史上最浅显易懂的雷达基础知识

一、什么是雷达

小时候看西游记，觉得里面的千里眼、顺风耳非常神奇，要是人类也能拥有这个能力就好了。其实当时不知道，人类在二战的时候就已经拥有了这种能力，只不过借助的不是神话，而是科技。人类发明的雷达远在百公里、千公里之外就能发现敌方并对其进行精确定位，它已是现代战争核心装备，被称为现代战争的 “眼睛”。

本文将以非常浅显易懂的方式解释雷达的工作原理，了解雷达是如何发现并定位目标的。但是在了解雷达原理之前，首先我们得搞清楚什么是雷达。雷达一词其实是英文“Radar”的音译，源于Radio Detection and Ranging，原意是无线电探测和测距。即用无线电(电磁波)方法发现目标并测定其空间位置的装置就称之为“雷达”。只不过，随着雷达技术的发展，现代雷达的作用已远超出探测和定位的范畴，雷达不仅可以对目标进行定位，还可以测量目标的速度、对目标进行成像甚至测量目标的大小和材料特性。

二、雷达的工作原理

小时候我们就知道“回声”现象，当你对着大山或高大的建筑大喊一声后，只要在合适的距离上(该距离最近你能把回声和原声分开，最远回声还没衰减到你的听力之下)你就能听到回声。假如你手上有一个精确的定时器，能分别将你发声的时间t1和听到回声的时间t2记录下来，那么你就可以根据声音在空气中的传播速度计算出大山或高大建筑与你的距离：

R=vt/2

其中v为声波在空气中的传播速度，t=t2-t1为回声和发声之间的时间延迟。之所以要除以2，是因为声波从你到反射体，再从反射体反射回来一共跑了两趟。

人靠声音对目标进行定位，而雷达是通过电磁波对目标进行定位。其实电磁波和声波相似，都是自然界的一种波动现象，波的反射、折射、衍射、散射等现象，电磁波一个不落，全部具有。回声现象利用声波遇到障碍物产生反射对其定位，那么雷达就是利用电磁波遇到目标产生反射(或称为二次散射)来对其定位。通过与回声现象产生机理进行类比，雷达要发现目标至少需要3个装置，即发射机，用于产生和发射电磁波，相当于人的嘴巴用来产生声波；接收机，用于接收目标反射回来的电磁波，相当于人的耳朵来收听回波声音；另外一个就是精确的计时系统，用于记录电磁波从发射到接收之间的时间差。然后根据相同的计算公式来计算目标的距离

R=ct/2

其中c=30万公里/s，是电磁波在空中的传播速度，其实就是光速。

其中发射和接收电磁波还要必须用到另一个非常重要的装置——雷达天线。雷达天线实际上是一个能量转换装置。能实现电信号和电磁波信号之间的转换，发射天线能将发射机产生的电信号转换为电磁波向空间辐射出去，接收天线能将从空间中接收到的电磁波信号转换为电信号送入接收机。天线除了作为能量转换器，还有另外一个作用，将电磁波以特定的角度定向发射出去，或者只接收特定角度的电磁波。通常发射天线和接收天线指向同一个方向(实际上大多数雷达发射和接收就是同一个天线，通过收发开关进行收发切换)。天线越大，其指向性越好，在某些大型雷达中，天线能将电磁波的绝大部分能量聚集于1度甚至更小的角度内，如果目标在此角度内，雷达能接收到目标的回波，否则不能。因此可以利用天线的指向来测量目标的角度。

雷达除了能测量目标的距离和角度(方位、俯仰)之外，还可以测量目标的速度。雷达是利用运动目标产生的多普勒效应来测速的。初中物理告诉我们，当火车朝我们驶来的时候，其声音更加尖锐，当火车远离我们而去时，其声音更加低沉。这都是因为火车的运动会使声音的频率发生变化，其实这就是多普勒效应。当火车靠近我们时，声音的频率变高所以听起来更尖锐，而当火车远离我们时，声音的频率减小，所以声音变得低沉。这些因为火车运动增加或减小的频率就称为多普勒频率。同样，运动的目标会改变电磁波的频率，即产生多普勒频率。和声波一样，多普勒频率与目标运动速度的关系可表示为

fd=2v/ l

其中v就是目标运动的速度(速度具有正负号，靠近为正，远离为负，因此多普勒频率也具有正负)，l为电磁波或声波的波长。因此可以根据多普勒频率与速度的关系，通过测量多普勒频率而测量目标的速度。简单点说，设雷达发射的电磁波频率为f0，而接收到的频率变为f1，那么多普勒频率fd=f1-f0，然后根据公式

V=fd*l/2

计算得到目标的速度。需要说明的是，通过多普勒频率测得的速度并非是目标的绝对速度，而是绝对速度在目标与雷达连线上的投影。如果目标的运动方向与连线一致，则速度刚好等于绝对速度，如果不一致，则所测速度要小于绝对速度。

多普勒效应不但可以用来测量目标的运动速度，还可以用来区分动目标和静目标。我们常常听说的动目标显示雷达(MTI)和脉冲多普勒(PD)雷达就是利用运动目标和静止目标的多普勒频率的差别来区分动静目标的，在雷达中设计一个滤波器，这个滤波器只显示多普勒频率比较大的运动目标而抑制多普勒频率为零或很小的静止目标或慢速目标。这就是为什么雷达能在复杂的大地或海洋背景中检测高速运动目标(飞机、导弹、坦克等)的原因。

因此，总的来说，雷达利用电磁波遇到目标会产生反射的现象来确定目标的位置，即利用发射信号和接收信号之间的时间延迟来确定目标距离，利用雷达天线的方向性来确定目标方向。然后利用运动目标的多普勒效应来测量目标的速度。

小伙伴们，感觉雷达是不是很简单啊！！雷达虽然原理很简单，可是做起来就很复杂了哦！