雷達(dá)三大應(yīng)用原理

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

那么，雷達(dá)的測(cè)距、測(cè)角和測(cè)速又是怎么回事？看完此文保證你秒懂！

雷達(dá)測(cè)距

根據(jù)雷達(dá)原理，被測(cè)目標(biāo)會(huì)把接收到的電磁波反射回雷達(dá)，不過反射回來的電磁波肯定和發(fā)射出去時(shí)的電磁波變得有點(diǎn)不一樣了。就好比我們小時(shí)候如果干干凈凈的出門，但裹著滿身泥巴回家，父母就會(huì)判斷我們?cè)诘厣洗驖L了，如果回家時(shí)間太晚，那就很可能是跑到更遠(yuǎn)的隔壁村了。同樣的，通過對(duì)比原始的雷達(dá)發(fā)射脈沖和回波脈沖之間的延遲時(shí)間(小孩出門時(shí)間)，就可以用來估算目標(biāo)與雷達(dá)站點(diǎn)之間的距離。

舉個(gè)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(shí)，就已經(jīng)有類似的應(yīng)用題，距離=速度*時(shí)間。只是說，雷達(dá)脈沖所走的路程，是雷達(dá)站和目標(biāo)之間的一個(gè)來回，因此距離的計(jì)算公式，就變成了。怎么樣，連小學(xué)生都聽得懂吧？

圖1雷達(dá)測(cè)距原理

雷達(dá)測(cè)角

哪怕是千年古樹，樹冠雖大，但樹干永遠(yuǎn)是最初的基礎(chǔ)與成長(zhǎng)的源頭。不管通過雷達(dá)測(cè)距，雖然能夠得到目標(biāo)和雷達(dá)站之間的距離，但是如果不通過測(cè)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(gè)影分身迷惑住雷達(dá)站。對(duì)待這種難纏的敵人，就是時(shí)刻去琢磨他!分析他!研究他!最終找到突破點(diǎn)，從而一戰(zhàn)勝之。

事實(shí)上，不論是雷達(dá)回波，還是什么奇奇怪怪的電磁波，無非都是從三個(gè)方向去剖析它，分別是幅度、頻率和相位。而雷達(dá)測(cè)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(dá)如何發(fā)展，掌握其原理，才握住了其命脈。

振幅法測(cè)角

振幅法主打的就是簡(jiǎn)單粗暴。雷達(dá)站將會(huì)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(dá)波束打到真正的目標(biāo)上，才會(huì)有回波返回到雷達(dá)站，雷達(dá)站只要找到回波脈沖串的最大值，就能確定這一個(gè)時(shí)刻波束的指向，就是目標(biāo)的所在方向!

圖2振幅法測(cè)角原理

相位法測(cè)角

相位法利用多個(gè)天線所接收回波信號(hào)之間的相位差來進(jìn)行測(cè)角。

圖3 相位法測(cè)角原理

舉個(gè)栗子，兩個(gè)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(huì)有一相位差 ?。高中物理時(shí)學(xué)過，相位=頻率*時(shí)間，因此

也就是說，只要通過一個(gè)相位計(jì)，測(cè)出兩個(gè)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(jiǎn)單多了，但是振幅法自身還是有不少局限性，比如雷達(dá)發(fā)送兩個(gè)相鄰脈沖時(shí)，肯定是有一定轉(zhuǎn)角的，這樣就會(huì)存在一定的“量化測(cè)角誤差”，更嚴(yán)重的是，如果轉(zhuǎn)角過大，目標(biāo)偏離波束軸線太遠(yuǎn)，有可能直接就漏掉目標(biāo)了。

雷達(dá)測(cè)速

得到目標(biāo)距離和方位的“小雷達(dá)們”不禁沾沾自喜，“目標(biāo)位置已鎖定，隨時(shí)準(zhǔn)備全軍出 擊!” 殊不知，萬事萬物都是在時(shí)刻變化的。等到大軍到達(dá)之前鎖定好的戰(zhàn)場(chǎng)，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(shí)刻把握敵軍的運(yùn)動(dòng)情況(測(cè)速)，并推演出下一時(shí)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(dá)實(shí)際中并不常用，但還是可以從最簡(jiǎn)單的連續(xù)波雷達(dá)來引入這個(gè)話題。假如連續(xù)波雷達(dá)信號(hào)的的角頻率為W0，當(dāng)目標(biāo)和雷達(dá)之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩者間的距離 R 就會(huì)隨時(shí)間變化，即R(t)=R0-vt。其中，R0 為 t=0 時(shí)刻的距離，v 為目標(biāo)相對(duì)雷達(dá)的徑向運(yùn)動(dòng)速度。因此，雷達(dá)回波的時(shí)延，那么回波信號(hào)相比起發(fā)射信號(hào)來說，相位差為，如果把該相位差再對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，就得到了一個(gè)頻率差，也就是說，目標(biāo)和雷達(dá)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(dá)站和目標(biāo)之間有相向運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收者在單位時(shí)間內(nèi)收到的振蕩數(shù)目要比它們不動(dòng)的時(shí)候更多一些，等效為就是頻率增加了;二者間做背向運(yùn)動(dòng)時(shí)，頻率就會(huì)減少。其實(shí)這就是我們平時(shí)所熟知的多普勒效應(yīng)。

典型雷達(dá)測(cè)速場(chǎng)景

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

圖4 脈沖信號(hào)時(shí)域圖

圖5 脈沖信號(hào)頻域圖

要像單一頻率的連續(xù)波那樣，直接測(cè)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(dá)測(cè)速原理框圖

接收機(jī)會(huì)將連續(xù)波信號(hào) uk 和回波信號(hào) ur 做一個(gè)簡(jiǎn)單的加法運(yùn)算，然后再求出這個(gè)和信號(hào)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(huì)根據(jù)載波的相位信息去檢測(cè)并接收信號(hào)。比如兩個(gè)同幅同相的正弦波，它們相加后，幅值會(huì)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(huì)增加，反而會(huì)消減為 0。

因此圖6中最終合成的信號(hào)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(zhǔn)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(zhǔn)電壓做相干檢波后，疊加上去的信號(hào)分量，并且它只存于回波信號(hào)到來的期間。

假如是一個(gè)固定不動(dòng)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(gè)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(duì)于運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)而言，回波相對(duì)于發(fā)射波的相位差會(huì)隨時(shí)間改變。

圖7 相干檢波時(shí)域波形圖

因此，隔去直流后的脈沖信號(hào)包絡(luò)為

其中，多普勒頻移，即。

呀!這不就和連續(xù)波雷達(dá)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(yùn)動(dòng)速度成正比關(guān)系!只是說脈沖雷達(dá)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(dá)工作的一個(gè)取樣狀態(tài)。

看到這里，必須為你撒花！鼓掌！點(diǎn)贊！雖然這一章節(jié)有一丟丟的燒腦，但是我相信，雷達(dá)測(cè)距、測(cè)角和測(cè)速的原理你已經(jīng)了然于胸了！