第36讲 电子成像技术

4. 发展趋势
现代雷达正在向小型化、轻型化和固态化方向发展,一部新型雷达的研 制成功,总是伴随着需要新工艺、新元器件和新材料的相应突破。
5. 中国雷达
中国的雷达技术从50年代初才开始发展起来。中国研制的雷达 已装备军队。中国已经研制成防空用的二坐标和三坐标警戒引导雷 达、地－空导弹制导雷达、远程导弹初始段靶场测量雷达和再入段 靶场测量与回收雷达。中国研制的大型雷达还用于观测中国和其他 国家发射的人造卫星。在民用方面，远洋轮船的导航和防撞雷达、 飞机场的航行管制雷达以及气象雷达等均已生产和应用。中国研制 成的机载合成孔径雷达已能获得大面积清晰的测绘地图。中国研制 的新一代雷达均已采用计算机或微处理器，并应用了中、大规模集 成电路的数字式信息处理技术，频率已扩展至毫米波段。
第36讲 电子成像技术
张凯 博士 教授 计算机科学技术系 电话：62380002 邮件：lifo@
一、什么是电子显微镜 二、什么是射电望远镜 三、射电望远镜简史和现状 四、雷达
一、什么是电子显微镜
1. 电子显微镜
电子显微镜（electron microscope），简称电镜，是使用电子来展示物件 的内部或表面的显微镜。
2. 发展历史
1931年，德国的M.诺尔和E.鲁斯卡，用冷阴极放电电子源和三个电子 透镜改装了一台高压示波器，并获得了放大十几倍的图像，发明的是透射 电镜，证实了电子显微镜放大成像的可能性。 1932年，经过鲁斯卡的改进，电子显微镜的分辨能力达到了50纳米， 约为当时光学显微镜分辨本领的十倍，突破了光学显微镜分辨极限，于是 电子显微镜开始受到人们的重视。 20世纪40年代，美国的希尔用消像散器补偿电子透镜的旋转不对称性， 使电子显微镜的分辨本领有了新的突破，逐步达到了现代水平。 20世纪70年代，透射式电子显微镜的分辨率约为0.3纳米(人眼的分辨 本领约为0.1毫米)。 1958年中国研制成功透射式电子显微镜，其分辨本领为3纳米，1979 年又制成分辨本领为0.3纳米的大型电子显微镜。现代世界上最好的透射 电子显微镜线分辨本领可达0.14纳米,可摄出某些分子像或原子像。
二、什么是射电望远镜
1. 射电望远镜
射电望远镜（radio telescope）是指观测和研究来自天体的射电 波的基本设备，可以测量天体射电的强度、频谱及偏振等量。包括收 集射电波的定向天线，放大射电信号的高灵敏度接收机，信息记录﹑ 处理和显示系统等。
2.基本原理
经典射电望远镜的基本原理和光学反射望远镜相似，投射来的电 磁波被一精确镜面反射后，同相到达公共焦点。用旋转抛物面作镜面 易于实现同相聚焦，因此，射电望远镜天线大多是抛物面。射频信号 功率首先在焦点处放大10～1000倍，并变换成较低频率(中频)，然后 用电缆将其传送至控制室，在那里再进一步放大﹑检波，最后以适于 特定研究的方式进行记录﹑处理和显示。
3、我国的电望远镜
为实现跨越式发展，中国天文 界提出建造世界最大的500米口径 球面射电天文望远镜（FAST）。 它具有3项自主创新：利用贵州天 然的喀斯特洼坑作为台址；洼坑 内铺设数千块单元组成500米球冠 状主动反射面；采用轻型索拖动 机构和并联机器人，实现望远镜 接收机的高精度定位。全新的设 计思路，加之得天独厚的台址优 势，FAST突破了望远镜的百米工 程极限，开创了建造巨型射电望 远镜的新模式。
2. 雷达分类
雷达种类很多，可按多种方法分类：按定位方法可分为有源雷达、 半有源雷达和无源雷达。按装设地点可分为地面雷达、舰载雷达、航 空雷达、卫星雷达等。按辐射种类可分为脉冲雷达和连续波雷达。按 工作被长波段可分米波雷达、分米波雷达、厘米波雷达和其它波段雷 达。按用途可分为目标探测雷达、侦察雷达、武器控制雷达、飞行保 障雷达、气象雷达、导航雷达等。
美国新墨西哥州的综合孔径射电望远镜甚大天线阵
三、射电望远镜简史和现状
1. 射电望远镜历史 1931年美国新泽西州贝尔实验室的KG· 杨斯基发现：有一种每隔 23小时56分04秒出现最大值的无线电干扰。他经过仔细分析断言：这 是来自银河系中射电辐射。由此，杨斯基开创了用射电波研究天体的 新纪元。 1937年美国人G· 雷伯制造成功第一架抛物面型射电望远镜。它的 抛物面天线直径为9.45米，可测到了太阳以及其它一些天体发出的无 线电波。 1946年，英国曼彻斯特大学开始建造直径66.5米的固定抛物面射 电望远镜，1955年建成当时世界上最大的76米直径的可转抛物面射电 望远镜。与此同时，澳﹑美﹑苏﹑法﹑荷等国也竞相建造大小不同和 形式各异的早期射电望远镜。
FAST设计图和被选的基坑
四、雷达
1. 雷达
雷达概念形成于20世纪初。雷达是英文radar的音译，为Radio Detection And Ranging的缩写，意为无线电检测和测距，是利用微 波波段电磁波探测目标的电子设备。各种雷达的具体用途和结构不尽 相同，但基本形式是一致的，包括五个基本组成部分：发射机、发射 天线、接收机、接收天线以及显示器。还有电源设备、数据录取设备、 抗干扰设备等辅助设备。

2.现状与展望 今天射电的分辨率高于其它波段几千倍，能更清晰地揭示射电天 体的内核；综合孔径技术的研制成功使射电望远镜具备了方便的成像 能力，综合孔径射电望远镜相当于工作在射电波段的照相机。 把造价和效能结合起来考虑，今后直径100米那样的大射电望远镜 大概只能有少量增加，而单个中等孔径厘米波射电望远镜的用途越来 越少。主要单抛物面天线将更普遍地并入或扩大为甚长基线﹑连线干 涉仪和综合孔径系统工作。随著设计﹑工艺和校准技术的改进，将会 有更多﹑更精密的毫米波望远镜出现。综合孔径望远镜会得到发展以 期获得更大的空间﹑时间和频率覆盖。甚长基线干涉系统除了增加数 量外，预期最终将能利用定点卫星实现实时数据处理，大大提高，随 着低噪音天线设计方法的成熟，把综合孔径技术同甚长基线独立本振 干涉仪技术结合起来的甚长基线干涉仪网和干涉仪阵的试验，很可能 孕育出新一代的射电望远镜。
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舰船雷达，球形雷达，汽车测速雷达
3. 雷达的历史
1842年多普勒（Christian Andreas Doppler）率先提出多普勒式雷达。 1904年侯斯美尔（Christian Hülsmeyer）发明电动镜（telemobiloscope）， 利用无线电波回声探测的装置，防止海上船舶相撞。到1971年加拿大伊朱 卡等3人发明全息矩阵雷达，雷达在有条不紊的发展。70年代以后，电子 计算机和大规模数字集成电路等技术的出现，并应用到雷达上，使雷达性 能大大提高，同时减小了体积和重量，提高了可靠性。
60年代以来，相继建成的有美国国立射电天文台的42.7米﹑加 拿大的45.8米﹑澳大利亚的64米全可转抛物面﹑美国的直径 305米 固定球面﹑工作于厘米和分米波段的射电望远镜以及一批直径10 米左右的毫米波射电望远镜。1962年 Ryle 发明了综合孔径射电望 远镜并获得了1974年诺贝尔物理学奖。 20世纪50、60年代，随着射电技术的发展和提高，人们研究 成功了射电干涉仪，甚长基线干涉仪，综合孔径望远镜等新型的射 电望远镜射电干涉技术使人们能更有效地从噪音中提取有用的信号； 甚长基线干涉仪通常是相距上千公里的。几台射电望远镜作干涉仪 方式的观测，极大地提高了分辨率。 20世纪60年代末至70年代初，不仅建成了一批技术上成熟﹑ 有很高灵敏度和分辨率的综合孔径射电望远镜，还发明了有极高分 辨率的甚长基线干涉仪这种所谓现代射电望远镜。 上世纪80年代以来，欧洲的VLBI网﹑美国的VLBA阵﹑日本的 空间VLBI相继投入使用，这是新一代射电望远镜的代表，它们的 灵敏度﹑分辨率和观测波段上都大大超过了以往的望远镜。