雷达导论PART III.1 2020-03-19

这两天石油的价格跌倒了20年来的最低点，美股多次熔断，中国派出了多艘巨轮去沙特抄底，壮哉我大中国！中国作为率先控制住疫情的国家或将迎来机遇期。

今天开始进入新的篇章——第三篇 雷达原理，第三篇的总目录如下，共有11个章节，内容非常丰富。

7. 无线电频率的选择

8. 指向性和天线波束

9. 电子扫描阵列天线

10. 电子扫描阵列设计

11. 脉冲雷达的运转机理

12. 探测范围

13. 雷达方程:它能告诉我们什么，不能告诉我们什么

14. 雷达接收机和数字化

15. 距离测量和距离分辨

16. 脉冲压缩和高分辨率雷达

17. 调频连续波(FMCW)测距

本次更新第7章—雷达频率的选择。照例先上目录，如下图所示。

7. 无线电频率的选择

7.1雷达使用的频率

7.2频段

7.3频率对雷达性能的影响

7.3.1物理尺寸

7.3.2发射功率

7.3.3波束宽度

7.3.4大气衰减

7.3.5穿透树叶的能力

7.3.6频宽比

7.3.7与其他领域的频段共存

7.3.8环境噪音

7.3.9多普勒方面的考虑

7.4选择最佳频率

7.4.1地基应用

7.4.2舰载应用

7.4.3机载应用

7.5总结

这一章专门讲雷达波的频率，可见频率对雷达系统的设计至关重要。可以说是牵一发动全身，影响着雷达系统各方面的性能。雷达的频段在PART II.1那篇文章中首次引出，可以翻回去看下图片。雷达常用频率处于VHF、UHF、微波频段、毫米波段。这里要注意微波和毫米波的英文单词，microwave，millimeter-wave，微波的波长范围其实是包含了所有厘米波段和部分分米波段，并不是微米波段，微波的微是micro，不是micron，差一个字母，谬之千里。micro其实是一种泛指是相对于宏观（macro）而言的，而微米的英文单词是micron，所以微米波的翻译应当为micron-wave。初学者经常搞混微波和微米波，注意区分。

有3个看起来比较奇怪的频段—Ku、K、Ka。为什么这么分呢，那是因为K频段正巧处于水蒸气的谐振频率上，大气对无线电波吸收的很厉害，因此中间那部分不好用的频段就保留为K频段，比K频段高的叫Ka(above the K), 比K频段低的叫Ku(under the K)。车载雷达为什么大家现在都不想用24GHz呢，因为它处于K波段，是被军队和政府分剩下的波段。当然车载雷达的探测距离近，也能用。

还有一个概念是带宽，厘米波的频段范围是3G～30G，毫米波的频段是30G～300G（这个范围有270GHz）。所以如何你设计一个无线电波，载频选择毫米波可以获得更大的带宽。在5G通信上就意味着可以承载更大信息量，在雷达上就以为着更高的分辨率。

那如何选择雷达系统的频率呢？要考虑的方面正如7.3节的子标题。

1. 物理尺寸。频率越低，雷达发射机的硬件尺寸越大，成本越高，雷达越笨重；
2. 发射功率。硬件尺寸越大，发射功率越高，雷达看的越远；
3. 波束宽度。频率越高，天线可以做的越小，波束宽度越窄，雷达指向性和角分辨率越高。
4. 大气衰减。总的来说，频率越高，大气衰减越严重，特别是频率达到10GHz以上，衰减会越来越严重。
5. 环境噪声。雷达外部噪声主要来源于宇宙和大气，噪声的能量与雷达频率的关系如下图所示。
6. 频宽比（带宽/中心频率）。这个很重要，大带宽能带来更好的距离分辨力，但是会导致频宽比升高，频宽比升高对硬件的要求就会升高。超宽带(UWB)雷达的频宽比大于25%，小于1%的为窄带(NB)雷达，中间的为宽带(WB)雷达。
7. 多普勒频率fd。频率越低，波长越长，对速度的分辨力越差。
8. 与其他领域的频段共存。这主要是因为雷达、通信、汽车等应用场合的无线电波会互相有重合部分。这部分主要是要遵守法律法规。
9. 穿透树叶的能力。这主要针对对地面目标探测的雷达。如弹载雷达和机载雷达，在森林环境作战时就不得不考虑。一般来说，波长大于树叶厚度能看到树叶后的目标，所以雷达波的频率就不能太高。

 

所以雷达频率的选择非常伤脑筋，需要考虑很多边界条件，还要折衷设计。下表是各类雷达常用的频段。

 

本章的扩展阅读和问题如下：

1. 解释电磁波在穿过大气层时会衰减的原理。

答：原因主要有两个，一个是吸收，一个是散射。吸收是因为氧气和水蒸气引起，电磁波频率超过20GHz后吸收会非常严重，所以空气稀薄湿度小的地方吸收会比较弱；散射主要是有空气中的颗粒，比如灰尘、云雾以及雨雪天的水滴，冰晶等，波长越长越不容易被散射。

2. 某一雷达的中心频率为15GHz，带宽为3GHz。它的频宽比是多少?

答：3/15=20%

3.瑞典的“CARABAS FOPEN”雷达工作在在20-90MHz的频带上，它的频宽比是多少?

答：(90-20) / ((90+20)/2) = 127.27%

4. X频段雷达信号穿过一场横跨10公里的大暴雨去探测目标，衰减为2 dB/km。在暴雨过程中，信号的双向衰减是多少?

答：10*2*2=40dB。