雷達三大應用原理：測距、測速、測角

雷達（Radar，Radio Detection And Ranging）通過發(fā)射電磁波并接收目標反射的回波信號，實現(xiàn)對目標的距離（Range）、速度（Velocity）、角度（Angle）測量。其原理基于電磁波的傳播特性和多普勒效應。以下是三大應用的詳細解析：

1. 測距（Range Measurement）

基本原理

• 雷達發(fā)射電磁波（如脈沖或調頻連續(xù)波），遇到目標后反射回波。

• 通過計算發(fā)射波與回波的時間差（Time of Flight, ToF），計算目標距離：

  R=c?Δt2

  • RR：目標距離

  • cc：光速（3×108?m/s3×108m/s）

  • ΔtΔt：發(fā)射與接收的時間差

實現(xiàn)方式

1. 脈沖雷達（Pulse Radar）

   • 發(fā)射短脈沖信號，測量回波延遲時間（適用于遠程探測，如氣象雷達）。

2. 調頻連續(xù)波雷達（FMCW Radar）

   • 發(fā)射頻率線性變化的連續(xù)波，通過回波與發(fā)射波的頻率差計算距離（適用于車載雷達、無人機避障）。

關鍵參數(shù)

• 距離分辨率（ΔR）：

  ΔR=c2B

  • BB：信號帶寬（帶寬越大，分辨率越高）。

2. 測速（Velocity Measurement）

基本原理

• 基于多普勒效應（Doppler Effect）：運動目標反射的電磁波頻率會發(fā)生變化。

• 速度計算公式：

  v=fd?λ2

  • vv：目標速度

  • fdfd：多普勒頻移（回波頻率與發(fā)射頻率之差）

  • λλ：發(fā)射波長

實現(xiàn)方式

1. 連續(xù)波雷達（CW Radar）

   • 發(fā)射固定頻率的連續(xù)波，通過回波頻移直接測速（如交警測速雷達）。

2. 脈沖多普勒雷達（Pulse-Doppler Radar）

   • 結合脈沖測距與多普勒測速，適用于運動目標跟蹤（如戰(zhàn)斗機火控雷達）。

關鍵參數(shù)

• 不模糊速度（vmaxvmax）：

  vmax=λ?PRF4

  • PRFPRF：脈沖重復頻率（Pulse Repetition Frequency）。

3. 測角（Angle Measurement）

基本原理

• 通過分析回波信號的到達方向（Direction of Arrival, DoA）確定目標方位角或俯仰角。

• 常用方法：

  1. 幅度比較法（Amplitude Comparison）

     • 使用多個天線接收信號，比較回波幅度差異（如機械掃描雷達）。

  2. 相位比較法（Phase Comparison）

     • 利用天線陣列的相位差計算角度（如相控陣雷達）。

實現(xiàn)方式

1. 機械掃描雷達

   • 通過旋轉天線實現(xiàn)角度掃描（傳統(tǒng)雷達）。

2. 電子掃描雷達（如相控陣雷達）

   • 通過控制天線陣元的相位實現(xiàn)快速波束轉向（如F-35的AN/APG-81雷達）。

關鍵參數(shù)

• 角度分辨率（Δθ）：

  Δθ≈λD

  • DD：天線孔徑（天線越大，分辨率越高）。

三大原理的綜合應用

總結

1. 測距：基于時間延遲（ToF），受帶寬影響分辨率。

2. 測速：基于多普勒頻移，需考慮不模糊速度。

3. 測角：基于幅度或相位比較，依賴天線設計。
   現(xiàn)代雷達（如FMCW、相控陣）通常同時實現(xiàn)測距、測速、測角，廣泛應用于自動駕駛、航空航天、軍事等領域。