雷达原理学习心得

雷达原理学习心得

在学雷达原理这门课之前，我对于雷达的认识仅仅只有一个方面，雷达是一个仿生发明，它的作用原理与蝙蝠相似：发射一定频率的波，波与障碍物相作用产生回波并被接受，这个回波带有目标的信息，通过后期的处理，就能了解前方有无障碍物，依此来做出应答。蝙蝠发出超声波来探测障碍物，而雷达则采用电磁波进行探测。学了雷达原理这门课之后，初步了解到了雷达主要由天线、发射机、接收机、信号处理器以及终端设备组成；雷达可以对目标的距离、方位、速度进行测量等。下面将从雷达的基本原理与应用、雷达信号的发射和接收、雷达的作用距离、雷达对于目标的测量以及个人的感悟五个方面来阐述。

雷达的基本原理与应用

雷达，英文名Radar,是英文“无线电探测和测距”的缩写。雷达的作用方式是利用电磁波发现并且测量目标。
而目标的信息怎么获得？回波信号的振幅、相位、频率、以及收发时延都包含了一定的目标信息，经过处理能提取出这些信号，与目标的位置、方位、速度、甚至形状联系起来。
回波信号怎么来的？是雷达发射的信号，遇到目标后，被反射回来的。那信号是如何产生，又是如何接收呢？由发射机产生信号，通过天线辐散到介质当中；当有回波信号传至天线处，接收机将回波信号接收、传输，为后期信号处理做准备。
雷达差生的不同信号对应不同的波段，不同的频段有不同的应用。军用或者民用等。

雷达信号的发射与接收

雷达通过发射机将信号调制到载波上，进行上变频，便于信号的辐射；通过接收机将信号包络解调出来，进行下变频，便于信号的读取。信号的发射就像把货装到船上运输，信号的接收就像从船上卸货。
雷达信号的发射是依靠雷达发射机来进行的，它为雷达提供一个载波受到调制的大功率射频信号，然后经过馈线和收发开关辐射到介质中。雷达发射机的优劣主要由以下几点评判：工作的频段或者波段、输出功率、总效率、信号的调制方式、输出信号的稳定度或者频谱纯度。发射机分为单极振荡式和主振放大式。
单极振荡式所提供的射频信号一级大功率振荡器在脉冲调制器的控制之下产生的。优点是结构比较简单，经济和轻便，但是它无法产生复杂的波形，产生的脉冲之间相位互不联系，不适用于现代的很多雷达。
主振放大式的结构比前者复杂，主要由个部分组成：一是主控振荡器，用来产生射频信号；二是射频放大链，由中间射频功率放大器和输出功率放大器组成，用来提高信号的功率电平。主振放大式发射机的优点主要有四点：具有很高的频率稳定度、发射的信号相位相参、适用于捷变频的雷达、能够产生复杂波形。
随着微波半导体大功率器件的发展，固态收发模块或者固态发射机渐渐发展起来，它采用微波半导体来代替微波电子管，优点显著：不需要阴极加热，寿命长；可靠性高；体积小、重量轻；工作频带宽，效率高；系统设计和运用灵活；成本较低，易于维护。但是由于它的平均功率较大，而且信号峰值受限，所以更适合高工作比的雷达和连续波雷达系统。而另一个新发展是MMIC，微波单片集成电路，优点主要有以下几个方面：成本低；可靠性高；电路一致性好，因而成品率高；尺寸小，重量轻。MMIC在相控阵雷达中的运用已经达到实用阶段。
信号的接收是通过雷达接收机来完成的。接收机的任务是实现对已调制的波进行包络检波，把需要的信号基波信号给解调出来。常见的接收机是超外差式雷达接收机。而其中主要的部件是混频器，它负责将高频回波信号降为中频，送入匹配滤波器之后使信号获得最大的输出信噪比，最后经过检波器和视频放大之后送至终端处理设备。而混频时一般需要进行多次混频，这是因为直接通过单次混频所得到的信号相对带宽过小，不能把所需要的信号分辨出来，所以需要多次进行多阶混频来对扩大所得到的一系列的信号的相对带宽。接收机的指标参数为：灵敏度，指接收机接收微弱信号的能力；工作频带宽度，指接收机的瞬时工作频率范围；动态范围，指接收机刚好达到饱和时的输入功率和最小可检测功率之比，为了让雷达接收机不在饱和状态下工作，需要使用TR管和铁氧体二级管进行限幅来保护接收机；中频的选择和滤波特性；工作稳定性和频率稳定度；抗干扰能力；微电子化和模块化结构，这种结构的减少体积和质量，降低成本。
接收机的噪声来源分为两种，一是内部噪声，主要由接收机的内部馈线以及各种电子部件产生。接收机的内部噪声在时间上是连续的，振幅和相位却是随机的，所以内部噪声又被称为“起伏噪声”；二是外部噪声，由各种人为干扰、宇宙干扰、天线热噪声引起，其中以天线热噪声的影响最大。下面分别介绍电阻热噪声、额定噪声功率以及天线噪声。
电阻热噪声是基本本底噪声，由导体内部电子无规律的热运动引起，是一种起伏噪声，属于内部噪声。导体内部电子的运动会产生起伏噪声电流，可以用它所对应的起伏噪声电压的均方值来衡量：
〖u_n〗^2=4kTRB_n
T是电阻温度；R是电阻阻值；B_n 是测试设备的通带；k是玻尔兹曼常数。表明电阻热噪声的大小于电阻阻值、温度、以及设备的通带成正比。另外，电阻热噪声的功率谱密度函数：
p(f)=4kTR
与频率无关，在温度和阻值确定的情况下，是一个常数，所以它又是白噪声。
额定噪声功率，定义了一定条件下无源二端口网络的噪声源输出的最大噪声功率，以N_0表示，由下式给出：
N_0=(u ̅_n^2)/4R=〖kTB〗_n
即无源二端口网络的额定噪声功率只与温度和通带有关。
天线噪声是典型的外部噪声，它的大小用T_A表示。由下式可以求出：
u ̅_nA^2=4kT_A R_A B_n
R_A是天线的等效电阻。但是大多数情况下需要考虑地面噪声影响，所以在实际情况下必须要对天线热噪声进行修正。
噪声总是伴随着信号的出现而出现。信号与噪声的功率比值简称为信噪比。由于接收机内部噪声的影响，信号的信噪比会变差。定义接收机输入端信号信噪比与输出端信号信噪比的比值为噪声系数。其物理意义是：由于接收机内部噪声的影响，使接收机输出端的信号相对于输入端信号信噪比变差的倍数。所以噪声系数总是大于1。当存在级联电路时，第一级的噪声系数在总的噪声系数里占最大比重，为了保持信噪比，第一级采用低噪放，而后面的采用功放。当在白噪声背景中检测信号时，匹配滤波的方法可以让输出信噪比在某个时刻达到最大。匹配滤波器可以实现这一个功能。它采用一个与输入信号频谱共轭的传递函数使输入信号相位归零，但又可以保持信号形状不变。
为了防止信号过载，利用增益控制电路改善动态范围。自动增益控制（AGC）是常用的一种方法，它采用负反馈的方式控制增益，使动态范围与接收机接收的信号相适应。

雷达的作用距离

雷达的任务是对目标进行探测并且得知目标的参数，距离参数尤其重要。雷达的作用距离由雷达方程：
P_r=(P_t G^2 λ^2 σ)/(〖(4π)〗^3 R^4 )
P_r是接收的回波功率；P_t是雷达的发射功率；G是天线的增益；λ是电磁波的波长；σ表示反射截面积，接下来会作介绍；R为当前接收功率下所对应的作用距离。
由雷达方程可知，一定的回波功率反应了一定的作用距离，但是由于灵敏度的限制，当回波功率等于灵敏度时，解算出来的作用距离即为雷达的最远作用距离。雷达方程虽然给出了各个参数之间的定量关系，但是它没有考虑现实中的损耗和环境的因素，并且
由于目标的未知性，反射截面积也是一个未知量。所以雷达的作用距离方程具有统计特性，在运用时，需要知道相应的概率。
概率问题牵扯到门限检测，门限检测过程中有几种重要的概率。漏警概率，即有目标判为没有目标；虚警概率，即没有目标判为有目标；这两个概率的和为误警概率。正确发现概率，即为有目标判为有目标；正确不发现概率，即为没有目标，判为没有目标；这两个概率之和为检测概率。
目标的雷达反射截面积（RCS）定义为：当目标受到雷达信号的照射后，所散射出来的总功率与入射时的功率密度的比值，反映了目标反射雷达信号的能力。目标的形状、信号的波长等都是影响RCS的因素。对于球形目标，在确定的尺寸下，波长的不同将RCS划分为三个区域：
2πr≪λ时，称为瑞利区，此时截面积与λ^(-4)成正比；
2πr=λ时，称为振荡区，此时截面积在极限值之间振荡；
2πr≫λ，称为光学区，此时截面积等于球体正投影面积〖4πr〗^2。
实际上，大多数的雷达目标都处于光学区。利用RCS可以制作角反射器，常用的有三角反射器，因为它的RCS在一定的角度范围内保持稳定，反射信号能力强，可以用来作为远距离的标校。
现实应用中，RCS存在闪烁问题，这是因为现实之中的目标大都是不规则的，需要将其看成许多规则形状的叠加，总的RCS就是各个部分RCS的矢量和。所以在不同的角度和位置去看同一个目标，所对应的RCS是不同的，回波信号也就相应产生起伏变化，即闪烁。
影响雷达信号的因素分两类，一类是雷达系统本身的影响，包括射频传输损耗、天线波束形状损失、叠加损耗以及设备不完善所造成的损耗。二是环境因素的影响，包括大气的衰减与折射、地球曲率半径引起的雷达直视距离有限、地面或者水面的发射波与直接波作用使天线波束发生变化等。
以上都是讲的一次雷达，即雷达收发互易，作用双程。另一种形式的雷达是二次雷达，它的发射和接受分开，都是单程，相应的雷达作用方程也会发生变化，但是其本质是不变的，不做多的阐述。

雷达对于目标的测量

雷达对目标的测量包括斜距、角度、速度的测量。
距离测量采用脉冲延时测距，发射一个脉冲，记录从发射到接收到脉冲回波的这延时，由延时来确定目标的距离。公式如下：
t_R=2R/c
所以：
R=1/2 t_R
由此看出，延迟时间的精度直接影响到距离精度。对上式求全微分，用增量代替微分得到测距的误差公式：
∆R=R/c ∆c+c/2 ∆t_R
由误差公式得到测距的误差来源于两个方面：一是电波传播速度变化引起的误差，二是回波脉冲的测读方法引起的误差。
如果脉冲重复频率较小，会产生距离的多值问题，即测距模糊。采用用多重复频率判模糊或者舍脉冲法判模糊来解决。
调频连续波也可测距，但回波信号复杂。采用调频连续波测距的雷达为调频连续波雷达，它具有可测近距离、测距精度高、雷达线路简单、体积小、质量轻的优点，但是难以同时测量多个目标，收发隔离完善问题也难以解决。
雷达信号是辐散的，只知道目标的距离无法知道目标的位置，还需要测量目标的方位，即角度信息。
雷达测角的物理基础是电磁波在介质中传播的直线性和雷达天线的方向性。直线性使目标散射或散射点播波前所到达的方向即为目标所在方向；方向性用方向图表示，用半功率波束宽度θ_0.5来代表角度分辨力，直接影响测角的精度，用副瓣电平描述雷达的抗干扰能力。
雷达测角的基本方法是有两种，相位法和幅度法。
对于相位法测角，课堂上学到的是二元干涉仪法测角。如下图所示：

一个发射机发射信号，两个基于一定基线长度布置的接收机来接收信号。由于两个发射机的位置不同，到达两个接收机的回波信号之间会有波程差：
∆R=dsinθ
其中∆R是波程差，d是基线长度，θ是目标的方位角信息。波程差引起相位差，关系如下：
φ=2π/λ dsinθ
其中φ是相位差，λ是信号的波长。利用比相器测出相位差，就可得目标的方位角。
幅度法有最大信号法、比幅法、和差波束法。和差波束由双T头（魔“T”）产生，差波束反应是否对准目标，和波束反应目标是否存在。
进行目标测量时需要进行扫描，扫描方法有机械扫描和电扫描。电扫描是机械扫描的发展，分为相扫、频扫等。
相扫是在采用阵列天线的结构基础下，对相邻的阵元激励电流相继给予一定的相位差，在扫描时，不同阵元角度就不同，则波束方向也不同，来回以达到扫描的效果。需要注意的是，阵元之间的波束会合成窄的波束。阵元基线为波长的一半时，半功率点波束宽度公式为：
θ_0.5=(100°)/N
N是阵元的数目。
频扫是由于工作频率变化引起的波束角度的变化，此时相位并没有变换。频扫和相扫的本质都是由于时延的存在而成立。前两者相对时延扫描而言是窄带扫描，时延扫描是宽带扫描。
测速得原理是多普勒效应。时域上，目标速度与光速不值得一提，速度由以下公式给出：
v=〖Δt〗_0/(2T_0 )
〖Δt〗_0是脉冲延时，T_0是脉冲发射时间间隔。而频域上，多普勒效应测速表现为：
v=f_d/(2f_0 )
f_d是多普勒效应引起的频移，f_0是原始信号频率。需要注意的是，不管是时域测速还是频域测速，所测得的速度一是平均速度，二是径向速度。因为电磁波作用方向确定，而且存在脉冲间隔时间。
脉冲工作模式下，会出现盲速和频闪。盲速是因为采样是间断的，只能知道采样点目标的速度信息，而不知道其它时间的速度信息；频闪是由于检波器输出的频率小于实际的多普勒频移，高速运动目标更容易频闪。解决盲速和频闪的方法是根据香农采样定理来提高采样频率，保证目标速度的单值性。盲速的出现原因和距离模糊类似，解决方法也是采用变重频。
对于多个目标，可以采用对消的方法消去静目标的回波而保留动目标的回波。

个人感悟

学习雷达，学习目标的测量，需要从目标下手，因地制宜。就好像人的感官一样，鼻子用来捕捉缓慢分子的布朗运动，只需要味觉细胞正常运作足以，鼻孔间距最好较小，避免产生混淆；而两个眼睛之间的距离其实没有涉及到基线与波长匹配的问题，其实一只眼睛是由很多的视觉细胞构成的一个阵，阵元也就是视觉细胞之间的基线匹配了光波波长信息，再加上一只眼睛是为了适应三维空间，使视觉更具有立体感；而耳朵之间的距离不太长，但相比于其他感官最长，这其实跟测角是一致的，两个耳朵具有一定的基线能分辨不同方位的声音信号，基线又不太长以免把同一个信号误判为多个信号。
知识多，任重道远；方法多，因地制宜。