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一,雷达原理-基础知识1
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一,雷达原理-基础知识1
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heskzou
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雷达卡
发表于 2022-9-25 08:31:59
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参考
1、书籍:《雷达原理》 丁鹭飞
更多参考资料请参见:
2、可以结合西电的教学视频效果更佳
一、概念
radar:radio detection and ranging,即无线电探测和测距。
雷达探测目标原理如下图所示。
雷达发射机产生射频信号,经雷达发射天线辐射到空间,当电磁波遇到目标发生反射,回波信号经雷达接收天线,到达接收机,经接收机处理后,送给信号处理机进行处理,获得目标参数:距离、方位、速度和形状等。
二、任务
早期:测距。
现代:测距、测角度、测速度、测形状。
三、基本组成
包括:天线,发射机,接收机,信号处理机,终端显示设备,伺服系统和同步设备。
天线
将射频信号辐射到空间,接收回波信号。
发射机
产生雷达信号。
雷达发射的信号一般可分为连续波信号和脉冲信号。
[1]
连续波信号
s_t(t)=Acos(2\pi f_0t + \phi)\\
其中, s_t(t) 下标 t 表示 transmit,参数 t 表示 time。
f_0 :表示信号频率,即单位周期内波的个数,与信号周期的关系可表示为 T=1/f_0 。
\lambda :表示波长, \lambda=TC=C/f_0 。
[2]
脉冲信号
发射信号(主波):
图中变量含义如下。
\tau : 脉冲宽度
T_r :脉冲重复周期
回波信号:
接收机
接收回波信号,并进行处理。一般会经历
射频
->
中频
->
视频
的处理过程。
接收机收到的是射频信号,频率本来就比较高,如果直接在射频上进行采样,根据奈奎斯特采样定理,采样频率需要大于信号频率的两倍,才能将采样后的信号无失真的还原回去。直接在射频上进行采样,成本就会很高,所以就需要对射频信号进行混频处理,变到中频,这样对采样率的要求就降低了。
混频
,从数学上讲就是求频率差。
f_R - f_L = f_I\\
f_R 表示射频信号对应的频率,R 表示 receive;
f_L 表示本振信号对应的频率,L 表示local;
f_I 表示中频信号对应的频率。
从图中可知,中频信号,频率虽然变低了,但是包络还是原来的包络。
视频
中频信号经过包络检波处理,就得到视频信号。
那么,是否所有的接收机,都需要按照射频->中频->视频的过程进行处理呢?答案是否定的。实际上,这和雷达的具体应用有关。
一般来说,如果要测距就需要做视频处理,根据发射信号和回波信号脉冲前沿的时间差,就可以计算得到目标距雷达的距离。
如果要测速,就需要在中频进行处理。因为测速需要利用多普勒效应,需要获取发射频率和接收频率的频率差。视频信号已经丢失了载波信息,就无法获取频率信息了。
信号处理机
信号处理机所能处理的是数字信号,这就需要对模拟信号进行采样[奈奎斯特采样定理]。理论上,一方面我们希望采样点越少越好,同时又希望尽可能将信号对应的信息都保留下来。根据奈奎斯特采样定理,只要采样频率大于信号频率的两倍,就可以将采样得到的信号,无失真的还原回去。
终端显示设备
将雷达探测到的目标信息,以可视化的方式显示到屏幕上。
伺服系统和同步设备
伺服系统:控制天线转动,使天线指向不同角度,以探测不同方位的目标。
同步设备:雷达的频率和时间标准。产生各种频率振荡;提供统一的时钟。
四、目标参数测量
距离测量
脉冲信号测距公式:
2R=c*t_r\\
R=c/2*t_r\\
式中 t_r 表示主波和回波之间的时间差。
连续波信号也可以测距,但是和脉冲信号测距原理不同[调频法测距]。
角度测量
测方位角和俯仰角。
雷达测角的物理基础:
[1]电磁波是直线传播的;
[2]雷达天线具有方向性。
天线分类:
[1]有方向性天线:各向异性天线;
[2]无方向性天线:各向同性天线。
可以通过天线方向图来衡量。
天线方向图
:指有方向性天线相对于无方向性天线,在某个方向上功率增加的倍数。
对于无方向性天线,到各个方向径长相等,在平面上就是一个以天线为圆心的圆。各个方向的增益都是 1。
典型雷达天线方向图如下。
P_t :发射机功率;
G_t :最大增益;
G_tF(\theta) :与最大增益方向夹角为 \theta 的方向对应的增益;
假设 G=G_tF(\theta) 表示天线增益,则天线辐射到空间中的功率为 P_tG 。
如何获得天线方向图呢?
通过测量得到。电磁场看不见,摸不着。天线哪个方向增益大,哪个方向增益弱,是在天线设计的时候通过试验测得的。
副瓣
:天线方向图实际在360°方向都有值,如下图。
主瓣单调性:与最大增益方向夹角越大,增益越小。只在主瓣范围内有效。
第1副瓣和第2副瓣又统称为副瓣。
前面给出的是极坐标下的天线方向图,直角坐标系下的天线方向图,如下图。
天线在某个方向上的增益是通过天线方向图来确定的。增益就是指有方向性天线相对于无方向性天线,在某个方向上功率增加的倍数。这个倍数可能大于 1 [主瓣方向],也可能小于 1 [副瓣方向]。从能量守恒的角度来讲,主瓣获得的功率增益,是以牺牲副瓣增益得到的。
波束宽度
主瓣的宽度称为波束宽度,是衡量天线方向图胖瘦的指标。定义为主瓣功率下降到波束中央 1/2 功率处的宽度。用分贝表示的话,1/2 是 -3dB。因此,又称为 3dB 波束宽度。
10log\frac{P}{P_t}=10log(0.5)=-3dB
速度测量
测速原理:利用多普勒效应。实际测量的是径向速度,目标和雷达之间必须有径向速度分量。
多普勒效应
:当目标与雷达之间存在相对速度时,接收到的回波信号的载频相对于发射信号的载频会产生一个频移 f_d 。
f_d = f_r - f_t = \frac{2V_r}{ \lambda } \\
f_r :回波信号的频率;
f_t :雷达发射信号的频率;
V_r :目标相对于雷达的径向速度;
f_t :信号波长。
频率与相位的关系:
角频率 = 相位的导数
对
普通连续波
信号:
s_t(t) = Acos(2\pi f_0t + \phi) \\
角频率为:
\omega =\frac{\partial(2\pi f_0t+\phi)}{\partial t}=2\pi f_0 \\
对于
线性调频
信号:
s_t(t)=Acos(2 \pi f_0t + \pi \mu t^2 + \phi) \\
频率:
f(t)=\frac{\partial(2\pi f_0t+\pi \mu t^2+\phi)}{2\pi \partial t} =f_0+ut \\
频率随时间线性增加(下降),一般用于脉冲雷达。线性调频信号波形如下图。
测速公式推导
回波信号:
s_r(t)=ks_t(t-t_r)=kAcos(2 \pi f_0(t-\frac{2(R_0-v_rt)}{c}) + \phi)\\
回波信号的相位对时间求导,就得到接收信号的频率:
f_r=f_0+\frac{2f_0v_r}{c}=f_0+\frac{2v_r}{\lambda} \\
所以,
f_d=f_r-f_0=\frac{2v_r}{\lambda}\\
其中, v_r 为径向速度,如下图所示。
目标形状测量
SAR:Synthetic Aperture Radar,合成孔径雷达;
ISAR:Inverse Synthetic Aperture Radar,逆合成孔径雷达。
统称成像雷达。
SAR雷达一般装在运动的载体上,比如飞机、卫星等,对地面目标成像。google earth就是这个原理。
ISAR雷达一般在地面相对静止的载体上,对空中的飞机,海面的舰船等目标成像。
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雷达原理 视频
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雷达卡
发表于 2022-9-25 08:39:03
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说直白一点就是固定一个频率不变
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甜心萝卜糕
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雷达卡
发表于 2022-9-25 08:48:53
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主要用到的绘图工具包括:python,http://draw.io,PPT。
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