雷达原理1——绪论
雷达是一种仿生电子设备，模仿蝙蝠的回声定位原理，通过发射电磁波测量目标的距离、方位、速度和形状。其主要组成部分包括天线、发射机、接收机、信号处理机、显示器和伺服系统。雷达利用极坐标系确定目标位置，通过测量斜距、方位角和速度等信息实现目标追踪。斜距测量基于电磁波传播时间，方位角测量依赖于天线方向图和多普勒频移原理，速度测量通过分析回波频率差实现。雷达技术广泛应用于航空、航海、气象等领域，是现代电子武器的重要组成部分。
概述
从科普知识的角度来看，雷达是一种仿生学发明，其设计灵感来源于蝙蝠的声波探测机制。雷达通过发射电磁波信号，这些信号与障碍物发生作用并产生回波，这些回波信号被接收装置捕捉并经过处理，从而获取障碍物相关信息。在雷达领域，其英文名称为"radar"，意为"无线电探测与测距"，简而言之，雷达的主要任务是测量目标的距离、方位、速度、形状等关键信息。
1.1 雷达的组成
雷达主要由天线、发射机、接收机、信号处理机、显示器和伺服装置组成。
天线：将发射的电磁能量有方向地发送到大气中，同时接收回传的电磁能量信号。
发射机：通过射频脉冲的产生并经由开关传递给天线，输出大功率射频能量。
接收机：接收并放大微弱的回波信号，经过检波后进行信号处理。
信号处理机：对经检波的视频信号实施目标检测、显示等雷达处理方法。
显示器：显示目标的方位、形状等信息。
伺服系统：控制天线的波束方向，在空间中进行有规律扫描。
1.2 雷达的基本测量
为了测量目标的位置、速度等信息，雷达需要先掌握如何描述目标的位置，即采用坐标来表示目标。其中，最常用的坐标系统是极坐标系。如图所示，空间任一目标P的位置，可以通过斜距R、方位角\alpha和仰角\beta来确定，其坐标表示为——(R,\alpha,\beta)。
由此目标的水平距离D，方向角\alpha，和高度H都能确定了：
- D=Rcos\beta
- H=Rcos\alpha
- \alpha=\alpha
在确定后，这些位置参量被确定下来，从而，可以对目标的斜距、方位角以及速度等参数进行测量。
1.2.1 目标斜距的测量
雷达发送电磁波，这些电磁波在遇到目标后会反射部分能量，被接收器捕获。从发送脉冲到接收回波，经历了一个时延t_r。电磁波在大气中以速度（3*10^3m/s）传播。可以推导出，t_r时间内，电磁波移动了2R的距离。因此，可以得到方程：2R=C*t_r，进而求得R=\frac{C}{2}*t_r。
在较为复杂的情况下，如果回波信号未能在下一个发射脉冲之前被接收，则对t_r的判断成为一个挑战。
1.2.2 目标方位角的测量
在对目标角度测量之前，要先保证以下两个前提：
- 电磁波是直线传播的
- 雷达天线具有方向性
首先，电磁波沿直线传播是物理事实，满足这一条件；其次，天线可以分为有方向性和无方向性两类，其中天线方向图用于表示有方向性天线相对于无方向性天线在某一方向功率增加的程度。天线在辐射电磁波时，会将能量尽可能地集中到一个狭窄的波束中，从而将能量主要集中在目标的方向。当目标位于天线方向图的中心位置时，天线的辐射功率达到最大值，记为G(t)。在其他方向，增益与该方向与最大方向的夹角\theta有关，通常情况下，\theta越大，增益越小，这一现象主要在主瓣范围内发生。增益可表示为G(t)F(\theta)，其中F(\theta)是关于\theta的函数。需要注意的是，在副瓣区域，尽管增益较低，但仍高于副瓣与主瓣交界处的增益。因此，主瓣波束宽度通常用\theta_{3dB}或\theta_{0.5}来表示。
1.2.3 相对速度的测量
在目标速度的测定过程中，目标与雷达之间存在一个相对速度分量，这一特性会导致接收的回波信号与发射的信号之间会产生一个频移，这个现象被称为多普勒频移效应。实际上，多普勒频移效应是回波信号与发射信号之间的频率差异，当目标处于静止状态时，f_d=0。当目标发生运动时，假设发射波的频率为f_0，回波频率记为f_r，则多普勒频移f_d的计算公式为f_d=f_r-f_0。回波信号本质上是发射波在经历一段传播延迟后所到达的接收装置，这一过程可以通过下图进行详细推导。
在上述证明过程中，我们基于以下假设：雷达径向速度指向雷达。若径向速度背离雷达，则R=R_0+V_r*t。其加减反映了目标相对于雷达的运动方向，即朝向雷达还是远离。因此，可以表示为：