什么是雷达?我理解的对吗?
提及雷达,也许是受一篇小学语文课文的影响,我们很容易把它和蝙蝠的超声波定位联系起来,于是建立起了发射波、接收目标的反射波就可以定位目标的印象,那么这就是雷达的工作原理了吗?不尽然,实际上最接近蝙蝠原理的是一种超声波雷达,或者叫超声波测距模块,就是如下图这种我们很常见的模块,最常出现在汽车尾部用作倒车雷达。
那我们不妨就从超声波雷达入手,逐步掌握雷达的全貌。
用过此类模块或者超声波倒车雷达的朋友都会发现,这种靠回波强度测定距离只能测个大概,作用距离也非常有限,远不如激光测距精准。
这种差异本质是光与波传播的物理特性差异决定的,简单来说均匀介质中光只走直线,当然存在例外情况在很小尺度下光表现为波粒二象性,但我们现在讨论的场景达不到那种尺度;而波除了放射状传播外还会绕射(可以想象水波纹可以绕过拐角),简单来说这是因为波在空间中同一相位的平面上每一点都可以看作点源,这被称作“惠更斯原理”,这里我们不深入讨论,只用其结论帮助理解。
所以基于这种思路,即使假设存在绝对的平面波束源,波束离开了源后每一点又会在空间中呈球面散射开来,想要确定正前方的物体反射的回波强度再根据波的传播公式求出距离,就必须要能和其他回波分得开,想到这里你会发现情况就复杂起来了,激光是指哪里打哪里,而波散开的一个面犹如一张网罗了各种信息的网,接收到回波的你,好似收网的忐忑渔夫,只知道网沉,却不知道这份沉重是否都来自你想要的那种鱼,甚至不能确定是不是挂底了。
渔夫能把网收上来检查,雷达工程师们也有雷达的方法,分析这种复杂情况的利器就是优美的雷达方程。
看到方程莫慌!这不是要给你推导,只是为了给你展现一下雷达回波功率基本影响的要素,雷达方程是雷达理论的核心,扫一眼你就能对雷达的理解更进一步:
- P_r - 接收功率: 雷达接收到目标反射信号的功率,衡量雷达是否能够探测到目标。
- P_t - 发射功率: 雷达发射的信号功率。发射功率越高,雷达探测的能力越强。
- G_t - 发射天线增益: 发射天线聚焦能量的能力,用于提高信号强度。
- G_r - 接收天线增益: 接收天线聚焦接收到的反射信号的能力,增益越高接收的有效信号越强。
- \lambda - 信号波长: 发射波的波长,与频率成反比 (\lambda = \cfrac{c}{f},其中 c 为光速,f 为频率)。波长越短(频率越高),雷达分辨率越高,但信号衰减也更快。
- \sigma - 目标的雷达截面积 (RCS): 表征目标反射信号强度的能力,与目标尺寸、形状、材料及雷达波入射角有关。目标越大、越容易反射信号,\sigma 值越高。
- R - 雷达与目标之间的距离: 距离的四次方关系表明信号强度随距离迅速衰减(距离越远,接收功率急剧减小)。
- L - 损耗因子: 包括传播损耗、天线损耗和环境干扰等因素,描述雷达系统的信号损失。
- 4\pi - 固定常数: 信号在球面传播中的空间分布特性所致。
补充说明:
对于天线增益,注意此增益非彼增益!,它和电路中增益不是同一个概念,天线并没有放大信号的能力(理解关键:放大信号本质是提高能量,天线是无源器件,不可能凭空提高能量),天线增益是方向角的函数,增益是相较于各个方向都一致的全向天线而言的,通俗理解就是反映对不同方向的接收敏感程度不同。后面会详细解释,它是相控阵的核心概念。而我们平时买WIFI天线一类的时候,会遇到标称增益12dB之类的实际是最大辐射方向上的增益,也即天线增益函数的最大值,所以它是一个数。
此外上述方程是基本的形式,其“基本性”主要体现在:
- 它是对于具体目标而言而非全部造成回波的物体,实际回波功率是所有回波贡献的总和;
- 它是最为常见的单基地雷达的雷达方程,通俗来说就是收发是在一起的,而还有多基地双基地等多种形式的雷达方程;
- 它是最为常见的视距传播(直线传播)的雷达,对于一些超视距雷达,距离并非直线的,而且可能存在明显的多径传播效应(通俗理解就是电波从多个方向传播到同一个地点,甚至反方向绕地球一圈),需要更多额外修正。
那么看到这里也许你会发觉,一个雷达回波居然牵涉如此多的事情。虽然实际上雷达方程一般也只用于估计雷达系统的最远距离,因为几乎每个参数都是待定的函数,对应的参数也是五花八门,但是既然可以建立理论模型,那么说明还是有一些办法分辨的,下一篇将会介绍一种最基本的毫米波雷达形制(也是最基本的雷达形制)——脉冲雷达,它就是最贴近我们一开始提到的蝙蝠定位原理的雷达。虽然脉冲雷达在现在民用产品并不多见,却是理解更先进更现代的毫米波雷达的基石,敬请期待。
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