雷达原理---基础知识

文章目录

一、雷达的基本任务
二、雷达的分类
三、常见参数定义
- 1. 距离
- 2. 脉冲重复频率（PRF）与脉冲重复间隔（PRI）
- 3. 功率与能量
- 4. 最大不模糊距离
- 5. 距离分辨率
- 6. 多普勒频率
- 7. 雷达方程

一、雷达的基本任务

雷达（Radar），源于英文Radio Detection and Ranging的缩写，原意是“无线电探测和测距”。

一般来说，雷达系统使用调制波形和方向性天线来发射电磁能量到空间的特定区域以搜索目标。在搜索区域内的物体（目标）会反射部分能量（雷达发射信号或回波）回到雷达，然后这些回波被雷达接收机处理，以提取目标的信息，例如距离、速度、角位置和其他目标识别特征。

二、雷达的分类

考虑波形雷达可分为：

连续波（CW）雷达

CW雷达连续发射电磁能量，使用单独的发射和接收天线。
无调制的CW雷达能够准确地测量目标的径向速度（多普勒频移）和角位置。不使用某种形式的调制不能提取目标的距离信息。
无调制CW雷达的主要用途是目标速度搜索和跟踪，以及导弹制导。

脉冲雷达（PR）
脉冲雷达使用脉冲波形串（大部分带有调制）。在这种分类中，雷达根据脉冲重复频率（PRF）分为低PRF、中PRF和高PRF雷达。

低PRF雷达主要用于测距，而对目标速度（多普勒频移）不感兴趣。
高PRF雷达主要用于测量目标速度。

连续波雷达和脉冲雷达都能够使用不同的调制策略同时测量目标距离和径向速度。

三、常见参数定义

1. 距离

对于脉冲雷达，目标距离RRR是通过测量时间延迟Δt\Delta tΔt，即脉冲在雷达与目标之间的双程传播时间来计算的。因为电磁波以光速c=3×108m/sc=3×10^8 m/sc=3×108m/s传播，所以
R=cΔt2R=\frac{c\Delta t}{2}R=2cΔt
其中RRR的单位是米，Δt\Delta tΔt的单位是秒。

2. 脉冲重复频率（PRF）与脉冲重复间隔（PRI）

一般来说，脉冲雷达发射和接收脉冲串，如图所示：

脉冲间周期（IPP）是T，脉冲宽度是τ\tauτ。IPP通常称为脉冲重复间隔（PRI）。PRI的倒数是PRF，用frf_rfr表示，即
fr=1PRI=1Tf_r=\frac{1}{PRI}=\frac{1}{T}fr=PRI1=T1

3. 功率与能量

在每个PRI期间，雷达只发射τ\tauτ秒能量，然后在PRI的剩余时间侦听目标反射信号。

雷达峰值发射功率PtP_tPt与雷达平均发射功率PavP_{av}Pav之间的关系为
Pt⋅τ=Pav⋅TP_t\cdot \tau=P_{av}\cdot TPt⋅τ=Pav⋅T
脉冲能量为
Ep=Ptτ=PavT=Pav/frE_p=P_t\tau=P_{av} T=P_{av} / f_rEp=Ptτ=PavT=Pav/fr

4. 最大不模糊距离

定义：对应于双程时间延迟T的距离称为雷达不模糊距离RuR_uRu。
分析：

回波1表示位于距离R1=cΔt/2R_1=c\Delta t/2R1=cΔt/2处的目标由于脉冲1 产生的雷达反射信号。回波2 可以解释为相同的目标由于脉冲2 产生的反射信号，或者可能是位于距离R2R_2R2处的更远目标由于脉冲1又产生的反射信号。在这种情况下，
R2=cΔt2或R2=c(T+Δt)2R_2=\frac{c\Delta t}{2} \qquad 或 \qquad R_2=\frac{c(T+\Delta t)}{2} R2=2cΔt或R2=2c(T+Δt)
显然距离模糊与回波2有关。因此，一旦发射了一个脉冲，雷达必须等待足够长的时间，以使最大距离处目标的反射信号在下一个脉冲发射前返回。因此，最大无模糊距离对应半个PRI，即
Ru=cT2=c2frR_u=c\frac{T}{2}=\frac{c}{2f_r}Ru=c2T=2frc

5. 距离分辨率

距离分辨率，表示为ΔR\Delta RΔR，描述雷达将相互非常接近的目标检测为不同目标能力的指标。
ΔR=cτ2\Delta R=\frac{c\tau}{2}ΔR=2cτ

6. 多普勒频率

雷达使用多普勒频率来提取目标的径向速度（距离变化率），以及区分运动和静止目标与物体。

多普勒现象描述了由于目标相对于辐射源的运动而引起的入射波形中心频率的偏移。根据目标运动的方向，此频移可能为正可能为负。

目标远离雷达运动时
fd=−2vrλ=−2vλcosθf_d=-\frac{2v_r}{\lambda}=-\frac{2v}{\lambda}cos\thetafd=−λ2vr=−λ2vcosθ
目标靠近雷达运动时
fd=2vrλ=2vλcosθf_d=\frac{2v_r}{\lambda}=\frac{2v}{\lambda}cos\thetafd=λ2vr=λ2vcosθ

7. 雷达方程

Pr=PtGt4πR2⋅σ⋅Ar4πR2P_r=\frac{P_tG_t}{4\pi R^2}\cdot \sigma \cdot \frac{A_r}{4\pi R^2}Pr=4πR2PtGt⋅σ⋅4πR2Ar
有方向性的天线通常用天线增益G和天线有效孔径A表征。它们的关系是
G=4πAλ2G=\frac{4\pi A}{\lambda^2}G=λ24πA
令SminS_{min}Smin表示最小可检测信号功率，那么最大的雷达距离RmaxR_{max}Rmax为
Rmax=[PtGtGrλ2σ(4π)3Smin]1/4R_{max}=\Big[ \frac{P_tG_tG_r\lambda^2\sigma}{(4\pi)^3S_{min}} \Big]^{1/4}Rmax=[(4π)3SminPtGtGrλ2σ]1/4
最小可检测信号功率可以写为
Smin=kT0BFMS_{min}=kT_0BFMSmin=kT0BFM
其中，k=1.38×10−23J/Kk=1.38×10^{-23}J/Kk=1.38×10−23J/K是玻尔兹曼常数，T0T_0T0是以K表示的有效噪声温度，BBB为雷达工作带宽，FFF为噪声系数，MMM为识别系数。

考虑雷达损耗LLL，雷达方程可写为
Rmax=[PtGtGrλ2σ(4π)3kT0BFML]1/4R_{max}=\Big[ \frac{P_tG_tG_r\lambda^2\sigma}{(4\pi)^3kT_0BFML} \Big]^{1/4}Rmax=[(4π)3kT0BFMLPtGtGrλ2σ]1/4