706
使用多年的雷达技术仍是当今军队的关键战术。那雷达技术的基本原理是什么？本文就带你从入门开始了解雷达。
雷达是无线电探测和测距的统称，其历史可以追溯到 20 世纪早期。它最初是为军事服务开发的，后来在第二次世界大战中被用于战争。自早期以来，雷达技术已经发生了巨大的变化。如今，雷达不仅应用于军事，还有许多民用用途。
像上面所说的，雷达技术最初是为军事目的而开发的。今天，陆地、空中和海上的军事应用都依赖于雷达，因此军事服务仍是它的主要应用领域。其中包括威胁探测，导弹制导，空中和海上导航等。
尽管雷达技术随着时间的推移而改变，但其总体概念仍保持不变。典型的雷达系统由发射器和接收器组成。发射器的作用是向目标物体方向发射信号，该目标可以在离发射器很远的位置。因此这个信号必须足够强，以到达预定目标的位置。
当发射信号到达目标时，部分信号被反射，然后被雷达接收器检测到，这种反射信号也称为回波。为了成功探测远程目标，雷达接收器必须高度灵敏。一旦接收器检测到反射信号，就可以获得关于目标的各种类型的信息。这些信息包括目标的大小、距离、位置和速度。图 1 为一个基本的雷达系统。
1、典型雷达系统运行情况
雷达也在不同的频段上工作。下表列出了不同的雷达频段。
雷达方程
接收器输入端的检测信号明显弱于发送信号。该接收信号的功率级由几个因素决定，可以通过以下方程（也称为雷达方程）进行数学定义：
pt=传输功率
G=天线增益
λ=发射信号的波长
σ=雷达截面
R=天线与目标之间的距离（距离）
该方程表明发射和接收天线是相同的，通常被称为单基地雷达系统。双基地雷达系统使用独立的天线进行发射和接收。
当发射信号击中目标时，能量被分散到各个方向，部分能量重新折回雷达系统。雷达散射截面（RCS）是一个重要的雷达参数，它决定了目标反射能量的大小。RCS 的单位是 m2。
因此，雷达接收器必须非常灵敏，以便能够检测远距离目标反射的信号。由于所有接收器都会产生一定量的噪声，当信号通过接收器时，信噪比会降低。成功检测反射信号需要使接收器输出最小信噪比。
最小信噪比对应信号的最小功率级，该信号可应用于接收器的输入以进行适当的检测。如果已知最小功率级，就可以重新排列雷达方程，以确定雷达系统的最大射程。该方程式如下：
PEmin =接收器输入端的最小功率电平
应说明的是，图中所示的最大目标距离方程用简化术语描述了雷达性能。而传播效果等其他因素也会影响性能。
确定范围和径向速度
范围由发射信号传播到目标再返回接收器所需要的时间来确定。目标的径向速度与多普勒频移有关。从本质上说，移动目标所产生的返回信号频率与发送信号频率不同。该频率称为多普勒频率(fd)，可以通过以下方程来定义：
v=目标的径向速度
fo=发送信号的频率
C=光速
正多普勒频率表示接近雷达系统目标，负多普勒频率表示远离目标。因此，当目标接近雷达系统时，接收信号的频率等于发射信号的频率加上多普勒频率。当目标远离雷达时，接收信号的频率等于发射信号的频率减去多普勒频率。
连续波雷达信号
发射连续波信号的雷达系统可以确定目标速度，速度是由多普勒频率决定的，基于连续波的雷达系统虽然能确定目标速度，但由于缺乏定时基准，无法获取目标距离信息。
频率调制连续波信号本质上是一个频率变化的波形。与连续波信号相比，利用频率调制连续波信号的雷达系统可以确定目标的速度和距离。
脉冲射频信号
脉冲射频信号是雷达应用中较为常见的信号形式，脉冲射频信号可以描述为周期性的射频能量爆发，因为信号是在一段时间内“打开”，然后在另一段时间内“关闭”。
图 2 为理想脉冲，图 3 为理想脉冲射频信号。脉冲有许多特性定义，如峰值功率、平均功率、脉冲重复频率、脉冲重复间隔、脉冲宽度、占空比、上升时间和下降时间。这些脉冲特性对雷达系统本身的性能非常重要。
2、理想脉冲
3、脉冲调制射频信号是雷达应用中常用的一种信号
脉冲重复频率是产生脉冲的速率。与它成反比的脉冲重复间隔可以描述为脉冲之间的时间间隔。雷达参数的最大明确范围也非常重要，它由脉冲重复间隔确定。最大明确范围可以定义为脉冲到达目标的最大距离，以便在发送下一个脉冲之前接收到回波。位于该距离之外的目标可能导致模糊的回波响应，因为在先前发送的脉冲被反射回接收器之前，会先发送新的脉冲。因此，增加脉冲重复间隔会增加明确的范围，其数学定义如下：
C=光速
分辨率是雷达的另一个重要参数。分辨率决定了雷达系统能在多大程度上区分两个不同的目标。换句话说，两个彼此接近的目标可能与雷达系统有一定距离，一个具有足够分辨率的雷达系统将能够区分两个目标。但是，如果分辨率不够，雷达系统只能看到一个错误目标，而不能正确看到两个独立的目标。
减小发射信号的脉冲宽度可以提高雷达系统的分辨率。然而，减小脉冲宽度也会对可传输的功率量产生限制，从而限制雷达系统的范围。通过增加发射信号的脉冲宽度，可以实现较长的距离。短脉冲允许更好的分辨率，而长脉冲允许更长的范围，因此，雷达性能方面的权衡非常重要。
脉冲压缩
采用不同的调制技术可以实现脉冲压缩，它是一种可以用来克服距离和分辨率之间的权衡技术。脉冲压缩使长脉冲能够传输，然后在接收端进行压缩，从而使雷达系统同时实现远程和高分辨率。
单脉冲压缩技术基于线性频率调制（图 4）。使用这种技术，脉冲从某个射频载波频率开始，在整个脉冲持续时间内线性增加频率，接收端的匹配滤波负责压缩接收到的信号。线性调频脉冲也称为调频啁啾。此外，另一种脉冲压缩技术是基于非线性调频。
4、脉冲压缩的线性调频方法
脉冲压缩也可以基于相位调制。其中一种技术采用二进制相移键控调制，使用巴克码序列。这种方法用于产生可压缩脉冲。
天线和相控阵系统
雷达系统中还有一个方面没有详细讨论，那就是天线。适当的天线性能对任何雷达系统都至关重要。前面介绍的雷达方程显示了雷达系统的性能是如何取决于天线增益的。天线增益越大，雷达系统的射程就越远。此外，缩小天线的波束宽度也会增加其增益。
在雷达应用中，天线波束通常是动态控制的，以覆盖整个感兴趣的区域。使用这种动态波束控制是因为静态波束不具备覆盖整个区域的能力。传统上，可控光束通过机械定位系统完成。然而，现代雷达系统通常利用相控阵天线系统来控制电子波束。
相控阵天线系统可定义为天线阵列或辐射元件（图 5）。这些元件可以在矩形网格中相邻放置，最简单的情况下甚至仅在一条直线上。根据施加到各个天线元件的信号相位，独立的天线束会有建设性和破坏性地相互干扰，因此，天线波束可以组合成一个特定方向的窄波束，而在其他方向发生抵消。波束的方向可以通过调整应用于天线元件的信号相位来改变。
5、相控阵天线系统的简化框图
相控阵系统可以改变波束方向，而无需物理移动天线。此外，这些系统可以有数百甚至数千个单独的天线元件组成。与机械系统相比，相控阵系统具有几个优点。首先，它们更快，此外，相控阵系统消除了机械故障的可能性。
雷达测试仪器
雷达系统测试可以通过各种测试仪器进行信号生成和分析。随着雷达系统变得越来越复杂，现代测试仪器的功能也能满足这些需求。可用于生成和分析雷达信号的不同类型的仪器包括矢量信号发生器、任意波形发生器、示波器、功率表、频谱分析仪和矢量信号分析仪。
雷达信号产生
产生雷达信号可以通过几种不同的方法来实现。在雷达测试方面，垂直地面雷达无疑是一种重要的仪器。它们可以产生调制信号，例如雷达应用中使用的脉冲射频信号。
AWG 也是雷达信号产生的重要测试仪器。传统的雷达信号产生方法是利用 AWG 产生基带信号，然后将其应用于射频调制器。该方法产生的调制信号可用于雷达测试环境。然而，更新的 AWG 可以直接生成用于雷达测试的射频信号。
频谱分析仪和矢量信号分析仪
频谱分析仪用于分析频域中的脉冲射频信号。图 6 是脉冲射频信号频谱分析仪示意图，光谱分量之间的距离由脉冲重复频率决定。主瓣和旁瓣的宽度与脉冲宽度有关。当使用频谱分析仪测量脉冲射频信号时，分辨率带宽必须低于脉冲重复频率，以便区分每个频谱分量。
6、脉冲射频信号频谱分析仪示意图
VSA 提供了频谱分析仪以外的测量功能，因为它们可以捕获信号的幅度和相位信息。除频域分析外，还可以在时域和调制域中显示测量结果，对于分析当今复杂的脉冲雷达信号也非常有效。
功率计
功率计是另一种可以用来测量雷达信号的仪器。平均功率计可以测量脉冲射频信号的平均功率。如果已知占空比，也可以确定峰值功率。但是，任何脉冲异常都会导致测量结果不准确，只有理想脉冲才能进行精确测量。因此，平均功率计并非是用于测量脉冲射频信号峰值功率的最佳仪器。
峰值功率计可直接测量脉冲射频信号的峰值功率电平。峰值功率计通常具有跟踪显示功能，使人们可以看到脉冲射频信号的包络。视频带宽也是一个重要参数，它必须足够精确地跟踪脉冲射频信号的包络。
示波器
示波器测量可以追溯到早期的雷达脉冲，今天的一些示波器提供了毫米波频率的测量能力。最后，虽然 VSA 和示波器都具有许多相同的测量功能，但在每个测量能力方面也存在权衡。
与非网编译内容，未经许可，不得转载！
下载ECAD模型
