般使用兩種方法：
 以天線將其他方向的電磁波反射，使其於某方
向形成波套
 使用電磁波干涉消長現象，使用相位差來形成
某方向的波套
32

張彥之教官

反射式天線 將能量聚焦成律定完整的波套
Main Lobe

Φ

Side Lobe
min overall coverage beam number = 360 / Θ
33

張彥之教官

相位式波套形成原理

34

張彥之教官

相位式波套形成原理(相位陣列雷達，PAR)

增強性干涉區

D

消減性干涉區

第4章 感測與偵測

4.2.3雷達大部組成
4.2.3.1 發射機
4.2.3.2 接收機
4.2.3.3 電源供應器
4.2.3.4 同步器及收發轉換器

36

4.2.3 雷達大部組成
同步器

發射機

收發轉
換器

電源

天線
複示器
37

張彥之教官

接收機

4.2.3.1 發射機 Transmitter
功能
產生電磁波並將其調變為脈波串
將發射信號功率提高至適當的大小，使其能提供
適當的偵測距離。

基本組件
磁控管 (magnetron)： 產生電磁微波的震

盪器(oscillator)
放大器 (amplifiers)： 將功率提高
38

張彥之教官

4.2.3.2 接收機 Receiver
功能
 感測 (Sense) 回波
 放大回波信號，供後續處理
及顯示

重要特性
 將回波信號由背景雜訊中分
辨出來的能力
 信號雜訊比＝信號功率/雜訊
功率
signal-to-noise ratio = S/N
Miss and FAR
39

張彥之教官

4.2.3.3 供電器 Power Supply
 功能：提供系統各種不同功率及電壓的電源
 在整個雷達系統之中，發射器 (transmitter) 是耗
電最多的組件：
 發射器將能量累積並提高，才能將其產生的脈波，在
經過遠距離的傳送後，仍具有可被感測到的能量。
 脈波中所發射出去的功率，稱為峰值功率 (peak
power)。 它較供應到發射器的平均功率要高出許多。

40

張彥之教官

4.2.3.4 同步器及收發轉換器
 同步器 (Synchronizer) :
同步器管制雷達各部件並為新脈波歸零計時器
 收發轉換器 (Duplexer) :
切換天線連接到發射機或接收機的切換開關
同步器發出
脈波起始信號
收發轉換器將天線接到
發射機

41

張彥之教官

同步器發出
脈波結束信號
收發轉換器將天線接到
接收機


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第4章

感測與偵測

4.1節
4.2節
4.3節
4.4節

1

波
雷達
聲納
光電

4.0 簡介
 偵測子系統（Sensors subsystem）是兵器
系統四大子系統中的第一個子系統，在整
個兵器系統中，扮演耳目的角色
 偵測子系統的功能
1. 「獲得目標資訊」
2. 提供「周遭環境狀況認知」，亦即所謂的「戰
場知覺」（battlespace awareness ）。

2

張彥之教官

4.0 簡介
 二種「獲得目標資訊」的方式
 主動式（偵測）：
發出信號，並接收該信號被目標反射回來的
回信，加以計算後獲得目標資訊
例如：雷達、聲納(主動模式)

 被動式（感測）：
不發射信號，直接接收週遭環境或目標所發
出的信號，來取得環境或目標資訊
例如：温度計、電視導引飛彈、水中聽音器

3

張彥之教官

4.0 簡介
提供「周遭環境狀況認知」的方式：
將偵測器所獲得的目標資訊，顯示在螢幕
上，提供周遭環境情形；有下列二種方式
1. 直接顯示單一偵測器所獲得之資訊
2. 整合顯示各類偵測器所獲得之資訊

二種基本資訊：位置、大小

4

張彥之教官

第4章

4.1 波
4.1.1 波的參數
4.1.2 波的行進
4.1.3 頻率域與時間域
4.1.4 電磁波

5

感測與偵測

4.1 波(Waves) 是能量在空間中擾動的傳遞

6

張彥之教官

4.1.1 波的參數 The Parameters of a Wave
正弦波 Sine Wave
y = Sin (x)

λ
A

1. 波長 (λ)：波形重複出現的距離
2. 振幅 (Α)：最大擾動值－平均擾動值
3. 相位 (Φorθ)：波起始時的角差
7

張彥之教官

相位 (Φorθ)：波起始時的樣態
上
比
下
超
前
90
度

8

張彥之教官

或落後270度

4.1.2 波的行進 Traveling waves





一個波行過所需的時間，稱為週期（T）
單位時間內行過的波數，稱為頻率（f）
頻率與週期互為倒數（f = 1/T）
波行進的速度（v）為一常數，但會因傳
遞時介質的不同而改變速度。
 fλ＝ c (頻率 × 波長＝波速)
 此稱「散射關係式」，波速根據頻率的高低改變
 光穿過三菱鏡時，因介質改變使各色光（頻率不
同）速度不同，各色光依此分開。

9

張彥之教官

4.1.2 波的行進 分光散射

由疏介質進入密介質，頻率較高的光產生較大的
速度改變，因而產生分光現象。

10

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域表示法

12

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域

頻率域較時間域簡單

13

張彥之教官

4.1.4 電磁波：電場與磁場擾動所生的能量波

14

張彥之教官

4.1.4.1 電磁波的傳遞





速度
球形波
平面波
反射：



入射角等於反射角
入射波與反射波之相
位相差 180 度

 具有折射、干涉、散
射之現象

15

張彥之教官

球形波

平面波

4.1.4.2 電磁波的干涉現象
 不同的電磁波可以無限制地相互「疊加」
 若相互疊加的不同電磁波具有相同頻率，
則會變成一個具有某種特定波形的波，這
種現象，稱為干涉(interference)現象
 干涉可能產生有下列二種效果：
 增強（constructive）
 消減（destructive）
 干涉的情形與其兩個波的相位有關

16

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波在大氣中的傳遞模式
 電磁波頻譜區分
 Low Frequency 低頻：30~300k Hz
 ELF(30-3000)、VLF、LF

 Medium Frequency 中頻：300k~3000k (3M)
 High Frequency 高頻：3M~300G
 HF、UHF、SHF、EHF

 地波(Ground wave)、天波(Sky wave)

17

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波對人體有沒有影響？





20

曾有研究指出電磁場會影響人體健康
微波爐的發明—美國海軍的雷達實驗
微波爐使用 2450 兆赫電磁波
現行大哥大是 900 與 1800 兆赫

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2 雷達
4.2.1 雷達基本原理
4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.3 雷達大部組成

21

4.2 雷達 RADAR
雷達是什麼？可由其英文名稱來暸解
RADAR 是 RAdio Detection And Ranging
的縮寫，而中文的雷達，是該縮寫的直接音譯
Radio：指電磁波。
大部分的雷達，使用波長 1 ~ 300厘米，亦即頻率
1~300 GHz 的電磁波。
電磁波波長可介於 10-6 到 107 米（公尺）

22

張彥之教官

4.2 雷達 RADAR
Detection : 偵知。
指藉由接收物體反射回來的電磁波，來偵知物體
的存在
Ranging : 測距。
計算發波與回波的時間間隔，即可得知物體與我
之間的距離 R = cΔt/2。

雷達，若以意譯，則為電磁波偵知測距儀

23

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.1 雷達基本原理
4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
4.2.1.2 脈波雷達參數
4.2.1.3 脈波雷達效能

24

4.2.1 雷達基本原理

25

張彥之教官

4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
 脈波，指間歇性的波。
 脈波可以是有規律的，例如每隔 X 時間，有 Y
時間的波動出現。
 而此 Y 時間的波動，又可以有自己的頻率和持
續時間。

 電磁波的脈波型式，是雷達偵測的基礎。
 它可以很明確地計算出發射信號與反射信號間
的時間差，進而計算目標的距離

26

張彥之教官

4.2.1.2 脈波雷達參數

 PRT (脈波來復時) : 每隔多少時間會有一個脈波。
 PRF (脈波來復頻) : 脈波出現的頻率，亦即單位時
間內有幾個脈波，PRF = 1/PRT
 PW (脈 波 寛 度) : 指脈波中，波動持續的時間
 RT (停 止 時 間) : 指脈波中，沒有波動的時間
 RF (發 射 頻 率) : 指波動的頻率
27

張彥之教官

4.2.1.3 脈波雷達效能
脈波寬度(PW)的影響
距離解析力： RRES = c PW/2
偵測最近距： RMIN = c PW/2

脈波來復時(PRT)的影響
最遠可偵距離, RUNAMB = c PRT/2 = c/(2PRF).
Rotation Rate 旋轉率

28

張彥之教官

最遠可偵距 Maximum Range
真實距離 Unambiguous Range

29

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.2.1 天線
4.2.2.2 雷達波波套形成

30

4.2.2.1 天線
 天線的功用是將流於
其上的電流隅合成電
磁波發送出去，或是
應空間中電磁波的改
變，將其變為電流信
號傳送給接收機。
 最簡單的天線是雙極
式(dipole)天線。
雙極式(dipole)天線

31

張彥之教官

4.2.2.2 雷達波波套形成
 所謂雷達波波套(Loab)，指的是具有方向性
的電磁波束。
 將電磁波聚焦為波束，可以在相同電磁波
強度下，節省能量，以及確定能量方位。
 將電磁波形成波套，一般使用兩種方法：
 以天線將其他方向的電磁波反射，使其於某方
向形成波套
 使用電磁波干涉消長現象，使用相位差來形成
某方向的波套
32

張彥之教官

反射式天線 將能量聚焦成律定完整的波套
Main Lobe

Φ

Side Lobe
min overall coverage beam number = 360 / Θ
33

張彥之教官

相位式波套形成原理

34

張彥之教官

相位式波套形成原理(相位陣列雷達，PAR)

增強性干涉區

D

消減性干涉區

第4章 感測與偵測

4.2.3雷達大部組成
4.2.3.1 發射機
4.2.3.2 接收機
4.2.3.3 電源供應器
4.2.3.4 同步器及收發轉換器

36

4.2.3 雷達大部組成
同步器

發射機

收發轉
換器

電源

天線
複示器
37

張彥之教官

接收機

4.2.3.1 發射機 Transmitter
功能
產生電磁波並將其調變為脈波串
將發射信號功率提高至適當的大小，使其能提供
適當的偵測距離。

基本組件
磁控管 (magnetron)： 產生電磁微波的震

盪器(oscillator)
放大器 (amplifiers)： 將功率提高
38

張彥之教官

4.2.3.2 接收機 Receiver
功能
 感測 (Sense) 回波
 放大回波信號，供後續處理
及顯示

重要特性
 將回波信號由背景雜訊中分
辨出來的能力
 信號雜訊比＝信號功率/雜訊
功率
signal-to-noise ratio = S/N
Miss and FAR
39

張彥之教官

4.2.3.3 供電器 Power Supply
 功能：提供系統各種不同功率及電壓的電源
 在整個雷達系統之中，發射器 (transmitter) 是耗
電最多的組件：
 發射器將能量累積並提高，才能將其產生的脈波，在
經過遠距離的傳送後，仍具有可被感測到的能量。
 脈波中所發射出去的功率，稱為峰值功率 (peak
power)。 它較供應到發射器的平均功率要高出許多。

40

張彥之教官

4.2.3.4 同步器及收發轉換器
 同步器 (Synchronizer) :
同步器管制雷達各部件並為新脈波歸零計時器
 收發轉換器 (Duplexer) :
切換天線連接到發射機或接收機的切換開關
同步器發出
脈波起始信號
收發轉換器將天線接到
發射機

41

張彥之教官

同步器發出
脈波結束信號
收發轉換器將天線接到
接收機


Slide 17

第4章

感測與偵測

4.1節
4.2節
4.3節
4.4節

1

波
雷達
聲納
光電

4.0 簡介
 偵測子系統（Sensors subsystem）是兵器
系統四大子系統中的第一個子系統，在整
個兵器系統中，扮演耳目的角色
 偵測子系統的功能
1. 「獲得目標資訊」
2. 提供「周遭環境狀況認知」，亦即所謂的「戰
場知覺」（battlespace awareness ）。

2

張彥之教官

4.0 簡介
 二種「獲得目標資訊」的方式
 主動式（偵測）：
發出信號，並接收該信號被目標反射回來的
回信，加以計算後獲得目標資訊
例如：雷達、聲納(主動模式)

 被動式（感測）：
不發射信號，直接接收週遭環境或目標所發
出的信號，來取得環境或目標資訊
例如：温度計、電視導引飛彈、水中聽音器

3

張彥之教官

4.0 簡介
提供「周遭環境狀況認知」的方式：
將偵測器所獲得的目標資訊，顯示在螢幕
上，提供周遭環境情形；有下列二種方式
1. 直接顯示單一偵測器所獲得之資訊
2. 整合顯示各類偵測器所獲得之資訊

二種基本資訊：位置、大小

4

張彥之教官

第4章

4.1 波
4.1.1 波的參數
4.1.2 波的行進
4.1.3 頻率域與時間域
4.1.4 電磁波

5

感測與偵測

4.1 波(Waves) 是能量在空間中擾動的傳遞

6

張彥之教官

4.1.1 波的參數 The Parameters of a Wave
正弦波 Sine Wave
y = Sin (x)

λ
A

1. 波長 (λ)：波形重複出現的距離
2. 振幅 (Α)：最大擾動值－平均擾動值
3. 相位 (Φorθ)：波起始時的角差
7

張彥之教官

相位 (Φorθ)：波起始時的樣態
上
比
下
超
前
90
度

8

張彥之教官

或落後270度

4.1.2 波的行進 Traveling waves





一個波行過所需的時間，稱為週期（T）
單位時間內行過的波數，稱為頻率（f）
頻率與週期互為倒數（f = 1/T）
波行進的速度（v）為一常數，但會因傳
遞時介質的不同而改變速度。
 fλ＝ c (頻率 × 波長＝波速)
 此稱「散射關係式」，波速根據頻率的高低改變
 光穿過三菱鏡時，因介質改變使各色光（頻率不
同）速度不同，各色光依此分開。

9

張彥之教官

4.1.2 波的行進 分光散射

由疏介質進入密介質，頻率較高的光產生較大的
速度改變，因而產生分光現象。

10

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域表示法

12

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域

頻率域較時間域簡單

13

張彥之教官

4.1.4 電磁波：電場與磁場擾動所生的能量波

14

張彥之教官

4.1.4.1 電磁波的傳遞





速度
球形波
平面波
反射：



入射角等於反射角
入射波與反射波之相
位相差 180 度

 具有折射、干涉、散
射之現象

15

張彥之教官

球形波

平面波

4.1.4.2 電磁波的干涉現象
 不同的電磁波可以無限制地相互「疊加」
 若相互疊加的不同電磁波具有相同頻率，
則會變成一個具有某種特定波形的波，這
種現象，稱為干涉(interference)現象
 干涉可能產生有下列二種效果：
 增強（constructive）
 消減（destructive）
 干涉的情形與其兩個波的相位有關

16

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波在大氣中的傳遞模式
 電磁波頻譜區分
 Low Frequency 低頻：30~300k Hz
 ELF(30-3000)、VLF、LF

 Medium Frequency 中頻：300k~3000k (3M)
 High Frequency 高頻：3M~300G
 HF、UHF、SHF、EHF

 地波(Ground wave)、天波(Sky wave)

17

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波對人體有沒有影響？





20

曾有研究指出電磁場會影響人體健康
微波爐的發明—美國海軍的雷達實驗
微波爐使用 2450 兆赫電磁波
現行大哥大是 900 與 1800 兆赫

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2 雷達
4.2.1 雷達基本原理
4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.3 雷達大部組成

21

4.2 雷達 RADAR
雷達是什麼？可由其英文名稱來暸解
RADAR 是 RAdio Detection And Ranging
的縮寫，而中文的雷達，是該縮寫的直接音譯
Radio：指電磁波。
大部分的雷達，使用波長 1 ~ 300厘米，亦即頻率
1~300 GHz 的電磁波。
電磁波波長可介於 10-6 到 107 米（公尺）

22

張彥之教官

4.2 雷達 RADAR
Detection : 偵知。
指藉由接收物體反射回來的電磁波，來偵知物體
的存在
Ranging : 測距。
計算發波與回波的時間間隔，即可得知物體與我
之間的距離 R = cΔt/2。

雷達，若以意譯，則為電磁波偵知測距儀

23

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.1 雷達基本原理
4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
4.2.1.2 脈波雷達參數
4.2.1.3 脈波雷達效能

24

4.2.1 雷達基本原理

25

張彥之教官

4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
 脈波，指間歇性的波。
 脈波可以是有規律的，例如每隔 X 時間，有 Y
時間的波動出現。
 而此 Y 時間的波動，又可以有自己的頻率和持
續時間。

 電磁波的脈波型式，是雷達偵測的基礎。
 它可以很明確地計算出發射信號與反射信號間
的時間差，進而計算目標的距離

26

張彥之教官

4.2.1.2 脈波雷達參數

 PRT (脈波來復時) : 每隔多少時間會有一個脈波。
 PRF (脈波來復頻) : 脈波出現的頻率，亦即單位時
間內有幾個脈波，PRF = 1/PRT
 PW (脈 波 寛 度) : 指脈波中，波動持續的時間
 RT (停 止 時 間) : 指脈波中，沒有波動的時間
 RF (發 射 頻 率) : 指波動的頻率
27

張彥之教官

4.2.1.3 脈波雷達效能
脈波寬度(PW)的影響
距離解析力： RRES = c PW/2
偵測最近距： RMIN = c PW/2

脈波來復時(PRT)的影響
最遠可偵距離, RUNAMB = c PRT/2 = c/(2PRF).
Rotation Rate 旋轉率

28

張彥之教官

最遠可偵距 Maximum Range
真實距離 Unambiguous Range

29

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.2.1 天線
4.2.2.2 雷達波波套形成

30

4.2.2.1 天線
 天線的功用是將流於
其上的電流隅合成電
磁波發送出去，或是
應空間中電磁波的改
變，將其變為電流信
號傳送給接收機。
 最簡單的天線是雙極
式(dipole)天線。
雙極式(dipole)天線

31

張彥之教官

4.2.2.2 雷達波波套形成
 所謂雷達波波套(Loab)，指的是具有方向性
的電磁波束。
 將電磁波聚焦為波束，可以在相同電磁波
強度下，節省能量，以及確定能量方位。
 將電磁波形成波套，一般使用兩種方法：
 以天線將其他方向的電磁波反射，使其於某方
向形成波套
 使用電磁波干涉消長現象，使用相位差來形成
某方向的波套
32

張彥之教官

反射式天線 將能量聚焦成律定完整的波套
Main Lobe

Φ

Side Lobe
min overall coverage beam number = 360 / Θ
33

張彥之教官

相位式波套形成原理

34

張彥之教官

相位式波套形成原理(相位陣列雷達，PAR)

增強性干涉區

D

消減性干涉區

第4章 感測與偵測

4.2.3雷達大部組成
4.2.3.1 發射機
4.2.3.2 接收機
4.2.3.3 電源供應器
4.2.3.4 同步器及收發轉換器

36

4.2.3 雷達大部組成
同步器

發射機

收發轉
換器

電源

天線
複示器
37

張彥之教官

接收機

4.2.3.1 發射機 Transmitter
功能
產生電磁波並將其調變為脈波串
將發射信號功率提高至適當的大小，使其能提供
適當的偵測距離。

基本組件
磁控管 (magnetron)： 產生電磁微波的震

盪器(oscillator)
放大器 (amplifiers)： 將功率提高
38

張彥之教官

4.2.3.2 接收機 Receiver
功能
 感測 (Sense) 回波
 放大回波信號，供後續處理
及顯示

重要特性
 將回波信號由背景雜訊中分
辨出來的能力
 信號雜訊比＝信號功率/雜訊
功率
signal-to-noise ratio = S/N
Miss and FAR
39

張彥之教官

4.2.3.3 供電器 Power Supply
 功能：提供系統各種不同功率及電壓的電源
 在整個雷達系統之中，發射器 (transmitter) 是耗
電最多的組件：
 發射器將能量累積並提高，才能將其產生的脈波，在
經過遠距離的傳送後，仍具有可被感測到的能量。
 脈波中所發射出去的功率，稱為峰值功率 (peak
power)。 它較供應到發射器的平均功率要高出許多。

40

張彥之教官

4.2.3.4 同步器及收發轉換器
 同步器 (Synchronizer) :
同步器管制雷達各部件並為新脈波歸零計時器
 收發轉換器 (Duplexer) :
切換天線連接到發射機或接收機的切換開關
同步器發出
脈波起始信號
收發轉換器將天線接到
發射機

41

張彥之教官

同步器發出
脈波結束信號
收發轉換器將天線接到
接收機


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第4章

感測與偵測

4.1節
4.2節
4.3節
4.4節

1

波
雷達
聲納
光電

4.0 簡介
 偵測子系統（Sensors subsystem）是兵器
系統四大子系統中的第一個子系統，在整
個兵器系統中，扮演耳目的角色
 偵測子系統的功能
1. 「獲得目標資訊」
2. 提供「周遭環境狀況認知」，亦即所謂的「戰
場知覺」（battlespace awareness ）。

2

張彥之教官

4.0 簡介
 二種「獲得目標資訊」的方式
 主動式（偵測）：
發出信號，並接收該信號被目標反射回來的
回信，加以計算後獲得目標資訊
例如：雷達、聲納(主動模式)

 被動式（感測）：
不發射信號，直接接收週遭環境或目標所發
出的信號，來取得環境或目標資訊
例如：温度計、電視導引飛彈、水中聽音器

3

張彥之教官

4.0 簡介
提供「周遭環境狀況認知」的方式：
將偵測器所獲得的目標資訊，顯示在螢幕
上，提供周遭環境情形；有下列二種方式
1. 直接顯示單一偵測器所獲得之資訊
2. 整合顯示各類偵測器所獲得之資訊

二種基本資訊：位置、大小

4

張彥之教官

第4章

4.1 波
4.1.1 波的參數
4.1.2 波的行進
4.1.3 頻率域與時間域
4.1.4 電磁波

5

感測與偵測

4.1 波(Waves) 是能量在空間中擾動的傳遞

6

張彥之教官

4.1.1 波的參數 The Parameters of a Wave
正弦波 Sine Wave
y = Sin (x)

λ
A

1. 波長 (λ)：波形重複出現的距離
2. 振幅 (Α)：最大擾動值－平均擾動值
3. 相位 (Φorθ)：波起始時的角差
7

張彥之教官

相位 (Φorθ)：波起始時的樣態
上
比
下
超
前
90
度

8

張彥之教官

或落後270度

4.1.2 波的行進 Traveling waves





一個波行過所需的時間，稱為週期（T）
單位時間內行過的波數，稱為頻率（f）
頻率與週期互為倒數（f = 1/T）
波行進的速度（v）為一常數，但會因傳
遞時介質的不同而改變速度。
 fλ＝ c (頻率 × 波長＝波速)
 此稱「散射關係式」，波速根據頻率的高低改變
 光穿過三菱鏡時，因介質改變使各色光（頻率不
同）速度不同，各色光依此分開。

9

張彥之教官

4.1.2 波的行進 分光散射

由疏介質進入密介質，頻率較高的光產生較大的
速度改變，因而產生分光現象。

10

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域表示法

12

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域

頻率域較時間域簡單

13

張彥之教官

4.1.4 電磁波：電場與磁場擾動所生的能量波

14

張彥之教官

4.1.4.1 電磁波的傳遞





速度
球形波
平面波
反射：



入射角等於反射角
入射波與反射波之相
位相差 180 度

 具有折射、干涉、散
射之現象

15

張彥之教官

球形波

平面波

4.1.4.2 電磁波的干涉現象
 不同的電磁波可以無限制地相互「疊加」
 若相互疊加的不同電磁波具有相同頻率，
則會變成一個具有某種特定波形的波，這
種現象，稱為干涉(interference)現象
 干涉可能產生有下列二種效果：
 增強（constructive）
 消減（destructive）
 干涉的情形與其兩個波的相位有關

16

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波在大氣中的傳遞模式
 電磁波頻譜區分
 Low Frequency 低頻：30~300k Hz
 ELF(30-3000)、VLF、LF

 Medium Frequency 中頻：300k~3000k (3M)
 High Frequency 高頻：3M~300G
 HF、UHF、SHF、EHF

 地波(Ground wave)、天波(Sky wave)

17

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波對人體有沒有影響？





20

曾有研究指出電磁場會影響人體健康
微波爐的發明—美國海軍的雷達實驗
微波爐使用 2450 兆赫電磁波
現行大哥大是 900 與 1800 兆赫

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2 雷達
4.2.1 雷達基本原理
4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.3 雷達大部組成

21

4.2 雷達 RADAR
雷達是什麼？可由其英文名稱來暸解
RADAR 是 RAdio Detection And Ranging
的縮寫，而中文的雷達，是該縮寫的直接音譯
Radio：指電磁波。
大部分的雷達，使用波長 1 ~ 300厘米，亦即頻率
1~300 GHz 的電磁波。
電磁波波長可介於 10-6 到 107 米（公尺）

22

張彥之教官

4.2 雷達 RADAR
Detection : 偵知。
指藉由接收物體反射回來的電磁波，來偵知物體
的存在
Ranging : 測距。
計算發波與回波的時間間隔，即可得知物體與我
之間的距離 R = cΔt/2。

雷達，若以意譯，則為電磁波偵知測距儀

23

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.1 雷達基本原理
4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
4.2.1.2 脈波雷達參數
4.2.1.3 脈波雷達效能

24

4.2.1 雷達基本原理

25

張彥之教官

4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
 脈波，指間歇性的波。
 脈波可以是有規律的，例如每隔 X 時間，有 Y
時間的波動出現。
 而此 Y 時間的波動，又可以有自己的頻率和持
續時間。

 電磁波的脈波型式，是雷達偵測的基礎。
 它可以很明確地計算出發射信號與反射信號間
的時間差，進而計算目標的距離

26

張彥之教官

4.2.1.2 脈波雷達參數

 PRT (脈波來復時) : 每隔多少時間會有一個脈波。
 PRF (脈波來復頻) : 脈波出現的頻率，亦即單位時
間內有幾個脈波，PRF = 1/PRT
 PW (脈 波 寛 度) : 指脈波中，波動持續的時間
 RT (停 止 時 間) : 指脈波中，沒有波動的時間
 RF (發 射 頻 率) : 指波動的頻率
27

張彥之教官

4.2.1.3 脈波雷達效能
脈波寬度(PW)的影響
距離解析力： RRES = c PW/2
偵測最近距： RMIN = c PW/2

脈波來復時(PRT)的影響
最遠可偵距離, RUNAMB = c PRT/2 = c/(2PRF).
Rotation Rate 旋轉率

28

張彥之教官

最遠可偵距 Maximum Range
真實距離 Unambiguous Range

29

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.2.1 天線
4.2.2.2 雷達波波套形成

30

4.2.2.1 天線
 天線的功用是將流於
其上的電流隅合成電
磁波發送出去，或是
應空間中電磁波的改
變，將其變為電流信
號傳送給接收機。
 最簡單的天線是雙極
式(dipole)天線。
雙極式(dipole)天線

31

張彥之教官

4.2.2.2 雷達波波套形成
 所謂雷達波波套(Loab)，指的是具有方向性
的電磁波束。
 將電磁波聚焦為波束，可以在相同電磁波
強度下，節省能量，以及確定能量方位。
 將電磁波形成波套，一般使用兩種方法：
 以天線將其他方向的電磁波反射，使其於某方
向形成波套
 使用電磁波干涉消長現象，使用相位差來形成
某方向的波套
32

張彥之教官

反射式天線 將能量聚焦成律定完整的波套
Main Lobe

Φ

Side Lobe
min overall coverage beam number = 360 / Θ
33

張彥之教官

相位式波套形成原理

34

張彥之教官

相位式波套形成原理(相位陣列雷達，PAR)

增強性干涉區

D

消減性干涉區

第4章 感測與偵測

4.2.3雷達大部組成
4.2.3.1 發射機
4.2.3.2 接收機
4.2.3.3 電源供應器
4.2.3.4 同步器及收發轉換器

36

4.2.3 雷達大部組成
同步器

發射機

收發轉
換器

電源

天線
複示器
37

張彥之教官

接收機

4.2.3.1 發射機 Transmitter
功能
產生電磁波並將其調變為脈波串
將發射信號功率提高至適當的大小，使其能提供
適當的偵測距離。

基本組件
磁控管 (magnetron)： 產生電磁微波的震

盪器(oscillator)
放大器 (amplifiers)： 將功率提高
38

張彥之教官

4.2.3.2 接收機 Receiver
功能
 感測 (Sense) 回波
 放大回波信號，供後續處理
及顯示

重要特性
 將回波信號由背景雜訊中分
辨出來的能力
 信號雜訊比＝信號功率/雜訊
功率
signal-to-noise ratio = S/N
Miss and FAR
39

張彥之教官

4.2.3.3 供電器 Power Supply
 功能：提供系統各種不同功率及電壓的電源
 在整個雷達系統之中，發射器 (transmitter) 是耗
電最多的組件：
 發射器將能量累積並提高，才能將其產生的脈波，在
經過遠距離的傳送後，仍具有可被感測到的能量。
 脈波中所發射出去的功率，稱為峰值功率 (peak
power)。 它較供應到發射器的平均功率要高出許多。

40

張彥之教官

4.2.3.4 同步器及收發轉換器
 同步器 (Synchronizer) :
同步器管制雷達各部件並為新脈波歸零計時器
 收發轉換器 (Duplexer) :
切換天線連接到發射機或接收機的切換開關
同步器發出
脈波起始信號
收發轉換器將天線接到
發射機

41

張彥之教官

同步器發出
脈波結束信號
收發轉換器將天線接到
接收機


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第4章

感測與偵測

4.1節
4.2節
4.3節
4.4節

1

波
雷達
聲納
光電

4.0 簡介
 偵測子系統（Sensors subsystem）是兵器
系統四大子系統中的第一個子系統，在整
個兵器系統中，扮演耳目的角色
 偵測子系統的功能
1. 「獲得目標資訊」
2. 提供「周遭環境狀況認知」，亦即所謂的「戰
場知覺」（battlespace awareness ）。

2

張彥之教官

4.0 簡介
 二種「獲得目標資訊」的方式
 主動式（偵測）：
發出信號，並接收該信號被目標反射回來的
回信，加以計算後獲得目標資訊
例如：雷達、聲納(主動模式)

 被動式（感測）：
不發射信號，直接接收週遭環境或目標所發
出的信號，來取得環境或目標資訊
例如：温度計、電視導引飛彈、水中聽音器

3

張彥之教官

4.0 簡介
提供「周遭環境狀況認知」的方式：
將偵測器所獲得的目標資訊，顯示在螢幕
上，提供周遭環境情形；有下列二種方式
1. 直接顯示單一偵測器所獲得之資訊
2. 整合顯示各類偵測器所獲得之資訊

二種基本資訊：位置、大小

4

張彥之教官

第4章

4.1 波
4.1.1 波的參數
4.1.2 波的行進
4.1.3 頻率域與時間域
4.1.4 電磁波

5

感測與偵測

4.1 波(Waves) 是能量在空間中擾動的傳遞

6

張彥之教官

4.1.1 波的參數 The Parameters of a Wave
正弦波 Sine Wave
y = Sin (x)

λ
A

1. 波長 (λ)：波形重複出現的距離
2. 振幅 (Α)：最大擾動值－平均擾動值
3. 相位 (Φorθ)：波起始時的角差
7

張彥之教官

相位 (Φorθ)：波起始時的樣態
上
比
下
超
前
90
度

8

張彥之教官

或落後270度

4.1.2 波的行進 Traveling waves





一個波行過所需的時間，稱為週期（T）
單位時間內行過的波數，稱為頻率（f）
頻率與週期互為倒數（f = 1/T）
波行進的速度（v）為一常數，但會因傳
遞時介質的不同而改變速度。
 fλ＝ c (頻率 × 波長＝波速)
 此稱「散射關係式」，波速根據頻率的高低改變
 光穿過三菱鏡時，因介質改變使各色光（頻率不
同）速度不同，各色光依此分開。

9

張彥之教官

4.1.2 波的行進 分光散射

由疏介質進入密介質，頻率較高的光產生較大的
速度改變，因而產生分光現象。

10

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域表示法

12

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域

頻率域較時間域簡單

13

張彥之教官

4.1.4 電磁波：電場與磁場擾動所生的能量波

14

張彥之教官

4.1.4.1 電磁波的傳遞





速度
球形波
平面波
反射：



入射角等於反射角
入射波與反射波之相
位相差 180 度

 具有折射、干涉、散
射之現象

15

張彥之教官

球形波

平面波

4.1.4.2 電磁波的干涉現象
 不同的電磁波可以無限制地相互「疊加」
 若相互疊加的不同電磁波具有相同頻率，
則會變成一個具有某種特定波形的波，這
種現象，稱為干涉(interference)現象
 干涉可能產生有下列二種效果：
 增強（constructive）
 消減（destructive）
 干涉的情形與其兩個波的相位有關

16

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波在大氣中的傳遞模式
 電磁波頻譜區分
 Low Frequency 低頻：30~300k Hz
 ELF(30-3000)、VLF、LF

 Medium Frequency 中頻：300k~3000k (3M)
 High Frequency 高頻：3M~300G
 HF、UHF、SHF、EHF

 地波(Ground wave)、天波(Sky wave)

17

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波對人體有沒有影響？





20

曾有研究指出電磁場會影響人體健康
微波爐的發明—美國海軍的雷達實驗
微波爐使用 2450 兆赫電磁波
現行大哥大是 900 與 1800 兆赫

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2 雷達
4.2.1 雷達基本原理
4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.3 雷達大部組成

21

4.2 雷達 RADAR
雷達是什麼？可由其英文名稱來暸解
RADAR 是 RAdio Detection And Ranging
的縮寫，而中文的雷達，是該縮寫的直接音譯
Radio：指電磁波。
大部分的雷達，使用波長 1 ~ 300厘米，亦即頻率
1~300 GHz 的電磁波。
電磁波波長可介於 10-6 到 107 米（公尺）

22

張彥之教官

4.2 雷達 RADAR
Detection : 偵知。
指藉由接收物體反射回來的電磁波，來偵知物體
的存在
Ranging : 測距。
計算發波與回波的時間間隔，即可得知物體與我
之間的距離 R = cΔt/2。

雷達，若以意譯，則為電磁波偵知測距儀

23

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.1 雷達基本原理
4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
4.2.1.2 脈波雷達參數
4.2.1.3 脈波雷達效能

24

4.2.1 雷達基本原理

25

張彥之教官

4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
 脈波，指間歇性的波。
 脈波可以是有規律的，例如每隔 X 時間，有 Y
時間的波動出現。
 而此 Y 時間的波動，又可以有自己的頻率和持
續時間。

 電磁波的脈波型式，是雷達偵測的基礎。
 它可以很明確地計算出發射信號與反射信號間
的時間差，進而計算目標的距離

26

張彥之教官

4.2.1.2 脈波雷達參數

 PRT (脈波來復時) : 每隔多少時間會有一個脈波。
 PRF (脈波來復頻) : 脈波出現的頻率，亦即單位時
間內有幾個脈波，PRF = 1/PRT
 PW (脈 波 寛 度) : 指脈波中，波動持續的時間
 RT (停 止 時 間) : 指脈波中，沒有波動的時間
 RF (發 射 頻 率) : 指波動的頻率
27

張彥之教官

4.2.1.3 脈波雷達效能
脈波寬度(PW)的影響
距離解析力： RRES = c PW/2
偵測最近距： RMIN = c PW/2

脈波來復時(PRT)的影響
最遠可偵距離, RUNAMB = c PRT/2 = c/(2PRF).
Rotation Rate 旋轉率

28

張彥之教官

最遠可偵距 Maximum Range
真實距離 Unambiguous Range

29

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.2.1 天線
4.2.2.2 雷達波波套形成

30

4.2.2.1 天線
 天線的功用是將流於
其上的電流隅合成電
磁波發送出去，或是
應空間中電磁波的改
變，將其變為電流信
號傳送給接收機。
 最簡單的天線是雙極
式(dipole)天線。
雙極式(dipole)天線

31

張彥之教官

4.2.2.2 雷達波波套形成
 所謂雷達波波套(Loab)，指的是具有方向性
的電磁波束。
 將電磁波聚焦為波束，可以在相同電磁波
強度下，節省能量，以及確定能量方位。
 將電磁波形成波套，一般使用兩種方法：
 以天線將其他方向的電磁波反射，使其於某方
向形成波套
 使用電磁波干涉消長現象，使用相位差來形成
某方向的波套
32

張彥之教官

反射式天線 將能量聚焦成律定完整的波套
Main Lobe

Φ

Side Lobe
min overall coverage beam number = 360 / Θ
33

張彥之教官

相位式波套形成原理

34

張彥之教官

相位式波套形成原理(相位陣列雷達，PAR)

增強性干涉區

D

消減性干涉區

第4章 感測與偵測

4.2.3雷達大部組成
4.2.3.1 發射機
4.2.3.2 接收機
4.2.3.3 電源供應器
4.2.3.4 同步器及收發轉換器

36

4.2.3 雷達大部組成
同步器

發射機

收發轉
換器

電源

天線
複示器
37

張彥之教官

接收機

4.2.3.1 發射機 Transmitter
功能
產生電磁波並將其調變為脈波串
將發射信號功率提高至適當的大小，使其能提供
適當的偵測距離。

基本組件
磁控管 (magnetron)： 產生電磁微波的震

盪器(oscillator)
放大器 (amplifiers)： 將功率提高
38

張彥之教官

4.2.3.2 接收機 Receiver
功能
 感測 (Sense) 回波
 放大回波信號，供後續處理
及顯示

重要特性
 將回波信號由背景雜訊中分
辨出來的能力
 信號雜訊比＝信號功率/雜訊
功率
signal-to-noise ratio = S/N
Miss and FAR
39

張彥之教官

4.2.3.3 供電器 Power Supply
 功能：提供系統各種不同功率及電壓的電源
 在整個雷達系統之中，發射器 (transmitter) 是耗
電最多的組件：
 發射器將能量累積並提高，才能將其產生的脈波，在
經過遠距離的傳送後，仍具有可被感測到的能量。
 脈波中所發射出去的功率，稱為峰值功率 (peak
power)。 它較供應到發射器的平均功率要高出許多。

40

張彥之教官

4.2.3.4 同步器及收發轉換器
 同步器 (Synchronizer) :
同步器管制雷達各部件並為新脈波歸零計時器
 收發轉換器 (Duplexer) :
切換天線連接到發射機或接收機的切換開關
同步器發出
脈波起始信號
收發轉換器將天線接到
發射機

41

張彥之教官

同步器發出
脈波結束信號
收發轉換器將天線接到
接收機


Slide 20

第4章

感測與偵測

4.1節
4.2節
4.3節
4.4節

1

波
雷達
聲納
光電

4.0 簡介
 偵測子系統（Sensors subsystem）是兵器
系統四大子系統中的第一個子系統，在整
個兵器系統中，扮演耳目的角色
 偵測子系統的功能
1. 「獲得目標資訊」
2. 提供「周遭環境狀況認知」，亦即所謂的「戰
場知覺」（battlespace awareness ）。

2

張彥之教官

4.0 簡介
 二種「獲得目標資訊」的方式
 主動式（偵測）：
發出信號，並接收該信號被目標反射回來的
回信，加以計算後獲得目標資訊
例如：雷達、聲納(主動模式)

 被動式（感測）：
不發射信號，直接接收週遭環境或目標所發
出的信號，來取得環境或目標資訊
例如：温度計、電視導引飛彈、水中聽音器

3

張彥之教官

4.0 簡介
提供「周遭環境狀況認知」的方式：
將偵測器所獲得的目標資訊，顯示在螢幕
上，提供周遭環境情形；有下列二種方式
1. 直接顯示單一偵測器所獲得之資訊
2. 整合顯示各類偵測器所獲得之資訊

二種基本資訊：位置、大小

4

張彥之教官

第4章

4.1 波
4.1.1 波的參數
4.1.2 波的行進
4.1.3 頻率域與時間域
4.1.4 電磁波

5

感測與偵測

4.1 波(Waves) 是能量在空間中擾動的傳遞

6

張彥之教官

4.1.1 波的參數 The Parameters of a Wave
正弦波 Sine Wave
y = Sin (x)

λ
A

1. 波長 (λ)：波形重複出現的距離
2. 振幅 (Α)：最大擾動值－平均擾動值
3. 相位 (Φorθ)：波起始時的角差
7

張彥之教官

相位 (Φorθ)：波起始時的樣態
上
比
下
超
前
90
度

8

張彥之教官

或落後270度

4.1.2 波的行進 Traveling waves





一個波行過所需的時間，稱為週期（T）
單位時間內行過的波數，稱為頻率（f）
頻率與週期互為倒數（f = 1/T）
波行進的速度（v）為一常數，但會因傳
遞時介質的不同而改變速度。
 fλ＝ c (頻率 × 波長＝波速)
 此稱「散射關係式」，波速根據頻率的高低改變
 光穿過三菱鏡時，因介質改變使各色光（頻率不
同）速度不同，各色光依此分開。

9

張彥之教官

4.1.2 波的行進 分光散射

由疏介質進入密介質，頻率較高的光產生較大的
速度改變，因而產生分光現象。

10

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域表示法

12

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域

頻率域較時間域簡單

13

張彥之教官

4.1.4 電磁波：電場與磁場擾動所生的能量波

14

張彥之教官

4.1.4.1 電磁波的傳遞





速度
球形波
平面波
反射：



入射角等於反射角
入射波與反射波之相
位相差 180 度

 具有折射、干涉、散
射之現象

15

張彥之教官

球形波

平面波

4.1.4.2 電磁波的干涉現象
 不同的電磁波可以無限制地相互「疊加」
 若相互疊加的不同電磁波具有相同頻率，
則會變成一個具有某種特定波形的波，這
種現象，稱為干涉(interference)現象
 干涉可能產生有下列二種效果：
 增強（constructive）
 消減（destructive）
 干涉的情形與其兩個波的相位有關

16

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波在大氣中的傳遞模式
 電磁波頻譜區分
 Low Frequency 低頻：30~300k Hz
 ELF(30-3000)、VLF、LF

 Medium Frequency 中頻：300k~3000k (3M)
 High Frequency 高頻：3M~300G
 HF、UHF、SHF、EHF

 地波(Ground wave)、天波(Sky wave)

17

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波對人體有沒有影響？





20

曾有研究指出電磁場會影響人體健康
微波爐的發明—美國海軍的雷達實驗
微波爐使用 2450 兆赫電磁波
現行大哥大是 900 與 1800 兆赫

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2 雷達
4.2.1 雷達基本原理
4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.3 雷達大部組成

21

4.2 雷達 RADAR
雷達是什麼？可由其英文名稱來暸解
RADAR 是 RAdio Detection And Ranging
的縮寫，而中文的雷達，是該縮寫的直接音譯
Radio：指電磁波。
大部分的雷達，使用波長 1 ~ 300厘米，亦即頻率
1~300 GHz 的電磁波。
電磁波波長可介於 10-6 到 107 米（公尺）

22

張彥之教官

4.2 雷達 RADAR
Detection : 偵知。
指藉由接收物體反射回來的電磁波，來偵知物體
的存在
Ranging : 測距。
計算發波與回波的時間間隔，即可得知物體與我
之間的距離 R = cΔt/2。

雷達，若以意譯，則為電磁波偵知測距儀

23

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.1 雷達基本原理
4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
4.2.1.2 脈波雷達參數
4.2.1.3 脈波雷達效能

24

4.2.1 雷達基本原理

25

張彥之教官

4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
 脈波，指間歇性的波。
 脈波可以是有規律的，例如每隔 X 時間，有 Y
時間的波動出現。
 而此 Y 時間的波動，又可以有自己的頻率和持
續時間。

 電磁波的脈波型式，是雷達偵測的基礎。
 它可以很明確地計算出發射信號與反射信號間
的時間差，進而計算目標的距離

26

張彥之教官

4.2.1.2 脈波雷達參數

 PRT (脈波來復時) : 每隔多少時間會有一個脈波。
 PRF (脈波來復頻) : 脈波出現的頻率，亦即單位時
間內有幾個脈波，PRF = 1/PRT
 PW (脈 波 寛 度) : 指脈波中，波動持續的時間
 RT (停 止 時 間) : 指脈波中，沒有波動的時間
 RF (發 射 頻 率) : 指波動的頻率
27

張彥之教官

4.2.1.3 脈波雷達效能
脈波寬度(PW)的影響
距離解析力： RRES = c PW/2
偵測最近距： RMIN = c PW/2

脈波來復時(PRT)的影響
最遠可偵距離, RUNAMB = c PRT/2 = c/(2PRF).
Rotation Rate 旋轉率

28

張彥之教官

最遠可偵距 Maximum Range
真實距離 Unambiguous Range

29

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.2.1 天線
4.2.2.2 雷達波波套形成

30

4.2.2.1 天線
 天線的功用是將流於
其上的電流隅合成電
磁波發送出去，或是
應空間中電磁波的改
變，將其變為電流信
號傳送給接收機。
 最簡單的天線是雙極
式(dipole)天線。
雙極式(dipole)天線

31

張彥之教官

4.2.2.2 雷達波波套形成
 所謂雷達波波套(Loab)，指的是具有方向性
的電磁波束。
 將電磁波聚焦為波束，可以在相同電磁波
強度下，節省能量，以及確定能量方位。
 將電磁波形成波套，一般使用兩種方法：
 以天線將其他方向的電磁波反射，使其於某方
向形成波套
 使用電磁波干涉消長現象，使用相位差來形成
某方向的波套
32

張彥之教官

反射式天線 將能量聚焦成律定完整的波套
Main Lobe

Φ

Side Lobe
min overall coverage beam number = 360 / Θ
33

張彥之教官

相位式波套形成原理

34

張彥之教官

相位式波套形成原理(相位陣列雷達，PAR)

增強性干涉區

D

消減性干涉區

第4章 感測與偵測

4.2.3雷達大部組成
4.2.3.1 發射機
4.2.3.2 接收機
4.2.3.3 電源供應器
4.2.3.4 同步器及收發轉換器

36

4.2.3 雷達大部組成
同步器

發射機

收發轉
換器

電源

天線
複示器
37

張彥之教官

接收機

4.2.3.1 發射機 Transmitter
功能
產生電磁波並將其調變為脈波串
將發射信號功率提高至適當的大小，使其能提供
適當的偵測距離。

基本組件
磁控管 (magnetron)： 產生電磁微波的震

盪器(oscillator)
放大器 (amplifiers)： 將功率提高
38

張彥之教官

4.2.3.2 接收機 Receiver
功能
 感測 (Sense) 回波
 放大回波信號，供後續處理
及顯示

重要特性
 將回波信號由背景雜訊中分
辨出來的能力
 信號雜訊比＝信號功率/雜訊
功率
signal-to-noise ratio = S/N
Miss and FAR
39

張彥之教官

4.2.3.3 供電器 Power Supply
 功能：提供系統各種不同功率及電壓的電源
 在整個雷達系統之中，發射器 (transmitter) 是耗
電最多的組件：
 發射器將能量累積並提高，才能將其產生的脈波，在
經過遠距離的傳送後，仍具有可被感測到的能量。
 脈波中所發射出去的功率，稱為峰值功率 (peak
power)。 它較供應到發射器的平均功率要高出許多。

40

張彥之教官

4.2.3.4 同步器及收發轉換器
 同步器 (Synchronizer) :
同步器管制雷達各部件並為新脈波歸零計時器
 收發轉換器 (Duplexer) :
切換天線連接到發射機或接收機的切換開關
同步器發出
脈波起始信號
收發轉換器將天線接到
發射機

41

張彥之教官

同步器發出
脈波結束信號
收發轉換器將天線接到
接收機


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第4章

感測與偵測

4.1節
4.2節
4.3節
4.4節

1

波
雷達
聲納
光電

4.0 簡介
 偵測子系統（Sensors subsystem）是兵器
系統四大子系統中的第一個子系統，在整
個兵器系統中，扮演耳目的角色
 偵測子系統的功能
1. 「獲得目標資訊」
2. 提供「周遭環境狀況認知」，亦即所謂的「戰
場知覺」（battlespace awareness ）。

2

張彥之教官

4.0 簡介
 二種「獲得目標資訊」的方式
 主動式（偵測）：
發出信號，並接收該信號被目標反射回來的
回信，加以計算後獲得目標資訊
例如：雷達、聲納(主動模式)

 被動式（感測）：
不發射信號，直接接收週遭環境或目標所發
出的信號，來取得環境或目標資訊
例如：温度計、電視導引飛彈、水中聽音器

3

張彥之教官

4.0 簡介
提供「周遭環境狀況認知」的方式：
將偵測器所獲得的目標資訊，顯示在螢幕
上，提供周遭環境情形；有下列二種方式
1. 直接顯示單一偵測器所獲得之資訊
2. 整合顯示各類偵測器所獲得之資訊

二種基本資訊：位置、大小

4

張彥之教官

第4章

4.1 波
4.1.1 波的參數
4.1.2 波的行進
4.1.3 頻率域與時間域
4.1.4 電磁波

5

感測與偵測

4.1 波(Waves) 是能量在空間中擾動的傳遞

6

張彥之教官

4.1.1 波的參數 The Parameters of a Wave
正弦波 Sine Wave
y = Sin (x)

λ
A

1. 波長 (λ)：波形重複出現的距離
2. 振幅 (Α)：最大擾動值－平均擾動值
3. 相位 (Φorθ)：波起始時的角差
7

張彥之教官

相位 (Φorθ)：波起始時的樣態
上
比
下
超
前
90
度

8

張彥之教官

或落後270度

4.1.2 波的行進 Traveling waves





一個波行過所需的時間，稱為週期（T）
單位時間內行過的波數，稱為頻率（f）
頻率與週期互為倒數（f = 1/T）
波行進的速度（v）為一常數，但會因傳
遞時介質的不同而改變速度。
 fλ＝ c (頻率 × 波長＝波速)
 此稱「散射關係式」，波速根據頻率的高低改變
 光穿過三菱鏡時，因介質改變使各色光（頻率不
同）速度不同，各色光依此分開。

9

張彥之教官

4.1.2 波的行進 分光散射

由疏介質進入密介質，頻率較高的光產生較大的
速度改變，因而產生分光現象。

10

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域表示法

12

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域

頻率域較時間域簡單

13

張彥之教官

4.1.4 電磁波：電場與磁場擾動所生的能量波

14

張彥之教官

4.1.4.1 電磁波的傳遞





速度
球形波
平面波
反射：



入射角等於反射角
入射波與反射波之相
位相差 180 度

 具有折射、干涉、散
射之現象

15

張彥之教官

球形波

平面波

4.1.4.2 電磁波的干涉現象
 不同的電磁波可以無限制地相互「疊加」
 若相互疊加的不同電磁波具有相同頻率，
則會變成一個具有某種特定波形的波，這
種現象，稱為干涉(interference)現象
 干涉可能產生有下列二種效果：
 增強（constructive）
 消減（destructive）
 干涉的情形與其兩個波的相位有關

16

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波在大氣中的傳遞模式
 電磁波頻譜區分
 Low Frequency 低頻：30~300k Hz
 ELF(30-3000)、VLF、LF

 Medium Frequency 中頻：300k~3000k (3M)
 High Frequency 高頻：3M~300G
 HF、UHF、SHF、EHF

 地波(Ground wave)、天波(Sky wave)

17

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波對人體有沒有影響？





20

曾有研究指出電磁場會影響人體健康
微波爐的發明—美國海軍的雷達實驗
微波爐使用 2450 兆赫電磁波
現行大哥大是 900 與 1800 兆赫

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2 雷達
4.2.1 雷達基本原理
4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.3 雷達大部組成

21

4.2 雷達 RADAR
雷達是什麼？可由其英文名稱來暸解
RADAR 是 RAdio Detection And Ranging
的縮寫，而中文的雷達，是該縮寫的直接音譯
Radio：指電磁波。
大部分的雷達，使用波長 1 ~ 300厘米，亦即頻率
1~300 GHz 的電磁波。
電磁波波長可介於 10-6 到 107 米（公尺）

22

張彥之教官

4.2 雷達 RADAR
Detection : 偵知。
指藉由接收物體反射回來的電磁波，來偵知物體
的存在
Ranging : 測距。
計算發波與回波的時間間隔，即可得知物體與我
之間的距離 R = cΔt/2。

雷達，若以意譯，則為電磁波偵知測距儀

23

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.1 雷達基本原理
4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
4.2.1.2 脈波雷達參數
4.2.1.3 脈波雷達效能

24

4.2.1 雷達基本原理

25

張彥之教官

4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
 脈波，指間歇性的波。
 脈波可以是有規律的，例如每隔 X 時間，有 Y
時間的波動出現。
 而此 Y 時間的波動，又可以有自己的頻率和持
續時間。

 電磁波的脈波型式，是雷達偵測的基礎。
 它可以很明確地計算出發射信號與反射信號間
的時間差，進而計算目標的距離

26

張彥之教官

4.2.1.2 脈波雷達參數

 PRT (脈波來復時) : 每隔多少時間會有一個脈波。
 PRF (脈波來復頻) : 脈波出現的頻率，亦即單位時
間內有幾個脈波，PRF = 1/PRT
 PW (脈 波 寛 度) : 指脈波中，波動持續的時間
 RT (停 止 時 間) : 指脈波中，沒有波動的時間
 RF (發 射 頻 率) : 指波動的頻率
27

張彥之教官

4.2.1.3 脈波雷達效能
脈波寬度(PW)的影響
距離解析力： RRES = c PW/2
偵測最近距： RMIN = c PW/2

脈波來復時(PRT)的影響
最遠可偵距離, RUNAMB = c PRT/2 = c/(2PRF).
Rotation Rate 旋轉率

28

張彥之教官

最遠可偵距 Maximum Range
真實距離 Unambiguous Range

29

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.2.1 天線
4.2.2.2 雷達波波套形成

30

4.2.2.1 天線
 天線的功用是將流於
其上的電流隅合成電
磁波發送出去，或是
應空間中電磁波的改
變，將其變為電流信
號傳送給接收機。
 最簡單的天線是雙極
式(dipole)天線。
雙極式(dipole)天線

31

張彥之教官

4.2.2.2 雷達波波套形成
 所謂雷達波波套(Loab)，指的是具有方向性
的電磁波束。
 將電磁波聚焦為波束，可以在相同電磁波
強度下，節省能量，以及確定能量方位。
 將電磁波形成波套，一般使用兩種方法：
 以天線將其他方向的電磁波反射，使其於某方
向形成波套
 使用電磁波干涉消長現象，使用相位差來形成
某方向的波套
32

張彥之教官

反射式天線 將能量聚焦成律定完整的波套
Main Lobe

Φ

Side Lobe
min overall coverage beam number = 360 / Θ
33

張彥之教官

相位式波套形成原理

34

張彥之教官

相位式波套形成原理(相位陣列雷達，PAR)

增強性干涉區

D

消減性干涉區

第4章 感測與偵測

4.2.3雷達大部組成
4.2.3.1 發射機
4.2.3.2 接收機
4.2.3.3 電源供應器
4.2.3.4 同步器及收發轉換器

36

4.2.3 雷達大部組成
同步器

發射機

收發轉
換器

電源

天線
複示器
37

張彥之教官

接收機

4.2.3.1 發射機 Transmitter
功能
產生電磁波並將其調變為脈波串
將發射信號功率提高至適當的大小，使其能提供
適當的偵測距離。

基本組件
磁控管 (magnetron)： 產生電磁微波的震

盪器(oscillator)
放大器 (amplifiers)： 將功率提高
38

張彥之教官

4.2.3.2 接收機 Receiver
功能
 感測 (Sense) 回波
 放大回波信號，供後續處理
及顯示

重要特性
 將回波信號由背景雜訊中分
辨出來的能力
 信號雜訊比＝信號功率/雜訊
功率
signal-to-noise ratio = S/N
Miss and FAR
39

張彥之教官

4.2.3.3 供電器 Power Supply
 功能：提供系統各種不同功率及電壓的電源
 在整個雷達系統之中，發射器 (transmitter) 是耗
電最多的組件：
 發射器將能量累積並提高，才能將其產生的脈波，在
經過遠距離的傳送後，仍具有可被感測到的能量。
 脈波中所發射出去的功率，稱為峰值功率 (peak
power)。 它較供應到發射器的平均功率要高出許多。

40

張彥之教官

4.2.3.4 同步器及收發轉換器
 同步器 (Synchronizer) :
同步器管制雷達各部件並為新脈波歸零計時器
 收發轉換器 (Duplexer) :
切換天線連接到發射機或接收機的切換開關
同步器發出
脈波起始信號
收發轉換器將天線接到
發射機

41

張彥之教官

同步器發出
脈波結束信號
收發轉換器將天線接到
接收機


Slide 22

第4章

感測與偵測

4.1節
4.2節
4.3節
4.4節

1

波
雷達
聲納
光電

4.0 簡介
 偵測子系統（Sensors subsystem）是兵器
系統四大子系統中的第一個子系統，在整
個兵器系統中，扮演耳目的角色
 偵測子系統的功能
1. 「獲得目標資訊」
2. 提供「周遭環境狀況認知」，亦即所謂的「戰
場知覺」（battlespace awareness ）。

2

張彥之教官

4.0 簡介
 二種「獲得目標資訊」的方式
 主動式（偵測）：
發出信號，並接收該信號被目標反射回來的
回信，加以計算後獲得目標資訊
例如：雷達、聲納(主動模式)

 被動式（感測）：
不發射信號，直接接收週遭環境或目標所發
出的信號，來取得環境或目標資訊
例如：温度計、電視導引飛彈、水中聽音器

3

張彥之教官

4.0 簡介
提供「周遭環境狀況認知」的方式：
將偵測器所獲得的目標資訊，顯示在螢幕
上，提供周遭環境情形；有下列二種方式
1. 直接顯示單一偵測器所獲得之資訊
2. 整合顯示各類偵測器所獲得之資訊

二種基本資訊：位置、大小

4

張彥之教官

第4章

4.1 波
4.1.1 波的參數
4.1.2 波的行進
4.1.3 頻率域與時間域
4.1.4 電磁波

5

感測與偵測

4.1 波(Waves) 是能量在空間中擾動的傳遞

6

張彥之教官

4.1.1 波的參數 The Parameters of a Wave
正弦波 Sine Wave
y = Sin (x)

λ
A

1. 波長 (λ)：波形重複出現的距離
2. 振幅 (Α)：最大擾動值－平均擾動值
3. 相位 (Φorθ)：波起始時的角差
7

張彥之教官

相位 (Φorθ)：波起始時的樣態
上
比
下
超
前
90
度

8

張彥之教官

或落後270度

4.1.2 波的行進 Traveling waves





一個波行過所需的時間，稱為週期（T）
單位時間內行過的波數，稱為頻率（f）
頻率與週期互為倒數（f = 1/T）
波行進的速度（v）為一常數，但會因傳
遞時介質的不同而改變速度。
 fλ＝ c (頻率 × 波長＝波速)
 此稱「散射關係式」，波速根據頻率的高低改變
 光穿過三菱鏡時，因介質改變使各色光（頻率不
同）速度不同，各色光依此分開。

9

張彥之教官

4.1.2 波的行進 分光散射

由疏介質進入密介質，頻率較高的光產生較大的
速度改變，因而產生分光現象。

10

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域表示法

12

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域

頻率域較時間域簡單

13

張彥之教官

4.1.4 電磁波：電場與磁場擾動所生的能量波

14

張彥之教官

4.1.4.1 電磁波的傳遞





速度
球形波
平面波
反射：



入射角等於反射角
入射波與反射波之相
位相差 180 度

 具有折射、干涉、散
射之現象

15

張彥之教官

球形波

平面波

4.1.4.2 電磁波的干涉現象
 不同的電磁波可以無限制地相互「疊加」
 若相互疊加的不同電磁波具有相同頻率，
則會變成一個具有某種特定波形的波，這
種現象，稱為干涉(interference)現象
 干涉可能產生有下列二種效果：
 增強（constructive）
 消減（destructive）
 干涉的情形與其兩個波的相位有關

16

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波在大氣中的傳遞模式
 電磁波頻譜區分
 Low Frequency 低頻：30~300k Hz
 ELF(30-3000)、VLF、LF

 Medium Frequency 中頻：300k~3000k (3M)
 High Frequency 高頻：3M~300G
 HF、UHF、SHF、EHF

 地波(Ground wave)、天波(Sky wave)

17

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波對人體有沒有影響？





20

曾有研究指出電磁場會影響人體健康
微波爐的發明—美國海軍的雷達實驗
微波爐使用 2450 兆赫電磁波
現行大哥大是 900 與 1800 兆赫

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2 雷達
4.2.1 雷達基本原理
4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.3 雷達大部組成

21

4.2 雷達 RADAR
雷達是什麼？可由其英文名稱來暸解
RADAR 是 RAdio Detection And Ranging
的縮寫，而中文的雷達，是該縮寫的直接音譯
Radio：指電磁波。
大部分的雷達，使用波長 1 ~ 300厘米，亦即頻率
1~300 GHz 的電磁波。
電磁波波長可介於 10-6 到 107 米（公尺）

22

張彥之教官

4.2 雷達 RADAR
Detection : 偵知。
指藉由接收物體反射回來的電磁波，來偵知物體
的存在
Ranging : 測距。
計算發波與回波的時間間隔，即可得知物體與我
之間的距離 R = cΔt/2。

雷達，若以意譯，則為電磁波偵知測距儀

23

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.1 雷達基本原理
4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
4.2.1.2 脈波雷達參數
4.2.1.3 脈波雷達效能

24

4.2.1 雷達基本原理

25

張彥之教官

4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
 脈波，指間歇性的波。
 脈波可以是有規律的，例如每隔 X 時間，有 Y
時間的波動出現。
 而此 Y 時間的波動，又可以有自己的頻率和持
續時間。

 電磁波的脈波型式，是雷達偵測的基礎。
 它可以很明確地計算出發射信號與反射信號間
的時間差，進而計算目標的距離

26

張彥之教官

4.2.1.2 脈波雷達參數

 PRT (脈波來復時) : 每隔多少時間會有一個脈波。
 PRF (脈波來復頻) : 脈波出現的頻率，亦即單位時
間內有幾個脈波，PRF = 1/PRT
 PW (脈 波 寛 度) : 指脈波中，波動持續的時間
 RT (停 止 時 間) : 指脈波中，沒有波動的時間
 RF (發 射 頻 率) : 指波動的頻率
27

張彥之教官

4.2.1.3 脈波雷達效能
脈波寬度(PW)的影響
距離解析力： RRES = c PW/2
偵測最近距： RMIN = c PW/2

脈波來復時(PRT)的影響
最遠可偵距離, RUNAMB = c PRT/2 = c/(2PRF).
Rotation Rate 旋轉率

28

張彥之教官

最遠可偵距 Maximum Range
真實距離 Unambiguous Range

29

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.2.1 天線
4.2.2.2 雷達波波套形成

30

4.2.2.1 天線
 天線的功用是將流於
其上的電流隅合成電
磁波發送出去，或是
應空間中電磁波的改
變，將其變為電流信
號傳送給接收機。
 最簡單的天線是雙極
式(dipole)天線。
雙極式(dipole)天線

31

張彥之教官

4.2.2.2 雷達波波套形成
 所謂雷達波波套(Loab)，指的是具有方向性
的電磁波束。
 將電磁波聚焦為波束，可以在相同電磁波
強度下，節省能量，以及確定能量方位。
 將電磁波形成波套，一般使用兩種方法：
 以天線將其他方向的電磁波反射，使其於某方
向形成波套
 使用電磁波干涉消長現象，使用相位差來形成
某方向的波套
32

張彥之教官

反射式天線 將能量聚焦成律定完整的波套
Main Lobe

Φ

Side Lobe
min overall coverage beam number = 360 / Θ
33

張彥之教官

相位式波套形成原理

34

張彥之教官

相位式波套形成原理(相位陣列雷達，PAR)

增強性干涉區

D

消減性干涉區

第4章 感測與偵測

4.2.3雷達大部組成
4.2.3.1 發射機
4.2.3.2 接收機
4.2.3.3 電源供應器
4.2.3.4 同步器及收發轉換器

36

4.2.3 雷達大部組成
同步器

發射機

收發轉
換器

電源

天線
複示器
37

張彥之教官

接收機

4.2.3.1 發射機 Transmitter
功能
產生電磁波並將其調變為脈波串
將發射信號功率提高至適當的大小，使其能提供
適當的偵測距離。

基本組件
磁控管 (magnetron)： 產生電磁微波的震

盪器(oscillator)
放大器 (amplifiers)： 將功率提高
38

張彥之教官

4.2.3.2 接收機 Receiver
功能
 感測 (Sense) 回波
 放大回波信號，供後續處理
及顯示

重要特性
 將回波信號由背景雜訊中分
辨出來的能力
 信號雜訊比＝信號功率/雜訊
功率
signal-to-noise ratio = S/N
Miss and FAR
39

張彥之教官

4.2.3.3 供電器 Power Supply
 功能：提供系統各種不同功率及電壓的電源
 在整個雷達系統之中，發射器 (transmitter) 是耗
電最多的組件：
 發射器將能量累積並提高，才能將其產生的脈波，在
經過遠距離的傳送後，仍具有可被感測到的能量。
 脈波中所發射出去的功率，稱為峰值功率 (peak
power)。 它較供應到發射器的平均功率要高出許多。

40

張彥之教官

4.2.3.4 同步器及收發轉換器
 同步器 (Synchronizer) :
同步器管制雷達各部件並為新脈波歸零計時器
 收發轉換器 (Duplexer) :
切換天線連接到發射機或接收機的切換開關
同步器發出
脈波起始信號
收發轉換器將天線接到
發射機

41

張彥之教官

同步器發出
脈波結束信號
收發轉換器將天線接到
接收機


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第4章

感測與偵測

4.1節
4.2節
4.3節
4.4節

1

波
雷達
聲納
光電

4.0 簡介
 偵測子系統（Sensors subsystem）是兵器
系統四大子系統中的第一個子系統，在整
個兵器系統中，扮演耳目的角色
 偵測子系統的功能
1. 「獲得目標資訊」
2. 提供「周遭環境狀況認知」，亦即所謂的「戰
場知覺」（battlespace awareness ）。

2

張彥之教官

4.0 簡介
 二種「獲得目標資訊」的方式
 主動式（偵測）：
發出信號，並接收該信號被目標反射回來的
回信，加以計算後獲得目標資訊
例如：雷達、聲納(主動模式)

 被動式（感測）：
不發射信號，直接接收週遭環境或目標所發
出的信號，來取得環境或目標資訊
例如：温度計、電視導引飛彈、水中聽音器

3

張彥之教官

4.0 簡介
提供「周遭環境狀況認知」的方式：
將偵測器所獲得的目標資訊，顯示在螢幕
上，提供周遭環境情形；有下列二種方式
1. 直接顯示單一偵測器所獲得之資訊
2. 整合顯示各類偵測器所獲得之資訊

二種基本資訊：位置、大小

4

張彥之教官

第4章

4.1 波
4.1.1 波的參數
4.1.2 波的行進
4.1.3 頻率域與時間域
4.1.4 電磁波

5

感測與偵測

4.1 波(Waves) 是能量在空間中擾動的傳遞

6

張彥之教官

4.1.1 波的參數 The Parameters of a Wave
正弦波 Sine Wave
y = Sin (x)

λ
A

1. 波長 (λ)：波形重複出現的距離
2. 振幅 (Α)：最大擾動值－平均擾動值
3. 相位 (Φorθ)：波起始時的角差
7

張彥之教官

相位 (Φorθ)：波起始時的樣態
上
比
下
超
前
90
度

8

張彥之教官

或落後270度

4.1.2 波的行進 Traveling waves





一個波行過所需的時間，稱為週期（T）
單位時間內行過的波數，稱為頻率（f）
頻率與週期互為倒數（f = 1/T）
波行進的速度（v）為一常數，但會因傳
遞時介質的不同而改變速度。
 fλ＝ c (頻率 × 波長＝波速)
 此稱「散射關係式」，波速根據頻率的高低改變
 光穿過三菱鏡時，因介質改變使各色光（頻率不
同）速度不同，各色光依此分開。

9

張彥之教官

4.1.2 波的行進 分光散射

由疏介質進入密介質，頻率較高的光產生較大的
速度改變，因而產生分光現象。

10

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域表示法

12

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域

頻率域較時間域簡單

13

張彥之教官

4.1.4 電磁波：電場與磁場擾動所生的能量波

14

張彥之教官

4.1.4.1 電磁波的傳遞





速度
球形波
平面波
反射：



入射角等於反射角
入射波與反射波之相
位相差 180 度

 具有折射、干涉、散
射之現象

15

張彥之教官

球形波

平面波

4.1.4.2 電磁波的干涉現象
 不同的電磁波可以無限制地相互「疊加」
 若相互疊加的不同電磁波具有相同頻率，
則會變成一個具有某種特定波形的波，這
種現象，稱為干涉(interference)現象
 干涉可能產生有下列二種效果：
 增強（constructive）
 消減（destructive）
 干涉的情形與其兩個波的相位有關

16

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波在大氣中的傳遞模式
 電磁波頻譜區分
 Low Frequency 低頻：30~300k Hz
 ELF(30-3000)、VLF、LF

 Medium Frequency 中頻：300k~3000k (3M)
 High Frequency 高頻：3M~300G
 HF、UHF、SHF、EHF

 地波(Ground wave)、天波(Sky wave)

17

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波對人體有沒有影響？





20

曾有研究指出電磁場會影響人體健康
微波爐的發明—美國海軍的雷達實驗
微波爐使用 2450 兆赫電磁波
現行大哥大是 900 與 1800 兆赫

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2 雷達
4.2.1 雷達基本原理
4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.3 雷達大部組成

21

4.2 雷達 RADAR
雷達是什麼？可由其英文名稱來暸解
RADAR 是 RAdio Detection And Ranging
的縮寫，而中文的雷達，是該縮寫的直接音譯
Radio：指電磁波。
大部分的雷達，使用波長 1 ~ 300厘米，亦即頻率
1~300 GHz 的電磁波。
電磁波波長可介於 10-6 到 107 米（公尺）

22

張彥之教官

4.2 雷達 RADAR
Detection : 偵知。
指藉由接收物體反射回來的電磁波，來偵知物體
的存在
Ranging : 測距。
計算發波與回波的時間間隔，即可得知物體與我
之間的距離 R = cΔt/2。

雷達，若以意譯，則為電磁波偵知測距儀

23

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.1 雷達基本原理
4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
4.2.1.2 脈波雷達參數
4.2.1.3 脈波雷達效能

24

4.2.1 雷達基本原理

25

張彥之教官

4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
 脈波，指間歇性的波。
 脈波可以是有規律的，例如每隔 X 時間，有 Y
時間的波動出現。
 而此 Y 時間的波動，又可以有自己的頻率和持
續時間。

 電磁波的脈波型式，是雷達偵測的基礎。
 它可以很明確地計算出發射信號與反射信號間
的時間差，進而計算目標的距離

26

張彥之教官

4.2.1.2 脈波雷達參數

 PRT (脈波來復時) : 每隔多少時間會有一個脈波。
 PRF (脈波來復頻) : 脈波出現的頻率，亦即單位時
間內有幾個脈波，PRF = 1/PRT
 PW (脈 波 寛 度) : 指脈波中，波動持續的時間
 RT (停 止 時 間) : 指脈波中，沒有波動的時間
 RF (發 射 頻 率) : 指波動的頻率
27

張彥之教官

4.2.1.3 脈波雷達效能
脈波寬度(PW)的影響
距離解析力： RRES = c PW/2
偵測最近距： RMIN = c PW/2

脈波來復時(PRT)的影響
最遠可偵距離, RUNAMB = c PRT/2 = c/(2PRF).
Rotation Rate 旋轉率

28

張彥之教官

最遠可偵距 Maximum Range
真實距離 Unambiguous Range

29

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.2.1 天線
4.2.2.2 雷達波波套形成

30

4.2.2.1 天線
 天線的功用是將流於
其上的電流隅合成電
磁波發送出去，或是
應空間中電磁波的改
變，將其變為電流信
號傳送給接收機。
 最簡單的天線是雙極
式(dipole)天線。
雙極式(dipole)天線

31

張彥之教官

4.2.2.2 雷達波波套形成
 所謂雷達波波套(Loab)，指的是具有方向性
的電磁波束。
 將電磁波聚焦為波束，可以在相同電磁波
強度下，節省能量，以及確定能量方位。
 將電磁波形成波套，一般使用兩種方法：
 以天線將其他方向的電磁波反射，使其於某方
向形成波套
 使用電磁波干涉消長現象，使用相位差來形成
某方向的波套
32

張彥之教官

反射式天線 將能量聚焦成律定完整的波套
Main Lobe

Φ

Side Lobe
min overall coverage beam number = 360 / Θ
33

張彥之教官

相位式波套形成原理

34

張彥之教官

相位式波套形成原理(相位陣列雷達，PAR)

增強性干涉區

D

消減性干涉區

第4章 感測與偵測

4.2.3雷達大部組成
4.2.3.1 發射機
4.2.3.2 接收機
4.2.3.3 電源供應器
4.2.3.4 同步器及收發轉換器

36

4.2.3 雷達大部組成
同步器

發射機

收發轉
換器

電源

天線
複示器
37

張彥之教官

接收機

4.2.3.1 發射機 Transmitter
功能
產生電磁波並將其調變為脈波串
將發射信號功率提高至適當的大小，使其能提供
適當的偵測距離。

基本組件
磁控管 (magnetron)： 產生電磁微波的震

盪器(oscillator)
放大器 (amplifiers)： 將功率提高
38

張彥之教官

4.2.3.2 接收機 Receiver
功能
 感測 (Sense) 回波
 放大回波信號，供後續處理
及顯示

重要特性
 將回波信號由背景雜訊中分
辨出來的能力
 信號雜訊比＝信號功率/雜訊
功率
signal-to-noise ratio = S/N
Miss and FAR
39

張彥之教官

4.2.3.3 供電器 Power Supply
 功能：提供系統各種不同功率及電壓的電源
 在整個雷達系統之中，發射器 (transmitter) 是耗
電最多的組件：
 發射器將能量累積並提高，才能將其產生的脈波，在
經過遠距離的傳送後，仍具有可被感測到的能量。
 脈波中所發射出去的功率，稱為峰值功率 (peak
power)。 它較供應到發射器的平均功率要高出許多。

40

張彥之教官

4.2.3.4 同步器及收發轉換器
 同步器 (Synchronizer) :
同步器管制雷達各部件並為新脈波歸零計時器
 收發轉換器 (Duplexer) :
切換天線連接到發射機或接收機的切換開關
同步器發出
脈波起始信號
收發轉換器將天線接到
發射機

41

張彥之教官

同步器發出
脈波結束信號
收發轉換器將天線接到
接收機


Slide 24

第4章

感測與偵測

4.1節
4.2節
4.3節
4.4節

1

波
雷達
聲納
光電

4.0 簡介
 偵測子系統（Sensors subsystem）是兵器
系統四大子系統中的第一個子系統，在整
個兵器系統中，扮演耳目的角色
 偵測子系統的功能
1. 「獲得目標資訊」
2. 提供「周遭環境狀況認知」，亦即所謂的「戰
場知覺」（battlespace awareness ）。

2

張彥之教官

4.0 簡介
 二種「獲得目標資訊」的方式
 主動式（偵測）：
發出信號，並接收該信號被目標反射回來的
回信，加以計算後獲得目標資訊
例如：雷達、聲納(主動模式)

 被動式（感測）：
不發射信號，直接接收週遭環境或目標所發
出的信號，來取得環境或目標資訊
例如：温度計、電視導引飛彈、水中聽音器

3

張彥之教官

4.0 簡介
提供「周遭環境狀況認知」的方式：
將偵測器所獲得的目標資訊，顯示在螢幕
上，提供周遭環境情形；有下列二種方式
1. 直接顯示單一偵測器所獲得之資訊
2. 整合顯示各類偵測器所獲得之資訊

二種基本資訊：位置、大小

4

張彥之教官

第4章

4.1 波
4.1.1 波的參數
4.1.2 波的行進
4.1.3 頻率域與時間域
4.1.4 電磁波

5

感測與偵測

4.1 波(Waves) 是能量在空間中擾動的傳遞

6

張彥之教官

4.1.1 波的參數 The Parameters of a Wave
正弦波 Sine Wave
y = Sin (x)

λ
A

1. 波長 (λ)：波形重複出現的距離
2. 振幅 (Α)：最大擾動值－平均擾動值
3. 相位 (Φorθ)：波起始時的角差
7

張彥之教官

相位 (Φorθ)：波起始時的樣態
上
比
下
超
前
90
度

8

張彥之教官

或落後270度

4.1.2 波的行進 Traveling waves





一個波行過所需的時間，稱為週期（T）
單位時間內行過的波數，稱為頻率（f）
頻率與週期互為倒數（f = 1/T）
波行進的速度（v）為一常數，但會因傳
遞時介質的不同而改變速度。
 fλ＝ c (頻率 × 波長＝波速)
 此稱「散射關係式」，波速根據頻率的高低改變
 光穿過三菱鏡時，因介質改變使各色光（頻率不
同）速度不同，各色光依此分開。

9

張彥之教官

4.1.2 波的行進 分光散射

由疏介質進入密介質，頻率較高的光產生較大的
速度改變，因而產生分光現象。

10

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域表示法

12

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域

頻率域較時間域簡單

13

張彥之教官

4.1.4 電磁波：電場與磁場擾動所生的能量波

14

張彥之教官

4.1.4.1 電磁波的傳遞





速度
球形波
平面波
反射：



入射角等於反射角
入射波與反射波之相
位相差 180 度

 具有折射、干涉、散
射之現象

15

張彥之教官

球形波

平面波

4.1.4.2 電磁波的干涉現象
 不同的電磁波可以無限制地相互「疊加」
 若相互疊加的不同電磁波具有相同頻率，
則會變成一個具有某種特定波形的波，這
種現象，稱為干涉(interference)現象
 干涉可能產生有下列二種效果：
 增強（constructive）
 消減（destructive）
 干涉的情形與其兩個波的相位有關

16

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波在大氣中的傳遞模式
 電磁波頻譜區分
 Low Frequency 低頻：30~300k Hz
 ELF(30-3000)、VLF、LF

 Medium Frequency 中頻：300k~3000k (3M)
 High Frequency 高頻：3M~300G
 HF、UHF、SHF、EHF

 地波(Ground wave)、天波(Sky wave)

17

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波對人體有沒有影響？





20

曾有研究指出電磁場會影響人體健康
微波爐的發明—美國海軍的雷達實驗
微波爐使用 2450 兆赫電磁波
現行大哥大是 900 與 1800 兆赫

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2 雷達
4.2.1 雷達基本原理
4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.3 雷達大部組成

21

4.2 雷達 RADAR
雷達是什麼？可由其英文名稱來暸解
RADAR 是 RAdio Detection And Ranging
的縮寫，而中文的雷達，是該縮寫的直接音譯
Radio：指電磁波。
大部分的雷達，使用波長 1 ~ 300厘米，亦即頻率
1~300 GHz 的電磁波。
電磁波波長可介於 10-6 到 107 米（公尺）

22

張彥之教官

4.2 雷達 RADAR
Detection : 偵知。
指藉由接收物體反射回來的電磁波，來偵知物體
的存在
Ranging : 測距。
計算發波與回波的時間間隔，即可得知物體與我
之間的距離 R = cΔt/2。

雷達，若以意譯，則為電磁波偵知測距儀

23

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.1 雷達基本原理
4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
4.2.1.2 脈波雷達參數
4.2.1.3 脈波雷達效能

24

4.2.1 雷達基本原理

25

張彥之教官

4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
 脈波，指間歇性的波。
 脈波可以是有規律的，例如每隔 X 時間，有 Y
時間的波動出現。
 而此 Y 時間的波動，又可以有自己的頻率和持
續時間。

 電磁波的脈波型式，是雷達偵測的基礎。
 它可以很明確地計算出發射信號與反射信號間
的時間差，進而計算目標的距離

26

張彥之教官

4.2.1.2 脈波雷達參數

 PRT (脈波來復時) : 每隔多少時間會有一個脈波。
 PRF (脈波來復頻) : 脈波出現的頻率，亦即單位時
間內有幾個脈波，PRF = 1/PRT
 PW (脈 波 寛 度) : 指脈波中，波動持續的時間
 RT (停 止 時 間) : 指脈波中，沒有波動的時間
 RF (發 射 頻 率) : 指波動的頻率
27

張彥之教官

4.2.1.3 脈波雷達效能
脈波寬度(PW)的影響
距離解析力： RRES = c PW/2
偵測最近距： RMIN = c PW/2

脈波來復時(PRT)的影響
最遠可偵距離, RUNAMB = c PRT/2 = c/(2PRF).
Rotation Rate 旋轉率

28

張彥之教官

最遠可偵距 Maximum Range
真實距離 Unambiguous Range

29

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.2.1 天線
4.2.2.2 雷達波波套形成

30

4.2.2.1 天線
 天線的功用是將流於
其上的電流隅合成電
磁波發送出去，或是
應空間中電磁波的改
變，將其變為電流信
號傳送給接收機。
 最簡單的天線是雙極
式(dipole)天線。
雙極式(dipole)天線

31

張彥之教官

4.2.2.2 雷達波波套形成
 所謂雷達波波套(Loab)，指的是具有方向性
的電磁波束。
 將電磁波聚焦為波束，可以在相同電磁波
強度下，節省能量，以及確定能量方位。
 將電磁波形成波套，一般使用兩種方法：
 以天線將其他方向的電磁波反射，使其於某方
向形成波套
 使用電磁波干涉消長現象，使用相位差來形成
某方向的波套
32

張彥之教官

反射式天線 將能量聚焦成律定完整的波套
Main Lobe

Φ

Side Lobe
min overall coverage beam number = 360 / Θ
33

張彥之教官

相位式波套形成原理

34

張彥之教官

相位式波套形成原理(相位陣列雷達，PAR)

增強性干涉區

D

消減性干涉區

第4章 感測與偵測

4.2.3雷達大部組成
4.2.3.1 發射機
4.2.3.2 接收機
4.2.3.3 電源供應器
4.2.3.4 同步器及收發轉換器

36

4.2.3 雷達大部組成
同步器

發射機

收發轉
換器

電源

天線
複示器
37

張彥之教官

接收機

4.2.3.1 發射機 Transmitter
功能
產生電磁波並將其調變為脈波串
將發射信號功率提高至適當的大小，使其能提供
適當的偵測距離。

基本組件
磁控管 (magnetron)： 產生電磁微波的震

盪器(oscillator)
放大器 (amplifiers)： 將功率提高
38

張彥之教官

4.2.3.2 接收機 Receiver
功能
 感測 (Sense) 回波
 放大回波信號，供後續處理
及顯示

重要特性
 將回波信號由背景雜訊中分
辨出來的能力
 信號雜訊比＝信號功率/雜訊
功率
signal-to-noise ratio = S/N
Miss and FAR
39

張彥之教官

4.2.3.3 供電器 Power Supply
 功能：提供系統各種不同功率及電壓的電源
 在整個雷達系統之中，發射器 (transmitter) 是耗
電最多的組件：
 發射器將能量累積並提高，才能將其產生的脈波，在
經過遠距離的傳送後，仍具有可被感測到的能量。
 脈波中所發射出去的功率，稱為峰值功率 (peak
power)。 它較供應到發射器的平均功率要高出許多。

40

張彥之教官

4.2.3.4 同步器及收發轉換器
 同步器 (Synchronizer) :
同步器管制雷達各部件並為新脈波歸零計時器
 收發轉換器 (Duplexer) :
切換天線連接到發射機或接收機的切換開關
同步器發出
脈波起始信號
收發轉換器將天線接到
發射機

41

張彥之教官

同步器發出
脈波結束信號
收發轉換器將天線接到
接收機


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第4章

感測與偵測

4.1節
4.2節
4.3節
4.4節

1

波
雷達
聲納
光電

4.0 簡介
 偵測子系統（Sensors subsystem）是兵器
系統四大子系統中的第一個子系統，在整
個兵器系統中，扮演耳目的角色
 偵測子系統的功能
1. 「獲得目標資訊」
2. 提供「周遭環境狀況認知」，亦即所謂的「戰
場知覺」（battlespace awareness ）。

2

張彥之教官

4.0 簡介
 二種「獲得目標資訊」的方式
 主動式（偵測）：
發出信號，並接收該信號被目標反射回來的
回信，加以計算後獲得目標資訊
例如：雷達、聲納(主動模式)

 被動式（感測）：
不發射信號，直接接收週遭環境或目標所發
出的信號，來取得環境或目標資訊
例如：温度計、電視導引飛彈、水中聽音器

3

張彥之教官

4.0 簡介
提供「周遭環境狀況認知」的方式：
將偵測器所獲得的目標資訊，顯示在螢幕
上，提供周遭環境情形；有下列二種方式
1. 直接顯示單一偵測器所獲得之資訊
2. 整合顯示各類偵測器所獲得之資訊

二種基本資訊：位置、大小

4

張彥之教官

第4章

4.1 波
4.1.1 波的參數
4.1.2 波的行進
4.1.3 頻率域與時間域
4.1.4 電磁波

5

感測與偵測

4.1 波(Waves) 是能量在空間中擾動的傳遞

6

張彥之教官

4.1.1 波的參數 The Parameters of a Wave
正弦波 Sine Wave
y = Sin (x)

λ
A

1. 波長 (λ)：波形重複出現的距離
2. 振幅 (Α)：最大擾動值－平均擾動值
3. 相位 (Φorθ)：波起始時的角差
7

張彥之教官

相位 (Φorθ)：波起始時的樣態
上
比
下
超
前
90
度

8

張彥之教官

或落後270度

4.1.2 波的行進 Traveling waves





一個波行過所需的時間，稱為週期（T）
單位時間內行過的波數，稱為頻率（f）
頻率與週期互為倒數（f = 1/T）
波行進的速度（v）為一常數，但會因傳
遞時介質的不同而改變速度。
 fλ＝ c (頻率 × 波長＝波速)
 此稱「散射關係式」，波速根據頻率的高低改變
 光穿過三菱鏡時，因介質改變使各色光（頻率不
同）速度不同，各色光依此分開。

9

張彥之教官

4.1.2 波的行進 分光散射

由疏介質進入密介質，頻率較高的光產生較大的
速度改變，因而產生分光現象。

10

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域表示法

12

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域

頻率域較時間域簡單

13

張彥之教官

4.1.4 電磁波：電場與磁場擾動所生的能量波

14

張彥之教官

4.1.4.1 電磁波的傳遞





速度
球形波
平面波
反射：



入射角等於反射角
入射波與反射波之相
位相差 180 度

 具有折射、干涉、散
射之現象

15

張彥之教官

球形波

平面波

4.1.4.2 電磁波的干涉現象
 不同的電磁波可以無限制地相互「疊加」
 若相互疊加的不同電磁波具有相同頻率，
則會變成一個具有某種特定波形的波，這
種現象，稱為干涉(interference)現象
 干涉可能產生有下列二種效果：
 增強（constructive）
 消減（destructive）
 干涉的情形與其兩個波的相位有關

16

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波在大氣中的傳遞模式
 電磁波頻譜區分
 Low Frequency 低頻：30~300k Hz
 ELF(30-3000)、VLF、LF

 Medium Frequency 中頻：300k~3000k (3M)
 High Frequency 高頻：3M~300G
 HF、UHF、SHF、EHF

 地波(Ground wave)、天波(Sky wave)

17

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波對人體有沒有影響？





20

曾有研究指出電磁場會影響人體健康
微波爐的發明—美國海軍的雷達實驗
微波爐使用 2450 兆赫電磁波
現行大哥大是 900 與 1800 兆赫

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2 雷達
4.2.1 雷達基本原理
4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.3 雷達大部組成

21

4.2 雷達 RADAR
雷達是什麼？可由其英文名稱來暸解
RADAR 是 RAdio Detection And Ranging
的縮寫，而中文的雷達，是該縮寫的直接音譯
Radio：指電磁波。
大部分的雷達，使用波長 1 ~ 300厘米，亦即頻率
1~300 GHz 的電磁波。
電磁波波長可介於 10-6 到 107 米（公尺）

22

張彥之教官

4.2 雷達 RADAR
Detection : 偵知。
指藉由接收物體反射回來的電磁波，來偵知物體
的存在
Ranging : 測距。
計算發波與回波的時間間隔，即可得知物體與我
之間的距離 R = cΔt/2。

雷達，若以意譯，則為電磁波偵知測距儀

23

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.1 雷達基本原理
4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
4.2.1.2 脈波雷達參數
4.2.1.3 脈波雷達效能

24

4.2.1 雷達基本原理

25

張彥之教官

4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
 脈波，指間歇性的波。
 脈波可以是有規律的，例如每隔 X 時間，有 Y
時間的波動出現。
 而此 Y 時間的波動，又可以有自己的頻率和持
續時間。

 電磁波的脈波型式，是雷達偵測的基礎。
 它可以很明確地計算出發射信號與反射信號間
的時間差，進而計算目標的距離

26

張彥之教官

4.2.1.2 脈波雷達參數

 PRT (脈波來復時) : 每隔多少時間會有一個脈波。
 PRF (脈波來復頻) : 脈波出現的頻率，亦即單位時
間內有幾個脈波，PRF = 1/PRT
 PW (脈 波 寛 度) : 指脈波中，波動持續的時間
 RT (停 止 時 間) : 指脈波中，沒有波動的時間
 RF (發 射 頻 率) : 指波動的頻率
27

張彥之教官

4.2.1.3 脈波雷達效能
脈波寬度(PW)的影響
距離解析力： RRES = c PW/2
偵測最近距： RMIN = c PW/2

脈波來復時(PRT)的影響
最遠可偵距離, RUNAMB = c PRT/2 = c/(2PRF).
Rotation Rate 旋轉率

28

張彥之教官

最遠可偵距 Maximum Range
真實距離 Unambiguous Range

29

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.2.1 天線
4.2.2.2 雷達波波套形成

30

4.2.2.1 天線
 天線的功用是將流於
其上的電流隅合成電
磁波發送出去，或是
應空間中電磁波的改
變，將其變為電流信
號傳送給接收機。
 最簡單的天線是雙極
式(dipole)天線。
雙極式(dipole)天線

31

張彥之教官

4.2.2.2 雷達波波套形成
 所謂雷達波波套(Loab)，指的是具有方向性
的電磁波束。
 將電磁波聚焦為波束，可以在相同電磁波
強度下，節省能量，以及確定能量方位。
 將電磁波形成波套，一般使用兩種方法：
 以天線將其他方向的電磁波反射，使其於某方
向形成波套
 使用電磁波干涉消長現象，使用相位差來形成
某方向的波套
32

張彥之教官

反射式天線 將能量聚焦成律定完整的波套
Main Lobe

Φ

Side Lobe
min overall coverage beam number = 360 / Θ
33

張彥之教官

相位式波套形成原理

34

張彥之教官

相位式波套形成原理(相位陣列雷達，PAR)

增強性干涉區

D

消減性干涉區

第4章 感測與偵測

4.2.3雷達大部組成
4.2.3.1 發射機
4.2.3.2 接收機
4.2.3.3 電源供應器
4.2.3.4 同步器及收發轉換器

36

4.2.3 雷達大部組成
同步器

發射機

收發轉
換器

電源

天線
複示器
37

張彥之教官

接收機

4.2.3.1 發射機 Transmitter
功能
產生電磁波並將其調變為脈波串
將發射信號功率提高至適當的大小，使其能提供
適當的偵測距離。

基本組件
磁控管 (magnetron)： 產生電磁微波的震

盪器(oscillator)
放大器 (amplifiers)： 將功率提高
38

張彥之教官

4.2.3.2 接收機 Receiver
功能
 感測 (Sense) 回波
 放大回波信號，供後續處理
及顯示

重要特性
 將回波信號由背景雜訊中分
辨出來的能力
 信號雜訊比＝信號功率/雜訊
功率
signal-to-noise ratio = S/N
Miss and FAR
39

張彥之教官

4.2.3.3 供電器 Power Supply
 功能：提供系統各種不同功率及電壓的電源
 在整個雷達系統之中，發射器 (transmitter) 是耗
電最多的組件：
 發射器將能量累積並提高，才能將其產生的脈波，在
經過遠距離的傳送後，仍具有可被感測到的能量。
 脈波中所發射出去的功率，稱為峰值功率 (peak
power)。 它較供應到發射器的平均功率要高出許多。

40

張彥之教官

4.2.3.4 同步器及收發轉換器
 同步器 (Synchronizer) :
同步器管制雷達各部件並為新脈波歸零計時器
 收發轉換器 (Duplexer) :
切換天線連接到發射機或接收機的切換開關
同步器發出
脈波起始信號
收發轉換器將天線接到
發射機

41

張彥之教官

同步器發出
脈波結束信號
收發轉換器將天線接到
接收機


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感測與偵測

4.1節
4.2節
4.3節
4.4節

1

波
雷達
聲納
光電

4.0 簡介
 偵測子系統（Sensors subsystem）是兵器
系統四大子系統中的第一個子系統，在整
個兵器系統中，扮演耳目的角色
 偵測子系統的功能
1. 「獲得目標資訊」
2. 提供「周遭環境狀況認知」，亦即所謂的「戰
場知覺」（battlespace awareness ）。

2

張彥之教官

4.0 簡介
 二種「獲得目標資訊」的方式
 主動式（偵測）：
發出信號，並接收該信號被目標反射回來的
回信，加以計算後獲得目標資訊
例如：雷達、聲納(主動模式)

 被動式（感測）：
不發射信號，直接接收週遭環境或目標所發
出的信號，來取得環境或目標資訊
例如：温度計、電視導引飛彈、水中聽音器

3

張彥之教官

4.0 簡介
提供「周遭環境狀況認知」的方式：
將偵測器所獲得的目標資訊，顯示在螢幕
上，提供周遭環境情形；有下列二種方式
1. 直接顯示單一偵測器所獲得之資訊
2. 整合顯示各類偵測器所獲得之資訊

二種基本資訊：位置、大小

4

張彥之教官

第4章

4.1 波
4.1.1 波的參數
4.1.2 波的行進
4.1.3 頻率域與時間域
4.1.4 電磁波

5

感測與偵測

4.1 波(Waves) 是能量在空間中擾動的傳遞

6

張彥之教官

4.1.1 波的參數 The Parameters of a Wave
正弦波 Sine Wave
y = Sin (x)

λ
A

1. 波長 (λ)：波形重複出現的距離
2. 振幅 (Α)：最大擾動值－平均擾動值
3. 相位 (Φorθ)：波起始時的角差
7

張彥之教官

相位 (Φorθ)：波起始時的樣態
上
比
下
超
前
90
度

8

張彥之教官

或落後270度

4.1.2 波的行進 Traveling waves





一個波行過所需的時間，稱為週期（T）
單位時間內行過的波數，稱為頻率（f）
頻率與週期互為倒數（f = 1/T）
波行進的速度（v）為一常數，但會因傳
遞時介質的不同而改變速度。
 fλ＝ c (頻率 × 波長＝波速)
 此稱「散射關係式」，波速根據頻率的高低改變
 光穿過三菱鏡時，因介質改變使各色光（頻率不
同）速度不同，各色光依此分開。

9

張彥之教官

4.1.2 波的行進 分光散射

由疏介質進入密介質，頻率較高的光產生較大的
速度改變，因而產生分光現象。

10

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域表示法

12

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域

頻率域較時間域簡單

13

張彥之教官

4.1.4 電磁波：電場與磁場擾動所生的能量波

14

張彥之教官

4.1.4.1 電磁波的傳遞





速度
球形波
平面波
反射：



入射角等於反射角
入射波與反射波之相
位相差 180 度

 具有折射、干涉、散
射之現象

15

張彥之教官

球形波

平面波

4.1.4.2 電磁波的干涉現象
 不同的電磁波可以無限制地相互「疊加」
 若相互疊加的不同電磁波具有相同頻率，
則會變成一個具有某種特定波形的波，這
種現象，稱為干涉(interference)現象
 干涉可能產生有下列二種效果：
 增強（constructive）
 消減（destructive）
 干涉的情形與其兩個波的相位有關

16

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波在大氣中的傳遞模式
 電磁波頻譜區分
 Low Frequency 低頻：30~300k Hz
 ELF(30-3000)、VLF、LF

 Medium Frequency 中頻：300k~3000k (3M)
 High Frequency 高頻：3M~300G
 HF、UHF、SHF、EHF

 地波(Ground wave)、天波(Sky wave)

17

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波對人體有沒有影響？





20

曾有研究指出電磁場會影響人體健康
微波爐的發明—美國海軍的雷達實驗
微波爐使用 2450 兆赫電磁波
現行大哥大是 900 與 1800 兆赫

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2 雷達
4.2.1 雷達基本原理
4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.3 雷達大部組成

21

4.2 雷達 RADAR
雷達是什麼？可由其英文名稱來暸解
RADAR 是 RAdio Detection And Ranging
的縮寫，而中文的雷達，是該縮寫的直接音譯
Radio：指電磁波。
大部分的雷達，使用波長 1 ~ 300厘米，亦即頻率
1~300 GHz 的電磁波。
電磁波波長可介於 10-6 到 107 米（公尺）

22

張彥之教官

4.2 雷達 RADAR
Detection : 偵知。
指藉由接收物體反射回來的電磁波，來偵知物體
的存在
Ranging : 測距。
計算發波與回波的時間間隔，即可得知物體與我
之間的距離 R = cΔt/2。

雷達，若以意譯，則為電磁波偵知測距儀

23

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.1 雷達基本原理
4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
4.2.1.2 脈波雷達參數
4.2.1.3 脈波雷達效能

24

4.2.1 雷達基本原理

25

張彥之教官

4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
 脈波，指間歇性的波。
 脈波可以是有規律的，例如每隔 X 時間，有 Y
時間的波動出現。
 而此 Y 時間的波動，又可以有自己的頻率和持
續時間。

 電磁波的脈波型式，是雷達偵測的基礎。
 它可以很明確地計算出發射信號與反射信號間
的時間差，進而計算目標的距離

26

張彥之教官

4.2.1.2 脈波雷達參數

 PRT (脈波來復時) : 每隔多少時間會有一個脈波。
 PRF (脈波來復頻) : 脈波出現的頻率，亦即單位時
間內有幾個脈波，PRF = 1/PRT
 PW (脈 波 寛 度) : 指脈波中，波動持續的時間
 RT (停 止 時 間) : 指脈波中，沒有波動的時間
 RF (發 射 頻 率) : 指波動的頻率
27

張彥之教官

4.2.1.3 脈波雷達效能
脈波寬度(PW)的影響
距離解析力： RRES = c PW/2
偵測最近距： RMIN = c PW/2

脈波來復時(PRT)的影響
最遠可偵距離, RUNAMB = c PRT/2 = c/(2PRF).
Rotation Rate 旋轉率

28

張彥之教官

最遠可偵距 Maximum Range
真實距離 Unambiguous Range

29

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.2.1 天線
4.2.2.2 雷達波波套形成

30

4.2.2.1 天線
 天線的功用是將流於
其上的電流隅合成電
磁波發送出去，或是
應空間中電磁波的改
變，將其變為電流信
號傳送給接收機。
 最簡單的天線是雙極
式(dipole)天線。
雙極式(dipole)天線

31

張彥之教官

4.2.2.2 雷達波波套形成
 所謂雷達波波套(Loab)，指的是具有方向性
的電磁波束。
 將電磁波聚焦為波束，可以在相同電磁波
強度下，節省能量，以及確定能量方位。
 將電磁波形成波套，一般使用兩種方法：
 以天線將其他方向的電磁波反射，使其於某方
向形成波套
 使用電磁波干涉消長現象，使用相位差來形成
某方向的波套
32

張彥之教官

反射式天線 將能量聚焦成律定完整的波套
Main Lobe

Φ

Side Lobe
min overall coverage beam number = 360 / Θ
33

張彥之教官

相位式波套形成原理

34

張彥之教官

相位式波套形成原理(相位陣列雷達，PAR)

增強性干涉區

D

消減性干涉區

第4章 感測與偵測

4.2.3雷達大部組成
4.2.3.1 發射機
4.2.3.2 接收機
4.2.3.3 電源供應器
4.2.3.4 同步器及收發轉換器

36

4.2.3 雷達大部組成
同步器

發射機

收發轉
換器

電源

天線
複示器
37

張彥之教官

接收機

4.2.3.1 發射機 Transmitter
功能
產生電磁波並將其調變為脈波串
將發射信號功率提高至適當的大小，使其能提供
適當的偵測距離。

基本組件
磁控管 (magnetron)： 產生電磁微波的震

盪器(oscillator)
放大器 (amplifiers)： 將功率提高
38

張彥之教官

4.2.3.2 接收機 Receiver
功能
 感測 (Sense) 回波
 放大回波信號，供後續處理
及顯示

重要特性
 將回波信號由背景雜訊中分
辨出來的能力
 信號雜訊比＝信號功率/雜訊
功率
signal-to-noise ratio = S/N
Miss and FAR
39

張彥之教官

4.2.3.3 供電器 Power Supply
 功能：提供系統各種不同功率及電壓的電源
 在整個雷達系統之中，發射器 (transmitter) 是耗
電最多的組件：
 發射器將能量累積並提高，才能將其產生的脈波，在
經過遠距離的傳送後，仍具有可被感測到的能量。
 脈波中所發射出去的功率，稱為峰值功率 (peak
power)。 它較供應到發射器的平均功率要高出許多。

40

張彥之教官

4.2.3.4 同步器及收發轉換器
 同步器 (Synchronizer) :
同步器管制雷達各部件並為新脈波歸零計時器
 收發轉換器 (Duplexer) :
切換天線連接到發射機或接收機的切換開關
同步器發出
脈波起始信號
收發轉換器將天線接到
發射機

41

張彥之教官

同步器發出
脈波結束信號
收發轉換器將天線接到
接收機


Slide 27

第4章

感測與偵測

4.1節
4.2節
4.3節
4.4節

1

波
雷達
聲納
光電

4.0 簡介
 偵測子系統（Sensors subsystem）是兵器
系統四大子系統中的第一個子系統，在整
個兵器系統中，扮演耳目的角色
 偵測子系統的功能
1. 「獲得目標資訊」
2. 提供「周遭環境狀況認知」，亦即所謂的「戰
場知覺」（battlespace awareness ）。

2

張彥之教官

4.0 簡介
 二種「獲得目標資訊」的方式
 主動式（偵測）：
發出信號，並接收該信號被目標反射回來的
回信，加以計算後獲得目標資訊
例如：雷達、聲納(主動模式)

 被動式（感測）：
不發射信號，直接接收週遭環境或目標所發
出的信號，來取得環境或目標資訊
例如：温度計、電視導引飛彈、水中聽音器

3

張彥之教官

4.0 簡介
提供「周遭環境狀況認知」的方式：
將偵測器所獲得的目標資訊，顯示在螢幕
上，提供周遭環境情形；有下列二種方式
1. 直接顯示單一偵測器所獲得之資訊
2. 整合顯示各類偵測器所獲得之資訊

二種基本資訊：位置、大小

4

張彥之教官

第4章

4.1 波
4.1.1 波的參數
4.1.2 波的行進
4.1.3 頻率域與時間域
4.1.4 電磁波

5

感測與偵測

4.1 波(Waves) 是能量在空間中擾動的傳遞

6

張彥之教官

4.1.1 波的參數 The Parameters of a Wave
正弦波 Sine Wave
y = Sin (x)

λ
A

1. 波長 (λ)：波形重複出現的距離
2. 振幅 (Α)：最大擾動值－平均擾動值
3. 相位 (Φorθ)：波起始時的角差
7

張彥之教官

相位 (Φorθ)：波起始時的樣態
上
比
下
超
前
90
度

8

張彥之教官

或落後270度

4.1.2 波的行進 Traveling waves





一個波行過所需的時間，稱為週期（T）
單位時間內行過的波數，稱為頻率（f）
頻率與週期互為倒數（f = 1/T）
波行進的速度（v）為一常數，但會因傳
遞時介質的不同而改變速度。
 fλ＝ c (頻率 × 波長＝波速)
 此稱「散射關係式」，波速根據頻率的高低改變
 光穿過三菱鏡時，因介質改變使各色光（頻率不
同）速度不同，各色光依此分開。

9

張彥之教官

4.1.2 波的行進 分光散射

由疏介質進入密介質，頻率較高的光產生較大的
速度改變，因而產生分光現象。

10

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域表示法

12

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域

頻率域較時間域簡單

13

張彥之教官

4.1.4 電磁波：電場與磁場擾動所生的能量波

14

張彥之教官

4.1.4.1 電磁波的傳遞





速度
球形波
平面波
反射：



入射角等於反射角
入射波與反射波之相
位相差 180 度

 具有折射、干涉、散
射之現象

15

張彥之教官

球形波

平面波

4.1.4.2 電磁波的干涉現象
 不同的電磁波可以無限制地相互「疊加」
 若相互疊加的不同電磁波具有相同頻率，
則會變成一個具有某種特定波形的波，這
種現象，稱為干涉(interference)現象
 干涉可能產生有下列二種效果：
 增強（constructive）
 消減（destructive）
 干涉的情形與其兩個波的相位有關

16

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波在大氣中的傳遞模式
 電磁波頻譜區分
 Low Frequency 低頻：30~300k Hz
 ELF(30-3000)、VLF、LF

 Medium Frequency 中頻：300k~3000k (3M)
 High Frequency 高頻：3M~300G
 HF、UHF、SHF、EHF

 地波(Ground wave)、天波(Sky wave)

17

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波對人體有沒有影響？





20

曾有研究指出電磁場會影響人體健康
微波爐的發明—美國海軍的雷達實驗
微波爐使用 2450 兆赫電磁波
現行大哥大是 900 與 1800 兆赫

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2 雷達
4.2.1 雷達基本原理
4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.3 雷達大部組成

21

4.2 雷達 RADAR
雷達是什麼？可由其英文名稱來暸解
RADAR 是 RAdio Detection And Ranging
的縮寫，而中文的雷達，是該縮寫的直接音譯
Radio：指電磁波。
大部分的雷達，使用波長 1 ~ 300厘米，亦即頻率
1~300 GHz 的電磁波。
電磁波波長可介於 10-6 到 107 米（公尺）

22

張彥之教官

4.2 雷達 RADAR
Detection : 偵知。
指藉由接收物體反射回來的電磁波，來偵知物體
的存在
Ranging : 測距。
計算發波與回波的時間間隔，即可得知物體與我
之間的距離 R = cΔt/2。

雷達，若以意譯，則為電磁波偵知測距儀

23

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.1 雷達基本原理
4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
4.2.1.2 脈波雷達參數
4.2.1.3 脈波雷達效能

24

4.2.1 雷達基本原理

25

張彥之教官

4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
 脈波，指間歇性的波。
 脈波可以是有規律的，例如每隔 X 時間，有 Y
時間的波動出現。
 而此 Y 時間的波動，又可以有自己的頻率和持
續時間。

 電磁波的脈波型式，是雷達偵測的基礎。
 它可以很明確地計算出發射信號與反射信號間
的時間差，進而計算目標的距離

26

張彥之教官

4.2.1.2 脈波雷達參數

 PRT (脈波來復時) : 每隔多少時間會有一個脈波。
 PRF (脈波來復頻) : 脈波出現的頻率，亦即單位時
間內有幾個脈波，PRF = 1/PRT
 PW (脈 波 寛 度) : 指脈波中，波動持續的時間
 RT (停 止 時 間) : 指脈波中，沒有波動的時間
 RF (發 射 頻 率) : 指波動的頻率
27

張彥之教官

4.2.1.3 脈波雷達效能
脈波寬度(PW)的影響
距離解析力： RRES = c PW/2
偵測最近距： RMIN = c PW/2

脈波來復時(PRT)的影響
最遠可偵距離, RUNAMB = c PRT/2 = c/(2PRF).
Rotation Rate 旋轉率

28

張彥之教官

最遠可偵距 Maximum Range
真實距離 Unambiguous Range

29

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.2.1 天線
4.2.2.2 雷達波波套形成

30

4.2.2.1 天線
 天線的功用是將流於
其上的電流隅合成電
磁波發送出去，或是
應空間中電磁波的改
變，將其變為電流信
號傳送給接收機。
 最簡單的天線是雙極
式(dipole)天線。
雙極式(dipole)天線

31

張彥之教官

4.2.2.2 雷達波波套形成
 所謂雷達波波套(Loab)，指的是具有方向性
的電磁波束。
 將電磁波聚焦為波束，可以在相同電磁波
強度下，節省能量，以及確定能量方位。
 將電磁波形成波套，一般使用兩種方法：
 以天線將其他方向的電磁波反射，使其於某方
向形成波套
 使用電磁波干涉消長現象，使用相位差來形成
某方向的波套
32

張彥之教官

反射式天線 將能量聚焦成律定完整的波套
Main Lobe

Φ

Side Lobe
min overall coverage beam number = 360 / Θ
33

張彥之教官

相位式波套形成原理

34

張彥之教官

相位式波套形成原理(相位陣列雷達，PAR)

增強性干涉區

D

消減性干涉區

第4章 感測與偵測

4.2.3雷達大部組成
4.2.3.1 發射機
4.2.3.2 接收機
4.2.3.3 電源供應器
4.2.3.4 同步器及收發轉換器

36

4.2.3 雷達大部組成
同步器

發射機

收發轉
換器

電源

天線
複示器
37

張彥之教官

接收機

4.2.3.1 發射機 Transmitter
功能
產生電磁波並將其調變為脈波串
將發射信號功率提高至適當的大小，使其能提供
適當的偵測距離。

基本組件
磁控管 (magnetron)： 產生電磁微波的震

盪器(oscillator)
放大器 (amplifiers)： 將功率提高
38

張彥之教官

4.2.3.2 接收機 Receiver
功能
 感測 (Sense) 回波
 放大回波信號，供後續處理
及顯示

重要特性
 將回波信號由背景雜訊中分
辨出來的能力
 信號雜訊比＝信號功率/雜訊
功率
signal-to-noise ratio = S/N
Miss and FAR
39

張彥之教官

4.2.3.3 供電器 Power Supply
 功能：提供系統各種不同功率及電壓的電源
 在整個雷達系統之中，發射器 (transmitter) 是耗
電最多的組件：
 發射器將能量累積並提高，才能將其產生的脈波，在
經過遠距離的傳送後，仍具有可被感測到的能量。
 脈波中所發射出去的功率，稱為峰值功率 (peak
power)。 它較供應到發射器的平均功率要高出許多。

40

張彥之教官

4.2.3.4 同步器及收發轉換器
 同步器 (Synchronizer) :
同步器管制雷達各部件並為新脈波歸零計時器
 收發轉換器 (Duplexer) :
切換天線連接到發射機或接收機的切換開關
同步器發出
脈波起始信號
收發轉換器將天線接到
發射機

41

張彥之教官

同步器發出
脈波結束信號
收發轉換器將天線接到
接收機


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第4章

感測與偵測

4.1節
4.2節
4.3節
4.4節

1

波
雷達
聲納
光電

4.0 簡介
 偵測子系統（Sensors subsystem）是兵器
系統四大子系統中的第一個子系統，在整
個兵器系統中，扮演耳目的角色
 偵測子系統的功能
1. 「獲得目標資訊」
2. 提供「周遭環境狀況認知」，亦即所謂的「戰
場知覺」（battlespace awareness ）。

2

張彥之教官

4.0 簡介
 二種「獲得目標資訊」的方式
 主動式（偵測）：
發出信號，並接收該信號被目標反射回來的
回信，加以計算後獲得目標資訊
例如：雷達、聲納(主動模式)

 被動式（感測）：
不發射信號，直接接收週遭環境或目標所發
出的信號，來取得環境或目標資訊
例如：温度計、電視導引飛彈、水中聽音器

3

張彥之教官

4.0 簡介
提供「周遭環境狀況認知」的方式：
將偵測器所獲得的目標資訊，顯示在螢幕
上，提供周遭環境情形；有下列二種方式
1. 直接顯示單一偵測器所獲得之資訊
2. 整合顯示各類偵測器所獲得之資訊

二種基本資訊：位置、大小

4

張彥之教官

第4章

4.1 波
4.1.1 波的參數
4.1.2 波的行進
4.1.3 頻率域與時間域
4.1.4 電磁波

5

感測與偵測

4.1 波(Waves) 是能量在空間中擾動的傳遞

6

張彥之教官

4.1.1 波的參數 The Parameters of a Wave
正弦波 Sine Wave
y = Sin (x)

λ
A

1. 波長 (λ)：波形重複出現的距離
2. 振幅 (Α)：最大擾動值－平均擾動值
3. 相位 (Φorθ)：波起始時的角差
7

張彥之教官

相位 (Φorθ)：波起始時的樣態
上
比
下
超
前
90
度

8

張彥之教官

或落後270度

4.1.2 波的行進 Traveling waves





一個波行過所需的時間，稱為週期（T）
單位時間內行過的波數，稱為頻率（f）
頻率與週期互為倒數（f = 1/T）
波行進的速度（v）為一常數，但會因傳
遞時介質的不同而改變速度。
 fλ＝ c (頻率 × 波長＝波速)
 此稱「散射關係式」，波速根據頻率的高低改變
 光穿過三菱鏡時，因介質改變使各色光（頻率不
同）速度不同，各色光依此分開。

9

張彥之教官

4.1.2 波的行進 分光散射

由疏介質進入密介質，頻率較高的光產生較大的
速度改變，因而產生分光現象。

10

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域表示法

12

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域

頻率域較時間域簡單

13

張彥之教官

4.1.4 電磁波：電場與磁場擾動所生的能量波

14

張彥之教官

4.1.4.1 電磁波的傳遞





速度
球形波
平面波
反射：



入射角等於反射角
入射波與反射波之相
位相差 180 度

 具有折射、干涉、散
射之現象

15

張彥之教官

球形波

平面波

4.1.4.2 電磁波的干涉現象
 不同的電磁波可以無限制地相互「疊加」
 若相互疊加的不同電磁波具有相同頻率，
則會變成一個具有某種特定波形的波，這
種現象，稱為干涉(interference)現象
 干涉可能產生有下列二種效果：
 增強（constructive）
 消減（destructive）
 干涉的情形與其兩個波的相位有關

16

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波在大氣中的傳遞模式
 電磁波頻譜區分
 Low Frequency 低頻：30~300k Hz
 ELF(30-3000)、VLF、LF

 Medium Frequency 中頻：300k~3000k (3M)
 High Frequency 高頻：3M~300G
 HF、UHF、SHF、EHF

 地波(Ground wave)、天波(Sky wave)

17

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波對人體有沒有影響？





20

曾有研究指出電磁場會影響人體健康
微波爐的發明—美國海軍的雷達實驗
微波爐使用 2450 兆赫電磁波
現行大哥大是 900 與 1800 兆赫

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2 雷達
4.2.1 雷達基本原理
4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.3 雷達大部組成

21

4.2 雷達 RADAR
雷達是什麼？可由其英文名稱來暸解
RADAR 是 RAdio Detection And Ranging
的縮寫，而中文的雷達，是該縮寫的直接音譯
Radio：指電磁波。
大部分的雷達，使用波長 1 ~ 300厘米，亦即頻率
1~300 GHz 的電磁波。
電磁波波長可介於 10-6 到 107 米（公尺）

22

張彥之教官

4.2 雷達 RADAR
Detection : 偵知。
指藉由接收物體反射回來的電磁波，來偵知物體
的存在
Ranging : 測距。
計算發波與回波的時間間隔，即可得知物體與我
之間的距離 R = cΔt/2。

雷達，若以意譯，則為電磁波偵知測距儀

23

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.1 雷達基本原理
4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
4.2.1.2 脈波雷達參數
4.2.1.3 脈波雷達效能

24

4.2.1 雷達基本原理

25

張彥之教官

4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
 脈波，指間歇性的波。
 脈波可以是有規律的，例如每隔 X 時間，有 Y
時間的波動出現。
 而此 Y 時間的波動，又可以有自己的頻率和持
續時間。

 電磁波的脈波型式，是雷達偵測的基礎。
 它可以很明確地計算出發射信號與反射信號間
的時間差，進而計算目標的距離

26

張彥之教官

4.2.1.2 脈波雷達參數

 PRT (脈波來復時) : 每隔多少時間會有一個脈波。
 PRF (脈波來復頻) : 脈波出現的頻率，亦即單位時
間內有幾個脈波，PRF = 1/PRT
 PW (脈 波 寛 度) : 指脈波中，波動持續的時間
 RT (停 止 時 間) : 指脈波中，沒有波動的時間
 RF (發 射 頻 率) : 指波動的頻率
27

張彥之教官

4.2.1.3 脈波雷達效能
脈波寬度(PW)的影響
距離解析力： RRES = c PW/2
偵測最近距： RMIN = c PW/2

脈波來復時(PRT)的影響
最遠可偵距離, RUNAMB = c PRT/2 = c/(2PRF).
Rotation Rate 旋轉率

28

張彥之教官

最遠可偵距 Maximum Range
真實距離 Unambiguous Range

29

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.2.1 天線
4.2.2.2 雷達波波套形成

30

4.2.2.1 天線
 天線的功用是將流於
其上的電流隅合成電
磁波發送出去，或是
應空間中電磁波的改
變，將其變為電流信
號傳送給接收機。
 最簡單的天線是雙極
式(dipole)天線。
雙極式(dipole)天線

31

張彥之教官

4.2.2.2 雷達波波套形成
 所謂雷達波波套(Loab)，指的是具有方向性
的電磁波束。
 將電磁波聚焦為波束，可以在相同電磁波
強度下，節省能量，以及確定能量方位。
 將電磁波形成波套，一般使用兩種方法：
 以天線將其他方向的電磁波反射，使其於某方
向形成波套
 使用電磁波干涉消長現象，使用相位差來形成
某方向的波套
32

張彥之教官

反射式天線 將能量聚焦成律定完整的波套
Main Lobe

Φ

Side Lobe
min overall coverage beam number = 360 / Θ
33

張彥之教官

相位式波套形成原理

34

張彥之教官

相位式波套形成原理(相位陣列雷達，PAR)

增強性干涉區

D

消減性干涉區

第4章 感測與偵測

4.2.3雷達大部組成
4.2.3.1 發射機
4.2.3.2 接收機
4.2.3.3 電源供應器
4.2.3.4 同步器及收發轉換器

36

4.2.3 雷達大部組成
同步器

發射機

收發轉
換器

電源

天線
複示器
37

張彥之教官

接收機

4.2.3.1 發射機 Transmitter
功能
產生電磁波並將其調變為脈波串
將發射信號功率提高至適當的大小，使其能提供
適當的偵測距離。

基本組件
磁控管 (magnetron)： 產生電磁微波的震

盪器(oscillator)
放大器 (amplifiers)： 將功率提高
38

張彥之教官

4.2.3.2 接收機 Receiver
功能
 感測 (Sense) 回波
 放大回波信號，供後續處理
及顯示

重要特性
 將回波信號由背景雜訊中分
辨出來的能力
 信號雜訊比＝信號功率/雜訊
功率
signal-to-noise ratio = S/N
Miss and FAR
39

張彥之教官

4.2.3.3 供電器 Power Supply
 功能：提供系統各種不同功率及電壓的電源
 在整個雷達系統之中，發射器 (transmitter) 是耗
電最多的組件：
 發射器將能量累積並提高，才能將其產生的脈波，在
經過遠距離的傳送後，仍具有可被感測到的能量。
 脈波中所發射出去的功率，稱為峰值功率 (peak
power)。 它較供應到發射器的平均功率要高出許多。

40

張彥之教官

4.2.3.4 同步器及收發轉換器
 同步器 (Synchronizer) :
同步器管制雷達各部件並為新脈波歸零計時器
 收發轉換器 (Duplexer) :
切換天線連接到發射機或接收機的切換開關
同步器發出
脈波起始信號
收發轉換器將天線接到
發射機

41

張彥之教官

同步器發出
脈波結束信號
收發轉換器將天線接到
接收機


Slide 29

第4章

感測與偵測

4.1節
4.2節
4.3節
4.4節

1

波
雷達
聲納
光電

4.0 簡介
 偵測子系統（Sensors subsystem）是兵器
系統四大子系統中的第一個子系統，在整
個兵器系統中，扮演耳目的角色
 偵測子系統的功能
1. 「獲得目標資訊」
2. 提供「周遭環境狀況認知」，亦即所謂的「戰
場知覺」（battlespace awareness ）。

2

張彥之教官

4.0 簡介
 二種「獲得目標資訊」的方式
 主動式（偵測）：
發出信號，並接收該信號被目標反射回來的
回信，加以計算後獲得目標資訊
例如：雷達、聲納(主動模式)

 被動式（感測）：
不發射信號，直接接收週遭環境或目標所發
出的信號，來取得環境或目標資訊
例如：温度計、電視導引飛彈、水中聽音器

3

張彥之教官

4.0 簡介
提供「周遭環境狀況認知」的方式：
將偵測器所獲得的目標資訊，顯示在螢幕
上，提供周遭環境情形；有下列二種方式
1. 直接顯示單一偵測器所獲得之資訊
2. 整合顯示各類偵測器所獲得之資訊

二種基本資訊：位置、大小

4

張彥之教官

第4章

4.1 波
4.1.1 波的參數
4.1.2 波的行進
4.1.3 頻率域與時間域
4.1.4 電磁波

5

感測與偵測

4.1 波(Waves) 是能量在空間中擾動的傳遞

6

張彥之教官

4.1.1 波的參數 The Parameters of a Wave
正弦波 Sine Wave
y = Sin (x)

λ
A

1. 波長 (λ)：波形重複出現的距離
2. 振幅 (Α)：最大擾動值－平均擾動值
3. 相位 (Φorθ)：波起始時的角差
7

張彥之教官

相位 (Φorθ)：波起始時的樣態
上
比
下
超
前
90
度

8

張彥之教官

或落後270度

4.1.2 波的行進 Traveling waves





一個波行過所需的時間，稱為週期（T）
單位時間內行過的波數，稱為頻率（f）
頻率與週期互為倒數（f = 1/T）
波行進的速度（v）為一常數，但會因傳
遞時介質的不同而改變速度。
 fλ＝ c (頻率 × 波長＝波速)
 此稱「散射關係式」，波速根據頻率的高低改變
 光穿過三菱鏡時，因介質改變使各色光（頻率不
同）速度不同，各色光依此分開。

9

張彥之教官

4.1.2 波的行進 分光散射

由疏介質進入密介質，頻率較高的光產生較大的
速度改變，因而產生分光現象。

10

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域表示法

12

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域

頻率域較時間域簡單

13

張彥之教官

4.1.4 電磁波：電場與磁場擾動所生的能量波

14

張彥之教官

4.1.4.1 電磁波的傳遞





速度
球形波
平面波
反射：



入射角等於反射角
入射波與反射波之相
位相差 180 度

 具有折射、干涉、散
射之現象

15

張彥之教官

球形波

平面波

4.1.4.2 電磁波的干涉現象
 不同的電磁波可以無限制地相互「疊加」
 若相互疊加的不同電磁波具有相同頻率，
則會變成一個具有某種特定波形的波，這
種現象，稱為干涉(interference)現象
 干涉可能產生有下列二種效果：
 增強（constructive）
 消減（destructive）
 干涉的情形與其兩個波的相位有關

16

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波在大氣中的傳遞模式
 電磁波頻譜區分
 Low Frequency 低頻：30~300k Hz
 ELF(30-3000)、VLF、LF

 Medium Frequency 中頻：300k~3000k (3M)
 High Frequency 高頻：3M~300G
 HF、UHF、SHF、EHF

 地波(Ground wave)、天波(Sky wave)

17

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波對人體有沒有影響？





20

曾有研究指出電磁場會影響人體健康
微波爐的發明—美國海軍的雷達實驗
微波爐使用 2450 兆赫電磁波
現行大哥大是 900 與 1800 兆赫

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2 雷達
4.2.1 雷達基本原理
4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.3 雷達大部組成

21

4.2 雷達 RADAR
雷達是什麼？可由其英文名稱來暸解
RADAR 是 RAdio Detection And Ranging
的縮寫，而中文的雷達，是該縮寫的直接音譯
Radio：指電磁波。
大部分的雷達，使用波長 1 ~ 300厘米，亦即頻率
1~300 GHz 的電磁波。
電磁波波長可介於 10-6 到 107 米（公尺）

22

張彥之教官

4.2 雷達 RADAR
Detection : 偵知。
指藉由接收物體反射回來的電磁波，來偵知物體
的存在
Ranging : 測距。
計算發波與回波的時間間隔，即可得知物體與我
之間的距離 R = cΔt/2。

雷達，若以意譯，則為電磁波偵知測距儀

23

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.1 雷達基本原理
4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
4.2.1.2 脈波雷達參數
4.2.1.3 脈波雷達效能

24

4.2.1 雷達基本原理

25

張彥之教官

4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
 脈波，指間歇性的波。
 脈波可以是有規律的，例如每隔 X 時間，有 Y
時間的波動出現。
 而此 Y 時間的波動，又可以有自己的頻率和持
續時間。

 電磁波的脈波型式，是雷達偵測的基礎。
 它可以很明確地計算出發射信號與反射信號間
的時間差，進而計算目標的距離

26

張彥之教官

4.2.1.2 脈波雷達參數

 PRT (脈波來復時) : 每隔多少時間會有一個脈波。
 PRF (脈波來復頻) : 脈波出現的頻率，亦即單位時
間內有幾個脈波，PRF = 1/PRT
 PW (脈 波 寛 度) : 指脈波中，波動持續的時間
 RT (停 止 時 間) : 指脈波中，沒有波動的時間
 RF (發 射 頻 率) : 指波動的頻率
27

張彥之教官

4.2.1.3 脈波雷達效能
脈波寬度(PW)的影響
距離解析力： RRES = c PW/2
偵測最近距： RMIN = c PW/2

脈波來復時(PRT)的影響
最遠可偵距離, RUNAMB = c PRT/2 = c/(2PRF).
Rotation Rate 旋轉率

28

張彥之教官

最遠可偵距 Maximum Range
真實距離 Unambiguous Range

29

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.2.1 天線
4.2.2.2 雷達波波套形成

30

4.2.2.1 天線
 天線的功用是將流於
其上的電流隅合成電
磁波發送出去，或是
應空間中電磁波的改
變，將其變為電流信
號傳送給接收機。
 最簡單的天線是雙極
式(dipole)天線。
雙極式(dipole)天線

31

張彥之教官

4.2.2.2 雷達波波套形成
 所謂雷達波波套(Loab)，指的是具有方向性
的電磁波束。
 將電磁波聚焦為波束，可以在相同電磁波
強度下，節省能量，以及確定能量方位。
 將電磁波形成波套，一般使用兩種方法：
 以天線將其他方向的電磁波反射，使其於某方
向形成波套
 使用電磁波干涉消長現象，使用相位差來形成
某方向的波套
32

張彥之教官

反射式天線 將能量聚焦成律定完整的波套
Main Lobe

Φ

Side Lobe
min overall coverage beam number = 360 / Θ
33

張彥之教官

相位式波套形成原理

34

張彥之教官

相位式波套形成原理(相位陣列雷達，PAR)

增強性干涉區

D

消減性干涉區

第4章 感測與偵測

4.2.3雷達大部組成
4.2.3.1 發射機
4.2.3.2 接收機
4.2.3.3 電源供應器
4.2.3.4 同步器及收發轉換器

36

4.2.3 雷達大部組成
同步器

發射機

收發轉
換器

電源

天線
複示器
37

張彥之教官

接收機

4.2.3.1 發射機 Transmitter
功能
產生電磁波並將其調變為脈波串
將發射信號功率提高至適當的大小，使其能提供
適當的偵測距離。

基本組件
磁控管 (magnetron)： 產生電磁微波的震

盪器(oscillator)
放大器 (amplifiers)： 將功率提高
38

張彥之教官

4.2.3.2 接收機 Receiver
功能
 感測 (Sense) 回波
 放大回波信號，供後續處理
及顯示

重要特性
 將回波信號由背景雜訊中分
辨出來的能力
 信號雜訊比＝信號功率/雜訊
功率
signal-to-noise ratio = S/N
Miss and FAR
39

張彥之教官

4.2.3.3 供電器 Power Supply
 功能：提供系統各種不同功率及電壓的電源
 在整個雷達系統之中，發射器 (transmitter) 是耗
電最多的組件：
 發射器將能量累積並提高，才能將其產生的脈波，在
經過遠距離的傳送後，仍具有可被感測到的能量。
 脈波中所發射出去的功率，稱為峰值功率 (peak
power)。 它較供應到發射器的平均功率要高出許多。

40

張彥之教官

4.2.3.4 同步器及收發轉換器
 同步器 (Synchronizer) :
同步器管制雷達各部件並為新脈波歸零計時器
 收發轉換器 (Duplexer) :
切換天線連接到發射機或接收機的切換開關
同步器發出
脈波起始信號
收發轉換器將天線接到
發射機

41

張彥之教官

同步器發出
脈波結束信號
收發轉換器將天線接到
接收機


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第4章

感測與偵測

4.1節
4.2節
4.3節
4.4節

1

波
雷達
聲納
光電

4.0 簡介
 偵測子系統（Sensors subsystem）是兵器
系統四大子系統中的第一個子系統，在整
個兵器系統中，扮演耳目的角色
 偵測子系統的功能
1. 「獲得目標資訊」
2. 提供「周遭環境狀況認知」，亦即所謂的「戰
場知覺」（battlespace awareness ）。

2

張彥之教官

4.0 簡介
 二種「獲得目標資訊」的方式
 主動式（偵測）：
發出信號，並接收該信號被目標反射回來的
回信，加以計算後獲得目標資訊
例如：雷達、聲納(主動模式)

 被動式（感測）：
不發射信號，直接接收週遭環境或目標所發
出的信號，來取得環境或目標資訊
例如：温度計、電視導引飛彈、水中聽音器

3

張彥之教官

4.0 簡介
提供「周遭環境狀況認知」的方式：
將偵測器所獲得的目標資訊，顯示在螢幕
上，提供周遭環境情形；有下列二種方式
1. 直接顯示單一偵測器所獲得之資訊
2. 整合顯示各類偵測器所獲得之資訊

二種基本資訊：位置、大小

4

張彥之教官

第4章

4.1 波
4.1.1 波的參數
4.1.2 波的行進
4.1.3 頻率域與時間域
4.1.4 電磁波

5

感測與偵測

4.1 波(Waves) 是能量在空間中擾動的傳遞

6

張彥之教官

4.1.1 波的參數 The Parameters of a Wave
正弦波 Sine Wave
y = Sin (x)

λ
A

1. 波長 (λ)：波形重複出現的距離
2. 振幅 (Α)：最大擾動值－平均擾動值
3. 相位 (Φorθ)：波起始時的角差
7

張彥之教官

相位 (Φorθ)：波起始時的樣態
上
比
下
超
前
90
度

8

張彥之教官

或落後270度

4.1.2 波的行進 Traveling waves





一個波行過所需的時間，稱為週期（T）
單位時間內行過的波數，稱為頻率（f）
頻率與週期互為倒數（f = 1/T）
波行進的速度（v）為一常數，但會因傳
遞時介質的不同而改變速度。
 fλ＝ c (頻率 × 波長＝波速)
 此稱「散射關係式」，波速根據頻率的高低改變
 光穿過三菱鏡時，因介質改變使各色光（頻率不
同）速度不同，各色光依此分開。

9

張彥之教官

4.1.2 波的行進 分光散射

由疏介質進入密介質，頻率較高的光產生較大的
速度改變，因而產生分光現象。

10

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域表示法

12

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域

頻率域較時間域簡單

13

張彥之教官

4.1.4 電磁波：電場與磁場擾動所生的能量波

14

張彥之教官

4.1.4.1 電磁波的傳遞





速度
球形波
平面波
反射：



入射角等於反射角
入射波與反射波之相
位相差 180 度

 具有折射、干涉、散
射之現象

15

張彥之教官

球形波

平面波

4.1.4.2 電磁波的干涉現象
 不同的電磁波可以無限制地相互「疊加」
 若相互疊加的不同電磁波具有相同頻率，
則會變成一個具有某種特定波形的波，這
種現象，稱為干涉(interference)現象
 干涉可能產生有下列二種效果：
 增強（constructive）
 消減（destructive）
 干涉的情形與其兩個波的相位有關

16

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波在大氣中的傳遞模式
 電磁波頻譜區分
 Low Frequency 低頻：30~300k Hz
 ELF(30-3000)、VLF、LF

 Medium Frequency 中頻：300k~3000k (3M)
 High Frequency 高頻：3M~300G
 HF、UHF、SHF、EHF

 地波(Ground wave)、天波(Sky wave)

17

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波對人體有沒有影響？





20

曾有研究指出電磁場會影響人體健康
微波爐的發明—美國海軍的雷達實驗
微波爐使用 2450 兆赫電磁波
現行大哥大是 900 與 1800 兆赫

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2 雷達
4.2.1 雷達基本原理
4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.3 雷達大部組成

21

4.2 雷達 RADAR
雷達是什麼？可由其英文名稱來暸解
RADAR 是 RAdio Detection And Ranging
的縮寫，而中文的雷達，是該縮寫的直接音譯
Radio：指電磁波。
大部分的雷達，使用波長 1 ~ 300厘米，亦即頻率
1~300 GHz 的電磁波。
電磁波波長可介於 10-6 到 107 米（公尺）

22

張彥之教官

4.2 雷達 RADAR
Detection : 偵知。
指藉由接收物體反射回來的電磁波，來偵知物體
的存在
Ranging : 測距。
計算發波與回波的時間間隔，即可得知物體與我
之間的距離 R = cΔt/2。

雷達，若以意譯，則為電磁波偵知測距儀

23

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.1 雷達基本原理
4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
4.2.1.2 脈波雷達參數
4.2.1.3 脈波雷達效能

24

4.2.1 雷達基本原理

25

張彥之教官

4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
 脈波，指間歇性的波。
 脈波可以是有規律的，例如每隔 X 時間，有 Y
時間的波動出現。
 而此 Y 時間的波動，又可以有自己的頻率和持
續時間。

 電磁波的脈波型式，是雷達偵測的基礎。
 它可以很明確地計算出發射信號與反射信號間
的時間差，進而計算目標的距離

26

張彥之教官

4.2.1.2 脈波雷達參數

 PRT (脈波來復時) : 每隔多少時間會有一個脈波。
 PRF (脈波來復頻) : 脈波出現的頻率，亦即單位時
間內有幾個脈波，PRF = 1/PRT
 PW (脈 波 寛 度) : 指脈波中，波動持續的時間
 RT (停 止 時 間) : 指脈波中，沒有波動的時間
 RF (發 射 頻 率) : 指波動的頻率
27

張彥之教官

4.2.1.3 脈波雷達效能
脈波寬度(PW)的影響
距離解析力： RRES = c PW/2
偵測最近距： RMIN = c PW/2

脈波來復時(PRT)的影響
最遠可偵距離, RUNAMB = c PRT/2 = c/(2PRF).
Rotation Rate 旋轉率

28

張彥之教官

最遠可偵距 Maximum Range
真實距離 Unambiguous Range

29

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.2.1 天線
4.2.2.2 雷達波波套形成

30

4.2.2.1 天線
 天線的功用是將流於
其上的電流隅合成電
磁波發送出去，或是
應空間中電磁波的改
變，將其變為電流信
號傳送給接收機。
 最簡單的天線是雙極
式(dipole)天線。
雙極式(dipole)天線

31

張彥之教官

4.2.2.2 雷達波波套形成
 所謂雷達波波套(Loab)，指的是具有方向性
的電磁波束。
 將電磁波聚焦為波束，可以在相同電磁波
強度下，節省能量，以及確定能量方位。
 將電磁波形成波套，一般使用兩種方法：
 以天線將其他方向的電磁波反射，使其於某方
向形成波套
 使用電磁波干涉消長現象，使用相位差來形成
某方向的波套
32

張彥之教官

反射式天線 將能量聚焦成律定完整的波套
Main Lobe

Φ

Side Lobe
min overall coverage beam number = 360 / Θ
33

張彥之教官

相位式波套形成原理

34

張彥之教官

相位式波套形成原理(相位陣列雷達，PAR)

增強性干涉區

D

消減性干涉區

第4章 感測與偵測

4.2.3雷達大部組成
4.2.3.1 發射機
4.2.3.2 接收機
4.2.3.3 電源供應器
4.2.3.4 同步器及收發轉換器

36

4.2.3 雷達大部組成
同步器

發射機

收發轉
換器

電源

天線
複示器
37

張彥之教官

接收機

4.2.3.1 發射機 Transmitter
功能
產生電磁波並將其調變為脈波串
將發射信號功率提高至適當的大小，使其能提供
適當的偵測距離。

基本組件
磁控管 (magnetron)： 產生電磁微波的震

盪器(oscillator)
放大器 (amplifiers)： 將功率提高
38

張彥之教官

4.2.3.2 接收機 Receiver
功能
 感測 (Sense) 回波
 放大回波信號，供後續處理
及顯示

重要特性
 將回波信號由背景雜訊中分
辨出來的能力
 信號雜訊比＝信號功率/雜訊
功率
signal-to-noise ratio = S/N
Miss and FAR
39

張彥之教官

4.2.3.3 供電器 Power Supply
 功能：提供系統各種不同功率及電壓的電源
 在整個雷達系統之中，發射器 (transmitter) 是耗
電最多的組件：
 發射器將能量累積並提高，才能將其產生的脈波，在
經過遠距離的傳送後，仍具有可被感測到的能量。
 脈波中所發射出去的功率，稱為峰值功率 (peak
power)。 它較供應到發射器的平均功率要高出許多。

40

張彥之教官

4.2.3.4 同步器及收發轉換器
 同步器 (Synchronizer) :
同步器管制雷達各部件並為新脈波歸零計時器
 收發轉換器 (Duplexer) :
切換天線連接到發射機或接收機的切換開關
同步器發出
脈波起始信號
收發轉換器將天線接到
發射機

41

張彥之教官

同步器發出
脈波結束信號
收發轉換器將天線接到
接收機


Slide 31

第4章

感測與偵測

4.1節
4.2節
4.3節
4.4節

1

波
雷達
聲納
光電

4.0 簡介
 偵測子系統（Sensors subsystem）是兵器
系統四大子系統中的第一個子系統，在整
個兵器系統中，扮演耳目的角色
 偵測子系統的功能
1. 「獲得目標資訊」
2. 提供「周遭環境狀況認知」，亦即所謂的「戰
場知覺」（battlespace awareness ）。

2

張彥之教官

4.0 簡介
 二種「獲得目標資訊」的方式
 主動式（偵測）：
發出信號，並接收該信號被目標反射回來的
回信，加以計算後獲得目標資訊
例如：雷達、聲納(主動模式)

 被動式（感測）：
不發射信號，直接接收週遭環境或目標所發
出的信號，來取得環境或目標資訊
例如：温度計、電視導引飛彈、水中聽音器

3

張彥之教官

4.0 簡介
提供「周遭環境狀況認知」的方式：
將偵測器所獲得的目標資訊，顯示在螢幕
上，提供周遭環境情形；有下列二種方式
1. 直接顯示單一偵測器所獲得之資訊
2. 整合顯示各類偵測器所獲得之資訊

二種基本資訊：位置、大小

4

張彥之教官

第4章

4.1 波
4.1.1 波的參數
4.1.2 波的行進
4.1.3 頻率域與時間域
4.1.4 電磁波

5

感測與偵測

4.1 波(Waves) 是能量在空間中擾動的傳遞

6

張彥之教官

4.1.1 波的參數 The Parameters of a Wave
正弦波 Sine Wave
y = Sin (x)

λ
A

1. 波長 (λ)：波形重複出現的距離
2. 振幅 (Α)：最大擾動值－平均擾動值
3. 相位 (Φorθ)：波起始時的角差
7

張彥之教官

相位 (Φorθ)：波起始時的樣態
上
比
下
超
前
90
度

8

張彥之教官

或落後270度

4.1.2 波的行進 Traveling waves





一個波行過所需的時間，稱為週期（T）
單位時間內行過的波數，稱為頻率（f）
頻率與週期互為倒數（f = 1/T）
波行進的速度（v）為一常數，但會因傳
遞時介質的不同而改變速度。
 fλ＝ c (頻率 × 波長＝波速)
 此稱「散射關係式」，波速根據頻率的高低改變
 光穿過三菱鏡時，因介質改變使各色光（頻率不
同）速度不同，各色光依此分開。

9

張彥之教官

4.1.2 波的行進 分光散射

由疏介質進入密介質，頻率較高的光產生較大的
速度改變，因而產生分光現象。

10

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域表示法

12

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域

頻率域較時間域簡單

13

張彥之教官

4.1.4 電磁波：電場與磁場擾動所生的能量波

14

張彥之教官

4.1.4.1 電磁波的傳遞





速度
球形波
平面波
反射：



入射角等於反射角
入射波與反射波之相
位相差 180 度

 具有折射、干涉、散
射之現象

15

張彥之教官

球形波

平面波

4.1.4.2 電磁波的干涉現象
 不同的電磁波可以無限制地相互「疊加」
 若相互疊加的不同電磁波具有相同頻率，
則會變成一個具有某種特定波形的波，這
種現象，稱為干涉(interference)現象
 干涉可能產生有下列二種效果：
 增強（constructive）
 消減（destructive）
 干涉的情形與其兩個波的相位有關

16

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波在大氣中的傳遞模式
 電磁波頻譜區分
 Low Frequency 低頻：30~300k Hz
 ELF(30-3000)、VLF、LF

 Medium Frequency 中頻：300k~3000k (3M)
 High Frequency 高頻：3M~300G
 HF、UHF、SHF、EHF

 地波(Ground wave)、天波(Sky wave)

17

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波對人體有沒有影響？





20

曾有研究指出電磁場會影響人體健康
微波爐的發明—美國海軍的雷達實驗
微波爐使用 2450 兆赫電磁波
現行大哥大是 900 與 1800 兆赫

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2 雷達
4.2.1 雷達基本原理
4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.3 雷達大部組成

21

4.2 雷達 RADAR
雷達是什麼？可由其英文名稱來暸解
RADAR 是 RAdio Detection And Ranging
的縮寫，而中文的雷達，是該縮寫的直接音譯
Radio：指電磁波。
大部分的雷達，使用波長 1 ~ 300厘米，亦即頻率
1~300 GHz 的電磁波。
電磁波波長可介於 10-6 到 107 米（公尺）

22

張彥之教官

4.2 雷達 RADAR
Detection : 偵知。
指藉由接收物體反射回來的電磁波，來偵知物體
的存在
Ranging : 測距。
計算發波與回波的時間間隔，即可得知物體與我
之間的距離 R = cΔt/2。

雷達，若以意譯，則為電磁波偵知測距儀

23

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.1 雷達基本原理
4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
4.2.1.2 脈波雷達參數
4.2.1.3 脈波雷達效能

24

4.2.1 雷達基本原理

25

張彥之教官

4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
 脈波，指間歇性的波。
 脈波可以是有規律的，例如每隔 X 時間，有 Y
時間的波動出現。
 而此 Y 時間的波動，又可以有自己的頻率和持
續時間。

 電磁波的脈波型式，是雷達偵測的基礎。
 它可以很明確地計算出發射信號與反射信號間
的時間差，進而計算目標的距離

26

張彥之教官

4.2.1.2 脈波雷達參數

 PRT (脈波來復時) : 每隔多少時間會有一個脈波。
 PRF (脈波來復頻) : 脈波出現的頻率，亦即單位時
間內有幾個脈波，PRF = 1/PRT
 PW (脈 波 寛 度) : 指脈波中，波動持續的時間
 RT (停 止 時 間) : 指脈波中，沒有波動的時間
 RF (發 射 頻 率) : 指波動的頻率
27

張彥之教官

4.2.1.3 脈波雷達效能
脈波寬度(PW)的影響
距離解析力： RRES = c PW/2
偵測最近距： RMIN = c PW/2

脈波來復時(PRT)的影響
最遠可偵距離, RUNAMB = c PRT/2 = c/(2PRF).
Rotation Rate 旋轉率

28

張彥之教官

最遠可偵距 Maximum Range
真實距離 Unambiguous Range

29

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.2.1 天線
4.2.2.2 雷達波波套形成

30

4.2.2.1 天線
 天線的功用是將流於
其上的電流隅合成電
磁波發送出去，或是
應空間中電磁波的改
變，將其變為電流信
號傳送給接收機。
 最簡單的天線是雙極
式(dipole)天線。
雙極式(dipole)天線

31

張彥之教官

4.2.2.2 雷達波波套形成
 所謂雷達波波套(Loab)，指的是具有方向性
的電磁波束。
 將電磁波聚焦為波束，可以在相同電磁波
強度下，節省能量，以及確定能量方位。
 將電磁波形成波套，一般使用兩種方法：
 以天線將其他方向的電磁波反射，使其於某方
向形成波套
 使用電磁波干涉消長現象，使用相位差來形成
某方向的波套
32

張彥之教官

反射式天線 將能量聚焦成律定完整的波套
Main Lobe

Φ

Side Lobe
min overall coverage beam number = 360 / Θ
33

張彥之教官

相位式波套形成原理

34

張彥之教官

相位式波套形成原理(相位陣列雷達，PAR)

增強性干涉區

D

消減性干涉區

第4章 感測與偵測

4.2.3雷達大部組成
4.2.3.1 發射機
4.2.3.2 接收機
4.2.3.3 電源供應器
4.2.3.4 同步器及收發轉換器

36

4.2.3 雷達大部組成
同步器

發射機

收發轉
換器

電源

天線
複示器
37

張彥之教官

接收機

4.2.3.1 發射機 Transmitter
功能
產生電磁波並將其調變為脈波串
將發射信號功率提高至適當的大小，使其能提供
適當的偵測距離。

基本組件
磁控管 (magnetron)： 產生電磁微波的震

盪器(oscillator)
放大器 (amplifiers)： 將功率提高
38

張彥之教官

4.2.3.2 接收機 Receiver
功能
 感測 (Sense) 回波
 放大回波信號，供後續處理
及顯示

重要特性
 將回波信號由背景雜訊中分
辨出來的能力
 信號雜訊比＝信號功率/雜訊
功率
signal-to-noise ratio = S/N
Miss and FAR
39

張彥之教官

4.2.3.3 供電器 Power Supply
 功能：提供系統各種不同功率及電壓的電源
 在整個雷達系統之中，發射器 (transmitter) 是耗
電最多的組件：
 發射器將能量累積並提高，才能將其產生的脈波，在
經過遠距離的傳送後，仍具有可被感測到的能量。
 脈波中所發射出去的功率，稱為峰值功率 (peak
power)。 它較供應到發射器的平均功率要高出許多。

40

張彥之教官

4.2.3.4 同步器及收發轉換器
 同步器 (Synchronizer) :
同步器管制雷達各部件並為新脈波歸零計時器
 收發轉換器 (Duplexer) :
切換天線連接到發射機或接收機的切換開關
同步器發出
脈波起始信號
收發轉換器將天線接到
發射機

41

張彥之教官

同步器發出
脈波結束信號
收發轉換器將天線接到
接收機


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第4章

感測與偵測

4.1節
4.2節
4.3節
4.4節

1

波
雷達
聲納
光電

4.0 簡介
 偵測子系統（Sensors subsystem）是兵器
系統四大子系統中的第一個子系統，在整
個兵器系統中，扮演耳目的角色
 偵測子系統的功能
1. 「獲得目標資訊」
2. 提供「周遭環境狀況認知」，亦即所謂的「戰
場知覺」（battlespace awareness ）。

2

張彥之教官

4.0 簡介
 二種「獲得目標資訊」的方式
 主動式（偵測）：
發出信號，並接收該信號被目標反射回來的
回信，加以計算後獲得目標資訊
例如：雷達、聲納(主動模式)

 被動式（感測）：
不發射信號，直接接收週遭環境或目標所發
出的信號，來取得環境或目標資訊
例如：温度計、電視導引飛彈、水中聽音器

3

張彥之教官

4.0 簡介
提供「周遭環境狀況認知」的方式：
將偵測器所獲得的目標資訊，顯示在螢幕
上，提供周遭環境情形；有下列二種方式
1. 直接顯示單一偵測器所獲得之資訊
2. 整合顯示各類偵測器所獲得之資訊

二種基本資訊：位置、大小

4

張彥之教官

第4章

4.1 波
4.1.1 波的參數
4.1.2 波的行進
4.1.3 頻率域與時間域
4.1.4 電磁波

5

感測與偵測

4.1 波(Waves) 是能量在空間中擾動的傳遞

6

張彥之教官

4.1.1 波的參數 The Parameters of a Wave
正弦波 Sine Wave
y = Sin (x)

λ
A

1. 波長 (λ)：波形重複出現的距離
2. 振幅 (Α)：最大擾動值－平均擾動值
3. 相位 (Φorθ)：波起始時的角差
7

張彥之教官

相位 (Φorθ)：波起始時的樣態
上
比
下
超
前
90
度

8

張彥之教官

或落後270度

4.1.2 波的行進 Traveling waves





一個波行過所需的時間，稱為週期（T）
單位時間內行過的波數，稱為頻率（f）
頻率與週期互為倒數（f = 1/T）
波行進的速度（v）為一常數，但會因傳
遞時介質的不同而改變速度。
 fλ＝ c (頻率 × 波長＝波速)
 此稱「散射關係式」，波速根據頻率的高低改變
 光穿過三菱鏡時，因介質改變使各色光（頻率不
同）速度不同，各色光依此分開。

9

張彥之教官

4.1.2 波的行進 分光散射

由疏介質進入密介質，頻率較高的光產生較大的
速度改變，因而產生分光現象。

10

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域表示法

12

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域

頻率域較時間域簡單

13

張彥之教官

4.1.4 電磁波：電場與磁場擾動所生的能量波

14

張彥之教官

4.1.4.1 電磁波的傳遞





速度
球形波
平面波
反射：



入射角等於反射角
入射波與反射波之相
位相差 180 度

 具有折射、干涉、散
射之現象

15

張彥之教官

球形波

平面波

4.1.4.2 電磁波的干涉現象
 不同的電磁波可以無限制地相互「疊加」
 若相互疊加的不同電磁波具有相同頻率，
則會變成一個具有某種特定波形的波，這
種現象，稱為干涉(interference)現象
 干涉可能產生有下列二種效果：
 增強（constructive）
 消減（destructive）
 干涉的情形與其兩個波的相位有關

16

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波在大氣中的傳遞模式
 電磁波頻譜區分
 Low Frequency 低頻：30~300k Hz
 ELF(30-3000)、VLF、LF

 Medium Frequency 中頻：300k~3000k (3M)
 High Frequency 高頻：3M~300G
 HF、UHF、SHF、EHF

 地波(Ground wave)、天波(Sky wave)

17

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波對人體有沒有影響？





20

曾有研究指出電磁場會影響人體健康
微波爐的發明—美國海軍的雷達實驗
微波爐使用 2450 兆赫電磁波
現行大哥大是 900 與 1800 兆赫

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2 雷達
4.2.1 雷達基本原理
4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.3 雷達大部組成

21

4.2 雷達 RADAR
雷達是什麼？可由其英文名稱來暸解
RADAR 是 RAdio Detection And Ranging
的縮寫，而中文的雷達，是該縮寫的直接音譯
Radio：指電磁波。
大部分的雷達，使用波長 1 ~ 300厘米，亦即頻率
1~300 GHz 的電磁波。
電磁波波長可介於 10-6 到 107 米（公尺）

22

張彥之教官

4.2 雷達 RADAR
Detection : 偵知。
指藉由接收物體反射回來的電磁波，來偵知物體
的存在
Ranging : 測距。
計算發波與回波的時間間隔，即可得知物體與我
之間的距離 R = cΔt/2。

雷達，若以意譯，則為電磁波偵知測距儀

23

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.1 雷達基本原理
4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
4.2.1.2 脈波雷達參數
4.2.1.3 脈波雷達效能

24

4.2.1 雷達基本原理

25

張彥之教官

4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
 脈波，指間歇性的波。
 脈波可以是有規律的，例如每隔 X 時間，有 Y
時間的波動出現。
 而此 Y 時間的波動，又可以有自己的頻率和持
續時間。

 電磁波的脈波型式，是雷達偵測的基礎。
 它可以很明確地計算出發射信號與反射信號間
的時間差，進而計算目標的距離

26

張彥之教官

4.2.1.2 脈波雷達參數

 PRT (脈波來復時) : 每隔多少時間會有一個脈波。
 PRF (脈波來復頻) : 脈波出現的頻率，亦即單位時
間內有幾個脈波，PRF = 1/PRT
 PW (脈 波 寛 度) : 指脈波中，波動持續的時間
 RT (停 止 時 間) : 指脈波中，沒有波動的時間
 RF (發 射 頻 率) : 指波動的頻率
27

張彥之教官

4.2.1.3 脈波雷達效能
脈波寬度(PW)的影響
距離解析力： RRES = c PW/2
偵測最近距： RMIN = c PW/2

脈波來復時(PRT)的影響
最遠可偵距離, RUNAMB = c PRT/2 = c/(2PRF).
Rotation Rate 旋轉率

28

張彥之教官

最遠可偵距 Maximum Range
真實距離 Unambiguous Range

29

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.2.1 天線
4.2.2.2 雷達波波套形成

30

4.2.2.1 天線
 天線的功用是將流於
其上的電流隅合成電
磁波發送出去，或是
應空間中電磁波的改
變，將其變為電流信
號傳送給接收機。
 最簡單的天線是雙極
式(dipole)天線。
雙極式(dipole)天線

31

張彥之教官

4.2.2.2 雷達波波套形成
 所謂雷達波波套(Loab)，指的是具有方向性
的電磁波束。
 將電磁波聚焦為波束，可以在相同電磁波
強度下，節省能量，以及確定能量方位。
 將電磁波形成波套，一般使用兩種方法：
 以天線將其他方向的電磁波反射，使其於某方
向形成波套
 使用電磁波干涉消長現象，使用相位差來形成
某方向的波套
32

張彥之教官

反射式天線 將能量聚焦成律定完整的波套
Main Lobe

Φ

Side Lobe
min overall coverage beam number = 360 / Θ
33

張彥之教官

相位式波套形成原理

34

張彥之教官

相位式波套形成原理(相位陣列雷達，PAR)

增強性干涉區

D

消減性干涉區

第4章 感測與偵測

4.2.3雷達大部組成
4.2.3.1 發射機
4.2.3.2 接收機
4.2.3.3 電源供應器
4.2.3.4 同步器及收發轉換器

36

4.2.3 雷達大部組成
同步器

發射機

收發轉
換器

電源

天線
複示器
37

張彥之教官

接收機

4.2.3.1 發射機 Transmitter
功能
產生電磁波並將其調變為脈波串
將發射信號功率提高至適當的大小，使其能提供
適當的偵測距離。

基本組件
磁控管 (magnetron)： 產生電磁微波的震

盪器(oscillator)
放大器 (amplifiers)： 將功率提高
38

張彥之教官

4.2.3.2 接收機 Receiver
功能
 感測 (Sense) 回波
 放大回波信號，供後續處理
及顯示

重要特性
 將回波信號由背景雜訊中分
辨出來的能力
 信號雜訊比＝信號功率/雜訊
功率
signal-to-noise ratio = S/N
Miss and FAR
39

張彥之教官

4.2.3.3 供電器 Power Supply
 功能：提供系統各種不同功率及電壓的電源
 在整個雷達系統之中，發射器 (transmitter) 是耗
電最多的組件：
 發射器將能量累積並提高，才能將其產生的脈波，在
經過遠距離的傳送後，仍具有可被感測到的能量。
 脈波中所發射出去的功率，稱為峰值功率 (peak
power)。 它較供應到發射器的平均功率要高出許多。

40

張彥之教官

4.2.3.4 同步器及收發轉換器
 同步器 (Synchronizer) :
同步器管制雷達各部件並為新脈波歸零計時器
 收發轉換器 (Duplexer) :
切換天線連接到發射機或接收機的切換開關
同步器發出
脈波起始信號
收發轉換器將天線接到
發射機

41

張彥之教官

同步器發出
脈波結束信號
收發轉換器將天線接到
接收機


Slide 33

第4章

感測與偵測

4.1節
4.2節
4.3節
4.4節

1

波
雷達
聲納
光電

4.0 簡介
 偵測子系統（Sensors subsystem）是兵器
系統四大子系統中的第一個子系統，在整
個兵器系統中，扮演耳目的角色
 偵測子系統的功能
1. 「獲得目標資訊」
2. 提供「周遭環境狀況認知」，亦即所謂的「戰
場知覺」（battlespace awareness ）。

2

張彥之教官

4.0 簡介
 二種「獲得目標資訊」的方式
 主動式（偵測）：
發出信號，並接收該信號被目標反射回來的
回信，加以計算後獲得目標資訊
例如：雷達、聲納(主動模式)

 被動式（感測）：
不發射信號，直接接收週遭環境或目標所發
出的信號，來取得環境或目標資訊
例如：温度計、電視導引飛彈、水中聽音器

3

張彥之教官

4.0 簡介
提供「周遭環境狀況認知」的方式：
將偵測器所獲得的目標資訊，顯示在螢幕
上，提供周遭環境情形；有下列二種方式
1. 直接顯示單一偵測器所獲得之資訊
2. 整合顯示各類偵測器所獲得之資訊

二種基本資訊：位置、大小

4

張彥之教官

第4章

4.1 波
4.1.1 波的參數
4.1.2 波的行進
4.1.3 頻率域與時間域
4.1.4 電磁波

5

感測與偵測

4.1 波(Waves) 是能量在空間中擾動的傳遞

6

張彥之教官

4.1.1 波的參數 The Parameters of a Wave
正弦波 Sine Wave
y = Sin (x)

λ
A

1. 波長 (λ)：波形重複出現的距離
2. 振幅 (Α)：最大擾動值－平均擾動值
3. 相位 (Φorθ)：波起始時的角差
7

張彥之教官

相位 (Φorθ)：波起始時的樣態
上
比
下
超
前
90
度

8

張彥之教官

或落後270度

4.1.2 波的行進 Traveling waves





一個波行過所需的時間，稱為週期（T）
單位時間內行過的波數，稱為頻率（f）
頻率與週期互為倒數（f = 1/T）
波行進的速度（v）為一常數，但會因傳
遞時介質的不同而改變速度。
 fλ＝ c (頻率 × 波長＝波速)
 此稱「散射關係式」，波速根據頻率的高低改變
 光穿過三菱鏡時，因介質改變使各色光（頻率不
同）速度不同，各色光依此分開。

9

張彥之教官

4.1.2 波的行進 分光散射

由疏介質進入密介質，頻率較高的光產生較大的
速度改變，因而產生分光現象。

10

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域表示法

12

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域

頻率域較時間域簡單

13

張彥之教官

4.1.4 電磁波：電場與磁場擾動所生的能量波

14

張彥之教官

4.1.4.1 電磁波的傳遞





速度
球形波
平面波
反射：



入射角等於反射角
入射波與反射波之相
位相差 180 度

 具有折射、干涉、散
射之現象

15

張彥之教官

球形波

平面波

4.1.4.2 電磁波的干涉現象
 不同的電磁波可以無限制地相互「疊加」
 若相互疊加的不同電磁波具有相同頻率，
則會變成一個具有某種特定波形的波，這
種現象，稱為干涉(interference)現象
 干涉可能產生有下列二種效果：
 增強（constructive）
 消減（destructive）
 干涉的情形與其兩個波的相位有關

16

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波在大氣中的傳遞模式
 電磁波頻譜區分
 Low Frequency 低頻：30~300k Hz
 ELF(30-3000)、VLF、LF

 Medium Frequency 中頻：300k~3000k (3M)
 High Frequency 高頻：3M~300G
 HF、UHF、SHF、EHF

 地波(Ground wave)、天波(Sky wave)

17

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波對人體有沒有影響？





20

曾有研究指出電磁場會影響人體健康
微波爐的發明—美國海軍的雷達實驗
微波爐使用 2450 兆赫電磁波
現行大哥大是 900 與 1800 兆赫

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2 雷達
4.2.1 雷達基本原理
4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.3 雷達大部組成

21

4.2 雷達 RADAR
雷達是什麼？可由其英文名稱來暸解
RADAR 是 RAdio Detection And Ranging
的縮寫，而中文的雷達，是該縮寫的直接音譯
Radio：指電磁波。
大部分的雷達，使用波長 1 ~ 300厘米，亦即頻率
1~300 GHz 的電磁波。
電磁波波長可介於 10-6 到 107 米（公尺）

22

張彥之教官

4.2 雷達 RADAR
Detection : 偵知。
指藉由接收物體反射回來的電磁波，來偵知物體
的存在
Ranging : 測距。
計算發波與回波的時間間隔，即可得知物體與我
之間的距離 R = cΔt/2。

雷達，若以意譯，則為電磁波偵知測距儀

23

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.1 雷達基本原理
4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
4.2.1.2 脈波雷達參數
4.2.1.3 脈波雷達效能

24

4.2.1 雷達基本原理

25

張彥之教官

4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
 脈波，指間歇性的波。
 脈波可以是有規律的，例如每隔 X 時間，有 Y
時間的波動出現。
 而此 Y 時間的波動，又可以有自己的頻率和持
續時間。

 電磁波的脈波型式，是雷達偵測的基礎。
 它可以很明確地計算出發射信號與反射信號間
的時間差，進而計算目標的距離

26

張彥之教官

4.2.1.2 脈波雷達參數

 PRT (脈波來復時) : 每隔多少時間會有一個脈波。
 PRF (脈波來復頻) : 脈波出現的頻率，亦即單位時
間內有幾個脈波，PRF = 1/PRT
 PW (脈 波 寛 度) : 指脈波中，波動持續的時間
 RT (停 止 時 間) : 指脈波中，沒有波動的時間
 RF (發 射 頻 率) : 指波動的頻率
27

張彥之教官

4.2.1.3 脈波雷達效能
脈波寬度(PW)的影響
距離解析力： RRES = c PW/2
偵測最近距： RMIN = c PW/2

脈波來復時(PRT)的影響
最遠可偵距離, RUNAMB = c PRT/2 = c/(2PRF).
Rotation Rate 旋轉率

28

張彥之教官

最遠可偵距 Maximum Range
真實距離 Unambiguous Range

29

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.2.1 天線
4.2.2.2 雷達波波套形成

30

4.2.2.1 天線
 天線的功用是將流於
其上的電流隅合成電
磁波發送出去，或是
應空間中電磁波的改
變，將其變為電流信
號傳送給接收機。
 最簡單的天線是雙極
式(dipole)天線。
雙極式(dipole)天線

31

張彥之教官

4.2.2.2 雷達波波套形成
 所謂雷達波波套(Loab)，指的是具有方向性
的電磁波束。
 將電磁波聚焦為波束，可以在相同電磁波
強度下，節省能量，以及確定能量方位。
 將電磁波形成波套，一般使用兩種方法：
 以天線將其他方向的電磁波反射，使其於某方
向形成波套
 使用電磁波干涉消長現象，使用相位差來形成
某方向的波套
32

張彥之教官

反射式天線 將能量聚焦成律定完整的波套
Main Lobe

Φ

Side Lobe
min overall coverage beam number = 360 / Θ
33

張彥之教官

相位式波套形成原理

34

張彥之教官

相位式波套形成原理(相位陣列雷達，PAR)

增強性干涉區

D

消減性干涉區

第4章 感測與偵測

4.2.3雷達大部組成
4.2.3.1 發射機
4.2.3.2 接收機
4.2.3.3 電源供應器
4.2.3.4 同步器及收發轉換器

36

4.2.3 雷達大部組成
同步器

發射機

收發轉
換器

電源

天線
複示器
37

張彥之教官

接收機

4.2.3.1 發射機 Transmitter
功能
產生電磁波並將其調變為脈波串
將發射信號功率提高至適當的大小，使其能提供
適當的偵測距離。

基本組件
磁控管 (magnetron)： 產生電磁微波的震

盪器(oscillator)
放大器 (amplifiers)： 將功率提高
38

張彥之教官

4.2.3.2 接收機 Receiver
功能
 感測 (Sense) 回波
 放大回波信號，供後續處理
及顯示

重要特性
 將回波信號由背景雜訊中分
辨出來的能力
 信號雜訊比＝信號功率/雜訊
功率
signal-to-noise ratio = S/N
Miss and FAR
39

張彥之教官

4.2.3.3 供電器 Power Supply
 功能：提供系統各種不同功率及電壓的電源
 在整個雷達系統之中，發射器 (transmitter) 是耗
電最多的組件：
 發射器將能量累積並提高，才能將其產生的脈波，在
經過遠距離的傳送後，仍具有可被感測到的能量。
 脈波中所發射出去的功率，稱為峰值功率 (peak
power)。 它較供應到發射器的平均功率要高出許多。

40

張彥之教官

4.2.3.4 同步器及收發轉換器
 同步器 (Synchronizer) :
同步器管制雷達各部件並為新脈波歸零計時器
 收發轉換器 (Duplexer) :
切換天線連接到發射機或接收機的切換開關
同步器發出
脈波起始信號
收發轉換器將天線接到
發射機

41

張彥之教官

同步器發出
脈波結束信號
收發轉換器將天線接到
接收機


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第4章

感測與偵測

4.1節
4.2節
4.3節
4.4節

1

波
雷達
聲納
光電

4.0 簡介
 偵測子系統（Sensors subsystem）是兵器
系統四大子系統中的第一個子系統，在整
個兵器系統中，扮演耳目的角色
 偵測子系統的功能
1. 「獲得目標資訊」
2. 提供「周遭環境狀況認知」，亦即所謂的「戰
場知覺」（battlespace awareness ）。

2

張彥之教官

4.0 簡介
 二種「獲得目標資訊」的方式
 主動式（偵測）：
發出信號，並接收該信號被目標反射回來的
回信，加以計算後獲得目標資訊
例如：雷達、聲納(主動模式)

 被動式（感測）：
不發射信號，直接接收週遭環境或目標所發
出的信號，來取得環境或目標資訊
例如：温度計、電視導引飛彈、水中聽音器

3

張彥之教官

4.0 簡介
提供「周遭環境狀況認知」的方式：
將偵測器所獲得的目標資訊，顯示在螢幕
上，提供周遭環境情形；有下列二種方式
1. 直接顯示單一偵測器所獲得之資訊
2. 整合顯示各類偵測器所獲得之資訊

二種基本資訊：位置、大小

4

張彥之教官

第4章

4.1 波
4.1.1 波的參數
4.1.2 波的行進
4.1.3 頻率域與時間域
4.1.4 電磁波

5

感測與偵測

4.1 波(Waves) 是能量在空間中擾動的傳遞

6

張彥之教官

4.1.1 波的參數 The Parameters of a Wave
正弦波 Sine Wave
y = Sin (x)

λ
A

1. 波長 (λ)：波形重複出現的距離
2. 振幅 (Α)：最大擾動值－平均擾動值
3. 相位 (Φorθ)：波起始時的角差
7

張彥之教官

相位 (Φorθ)：波起始時的樣態
上
比
下
超
前
90
度

8

張彥之教官

或落後270度

4.1.2 波的行進 Traveling waves





一個波行過所需的時間，稱為週期（T）
單位時間內行過的波數，稱為頻率（f）
頻率與週期互為倒數（f = 1/T）
波行進的速度（v）為一常數，但會因傳
遞時介質的不同而改變速度。
 fλ＝ c (頻率 × 波長＝波速)
 此稱「散射關係式」，波速根據頻率的高低改變
 光穿過三菱鏡時，因介質改變使各色光（頻率不
同）速度不同，各色光依此分開。

9

張彥之教官

4.1.2 波的行進 分光散射

由疏介質進入密介質，頻率較高的光產生較大的
速度改變，因而產生分光現象。

10

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域表示法

12

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域

頻率域較時間域簡單

13

張彥之教官

4.1.4 電磁波：電場與磁場擾動所生的能量波

14

張彥之教官

4.1.4.1 電磁波的傳遞





速度
球形波
平面波
反射：



入射角等於反射角
入射波與反射波之相
位相差 180 度

 具有折射、干涉、散
射之現象

15

張彥之教官

球形波

平面波

4.1.4.2 電磁波的干涉現象
 不同的電磁波可以無限制地相互「疊加」
 若相互疊加的不同電磁波具有相同頻率，
則會變成一個具有某種特定波形的波，這
種現象，稱為干涉(interference)現象
 干涉可能產生有下列二種效果：
 增強（constructive）
 消減（destructive）
 干涉的情形與其兩個波的相位有關

16

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波在大氣中的傳遞模式
 電磁波頻譜區分
 Low Frequency 低頻：30~300k Hz
 ELF(30-3000)、VLF、LF

 Medium Frequency 中頻：300k~3000k (3M)
 High Frequency 高頻：3M~300G
 HF、UHF、SHF、EHF

 地波(Ground wave)、天波(Sky wave)

17

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波對人體有沒有影響？





20

曾有研究指出電磁場會影響人體健康
微波爐的發明—美國海軍的雷達實驗
微波爐使用 2450 兆赫電磁波
現行大哥大是 900 與 1800 兆赫

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2 雷達
4.2.1 雷達基本原理
4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.3 雷達大部組成

21

4.2 雷達 RADAR
雷達是什麼？可由其英文名稱來暸解
RADAR 是 RAdio Detection And Ranging
的縮寫，而中文的雷達，是該縮寫的直接音譯
Radio：指電磁波。
大部分的雷達，使用波長 1 ~ 300厘米，亦即頻率
1~300 GHz 的電磁波。
電磁波波長可介於 10-6 到 107 米（公尺）

22

張彥之教官

4.2 雷達 RADAR
Detection : 偵知。
指藉由接收物體反射回來的電磁波，來偵知物體
的存在
Ranging : 測距。
計算發波與回波的時間間隔，即可得知物體與我
之間的距離 R = cΔt/2。

雷達，若以意譯，則為電磁波偵知測距儀

23

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.1 雷達基本原理
4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
4.2.1.2 脈波雷達參數
4.2.1.3 脈波雷達效能

24

4.2.1 雷達基本原理

25

張彥之教官

4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
 脈波，指間歇性的波。
 脈波可以是有規律的，例如每隔 X 時間，有 Y
時間的波動出現。
 而此 Y 時間的波動，又可以有自己的頻率和持
續時間。

 電磁波的脈波型式，是雷達偵測的基礎。
 它可以很明確地計算出發射信號與反射信號間
的時間差，進而計算目標的距離

26

張彥之教官

4.2.1.2 脈波雷達參數

 PRT (脈波來復時) : 每隔多少時間會有一個脈波。
 PRF (脈波來復頻) : 脈波出現的頻率，亦即單位時
間內有幾個脈波，PRF = 1/PRT
 PW (脈 波 寛 度) : 指脈波中，波動持續的時間
 RT (停 止 時 間) : 指脈波中，沒有波動的時間
 RF (發 射 頻 率) : 指波動的頻率
27

張彥之教官

4.2.1.3 脈波雷達效能
脈波寬度(PW)的影響
距離解析力： RRES = c PW/2
偵測最近距： RMIN = c PW/2

脈波來復時(PRT)的影響
最遠可偵距離, RUNAMB = c PRT/2 = c/(2PRF).
Rotation Rate 旋轉率

28

張彥之教官

最遠可偵距 Maximum Range
真實距離 Unambiguous Range

29

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.2.1 天線
4.2.2.2 雷達波波套形成

30

4.2.2.1 天線
 天線的功用是將流於
其上的電流隅合成電
磁波發送出去，或是
應空間中電磁波的改
變，將其變為電流信
號傳送給接收機。
 最簡單的天線是雙極
式(dipole)天線。
雙極式(dipole)天線

31

張彥之教官

4.2.2.2 雷達波波套形成
 所謂雷達波波套(Loab)，指的是具有方向性
的電磁波束。
 將電磁波聚焦為波束，可以在相同電磁波
強度下，節省能量，以及確定能量方位。
 將電磁波形成波套，一般使用兩種方法：
 以天線將其他方向的電磁波反射，使其於某方
向形成波套
 使用電磁波干涉消長現象，使用相位差來形成
某方向的波套
32

張彥之教官

反射式天線 將能量聚焦成律定完整的波套
Main Lobe

Φ

Side Lobe
min overall coverage beam number = 360 / Θ
33

張彥之教官

相位式波套形成原理

34

張彥之教官

相位式波套形成原理(相位陣列雷達，PAR)

增強性干涉區

D

消減性干涉區

第4章 感測與偵測

4.2.3雷達大部組成
4.2.3.1 發射機
4.2.3.2 接收機
4.2.3.3 電源供應器
4.2.3.4 同步器及收發轉換器

36

4.2.3 雷達大部組成
同步器

發射機

收發轉
換器

電源

天線
複示器
37

張彥之教官

接收機

4.2.3.1 發射機 Transmitter
功能
產生電磁波並將其調變為脈波串
將發射信號功率提高至適當的大小，使其能提供
適當的偵測距離。

基本組件
磁控管 (magnetron)： 產生電磁微波的震

盪器(oscillator)
放大器 (amplifiers)： 將功率提高
38

張彥之教官

4.2.3.2 接收機 Receiver
功能
 感測 (Sense) 回波
 放大回波信號，供後續處理
及顯示

重要特性
 將回波信號由背景雜訊中分
辨出來的能力
 信號雜訊比＝信號功率/雜訊
功率
signal-to-noise ratio = S/N
Miss and FAR
39

張彥之教官

4.2.3.3 供電器 Power Supply
 功能：提供系統各種不同功率及電壓的電源
 在整個雷達系統之中，發射器 (transmitter) 是耗
電最多的組件：
 發射器將能量累積並提高，才能將其產生的脈波，在
經過遠距離的傳送後，仍具有可被感測到的能量。
 脈波中所發射出去的功率，稱為峰值功率 (peak
power)。 它較供應到發射器的平均功率要高出許多。

40

張彥之教官

4.2.3.4 同步器及收發轉換器
 同步器 (Synchronizer) :
同步器管制雷達各部件並為新脈波歸零計時器
 收發轉換器 (Duplexer) :
切換天線連接到發射機或接收機的切換開關
同步器發出
脈波起始信號
收發轉換器將天線接到
發射機

41

張彥之教官

同步器發出
脈波結束信號
收發轉換器將天線接到
接收機


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第4章

感測與偵測

4.1節
4.2節
4.3節
4.4節

1

波
雷達
聲納
光電

4.0 簡介
 偵測子系統（Sensors subsystem）是兵器
系統四大子系統中的第一個子系統，在整
個兵器系統中，扮演耳目的角色
 偵測子系統的功能
1. 「獲得目標資訊」
2. 提供「周遭環境狀況認知」，亦即所謂的「戰
場知覺」（battlespace awareness ）。

2

張彥之教官

4.0 簡介
 二種「獲得目標資訊」的方式
 主動式（偵測）：
發出信號，並接收該信號被目標反射回來的
回信，加以計算後獲得目標資訊
例如：雷達、聲納(主動模式)

 被動式（感測）：
不發射信號，直接接收週遭環境或目標所發
出的信號，來取得環境或目標資訊
例如：温度計、電視導引飛彈、水中聽音器

3

張彥之教官

4.0 簡介
提供「周遭環境狀況認知」的方式：
將偵測器所獲得的目標資訊，顯示在螢幕
上，提供周遭環境情形；有下列二種方式
1. 直接顯示單一偵測器所獲得之資訊
2. 整合顯示各類偵測器所獲得之資訊

二種基本資訊：位置、大小

4

張彥之教官

第4章

4.1 波
4.1.1 波的參數
4.1.2 波的行進
4.1.3 頻率域與時間域
4.1.4 電磁波

5

感測與偵測

4.1 波(Waves) 是能量在空間中擾動的傳遞

6

張彥之教官

4.1.1 波的參數 The Parameters of a Wave
正弦波 Sine Wave
y = Sin (x)

λ
A

1. 波長 (λ)：波形重複出現的距離
2. 振幅 (Α)：最大擾動值－平均擾動值
3. 相位 (Φorθ)：波起始時的角差
7

張彥之教官

相位 (Φorθ)：波起始時的樣態
上
比
下
超
前
90
度

8

張彥之教官

或落後270度

4.1.2 波的行進 Traveling waves





一個波行過所需的時間，稱為週期（T）
單位時間內行過的波數，稱為頻率（f）
頻率與週期互為倒數（f = 1/T）
波行進的速度（v）為一常數，但會因傳
遞時介質的不同而改變速度。
 fλ＝ c (頻率 × 波長＝波速)
 此稱「散射關係式」，波速根據頻率的高低改變
 光穿過三菱鏡時，因介質改變使各色光（頻率不
同）速度不同，各色光依此分開。

9

張彥之教官

4.1.2 波的行進 分光散射

由疏介質進入密介質，頻率較高的光產生較大的
速度改變，因而產生分光現象。

10

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域表示法

12

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域

頻率域較時間域簡單

13

張彥之教官

4.1.4 電磁波：電場與磁場擾動所生的能量波

14

張彥之教官

4.1.4.1 電磁波的傳遞





速度
球形波
平面波
反射：



入射角等於反射角
入射波與反射波之相
位相差 180 度

 具有折射、干涉、散
射之現象

15

張彥之教官

球形波

平面波

4.1.4.2 電磁波的干涉現象
 不同的電磁波可以無限制地相互「疊加」
 若相互疊加的不同電磁波具有相同頻率，
則會變成一個具有某種特定波形的波，這
種現象，稱為干涉(interference)現象
 干涉可能產生有下列二種效果：
 增強（constructive）
 消減（destructive）
 干涉的情形與其兩個波的相位有關

16

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波在大氣中的傳遞模式
 電磁波頻譜區分
 Low Frequency 低頻：30~300k Hz
 ELF(30-3000)、VLF、LF

 Medium Frequency 中頻：300k~3000k (3M)
 High Frequency 高頻：3M~300G
 HF、UHF、SHF、EHF

 地波(Ground wave)、天波(Sky wave)

17

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波對人體有沒有影響？





20

曾有研究指出電磁場會影響人體健康
微波爐的發明—美國海軍的雷達實驗
微波爐使用 2450 兆赫電磁波
現行大哥大是 900 與 1800 兆赫

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2 雷達
4.2.1 雷達基本原理
4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.3 雷達大部組成

21

4.2 雷達 RADAR
雷達是什麼？可由其英文名稱來暸解
RADAR 是 RAdio Detection And Ranging
的縮寫，而中文的雷達，是該縮寫的直接音譯
Radio：指電磁波。
大部分的雷達，使用波長 1 ~ 300厘米，亦即頻率
1~300 GHz 的電磁波。
電磁波波長可介於 10-6 到 107 米（公尺）

22

張彥之教官

4.2 雷達 RADAR
Detection : 偵知。
指藉由接收物體反射回來的電磁波，來偵知物體
的存在
Ranging : 測距。
計算發波與回波的時間間隔，即可得知物體與我
之間的距離 R = cΔt/2。

雷達，若以意譯，則為電磁波偵知測距儀

23

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.1 雷達基本原理
4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
4.2.1.2 脈波雷達參數
4.2.1.3 脈波雷達效能

24

4.2.1 雷達基本原理

25

張彥之教官

4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
 脈波，指間歇性的波。
 脈波可以是有規律的，例如每隔 X 時間，有 Y
時間的波動出現。
 而此 Y 時間的波動，又可以有自己的頻率和持
續時間。

 電磁波的脈波型式，是雷達偵測的基礎。
 它可以很明確地計算出發射信號與反射信號間
的時間差，進而計算目標的距離

26

張彥之教官

4.2.1.2 脈波雷達參數

 PRT (脈波來復時) : 每隔多少時間會有一個脈波。
 PRF (脈波來復頻) : 脈波出現的頻率，亦即單位時
間內有幾個脈波，PRF = 1/PRT
 PW (脈 波 寛 度) : 指脈波中，波動持續的時間
 RT (停 止 時 間) : 指脈波中，沒有波動的時間
 RF (發 射 頻 率) : 指波動的頻率
27

張彥之教官

4.2.1.3 脈波雷達效能
脈波寬度(PW)的影響
距離解析力： RRES = c PW/2
偵測最近距： RMIN = c PW/2

脈波來復時(PRT)的影響
最遠可偵距離, RUNAMB = c PRT/2 = c/(2PRF).
Rotation Rate 旋轉率

28

張彥之教官

最遠可偵距 Maximum Range
真實距離 Unambiguous Range

29

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.2.1 天線
4.2.2.2 雷達波波套形成

30

4.2.2.1 天線
 天線的功用是將流於
其上的電流隅合成電
磁波發送出去，或是
應空間中電磁波的改
變，將其變為電流信
號傳送給接收機。
 最簡單的天線是雙極
式(dipole)天線。
雙極式(dipole)天線

31

張彥之教官

4.2.2.2 雷達波波套形成
 所謂雷達波波套(Loab)，指的是具有方向性
的電磁波束。
 將電磁波聚焦為波束，可以在相同電磁波
強度下，節省能量，以及確定能量方位。
 將電磁波形成波套，一般使用兩種方法：
 以天線將其他方向的電磁波反射，使其於某方
向形成波套
 使用電磁波干涉消長現象，使用相位差來形成
某方向的波套
32

張彥之教官

反射式天線 將能量聚焦成律定完整的波套
Main Lobe

Φ

Side Lobe
min overall coverage beam number = 360 / Θ
33

張彥之教官

相位式波套形成原理

34

張彥之教官

相位式波套形成原理(相位陣列雷達，PAR)

增強性干涉區

D

消減性干涉區

第4章 感測與偵測

4.2.3雷達大部組成
4.2.3.1 發射機
4.2.3.2 接收機
4.2.3.3 電源供應器
4.2.3.4 同步器及收發轉換器

36

4.2.3 雷達大部組成
同步器

發射機

收發轉
換器

電源

天線
複示器
37

張彥之教官

接收機

4.2.3.1 發射機 Transmitter
功能
產生電磁波並將其調變為脈波串
將發射信號功率提高至適當的大小，使其能提供
適當的偵測距離。

基本組件
磁控管 (magnetron)： 產生電磁微波的震

盪器(oscillator)
放大器 (amplifiers)： 將功率提高
38

張彥之教官

4.2.3.2 接收機 Receiver
功能
 感測 (Sense) 回波
 放大回波信號，供後續處理
及顯示

重要特性
 將回波信號由背景雜訊中分
辨出來的能力
 信號雜訊比＝信號功率/雜訊
功率
signal-to-noise ratio = S/N
Miss and FAR
39

張彥之教官

4.2.3.3 供電器 Power Supply
 功能：提供系統各種不同功率及電壓的電源
 在整個雷達系統之中，發射器 (transmitter) 是耗
電最多的組件：
 發射器將能量累積並提高，才能將其產生的脈波，在
經過遠距離的傳送後，仍具有可被感測到的能量。
 脈波中所發射出去的功率，稱為峰值功率 (peak
power)。 它較供應到發射器的平均功率要高出許多。

40

張彥之教官

4.2.3.4 同步器及收發轉換器
 同步器 (Synchronizer) :
同步器管制雷達各部件並為新脈波歸零計時器
 收發轉換器 (Duplexer) :
切換天線連接到發射機或接收機的切換開關
同步器發出
脈波起始信號
收發轉換器將天線接到
發射機

41

張彥之教官

同步器發出
脈波結束信號
收發轉換器將天線接到
接收機


Slide 36

第4章

感測與偵測

4.1節
4.2節
4.3節
4.4節

1

波
雷達
聲納
光電

4.0 簡介
 偵測子系統（Sensors subsystem）是兵器
系統四大子系統中的第一個子系統，在整
個兵器系統中，扮演耳目的角色
 偵測子系統的功能
1. 「獲得目標資訊」
2. 提供「周遭環境狀況認知」，亦即所謂的「戰
場知覺」（battlespace awareness ）。

2

張彥之教官

4.0 簡介
 二種「獲得目標資訊」的方式
 主動式（偵測）：
發出信號，並接收該信號被目標反射回來的
回信，加以計算後獲得目標資訊
例如：雷達、聲納(主動模式)

 被動式（感測）：
不發射信號，直接接收週遭環境或目標所發
出的信號，來取得環境或目標資訊
例如：温度計、電視導引飛彈、水中聽音器

3

張彥之教官

4.0 簡介
提供「周遭環境狀況認知」的方式：
將偵測器所獲得的目標資訊，顯示在螢幕
上，提供周遭環境情形；有下列二種方式
1. 直接顯示單一偵測器所獲得之資訊
2. 整合顯示各類偵測器所獲得之資訊

二種基本資訊：位置、大小

4

張彥之教官

第4章

4.1 波
4.1.1 波的參數
4.1.2 波的行進
4.1.3 頻率域與時間域
4.1.4 電磁波

5

感測與偵測

4.1 波(Waves) 是能量在空間中擾動的傳遞

6

張彥之教官

4.1.1 波的參數 The Parameters of a Wave
正弦波 Sine Wave
y = Sin (x)

λ
A

1. 波長 (λ)：波形重複出現的距離
2. 振幅 (Α)：最大擾動值－平均擾動值
3. 相位 (Φorθ)：波起始時的角差
7

張彥之教官

相位 (Φorθ)：波起始時的樣態
上
比
下
超
前
90
度

8

張彥之教官

或落後270度

4.1.2 波的行進 Traveling waves





一個波行過所需的時間，稱為週期（T）
單位時間內行過的波數，稱為頻率（f）
頻率與週期互為倒數（f = 1/T）
波行進的速度（v）為一常數，但會因傳
遞時介質的不同而改變速度。
 fλ＝ c (頻率 × 波長＝波速)
 此稱「散射關係式」，波速根據頻率的高低改變
 光穿過三菱鏡時，因介質改變使各色光（頻率不
同）速度不同，各色光依此分開。

9

張彥之教官

4.1.2 波的行進 分光散射

由疏介質進入密介質，頻率較高的光產生較大的
速度改變，因而產生分光現象。

10

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域表示法

12

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域

頻率域較時間域簡單

13

張彥之教官

4.1.4 電磁波：電場與磁場擾動所生的能量波

14

張彥之教官

4.1.4.1 電磁波的傳遞





速度
球形波
平面波
反射：



入射角等於反射角
入射波與反射波之相
位相差 180 度

 具有折射、干涉、散
射之現象

15

張彥之教官

球形波

平面波

4.1.4.2 電磁波的干涉現象
 不同的電磁波可以無限制地相互「疊加」
 若相互疊加的不同電磁波具有相同頻率，
則會變成一個具有某種特定波形的波，這
種現象，稱為干涉(interference)現象
 干涉可能產生有下列二種效果：
 增強（constructive）
 消減（destructive）
 干涉的情形與其兩個波的相位有關

16

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波在大氣中的傳遞模式
 電磁波頻譜區分
 Low Frequency 低頻：30~300k Hz
 ELF(30-3000)、VLF、LF

 Medium Frequency 中頻：300k~3000k (3M)
 High Frequency 高頻：3M~300G
 HF、UHF、SHF、EHF

 地波(Ground wave)、天波(Sky wave)

17

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波對人體有沒有影響？





20

曾有研究指出電磁場會影響人體健康
微波爐的發明—美國海軍的雷達實驗
微波爐使用 2450 兆赫電磁波
現行大哥大是 900 與 1800 兆赫

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2 雷達
4.2.1 雷達基本原理
4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.3 雷達大部組成

21

4.2 雷達 RADAR
雷達是什麼？可由其英文名稱來暸解
RADAR 是 RAdio Detection And Ranging
的縮寫，而中文的雷達，是該縮寫的直接音譯
Radio：指電磁波。
大部分的雷達，使用波長 1 ~ 300厘米，亦即頻率
1~300 GHz 的電磁波。
電磁波波長可介於 10-6 到 107 米（公尺）

22

張彥之教官

4.2 雷達 RADAR
Detection : 偵知。
指藉由接收物體反射回來的電磁波，來偵知物體
的存在
Ranging : 測距。
計算發波與回波的時間間隔，即可得知物體與我
之間的距離 R = cΔt/2。

雷達，若以意譯，則為電磁波偵知測距儀

23

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.1 雷達基本原理
4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
4.2.1.2 脈波雷達參數
4.2.1.3 脈波雷達效能

24

4.2.1 雷達基本原理

25

張彥之教官

4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
 脈波，指間歇性的波。
 脈波可以是有規律的，例如每隔 X 時間，有 Y
時間的波動出現。
 而此 Y 時間的波動，又可以有自己的頻率和持
續時間。

 電磁波的脈波型式，是雷達偵測的基礎。
 它可以很明確地計算出發射信號與反射信號間
的時間差，進而計算目標的距離

26

張彥之教官

4.2.1.2 脈波雷達參數

 PRT (脈波來復時) : 每隔多少時間會有一個脈波。
 PRF (脈波來復頻) : 脈波出現的頻率，亦即單位時
間內有幾個脈波，PRF = 1/PRT
 PW (脈 波 寛 度) : 指脈波中，波動持續的時間
 RT (停 止 時 間) : 指脈波中，沒有波動的時間
 RF (發 射 頻 率) : 指波動的頻率
27

張彥之教官

4.2.1.3 脈波雷達效能
脈波寬度(PW)的影響
距離解析力： RRES = c PW/2
偵測最近距： RMIN = c PW/2

脈波來復時(PRT)的影響
最遠可偵距離, RUNAMB = c PRT/2 = c/(2PRF).
Rotation Rate 旋轉率

28

張彥之教官

最遠可偵距 Maximum Range
真實距離 Unambiguous Range

29

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.2.1 天線
4.2.2.2 雷達波波套形成

30

4.2.2.1 天線
 天線的功用是將流於
其上的電流隅合成電
磁波發送出去，或是
應空間中電磁波的改
變，將其變為電流信
號傳送給接收機。
 最簡單的天線是雙極
式(dipole)天線。
雙極式(dipole)天線

31

張彥之教官

4.2.2.2 雷達波波套形成
 所謂雷達波波套(Loab)，指的是具有方向性
的電磁波束。
 將電磁波聚焦為波束，可以在相同電磁波
強度下，節省能量，以及確定能量方位。
 將電磁波形成波套，一般使用兩種方法：
 以天線將其他方向的電磁波反射，使其於某方
向形成波套
 使用電磁波干涉消長現象，使用相位差來形成
某方向的波套
32

張彥之教官

反射式天線 將能量聚焦成律定完整的波套
Main Lobe

Φ

Side Lobe
min overall coverage beam number = 360 / Θ
33

張彥之教官

相位式波套形成原理

34

張彥之教官

相位式波套形成原理(相位陣列雷達，PAR)

增強性干涉區

D

消減性干涉區

第4章 感測與偵測

4.2.3雷達大部組成
4.2.3.1 發射機
4.2.3.2 接收機
4.2.3.3 電源供應器
4.2.3.4 同步器及收發轉換器

36

4.2.3 雷達大部組成
同步器

發射機

收發轉
換器

電源

天線
複示器
37

張彥之教官

接收機

4.2.3.1 發射機 Transmitter
功能
產生電磁波並將其調變為脈波串
將發射信號功率提高至適當的大小，使其能提供
適當的偵測距離。

基本組件
磁控管 (magnetron)： 產生電磁微波的震

盪器(oscillator)
放大器 (amplifiers)： 將功率提高
38

張彥之教官

4.2.3.2 接收機 Receiver
功能
 感測 (Sense) 回波
 放大回波信號，供後續處理
及顯示

重要特性
 將回波信號由背景雜訊中分
辨出來的能力
 信號雜訊比＝信號功率/雜訊
功率
signal-to-noise ratio = S/N
Miss and FAR
39

張彥之教官

4.2.3.3 供電器 Power Supply
 功能：提供系統各種不同功率及電壓的電源
 在整個雷達系統之中，發射器 (transmitter) 是耗
電最多的組件：
 發射器將能量累積並提高，才能將其產生的脈波，在
經過遠距離的傳送後，仍具有可被感測到的能量。
 脈波中所發射出去的功率，稱為峰值功率 (peak
power)。 它較供應到發射器的平均功率要高出許多。

40

張彥之教官

4.2.3.4 同步器及收發轉換器
 同步器 (Synchronizer) :
同步器管制雷達各部件並為新脈波歸零計時器
 收發轉換器 (Duplexer) :
切換天線連接到發射機或接收機的切換開關
同步器發出
脈波起始信號
收發轉換器將天線接到
發射機

41

張彥之教官

同步器發出
脈波結束信號
收發轉換器將天線接到
接收機


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第4章

感測與偵測

4.1節
4.2節
4.3節
4.4節

1

波
雷達
聲納
光電

4.0 簡介
 偵測子系統（Sensors subsystem）是兵器
系統四大子系統中的第一個子系統，在整
個兵器系統中，扮演耳目的角色
 偵測子系統的功能
1. 「獲得目標資訊」
2. 提供「周遭環境狀況認知」，亦即所謂的「戰
場知覺」（battlespace awareness ）。

2

張彥之教官

4.0 簡介
 二種「獲得目標資訊」的方式
 主動式（偵測）：
發出信號，並接收該信號被目標反射回來的
回信，加以計算後獲得目標資訊
例如：雷達、聲納(主動模式)

 被動式（感測）：
不發射信號，直接接收週遭環境或目標所發
出的信號，來取得環境或目標資訊
例如：温度計、電視導引飛彈、水中聽音器

3

張彥之教官

4.0 簡介
提供「周遭環境狀況認知」的方式：
將偵測器所獲得的目標資訊，顯示在螢幕
上，提供周遭環境情形；有下列二種方式
1. 直接顯示單一偵測器所獲得之資訊
2. 整合顯示各類偵測器所獲得之資訊

二種基本資訊：位置、大小

4

張彥之教官

第4章

4.1 波
4.1.1 波的參數
4.1.2 波的行進
4.1.3 頻率域與時間域
4.1.4 電磁波

5

感測與偵測

4.1 波(Waves) 是能量在空間中擾動的傳遞

6

張彥之教官

4.1.1 波的參數 The Parameters of a Wave
正弦波 Sine Wave
y = Sin (x)

λ
A

1. 波長 (λ)：波形重複出現的距離
2. 振幅 (Α)：最大擾動值－平均擾動值
3. 相位 (Φorθ)：波起始時的角差
7

張彥之教官

相位 (Φorθ)：波起始時的樣態
上
比
下
超
前
90
度

8

張彥之教官

或落後270度

4.1.2 波的行進 Traveling waves





一個波行過所需的時間，稱為週期（T）
單位時間內行過的波數，稱為頻率（f）
頻率與週期互為倒數（f = 1/T）
波行進的速度（v）為一常數，但會因傳
遞時介質的不同而改變速度。
 fλ＝ c (頻率 × 波長＝波速)
 此稱「散射關係式」，波速根據頻率的高低改變
 光穿過三菱鏡時，因介質改變使各色光（頻率不
同）速度不同，各色光依此分開。

9

張彥之教官

4.1.2 波的行進 分光散射

由疏介質進入密介質，頻率較高的光產生較大的
速度改變，因而產生分光現象。

10

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域表示法

12

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域

頻率域較時間域簡單

13

張彥之教官

4.1.4 電磁波：電場與磁場擾動所生的能量波

14

張彥之教官

4.1.4.1 電磁波的傳遞





速度
球形波
平面波
反射：



入射角等於反射角
入射波與反射波之相
位相差 180 度

 具有折射、干涉、散
射之現象

15

張彥之教官

球形波

平面波

4.1.4.2 電磁波的干涉現象
 不同的電磁波可以無限制地相互「疊加」
 若相互疊加的不同電磁波具有相同頻率，
則會變成一個具有某種特定波形的波，這
種現象，稱為干涉(interference)現象
 干涉可能產生有下列二種效果：
 增強（constructive）
 消減（destructive）
 干涉的情形與其兩個波的相位有關

16

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波在大氣中的傳遞模式
 電磁波頻譜區分
 Low Frequency 低頻：30~300k Hz
 ELF(30-3000)、VLF、LF

 Medium Frequency 中頻：300k~3000k (3M)
 High Frequency 高頻：3M~300G
 HF、UHF、SHF、EHF

 地波(Ground wave)、天波(Sky wave)

17

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波對人體有沒有影響？





20

曾有研究指出電磁場會影響人體健康
微波爐的發明—美國海軍的雷達實驗
微波爐使用 2450 兆赫電磁波
現行大哥大是 900 與 1800 兆赫

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2 雷達
4.2.1 雷達基本原理
4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.3 雷達大部組成

21

4.2 雷達 RADAR
雷達是什麼？可由其英文名稱來暸解
RADAR 是 RAdio Detection And Ranging
的縮寫，而中文的雷達，是該縮寫的直接音譯
Radio：指電磁波。
大部分的雷達，使用波長 1 ~ 300厘米，亦即頻率
1~300 GHz 的電磁波。
電磁波波長可介於 10-6 到 107 米（公尺）

22

張彥之教官

4.2 雷達 RADAR
Detection : 偵知。
指藉由接收物體反射回來的電磁波，來偵知物體
的存在
Ranging : 測距。
計算發波與回波的時間間隔，即可得知物體與我
之間的距離 R = cΔt/2。

雷達，若以意譯，則為電磁波偵知測距儀

23

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.1 雷達基本原理
4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
4.2.1.2 脈波雷達參數
4.2.1.3 脈波雷達效能

24

4.2.1 雷達基本原理

25

張彥之教官

4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
 脈波，指間歇性的波。
 脈波可以是有規律的，例如每隔 X 時間，有 Y
時間的波動出現。
 而此 Y 時間的波動，又可以有自己的頻率和持
續時間。

 電磁波的脈波型式，是雷達偵測的基礎。
 它可以很明確地計算出發射信號與反射信號間
的時間差，進而計算目標的距離

26

張彥之教官

4.2.1.2 脈波雷達參數

 PRT (脈波來復時) : 每隔多少時間會有一個脈波。
 PRF (脈波來復頻) : 脈波出現的頻率，亦即單位時
間內有幾個脈波，PRF = 1/PRT
 PW (脈 波 寛 度) : 指脈波中，波動持續的時間
 RT (停 止 時 間) : 指脈波中，沒有波動的時間
 RF (發 射 頻 率) : 指波動的頻率
27

張彥之教官

4.2.1.3 脈波雷達效能
脈波寬度(PW)的影響
距離解析力： RRES = c PW/2
偵測最近距： RMIN = c PW/2

脈波來復時(PRT)的影響
最遠可偵距離, RUNAMB = c PRT/2 = c/(2PRF).
Rotation Rate 旋轉率

28

張彥之教官

最遠可偵距 Maximum Range
真實距離 Unambiguous Range

29

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.2.1 天線
4.2.2.2 雷達波波套形成

30

4.2.2.1 天線
 天線的功用是將流於
其上的電流隅合成電
磁波發送出去，或是
應空間中電磁波的改
變，將其變為電流信
號傳送給接收機。
 最簡單的天線是雙極
式(dipole)天線。
雙極式(dipole)天線

31

張彥之教官

4.2.2.2 雷達波波套形成
 所謂雷達波波套(Loab)，指的是具有方向性
的電磁波束。
 將電磁波聚焦為波束，可以在相同電磁波
強度下，節省能量，以及確定能量方位。
 將電磁波形成波套，一般使用兩種方法：
 以天線將其他方向的電磁波反射，使其於某方
向形成波套
 使用電磁波干涉消長現象，使用相位差來形成
某方向的波套
32

張彥之教官

反射式天線 將能量聚焦成律定完整的波套
Main Lobe

Φ

Side Lobe
min overall coverage beam number = 360 / Θ
33

張彥之教官

相位式波套形成原理

34

張彥之教官

相位式波套形成原理(相位陣列雷達，PAR)

增強性干涉區

D

消減性干涉區

第4章 感測與偵測

4.2.3雷達大部組成
4.2.3.1 發射機
4.2.3.2 接收機
4.2.3.3 電源供應器
4.2.3.4 同步器及收發轉換器

36

4.2.3 雷達大部組成
同步器

發射機

收發轉
換器

電源

天線
複示器
37

張彥之教官

接收機

4.2.3.1 發射機 Transmitter
功能
產生電磁波並將其調變為脈波串
將發射信號功率提高至適當的大小，使其能提供
適當的偵測距離。

基本組件
磁控管 (magnetron)： 產生電磁微波的震

盪器(oscillator)
放大器 (amplifiers)： 將功率提高
38

張彥之教官

4.2.3.2 接收機 Receiver
功能
 感測 (Sense) 回波
 放大回波信號，供後續處理
及顯示

重要特性
 將回波信號由背景雜訊中分
辨出來的能力
 信號雜訊比＝信號功率/雜訊
功率
signal-to-noise ratio = S/N
Miss and FAR
39

張彥之教官

4.2.3.3 供電器 Power Supply
 功能：提供系統各種不同功率及電壓的電源
 在整個雷達系統之中，發射器 (transmitter) 是耗
電最多的組件：
 發射器將能量累積並提高，才能將其產生的脈波，在
經過遠距離的傳送後，仍具有可被感測到的能量。
 脈波中所發射出去的功率，稱為峰值功率 (peak
power)。 它較供應到發射器的平均功率要高出許多。

40

張彥之教官

4.2.3.4 同步器及收發轉換器
 同步器 (Synchronizer) :
同步器管制雷達各部件並為新脈波歸零計時器
 收發轉換器 (Duplexer) :
切換天線連接到發射機或接收機的切換開關
同步器發出
脈波起始信號
收發轉換器將天線接到
發射機

41

張彥之教官

同步器發出
脈波結束信號
收發轉換器將天線接到
接收機


Slide 38

第4章

感測與偵測

4.1節
4.2節
4.3節
4.4節

1

波
雷達
聲納
光電

4.0 簡介
 偵測子系統（Sensors subsystem）是兵器
系統四大子系統中的第一個子系統，在整
個兵器系統中，扮演耳目的角色
 偵測子系統的功能
1. 「獲得目標資訊」
2. 提供「周遭環境狀況認知」，亦即所謂的「戰
場知覺」（battlespace awareness ）。

2

張彥之教官

4.0 簡介
 二種「獲得目標資訊」的方式
 主動式（偵測）：
發出信號，並接收該信號被目標反射回來的
回信，加以計算後獲得目標資訊
例如：雷達、聲納(主動模式)

 被動式（感測）：
不發射信號，直接接收週遭環境或目標所發
出的信號，來取得環境或目標資訊
例如：温度計、電視導引飛彈、水中聽音器

3

張彥之教官

4.0 簡介
提供「周遭環境狀況認知」的方式：
將偵測器所獲得的目標資訊，顯示在螢幕
上，提供周遭環境情形；有下列二種方式
1. 直接顯示單一偵測器所獲得之資訊
2. 整合顯示各類偵測器所獲得之資訊

二種基本資訊：位置、大小

4

張彥之教官

第4章

4.1 波
4.1.1 波的參數
4.1.2 波的行進
4.1.3 頻率域與時間域
4.1.4 電磁波

5

感測與偵測

4.1 波(Waves) 是能量在空間中擾動的傳遞

6

張彥之教官

4.1.1 波的參數 The Parameters of a Wave
正弦波 Sine Wave
y = Sin (x)

λ
A

1. 波長 (λ)：波形重複出現的距離
2. 振幅 (Α)：最大擾動值－平均擾動值
3. 相位 (Φorθ)：波起始時的角差
7

張彥之教官

相位 (Φorθ)：波起始時的樣態
上
比
下
超
前
90
度

8

張彥之教官

或落後270度

4.1.2 波的行進 Traveling waves





一個波行過所需的時間，稱為週期（T）
單位時間內行過的波數，稱為頻率（f）
頻率與週期互為倒數（f = 1/T）
波行進的速度（v）為一常數，但會因傳
遞時介質的不同而改變速度。
 fλ＝ c (頻率 × 波長＝波速)
 此稱「散射關係式」，波速根據頻率的高低改變
 光穿過三菱鏡時，因介質改變使各色光（頻率不
同）速度不同，各色光依此分開。

9

張彥之教官

4.1.2 波的行進 分光散射

由疏介質進入密介質，頻率較高的光產生較大的
速度改變，因而產生分光現象。

10

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域表示法

12

張彥之教官

4.1.3 頻率域與時間域

頻率域較時間域簡單

13

張彥之教官

4.1.4 電磁波：電場與磁場擾動所生的能量波

14

張彥之教官

4.1.4.1 電磁波的傳遞





速度
球形波
平面波
反射：



入射角等於反射角
入射波與反射波之相
位相差 180 度

 具有折射、干涉、散
射之現象

15

張彥之教官

球形波

平面波

4.1.4.2 電磁波的干涉現象
 不同的電磁波可以無限制地相互「疊加」
 若相互疊加的不同電磁波具有相同頻率，
則會變成一個具有某種特定波形的波，這
種現象，稱為干涉(interference)現象
 干涉可能產生有下列二種效果：
 增強（constructive）
 消減（destructive）
 干涉的情形與其兩個波的相位有關

16

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波在大氣中的傳遞模式
 電磁波頻譜區分
 Low Frequency 低頻：30~300k Hz
 ELF(30-3000)、VLF、LF

 Medium Frequency 中頻：300k~3000k (3M)
 High Frequency 高頻：3M~300G
 HF、UHF、SHF、EHF

 地波(Ground wave)、天波(Sky wave)

17

張彥之教官

4.1.4.3 電磁波對人體有沒有影響？





20

曾有研究指出電磁場會影響人體健康
微波爐的發明—美國海軍的雷達實驗
微波爐使用 2450 兆赫電磁波
現行大哥大是 900 與 1800 兆赫

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2 雷達
4.2.1 雷達基本原理
4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.3 雷達大部組成

21

4.2 雷達 RADAR
雷達是什麼？可由其英文名稱來暸解
RADAR 是 RAdio Detection And Ranging
的縮寫，而中文的雷達，是該縮寫的直接音譯
Radio：指電磁波。
大部分的雷達，使用波長 1 ~ 300厘米，亦即頻率
1~300 GHz 的電磁波。
電磁波波長可介於 10-6 到 107 米（公尺）

22

張彥之教官

4.2 雷達 RADAR
Detection : 偵知。
指藉由接收物體反射回來的電磁波，來偵知物體
的存在
Ranging : 測距。
計算發波與回波的時間間隔，即可得知物體與我
之間的距離 R = cΔt/2。

雷達，若以意譯，則為電磁波偵知測距儀

23

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.1 雷達基本原理
4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
4.2.1.2 脈波雷達參數
4.2.1.3 脈波雷達效能

24

4.2.1 雷達基本原理

25

張彥之教官

4.2.1.1 何謂脈波 pulse wave
 脈波，指間歇性的波。
 脈波可以是有規律的，例如每隔 X 時間，有 Y
時間的波動出現。
 而此 Y 時間的波動，又可以有自己的頻率和持
續時間。

 電磁波的脈波型式，是雷達偵測的基礎。
 它可以很明確地計算出發射信號與反射信號間
的時間差，進而計算目標的距離

26

張彥之教官

4.2.1.2 脈波雷達參數

 PRT (脈波來復時) : 每隔多少時間會有一個脈波。
 PRF (脈波來復頻) : 脈波出現的頻率，亦即單位時
間內有幾個脈波，PRF = 1/PRT
 PW (脈 波 寛 度) : 指脈波中，波動持續的時間
 RT (停 止 時 間) : 指脈波中，沒有波動的時間
 RF (發 射 頻 率) : 指波動的頻率
27

張彥之教官

4.2.1.3 脈波雷達效能
脈波寬度(PW)的影響
距離解析力： RRES = c PW/2
偵測最近距： RMIN = c PW/2

脈波來復時(PRT)的影響
最遠可偵距離, RUNAMB = c PRT/2 = c/(2PRF).
Rotation Rate 旋轉率

28

張彥之教官

最遠可偵距 Maximum Range
真實距離 Unambiguous Range

29

張彥之教官

第4章 感測與偵測

4.2.2 天線及雷達波波套形成
4.2.2.1 天線
4.2.2.2 雷達波波套形成

30

4.2.2.1 天線
 天線的功用是將流於
其上的電流隅合成電
磁波發送出去，或是
應空間中電磁波的改
變，將其變為電流信
號傳送給接收機。
 最簡單的天線是雙極
式(dipole)天線。
雙極式(dipole)天線

31

張彥之教官

4.2.2.2 雷達波波套形成
 所謂雷達波波套(Loab)，指的是具有方向性
的電磁波束。
 將電磁波聚焦為波束，可以在相同電磁波
強度下，節省能量，以及確定能量方位。
 將電磁波形成波套，一般使用兩種方法：
 以天線將其他方向的電磁波反射，使其於某方
向形成波套
 使用電磁波干涉消長現象，使用相位差來形成
某方向的波套
32

張彥之教官

反射式天線 將能量聚焦成律定完整的波套
Main Lobe

Φ

Side Lobe
min overall coverage beam number = 360 / Θ
33

張彥之教官

相位式波套形成原理

34

張彥之教官

相位式波套形成原理(相位陣列雷達，PAR)

增強性干涉區

D

消減性干涉區

第4章 感測與偵測

4.2.3雷達大部組成
4.2.3.1 發射機
4.2.3.2 接收機
4.2.3.3 電源供應器
4.2.3.4 同步器及收發轉換器

36

4.2.3 雷達大部組成
同步器

發射機

收發轉
換器

電源

天線
複示器
37

張彥之教官

接收機

4.2.3.1 發射機 Transmitter
功能
產生電磁波並將其調變為脈波串
將發射信號功率提高至適當的大小，使其能提供
適當的偵測距離。

基本組件
磁控管 (magnetron)： 產生電磁微波的震

盪器(oscillator)
放大器 (amplifiers)： 將功率提高
38

張彥之教官

4.2.3.2 接收機 Receiver
功能
 感測 (Sense) 回波
 放大回波信號，供後續處理
及顯示

重要特性
 將回波信號由背景雜訊中分
辨出來的能力
 信號雜訊比＝信號功率/雜訊
功率
signal-to-noise ratio = S/N
Miss and FAR
39

張彥之教官

4.2.3.3 供電器 Power Supply
 功能：提供系統各種不同功率及電壓的電源
 在整個雷達系統之中，發射器 (transmitter) 是耗
電最多的組件：
 發射器將能量累積並提高，才能將其產生的脈波，在
經過遠距離的傳送後，仍具有可被感測到的能量。
 脈波中所發射出去的功率，稱為峰值功率 (peak
power)。 它較供應到發射器的平均功率要高出許多。

40

張彥之教官

4.2.3.4 同步器及收發轉換器
 同步器 (Synchronizer) :
同步器管制雷達各部件並為新脈波歸零計時器
 收發轉換器 (Duplexer) :
切換天線連接到發射機或接收機的切換開關
同步器發出
脈波起始信號
收發轉換器將天線接到
發射機

41

張彥之教官

同步器發出
脈波結束信號
收發轉換器將天線接到
接收機