雷达系统简介

原创加油射频工程师 2023-01-30 14:56

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什么是雷达？

雷达的英文名为RADAR，是RAdio Detection And Ranging的缩写。

雷达的工作方式，如上图所示，通过天线将电磁波辐射出去，电磁波在空中传播，碰到目标，目标反射电磁波，反射的电磁波一部分被天线接收，雷达比对发射出去的电磁波和接收回来的电磁波，从而获得目标的相关信息。

比如：

从发射电磁波和接收电磁波之间的时延，来获得目标的距离；

从天线主瓣所指的方向，可以得到目标所在的方位；

从反射电磁波的幅度，可以知道目标的大小，即RCS；

从电磁波频率的变化，即多普勒频移，可以知道目标的速度；

经过一些额外处理，还可以对目标进行成像。

简化版的雷达框图如下图所示。

雷达频率波段

雷达频率波段如下图所示，可以看到，现在雷达频率已经到微波频段，甚至更高频率，已经不是局限于刚开始的射频频率。

电磁波特性

电磁波具有以下特性：

(1) 频率等于电磁波的速度与电磁波波长的比值

(2) 波与波之间的相加为矢量相加，当两个波同相时，两者叠加；当两者反相时，两者相加之和为0。

(3) 电磁波具有极化方向，将电场的方向定义为电磁波的极化方向。

雷达距离方程(Radar Range Equation)

假设雷达的发射功率为PT，天线有效孔径面积为A，目标距雷达的距离为R，目标的RCS为 σ，空间的损耗为L，接收机能在目标上停留的时间为 τ，则接收机接收到的能量如下图所示。

脉冲雷达的一些概念

脉冲雷达发射一个脉冲后，发射机关闭，接收机开始接收反射信号，如下图所示。

脉冲长度(pulse length)是指发射机打开的时间。

脉冲信号的占空比为：

发射机发射的平均功率为：

脉冲重复频率为：

连续波雷达(CW radar)则是脉冲雷达的特例，脉冲雷达的占空比为100%时，则为连续波雷达。

雷达波形

雷达传输的波形，不是连续波，也不是脉冲波形，而是两者的叠加，如下图所示。

脉冲里面的电磁波的频率可以是固定的，如下图所示。

脉冲里面的电磁波的频率也可以是变化的，如下图所示。电磁波的频率从低变高，且是线性变化，这个称之为LFMW(Linear Frequency-Modulated Waveform).

雷达距离测量

发射的脉冲波形辐射出去，到接收机接收到脉冲波形的时间，称为round trip time。

目标距雷达的距离的计算方法如下图所示。

天线增益

各向同性天线，其在360度方向上，辐射的能量都是相等的，此时通过各向同性天线辐射出去的电磁波，像一个球一样，向四周扩散开来。其在所有方向上均匀辐射，具有相同的强度。

定向天线，则是将辐射方向聚焦在一个方向上。

天线的增益(不考虑辐射效率)定义为天线主瓣的最大辐射强度与平均辐射强度的比值，即在同一个方向处，定向天线在此处的辐射强度与各向同性天线在此处的辐射强度的比值。

雷达散射面积(RCS)

RCS是指雷达能看到的目标的有效散射面积。

雷达看到的目标大小，并不一定是目标的物理尺寸，可能比物理尺寸大，也可能比物理尺寸小。

参考文献:

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

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