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使用多年的雷達(dá)技術(shù)仍是當(dāng)今軍隊(duì)的關(guān)鍵戰(zhàn)術(shù)。那雷達(dá)技術(shù)的基本原理是什么？本文就帶你從入門開始了解雷達(dá)。
雷達(dá)是無(wú)線電探測(cè)和測(cè)距的統(tǒng)稱，其歷史可以追溯到 20 世紀(jì)早期。它最初是為軍事服務(wù)開發(fā)的，后來(lái)在第二次世界大戰(zhàn)中被用于戰(zhàn)爭(zhēng)。自早期以來(lái)，雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)發(fā)生了巨大的變化。如今，雷達(dá)不僅應(yīng)用于軍事，還有許多民用用途。
像上面所說(shuō)的，雷達(dá)技術(shù)最初是為軍事目的而開發(fā)的。今天，陸地、空中和海上的軍事應(yīng)用都依賴于雷達(dá)，因此軍事服務(wù)仍是它的主要應(yīng)用領(lǐng)域。其中包括威脅探測(cè)，導(dǎo)彈制導(dǎo)，空中和海上導(dǎo)航等。
盡管雷達(dá)技術(shù)隨著時(shí)間的推移而改變，但其總體概念仍保持不變。典型的雷達(dá)系統(tǒng)由發(fā)射器和接收器組成。發(fā)射器的作用是向目標(biāo)物體方向發(fā)射信號(hào)，該目標(biāo)可以在離發(fā)射器很遠(yuǎn)的位置。因此這個(gè)信號(hào)必須足夠強(qiáng)，以到達(dá)預(yù)定目標(biāo)的位置。
當(dāng)發(fā)射信號(hào)到達(dá)目標(biāo)時(shí)，部分信號(hào)被反射，然后被雷達(dá)接收器檢測(cè)到，這種反射信號(hào)也稱為回波。為了成功探測(cè)遠(yuǎn)程目標(biāo)，雷達(dá)接收器必須高度靈敏。一旦接收器檢測(cè)到反射信號(hào)，就可以獲得關(guān)于目標(biāo)的各種類型的信息。這些信息包括目標(biāo)的大小、距離、位置和速度。圖 1 為一個(gè)基本的雷達(dá)系統(tǒng)。
1、典型雷達(dá)系統(tǒng)運(yùn)行情況
雷達(dá)也在不同的頻段上工作。下表列出了不同的雷達(dá)頻段。
雷達(dá)方程
接收器輸入端的檢測(cè)信號(hào)明顯弱于發(fā)送信號(hào)。該接收信號(hào)的功率級(jí)由幾個(gè)因素決定，可以通過(guò)以下方程（也稱為雷達(dá)方程）進(jìn)行數(shù)學(xué)定義：
?
pt=傳輸功率
G=天線增益
λ=發(fā)射信號(hào)的波長(zhǎng)
σ=雷達(dá)截面
R=天線與目標(biāo)之間的距離（距離）
該方程表明發(fā)射和接收天線是相同的，通常被稱為單基地雷達(dá)系統(tǒng)。雙基地雷達(dá)系統(tǒng)使用獨(dú)立的天線進(jìn)行發(fā)射和接收。
當(dāng)發(fā)射信號(hào)擊中目標(biāo)時(shí)，能量被分散到各個(gè)方向，部分能量重新折回雷達(dá)系統(tǒng)。雷達(dá)散射截面（RCS）是一個(gè)重要的雷達(dá)參數(shù)，它決定了目標(biāo)反射能量的大小。RCS 的單位是 m2。
因此，雷達(dá)接收器必須非常靈敏，以便能夠檢測(cè)遠(yuǎn)距離目標(biāo)反射的信號(hào)。由于所有接收器都會(huì)產(chǎn)生一定量的噪聲，當(dāng)信號(hào)通過(guò)接收器時(shí)，信噪比會(huì)降低。成功檢測(cè)反射信號(hào)需要使接收器輸出最小信噪比。
最小信噪比對(duì)應(yīng)信號(hào)的最小功率級(jí)，該信號(hào)可應(yīng)用于接收器的輸入以進(jìn)行適當(dāng)?shù)臋z測(cè)。如果已知最小功率級(jí)，就可以重新排列雷達(dá)方程，以確定雷達(dá)系統(tǒng)的最大射程。該方程式如下：
PEmin =接收器輸入端的最小功率電平
應(yīng)說(shuō)明的是，圖中所示的最大目標(biāo)距離方程用簡(jiǎn)化術(shù)語(yǔ)描述了雷達(dá)性能。而傳播效果等其他因素也會(huì)影響性能。
確定范圍和徑向速度
范圍由發(fā)射信號(hào)傳播到目標(biāo)再返回接收器所需要的時(shí)間來(lái)確定。目標(biāo)的徑向速度與多普勒頻移有關(guān)。從本質(zhì)上說(shuō)，移動(dòng)目標(biāo)所產(chǎn)生的返回信號(hào)頻率與發(fā)送信號(hào)頻率不同。該頻率稱為多普勒頻率(fd)，可以通過(guò)以下方程來(lái)定義：
v=目標(biāo)的徑向速度
fo=發(fā)送信號(hào)的頻率
C=光速
正多普勒頻率表示接近雷達(dá)系統(tǒng)目標(biāo)，負(fù)多普勒頻率表示遠(yuǎn)離目標(biāo)。因此，當(dāng)目標(biāo)接近雷達(dá)系統(tǒng)時(shí)，接收信號(hào)的頻率等于發(fā)射信號(hào)的頻率加上多普勒頻率。當(dāng)目標(biāo)遠(yuǎn)離雷達(dá)時(shí)，接收信號(hào)的頻率等于發(fā)射信號(hào)的頻率減去多普勒頻率。
連續(xù)波雷達(dá)信號(hào)
發(fā)射連續(xù)波信號(hào)的雷達(dá)系統(tǒng)可以確定目標(biāo)速度，速度是由多普勒頻率決定的，基于連續(xù)波的雷達(dá)系統(tǒng)雖然能確定目標(biāo)速度，但由于缺乏定時(shí)基準(zhǔn)，無(wú)法獲取目標(biāo)距離信息。
頻率調(diào)制連續(xù)波信號(hào)本質(zhì)上是一個(gè)頻率變化的波形。與連續(xù)波信號(hào)相比，利用頻率調(diào)制連續(xù)波信號(hào)的雷達(dá)系統(tǒng)可以確定目標(biāo)的速度和距離。
脈沖射頻信號(hào)
脈沖射頻信號(hào)是雷達(dá)應(yīng)用中較為常見的信號(hào)形式，脈沖射頻信號(hào)可以描述為周期性的射頻能量爆發(fā)，因?yàn)樾盘?hào)是在一段時(shí)間內(nèi)“打開”，然后在另一段時(shí)間內(nèi)“關(guān)閉”。
圖 2 為理想脈沖，圖 3 為理想脈沖射頻信號(hào)。脈沖有許多特性定義，如峰值功率、平均功率、脈沖重復(fù)頻率、脈沖重復(fù)間隔、脈沖寬度、占空比、上升時(shí)間和下降時(shí)間。這些脈沖特性對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)本身的性能非常重要。
2、理想脈沖
3、脈沖調(diào)制射頻信號(hào)是雷達(dá)應(yīng)用中常用的一種信號(hào)
脈沖重復(fù)頻率是產(chǎn)生脈沖的速率。與它成反比的脈沖重復(fù)間隔可以描述為脈沖之間的時(shí)間間隔。雷達(dá)參數(shù)的最大明確范圍也非常重要，它由脈沖重復(fù)間隔確定。最大明確范圍可以定義為脈沖到達(dá)目標(biāo)的最大距離，以便在發(fā)送下一個(gè)脈沖之前接收到回波。位于該距離之外的目標(biāo)可能導(dǎo)致模糊的回波響應(yīng)，因?yàn)樵谙惹鞍l(fā)送的脈沖被反射回接收器之前，會(huì)先發(fā)送新的脈沖。因此，增加脈沖重復(fù)間隔會(huì)增加明確的范圍，其數(shù)學(xué)定義如下：
C=光速
分辨率是雷達(dá)的另一個(gè)重要參數(shù)。分辨率決定了雷達(dá)系統(tǒng)能在多大程度上區(qū)分兩個(gè)不同的目標(biāo)。換句話說(shuō)，兩個(gè)彼此接近的目標(biāo)可能與雷達(dá)系統(tǒng)有一定距離，一個(gè)具有足夠分辨率的雷達(dá)系統(tǒng)將能夠區(qū)分兩個(gè)目標(biāo)。但是，如果分辨率不夠，雷達(dá)系統(tǒng)只能看到一個(gè)錯(cuò)誤目標(biāo)，而不能正確看到兩個(gè)獨(dú)立的目標(biāo)。
減小發(fā)射信號(hào)的脈沖寬度可以提高雷達(dá)系統(tǒng)的分辨率。然而，減小脈沖寬度也會(huì)對(duì)可傳輸?shù)墓β柿慨a(chǎn)生限制，從而限制雷達(dá)系統(tǒng)的范圍。通過(guò)增加發(fā)射信號(hào)的脈沖寬度，可以實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)的距離。短脈沖允許更好的分辨率，而長(zhǎng)脈沖允許更長(zhǎng)的范圍，因此，雷達(dá)性能方面的權(quán)衡非常重要。
脈沖壓縮
采用不同的調(diào)制技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)脈沖壓縮，它是一種可以用來(lái)克服距離和分辨率之間的權(quán)衡技術(shù)。脈沖壓縮使長(zhǎng)脈沖能夠傳輸，然后在接收端進(jìn)行壓縮，從而使雷達(dá)系統(tǒng)同時(shí)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程和高分辨率。
單脈沖壓縮技術(shù)基于線性頻率調(diào)制（圖 4）。使用這種技術(shù)，脈沖從某個(gè)射頻載波頻率開始，在整個(gè)脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)線性增加頻率，接收端的匹配濾波負(fù)責(zé)壓縮接收到的信號(hào)。線性調(diào)頻脈沖也稱為調(diào)頻啁啾。此外，另一種脈沖壓縮技術(shù)是基于非線性調(diào)頻。
4、脈沖壓縮的線性調(diào)頻方法
脈沖壓縮也可以基于相位調(diào)制。其中一種技術(shù)采用二進(jìn)制相移鍵控調(diào)制，使用巴克碼序列。這種方法用于產(chǎn)生可壓縮脈沖。
天線和相控陣系統(tǒng)
雷達(dá)系統(tǒng)中還有一個(gè)方面沒(méi)有詳細(xì)討論，那就是天線。適當(dāng)?shù)奶炀€性能對(duì)任何雷達(dá)系統(tǒng)都至關(guān)重要。前面介紹的雷達(dá)方程顯示了雷達(dá)系統(tǒng)的性能是如何取決于天線增益的。天線增益越大，雷達(dá)系統(tǒng)的射程就越遠(yuǎn)。此外，縮小天線的波束寬度也會(huì)增加其增益。
在雷達(dá)應(yīng)用中，天線波束通常是動(dòng)態(tài)控制的，以覆蓋整個(gè)感興趣的區(qū)域。使用這種動(dòng)態(tài)波束控制是因?yàn)殪o態(tài)波束不具備覆蓋整個(gè)區(qū)域的能力。傳統(tǒng)上，可控光束通過(guò)機(jī)械定位系統(tǒng)完成。然而，現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)通常利用相控陣天線系統(tǒng)來(lái)控制電子波束。
相控陣天線系統(tǒng)可定義為天線陣列或輻射元件（圖 5）。這些元件可以在矩形網(wǎng)格中相鄰放置，最簡(jiǎn)單的情況下甚至僅在一條直線上。根據(jù)施加到各個(gè)天線元件的信號(hào)相位，獨(dú)立的天線束會(huì)有建設(shè)性和破壞性地相互干擾，因此，天線波束可以組合成一個(gè)特定方向的窄波束，而在其他方向發(fā)生抵消。波束的方向可以通過(guò)調(diào)整應(yīng)用于天線元件的信號(hào)相位來(lái)改變。
5、相控陣天線系統(tǒng)的簡(jiǎn)化框圖
相控陣系統(tǒng)可以改變波束方向，而無(wú)需物理移動(dòng)天線。此外，這些系統(tǒng)可以有數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)單獨(dú)的天線元件組成。與機(jī)械系統(tǒng)相比，相控陣系統(tǒng)具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。首先，它們更快，此外，相控陣系統(tǒng)消除了機(jī)械故障的可能性。
雷達(dá)測(cè)試儀器
雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)試可以通過(guò)各種測(cè)試儀器進(jìn)行信號(hào)生成和分析。隨著雷達(dá)系統(tǒng)變得越來(lái)越復(fù)雜，現(xiàn)代測(cè)試儀器的功能也能滿足這些需求?？捎糜谏珊头治隼走_(dá)信號(hào)的不同類型的儀器包括矢量信號(hào)發(fā)生器、任意波形發(fā)生器、示波器、功率表、頻譜分析儀和矢量信號(hào)分析儀。
雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生
產(chǎn)生雷達(dá)信號(hào)可以通過(guò)幾種不同的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。在雷達(dá)測(cè)試方面，垂直地面雷達(dá)無(wú)疑是一種重要的儀器。它們可以產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)，例如雷達(dá)應(yīng)用中使用的脈沖射頻信號(hào)。
AWG 也是雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生的重要測(cè)試儀器。傳統(tǒng)的雷達(dá)信號(hào)產(chǎn)生方法是利用 AWG 產(chǎn)生基帶信號(hào)，然后將其應(yīng)用于射頻調(diào)制器。該方法產(chǎn)生的調(diào)制信號(hào)可用于雷達(dá)測(cè)試環(huán)境。然而，更新的 AWG 可以直接生成用于雷達(dá)測(cè)試的射頻信號(hào)。
頻譜分析儀和矢量信號(hào)分析儀
頻譜分析儀用于分析頻域中的脈沖射頻信號(hào)。圖 6 是脈沖射頻信號(hào)頻譜分析儀示意圖，光譜分量之間的距離由脈沖重復(fù)頻率決定。主瓣和旁瓣的寬度與脈沖寬度有關(guān)。當(dāng)使用頻譜分析儀測(cè)量脈沖射頻信號(hào)時(shí)，分辨率帶寬必須低于脈沖重復(fù)頻率，以便區(qū)分每個(gè)頻譜分量。
6、脈沖射頻信號(hào)頻譜分析儀示意圖
VSA 提供了頻譜分析儀以外的測(cè)量功能，因?yàn)樗鼈兛梢圆东@信號(hào)的幅度和相位信息。除頻域分析外，還可以在時(shí)域和調(diào)制域中顯示測(cè)量結(jié)果，對(duì)于分析當(dāng)今復(fù)雜的脈沖雷達(dá)信號(hào)也非常有效。
功率計(jì)
功率計(jì)是另一種可以用來(lái)測(cè)量雷達(dá)信號(hào)的儀器。平均功率計(jì)可以測(cè)量脈沖射頻信號(hào)的平均功率。如果已知占空比，也可以確定峰值功率。但是，任何脈沖異常都會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確，只有理想脈沖才能進(jìn)行精確測(cè)量。因此，平均功率計(jì)并非是用于測(cè)量脈沖射頻信號(hào)峰值功率的最佳儀器。
峰值功率計(jì)可直接測(cè)量脈沖射頻信號(hào)的峰值功率電平。峰值功率計(jì)通常具有跟蹤顯示功能，使人們可以看到脈沖射頻信號(hào)的包絡(luò)。視頻帶寬也是一個(gè)重要參數(shù)，它必須足夠精確地跟蹤脈沖射頻信號(hào)的包絡(luò)。
示波器
示波器測(cè)量可以追溯到早期的雷達(dá)脈沖，今天的一些示波器提供了毫米波頻率的測(cè)量能力。最后，雖然 VSA 和示波器都具有許多相同的測(cè)量功能，但在每個(gè)測(cè)量能力方面也存在權(quán)衡。
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