什么是雷達？

雷達的英文名為RADAR，是RAdio Detection And Ranging的縮寫。

雷達的工作方式，如上圖所示，通過天線將電磁波輻射出去，電磁波在空中傳播，碰到目標，目標反射電磁波，反射的電磁波一部分被天線接收，雷達比對發射出去的電磁波和接收回來的電磁波，從而獲得目標的相關信息。

比如：

從發射電磁波和接收電磁波之間的時延，來獲得目標的距離；

從天線主瓣所指的方向，可以得到目標所在的方位；

從反射電磁波的幅度，可以知道目標的大小，即RCS；

從電磁波頻率的變化，即多普勒頻移，可以知道目標的速度；

經過一些額外處理，還可以對目標進行成像。

簡化版的雷達框圖如下圖所示。

雷達頻率波段

可以看到，現在雷達頻率已經到微波頻段，甚至更高頻率，已經不是局限于剛開始的射頻頻率。

電磁波特性

電磁波具有以下特性：

(1) 頻率等于電磁波的速度與電磁波波長的比值

(2) 波與波之間的相加為矢量相加，當兩個波同相時，兩者疊加；當兩者反相時，兩者相加之和為0。

(3) 電磁波具有極化方向，將電場的方向定義為電磁波的極化方向。

雷達距離方程(Radar Range Equation)

假設雷達的發射功率為PT，天線有效孔徑面積為A，目標距雷達的距離為R，目標的RCS為 σ，空間的損耗為L，接收機能在目標上停留的時間為 τ，則接收機接收到的能量如下圖所示。

脈沖雷達的一些概念

脈沖雷達發射一個脈沖后，發射機關閉，接收機開始接收反射信號，如下圖所示。

脈沖長度(pulse length)是指發射機打開的時間。

脈沖信號的占空比為：

發射機發射的平均功率為：

脈沖重復頻率為：

連續波雷達(CW radar)則是脈沖雷達的特例，脈沖雷達的占空比為100%時，則為連續波雷達。

雷達波形

雷達傳輸的波形，不是連續波，也不是脈沖波形，而是兩者的疊加，如下圖所示。

脈沖里面的電磁波的頻率可以是固定的，如下圖所示。

脈沖里面的電磁波的頻率也可以是變化的，如下圖所示。電磁波的頻率從低變高，且是線性變化，這個稱之為LFMW(Linear Frequency-Modulated Waveform).

雷達距離測量

發射的脈沖波形輻射出去，到接收機接收到脈沖波形的時間，稱為round trip time。

目標距雷達的距離的計算方法如下圖所示。

天線增益

各向同性天線，其在360度方向上，輻射的能量都是相等的，此時通過各向同性天線輻射出去的電磁波，像一個球一樣，向四周擴散開來。其在所有方向上均勻輻射，具有相同的強度。

定向天線，則是將輻射方向聚焦在一個方向上。

天線的增益(不考慮輻射效率)定義為天線主瓣的最大輻射強度與平均輻射強度的比值，即在同一個方向處，定向天線在此處的輻射強度與各向同性天線在此處的輻射強度的比值。

雷達散射面積(RCS)

RCS是指雷達能看到的目標的有效散射面積。

雷達看到的目標大小，并不一定是目標的物理尺寸，可能比物理尺寸大，也可能比物理尺寸小。

參考文獻:

[1] https://www.ll.mit.edu/outreach/radar-introduction-radar-systems-online-course