雷達測距、測角和測速是怎么回事？

看 完 秒 懂！

如【一個小知識】雷達—科技圈的低調(diào)王者，你真的懂？（上）所述，雷達神通廣大，無處不在地改變著我們的生活體驗，但萬變不離其宗。雷達令人眼花繚亂的應(yīng)用場景，不外乎都基于它的三大應(yīng)用原理：測距、測角和測速。

那么，雷達的測距、測角和測速又是怎么回事？看完此文保證你秒懂！

雷達測距

根據(jù)雷達原理，被測目標(biāo)會把接收到的電磁波反射回雷達，不過反射回來的電磁波肯定和發(fā)射出去時的電磁波變得有點不一樣了。就好比我們小時候如果干干凈凈的出門，但裹著滿身泥巴回家，父母就會判斷我們在地上打滾了，如果回家時間太晚，那就很可能是跑到更遠的隔壁村了。同樣的，通過對比原始的雷達發(fā)射脈沖和回波脈沖之間的延遲時間(小孩出門時間)，就可以用來估算目標(biāo)與雷達站點之間的距離。

舉個栗子，電磁波在空氣中傳播的速度大約是光速 c，即3*10^8m/s，小學(xué)學(xué)習(xí)乘法時，就已經(jīng)有類似的應(yīng)用題，距離=速度*時間。只是說，雷達脈沖所走的路程，是雷達站和目標(biāo)之間的一個來回，因此距離的計算公式，就變成了。怎么樣，連小學(xué)生都聽得懂吧？

圖1雷達測距原理

雷達測角

哪怕是千年古樹，樹冠雖大，但樹干永遠是最初的基礎(chǔ)與成長的源頭。不管通過雷達測距，雖然能夠得到目標(biāo)和雷達站之間的距離，但是如果不通過測角來確定出具體方位，目標(biāo)就仿佛是修煉了鬼影神功的東瀛忍者，能以該距離為半徑，360°全方位變換出無數(shù)個影分身迷惑住雷達站。對待這種難纏的敵人，就是時刻去琢磨他!分析他!研究他!最終找到突破點，從而一戰(zhàn)勝之。

事實上，不論是雷達回波，還是什么奇奇怪怪的電磁波，無非都是從三個方向去剖析它，分別是幅度、頻率和相位。而雷達測角功能，就可以通過相位，或者幅度的信息量來獲得。未來雷達如何發(fā)展，掌握其原理，才握住了其命脈。

振幅法測角

振幅法主打的就是簡單粗暴。雷達站將會在一定的扇形范圍內(nèi)，或者直接360°范圍內(nèi)重拳出擊。只有當(dāng)雷達波束打到真正的目標(biāo)上，才會有回波返回到雷達站，雷達站只要找到回波脈沖串的最大值，就能確定這一個時刻波束的指向，就是目標(biāo)的所在方向!

圖2振幅法測角原理

相位法測角

相位法利用多個天線所接收回波信號之間的相位差來進行測角。

圖3 相位法測角原理

舉個栗子，兩個天線間距離已知為 d，因此它們所收到的回波由于存在波程差?R，肯定會有一相位差 ?。高中物理時學(xué)過，相位=頻率*時間，因此

也就是說，只要通過一個相位計，測出兩個接收天線間的相位差，目標(biāo)方向的角度 ?就呼之欲出了!

相比起來，振幅法的原理似乎比相位法簡單多了，但是振幅法自身還是有不少局限性，比如雷達發(fā)送兩個相鄰脈沖時，肯定是有一定轉(zhuǎn)角的，這樣就會存在一定的“量化測角誤差”，更嚴重的是，如果轉(zhuǎn)角過大，目標(biāo)偏離波束軸線太遠，有可能直接就漏掉目標(biāo)了。

雷達測速

得到目標(biāo)距離和方位的“小雷達們”不禁沾沾自喜，“目標(biāo)位置已鎖定，隨時準備全軍出 擊!” 殊不知，萬事萬物都是在時刻變化的。等到大軍到達之前鎖定好的戰(zhàn)場，可能早就已經(jīng)是“昔人已乘黃鶴去，此地空余黃鶴樓”了。因此時刻把握敵軍的運動情況(測速)，并推演出下一時刻目標(biāo)出現(xiàn)的位置，才是制勝的寶典。

多普勒效應(yīng)

雖然連續(xù)波雷達實際中并不常用，但還是可以從最簡單的連續(xù)波雷達來引入這個話題。假如連續(xù)波雷達信號的的角頻率為W0，當(dāng)目標(biāo)和雷達之間存在相對運動時，兩者間的距離 R 就會隨時間變化，即R(t)=R0-vt。其中，R0 為 t=0 時刻的距離，v 為目標(biāo)相對雷達的徑向運動速度。因此，雷達回波的時延，那么回波信號相比起發(fā)射信號來說，相位差為

，如果把該相位差再對時間求導(dǎo)，就得到了一個頻率差

，也就是說，目標(biāo)和雷達之間的相對運動速度，和發(fā)射波與回波間頻率差，存在著正比關(guān)系。如果雷達站和目標(biāo)之間有相向運動時，接收者在單位時間內(nèi)收到的振蕩數(shù)目要比它們不動的時候更多一些，等效為就是頻率增加了;二者間做背向運動時，頻率就會減少。其實這就是我們平時所熟知的多普勒效應(yīng)。

典型雷達測速場景

在實際應(yīng)用中，脈沖雷達才是雷達工作的主要方式，而脈沖對應(yīng)的頻譜是在頻譜上無線寬的一個 sinc 函數(shù)。

圖4 脈沖信號時域圖

圖5 脈沖信號頻域圖

要像單一頻率的連續(xù)波那樣，直接測量 sinc 函數(shù)的頻偏，似乎就不那么容易了。但是條條大路都能通羅馬，眼前的障礙，最靠譜的方式，往往是選擇繞過去!

圖6 脈沖雷達測速原理框圖

接收機會將連續(xù)波信號 uk 和回波信號 ur 做一個簡單的加法運算，然后再求出這個和信號相干檢波后的包絡(luò)。

相干檢波

這里需要額外提一句相干檢波，它是會根據(jù)載波的相位信息去檢測并接收信號。比如兩個同幅同相的正弦波，它們相加后，幅值會疊加為原來的兩倍; 但如果是同幅反相的正弦波，相加后，幅值不僅不會增加，反而會消減為 0。

因此圖6中最終合成的信號的幅度，還得取決于回波和發(fā)射波之間的相位差值。其中，U0 是連續(xù)振蕩的基準電壓經(jīng)過檢波后的輸出，它是一直存在的，而則表示回波和基準電壓做相干檢波后，疊加上去的信號分量，并且它只存于回波信號到來的期間。

假如是一個固定不動的目標(biāo)，收到的回波和發(fā)射波之間的相位差必然是一個常數(shù)。因此，檢波后，隔去直流分量，就可以得到一串等幅的脈沖輸出。但是，對于運動的目標(biāo)而言，回波相對于發(fā)射波的相位差會隨時間改變。

圖7 相干檢波時域波形圖

因此，隔去直流后的脈沖信號包絡(luò)為

其中，多普勒頻移，即。

呀!這不就和連續(xù)波雷達求得的多普勒頻率公式一樣了嘛，多普勒頻率和目標(biāo)的徑向運動速度成正比關(guān)系!只是說脈沖雷達的多普勒頻率剛好就是回波脈沖的包絡(luò)調(diào)制頻率，這相當(dāng)于是連續(xù)波雷達工作的一個取樣狀態(tài)。

看到這里，必須為你撒花！鼓掌！點贊！雖然這一章節(jié)有一丟丟的燒腦，但是我相信，雷達測距、測角和測速的原理你已經(jīng)了然于胸了！

下篇文章，我們會為大家介紹雷達工程師的好隊友——那些優(yōu)秀的測試設(shè)備，是如何為雷達的應(yīng)用加速助威的，敬請期待！

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審核編輯：湯梓紅