雷达基本原理

雷达是英文“RAdio Detection And Ranging”缩写Radar的音译，其含义是无线电（对目标）探测和测距。它的基本功能是利用目标对电磁波的散射来发现目标并确定目标的空间位置。

雷达的基本工作原理很容易理解，但其实施过程却是非常的复杂，涉及电气工程、机械工程、高功率微波传输以及高速信号和数据的处理等。

基础知识

雷达之所以能实现对目标距离等方位信息的探测，与电磁波的传播特性密切相关：

• 电磁波在空间中通常是以恒定的速度沿直线传播的，但会因大气和气候条件的改变而略有不同

• 电磁波在空气中以接近光的速度  传播

• 电磁波的反射现象，当电磁波遇到障碍物会被反射

通过对电磁回波的探测，根据电磁波的性质，对电磁波进行数据处理和分析即可得出所测量目标的方位信息。

雷达基础原理

雷达的工作原理与声波反射原理非常相似。如果我们朝着岩石峡谷或洞穴方向大喊大叫，我们将听到回声。当我们知道空气中的声速，就可以估计物体的距离和大致方向。

雷达以大致相同的方式使用电磁能量脉冲实现对物体方位信息的探测，如下图所示。射频 (RF) 信号传输到反射物体并从反射物体反射。一小部分反射能量返回雷达装置。正如在声音术语中一样，雷达装置也是使用回波来定义反射回来的电磁波。

下图显示了一次雷达的工作原理。雷达天线用微波信号照射目标，然后由接收设备接收目标反射回来的信号。接收天线接收到的电信号称为回波。雷达信号由大功率发射机产生，并由高度灵敏的接收器接收。

信号传输路径

• 脉冲雷达发射机产生短时高功率射频脉冲

• 收发开关在发射机和接收机之间交替切换天线，因此只需要使用一根天线就可以完成发射和接收。这种切换是必要的，因为如果发射机发射的能量进入接收机，发射机的高功率脉冲会损坏接收机

• 发射的脉冲由天线以电磁波的形式辐射到空间中，该波以恒定速度沿直线传播并被目标反射

• 天线接收目标后向散射回波信号（所有被雷达照射的目标都会产生漫反射，即它会在许多方向上反射。反射信号也称为散射，后向散射是指与入射信号方向相反的反射）

• 在接收期间，收发开关将微弱的回波信号引导至接收机

• 超灵敏的接收机将放大和解调接收到的射频信号，并将其转换为视频信号输出

• 输出设备将呈现连续、易于理解的目标相对位置的图像

雷达信号可以显示在传统的平面位置指示器(Plan Position Indicator,PPI)或其他更先进的雷达显示系统上。PPI有一个以雷达为原点的旋转矢量，它指示天线的指向方向，从而指示目标的方位。如下图所示，它显示了雷达波束覆盖的区域。

雷达作用时间

雷达的大多数功能都与时间有关。如下图所示，雷达发射的两脉冲之间的时间被称为脉冲重复时间  (pulse repetition time,PRT)，则脉冲重复间隔  (pulse repetition frequ- ency,PRF)为

雷达系统的脉冲重复频率 (PRF) 是雷达每秒发送的脉冲数。脉冲重复频率会影响雷达的最大非模糊距离，即雷达的最大探测距离。

在每个脉冲重复时间(PRT)内，雷达仅发射能量  秒，  称为脉冲宽度。在余下的PRT中接收回波或等待，故雷达发射占空因子  的定义是比值

则雷达平均发射功率为

式中，  表示雷达峰值发射功率。脉冲能量

相干性

如果雷达任意两个发射脉冲的相位是一致的，则称雷达是相干的。也就是说，从一个脉冲到下一个脉冲，信号的相位是连续的，如下图所示。

参见下图，如果雷达发射的脉冲串能够在一个脉冲末端的等相位波前和下一个脉冲前端的等相位波前之间保持整数个波长，那么就称该雷达具有相干性。使用稳定本机振荡器(STALO)可以获得相干性。

相干性也指的是雷达精确测量（提取）接收信号相位的能力。由于多普勒表示接收信号中的频移，那么只有相干的或接收相干的雷达才能提取多普勒信息。这是因为信号的瞬时频率正比于信号相位的时间导数。更准确说

式中，  是瞬时频率，  是信号相位。