什么是雷達(dá) 雷達(dá)距離方程

什么是雷達(dá)？

雷達(dá)的英文名為RADAR，是RAdio Detection And Ranging的縮寫。

雷達(dá)的工作方式，如上圖所示，通過天線將電磁波輻射出去，電磁波在空中傳播，碰到目標(biāo)，目標(biāo)反射電磁波，反射的電磁波一部分被天線接收，雷達(dá)比對(duì)發(fā)射出去的電磁波和接收回來的電磁波，從而獲得目標(biāo)的相關(guān)信息。

比如：

從發(fā)射電磁波和接收電磁波之間的時(shí)延，來獲得目標(biāo)的距離；

從天線主瓣所指的方向，可以得到目標(biāo)所在的方位；

從反射電磁波的幅度，可以知道目標(biāo)的大小，即RCS；

從電磁波頻率的變化，即多普勒頻移，可以知道目標(biāo)的速度；

經(jīng)過一些額外處理，還可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行成像。

簡化版的雷達(dá)框圖如下圖所示。

雷達(dá)頻率波段

可以看到，現(xiàn)在雷達(dá)頻率已經(jīng)到微波頻段，甚至更高頻率，已經(jīng)不是局限于剛開始的射頻頻率。

電磁波特性

電磁波具有以下特性：

(1) 頻率等于電磁波的速度與電磁波波長的比值

(2) 波與波之間的相加為矢量相加，當(dāng)兩個(gè)波同相時(shí)，兩者疊加；當(dāng)兩者反相時(shí)，兩者相加之和為0。

(3) 電磁波具有極化方向，將電場的方向定義為電磁波的極化方向。

雷達(dá)距離方程(Radar Range Equation)

假設(shè)雷達(dá)的發(fā)射功率為PT，天線有效孔徑面積為A，目標(biāo)距雷達(dá)的距離為R，目標(biāo)的RCS為 σ，空間的損耗為L，接收機(jī)能在目標(biāo)上停留的時(shí)間為 τ，則接收機(jī)接收到的能量如下圖所示。

脈沖雷達(dá)的一些概念

脈沖雷達(dá)發(fā)射一個(gè)脈沖后，發(fā)射機(jī)關(guān)閉，接收機(jī)開始接收反射信號(hào)，如下圖所示。

脈沖長度(pulse length)是指發(fā)射機(jī)打開的時(shí)間。

脈沖信號(hào)的占空比為：

發(fā)射機(jī)發(fā)射的平均功率為：

脈沖重復(fù)頻率為：

連續(xù)波雷達(dá)(CW radar)則是脈沖雷達(dá)的特例，脈沖雷達(dá)的占空比為100%時(shí)，則為連續(xù)波雷達(dá)。

雷達(dá)波形

雷達(dá)傳輸?shù)牟ㄐ?，不是連續(xù)波，也不是脈沖波形，而是兩者的疊加，如下圖所示。

脈沖里面的電磁波的頻率可以是固定的，如下圖所示。

脈沖里面的電磁波的頻率也可以是變化的，如下圖所示。電磁波的頻率從低變高，且是線性變化，這個(gè)稱之為LFMW(Linear Frequency-Modulated Waveform).

雷達(dá)距離測量

發(fā)射的脈沖波形輻射出去，到接收機(jī)接收到脈沖波形的時(shí)間，稱為round trip time。

目標(biāo)距雷達(dá)的距離的計(jì)算方法如下圖所示。

天線增益

各向同性天線，其在360度方向上，輻射的能量都是相等的，此時(shí)通過各向同性天線輻射出去的電磁波，像一個(gè)球一樣，向四周擴(kuò)散開來。其在所有方向上均勻輻射，具有相同的強(qiáng)度。

定向天線，則是將輻射方向聚焦在一個(gè)方向上。

天線的增益(不考慮輻射效率)定義為天線主瓣的最大輻射強(qiáng)度與平均輻射強(qiáng)度的比值，即在同一個(gè)方向處，定向天線在此處的輻射強(qiáng)度與各向同性天線在此處的輻射強(qiáng)度的比值。

雷達(dá)散射面積(RCS)

RCS是指雷達(dá)能看到的目標(biāo)的有效散射面積。

雷達(dá)看到的目標(biāo)大小，并不一定是目標(biāo)的物理尺寸，可能比物理尺寸大，也可能比物理尺寸小。

參考文獻(xiàn):

[1] https://www.ll.mit.edu/outreach/radar-introduction-radar-systems-online-course