雷达三大应用原理：测距、测速、测角

雷达（Radar，Radio Detection And Ranging）通过发射电磁波并接收目标反射的回波信号，实现对目标的距离（Range）、速度（Velocity）、角度（Angle）测量。其原理基于电磁波的传播特性和多普勒效应。以下是三大应用的详细解析：

1. 测距（Range Measurement）

基本原理

• 雷达发射电磁波（如脉冲或调频连续波），遇到目标后反射回波。

• 通过计算发射波与回波的时间差（Time of Flight, ToF），计算目标距离：

  R=c?Δt2

  • RR：目标距离

  • cc：光速（3×108?m/s3×108m/s）

  • ΔtΔt：发射与接收的时间差

实现方式

1. 脉冲雷达（Pulse Radar）

   • 发射短脉冲信号，测量回波延迟时间（适用于远程探测，如气象雷达）。

2. 调频连续波雷达（FMCW Radar）

   • 发射频率线性变化的连续波，通过回波与发射波的频率差计算距离（适用于车载雷达、无人机避障）。

关键参数

• 距离分辨率（ΔR）：

  ΔR=c2B

  • BB：信号带宽（带宽越大，分辨率越高）。

2. 测速（Velocity Measurement）

基本原理

• 基于多普勒效应（Doppler Effect）：运动目标反射的电磁波频率会发生变化。

• 速度计算公式：

  v=fd?λ2

  • vv：目标速度

  • fdfd：多普勒频移（回波频率与发射频率之差）

  • λλ：发射波长

实现方式

1. 连续波雷达（CW Radar）

   • 发射固定频率的连续波，通过回波频移直接测速（如交警测速雷达）。

2. 脉冲多普勒雷达（Pulse-Doppler Radar）

   • 结合脉冲测距与多普勒测速，适用于运动目标跟踪（如战斗机火控雷达）。

关键参数

• 不模糊速度（vmaxvmax）：

  vmax=λ?PRF4

  • PRFPRF：脉冲重复频率（Pulse Repetition Frequency）。

3. 测角（Angle Measurement）

基本原理

• 通过分析回波信号的到达方向（Direction of Arrival, DoA）确定目标方位角或俯仰角。

• 常用方法：

  1. 幅度比较法（Amplitude Comparison）

     • 使用多个天线接收信号，比较回波幅度差异（如机械扫描雷达）。

  2. 相位比较法（Phase Comparison）

     • 利用天线阵列的相位差计算角度（如相控阵雷达）。

实现方式

1. 机械扫描雷达

   • 通过旋转天线实现角度扫描（传统雷达）。

2. 电子扫描雷达（如相控阵雷达）

   • 通过控制天线阵元的相位实现快速波束转向（如F-35的AN/APG-81雷达）。

关键参数

• 角度分辨率（Δθ）：

  Δθ≈λD

  • DD：天线孔径（天线越大，分辨率越高）。

三大原理的综合应用

总结

1. 测距：基于时间延迟（ToF），受带宽影响分辨率。

2. 测速：基于多普勒频移，需考虑不模糊速度。

3. 测角：基于幅度或相位比较，依赖天线设计。
   现代雷达（如FMCW、相控阵）通常同时实现测距、测速、测角，广泛应用于自动驾驶、航空航天、军事等领域。