【導讀】如【一個(gè)小知識】雷達—科技圈的低調王者，你真的懂？（上）所述，雷達神通廣大，無(wú)處不在地改變著(zhù)我們的生活體驗，但萬(wàn)變不離其宗。雷達令人眼花繚亂的應用場(chǎng)景，不外乎都基于它的三大應用原理：測距、測角和測速。
那么，雷達的測距、測角和測速又是怎么回事？看完此文保證你秒懂！
雷達測距
根據雷達原理，被測目標會(huì )把接收到的電磁波反射回雷達，不過(guò)反射回來(lái)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(mén)，但裹著(zhù)滿(mǎn)身泥巴回家，父母就會(huì )判斷我們在地上打滾了，如果回家時(shí)間太晚，那就很可能是跑到更遠的隔壁村了。同樣的，通過(guò)對比原始的雷達發(fā)射脈沖和回波脈沖之間的延遲時(shí)間(小孩出門(mén)時(shí)間)，就可以用來(lái)估算目標與雷達站點(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)習乘法時(shí)，就已經(jīng)有類(lèi)似的應用題，距離=速度*時(shí)間。只是說(shuō)，雷達脈沖所走的路程，是雷達站和目標之間的一個(gè)來(lái)回，因此距離的計算公式，就變成了圖片。怎么樣，連小學(xué)生都聽(tīng)得懂吧？
圖1 雷達測距原理
雷達測角
哪怕是千年古樹(shù)，樹(shù)冠雖大，但樹(shù)干永遠是最初的基礎與成長(cháng)的源頭。不管通過(guò)雷達測距，雖然能夠得到目標和雷達站之間的距離，但是如果不通過(guò)測角來(lái)確定出具體方位，目標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(wú)數個(gè)影分身迷惑住雷達站。對待這種難纏的敵人，就是時(shí)刻去琢磨他!分析他!研究他!最終找到突破點(diǎn)，從而一戰勝之。
事實(shí)上，不論是雷達回波，還是什么奇奇怪怪的電磁波，無(wú)非都是從三個(gè)方向去剖析它，分別是幅度、頻率和相位。而雷達測角功能，就可以通過(guò)相位，或者幅度的信息量來(lái)獲得。未來(lái)雷達如何發(fā)展，掌握其原理，才握住了其命脈。
振幅法測角
振幅法主打的就是簡(jiǎn)單粗暴。雷達站將會(huì )在一定的扇形范圍內，或者直接360°范圍內重拳出擊。只有當雷達波束打到真正的目標上，才會(huì )有回波返回到雷達站，雷達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，就是目標的所在方向!
圖2 振幅法測角原理
相位法測角
相位法利用多個(gè)天線(xiàn)所接收回波信號之間的相位差來(lái)進(jìn)行測角。
圖3 相位法測角原理
舉個(gè)栗子，兩個(gè)天線(xiàn)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(guò)，相位=頻率*時(shí)間，因此
也就是說(shuō)，只要通過(guò)一個(gè)相位計，測出兩個(gè)接收天線(xiàn)間的相位差，目標方向的角度 ? 就呼之欲出了!
相比起來(lái)，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，比如雷達發(fā)送兩個(gè)相鄰脈沖時(shí)，肯定是有一定轉角的，這樣就會(huì )存在一定的“量化測角誤差”，更嚴重的是，如果轉角過(guò)大，目標偏離波束軸線(xiàn)太遠，有可能直接就漏掉目標了。
雷達測速
得到目標距離和方位的“小雷達們”不禁沾沾自喜，“目標位置已鎖定，隨時(shí)準備全軍出 擊!” 殊不知，萬(wàn)事萬(wàn)物都是在時(shí)刻變化的。等到大軍到達之前鎖定好的戰場(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)刻把握敵軍的運動(dòng)情況(測速)，并推演出下一時(shí)刻目標出現的位置，才是制勝的寶典。
多普勒效應
雖然連續波雷達實(shí)際中并不常用，但還是可以從最簡(jiǎn)單的連續波雷達來(lái)引入這個(gè)話(huà)題。假如連續波雷達信號的的角頻率為W0，當目標和雷達之間存在相對運動(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 為目標相對雷達的徑向運動(dòng)速度。因此，雷達回波的時(shí)延
，那么回波信號相比起發(fā)射信號來(lái)說(shuō)，相位差為
，如果把該相位差再對時(shí)間求導，就得到了一個(gè)頻率差
，也就是說(shuō)，目標和雷達之間的相對運動(dòng)速度，和發(fā)射波與回波間頻率差，存在著(zhù)正比關(guān)系。如果雷達站和目標之間有相向運動(dòng)時(shí)，接收者在單位時(shí)間內收到的振蕩數目要比它們不動(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。
典型雷達測速場(chǎng)景
在實(shí)際應用中，脈沖雷達才是雷達工作的主要方式，而脈沖對應的頻譜是在頻譜上無(wú)線(xiàn)寬的一個(gè) sinc 函數。
圖4 脈沖信號時(shí)域圖
圖5 脈沖信號頻域圖
要像單一頻率的連續波那樣，直接測量 sinc 函數的頻偏，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(guò)去!
圖6 脈沖雷達測速原理框圖
接收機會(huì )將連續波信號 uk 和回波信號 ur 做一個(gè)簡(jiǎn)單的加法運算，然后再求出這個(gè)和信號相干檢波后的包絡(luò )
。
相干檢波
這里需要額外提一句相干檢波，它是會(huì )根據載波的相位信息去檢測并接收信號。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(lái)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 是連續振蕩的基準電壓經(jīng)過(guò)檢波后的輸出，它是一直存在的，而
則表示回波和基準電壓做相干檢波后，疊加上去的信號分量，并且它只存于回波信號到來(lái)的期間。
假如是一個(gè)固定不動(dòng)的目標，收到的回波和發(fā)射波之間的相位差
必然是一個(gè)常數。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，對于運動(dòng)的目標而言，回波相對于發(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包絡(luò )為
其中，多普勒頻移
，即
。
呀!這不就和連續波雷達求得的多普勒頻率公式一樣了嘛，多普勒頻率和目標的徑向運動(dòng)速度成正比關(guān)系!只是說(shuō)脈沖雷達的多普勒頻率剛好就是回波脈沖的包絡(luò )調制頻率，這相當于是連續波雷達工作的一個(gè)取樣狀態(tài)。
看到這里，必須為你撒花！鼓掌！點(diǎn)贊！雖然這一章節有一丟丟的燒腦，但是我相信，雷達測距、測角和測速的原理你已經(jīng)了然于胸了！
下篇文章，我們會(huì )為大家介紹雷達工程師的好隊友——那些優(yōu)秀的測試設備，是如何為雷達的應用加速助威的，敬請期待！
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