这些雷达种类繁多，从执法部门用于抓捕超速驾驶员的简单、经济、紧凑的连续波（CW）雷达，到用于陆基、舰载和机载雷达系统的复杂有源相控阵（APAS）天线，应有尽有。典型的APAS或有源电子定向雷达（AESA）由成百上千个发射/接收（T/R）模块组成，这得益于高性能固态器件的应用。
随着雷达技术频率和带宽的不断提升，许多以前难以想象的新应用应运而生。低成本、超宽带、非电离微波成像技术能够提供与现有成像技术截然不同的信息，并在医疗保健领域展现出广阔的应用前景。亚毫米分辨率的雷达手势识别技术为消费者提供了与设备交互的新方式。雷达技术也推动了自动驾驶和无人机的发展，使其具备了自主驾驶和防撞功能。太赫兹波段因其独特的化学和生物光谱特性，吸引了众多科学界和非科学界的关注，在成像、传感和探测领域具有巨大的应用潜力。随着雷达的应用越来越多样化，我们想简要回顾一下雷达的永恒原理。

工作原理：
雷达的本质在于其能够获取一个或多个目标的物理信息，例如位置、速度、方向、形状、身份，或者仅仅是目标的存在。一次雷达通过处理反射的电磁波来实现这一点，而二次雷达则通过处理发射的响应来实现。在大多数应用中，雷达系统产生脉冲射频或微波信号并将其指向目标。发射信号的同一天线随后接收返回的信号。
脉冲雷达系统的基本框图如图1所示。在该图中，主定时器或脉冲重复频率（PRF）发生器是系统的核心模块。PRF发生器通过与脉冲调制器、双工器或收发开关以及显示处理器的连接，在同步雷达系统的所有组件方面发挥着至关重要的作用。此外，与接收机的连接还提供前端保护滤波或基于时间的增益控制，例如灵敏度时间控制（STC）。

 
图1. 脉冲雷达系统示例框图。

雷达方程的解释：
雷达方程描述了雷达最重要的性能变量，并为理解为确保最佳性能而采取的措施提供了基础。该方程可以有多种不同的形式。方程 1 展示了雷达方程的一种形式，它给出了雷达的最大探测距离（以米为单位）。为了更好地理解该方程及其所用的假设，建议读者回顾推导 2。


 (1)

其中：
  R = 最大距离（米）
  P_{_T}    = 发射功率（瓦）
  G_T   = 发射天线增益
  G_R</sub>   = 接收天线增益
  λ = 雷达信号波长（米）
  α = 目标的雷达散射截面 (RCS)（平方米）
  k = 玻尔兹曼常数
  T = 环境温度（开尔文）
  B_n</sub>    = 接收机噪声带宽（赫兹）
  F_{_n}    = 噪声系数
  S/N = 所需的最小信噪比。

推导过程从分析各向同性辐射体（或点源天线）的简单球面散射传播模型开始。由于雷达系统采用定向天线将辐射能量集中到目标上，天线增益定义为指向目标的功率与理想各向同性天线功率之比。该公式反映了定向天线的增益，其中 G_T  和 G_{_R} 分别代表发射和接收的增益。如果发射和接收使用同一天线，则可以通过将公式中的两项都替换为 G 来简化公式。
到达目标的部分发射功率密度会向各个方向反射，而部分能量会重新辐射回雷达系统。重新辐射回雷达的入射功率密度的大小取决于目标的雷达散射截面（RCS 或 α）。RCS (α) 以面积单位表示，是衡量雷达所见目标大小的指标。
雷达天线会截获一部分被目标反射的信号。该信号功率等于天线接收到的回波功率密度乘以天线的有效面积。限制接收机性能的主要因素是噪声及其导致的信噪比 (SNR)。
接收机输入端的噪声功率（理论极限）被称为约翰逊噪声或热噪声。它是电子随机运动的结果，与温度成正比。接收机输出端的噪声功率始终高于约翰逊噪声。这是由于接收机内部产生的额外噪声造成的。因此，公式 1 通过将约翰逊噪声功率乘以噪声因子 F_{_n} 和接收机增益来考虑接收机内部产生的噪声。
公式 1 描述了基于发射机功率、天线增益、目标雷达散射截面 (RCS)、系统噪声系数和最小信噪比的雷达目标最大探测距离。实际上，这只是一个简化的系统性能模型。许多其他因素也会影响系统性能，包括推导该公式所用假设的修正。另外两个需要考虑的因素是系统损耗和脉冲积分，它们可能在信号处理过程中应用。系统损耗存在于发射 (LT₎  和接收 (LR₎。
在经典的脉冲雷达应用中，我们可以假设雷达天线在每个位置都会接收到来自给定目标的多个脉冲（由于雷达天线波束宽度大于零，我们可以假设雷达会在每个目标上停留一段时间），因此可以对这些脉冲进行积分以提高雷达系统的性能。由于这种积分可能并非理想，我们将使用基于积分脉冲数的积分效率项 E_i(n) 来描述积分的改进。包含这些项后，雷达方程变为：
   (2)

其中：
E _{_i}(n) = 积分效率因子；
LT = 传输路径损耗_；LR
= 接收路径损耗

。对于多天线雷达，在所有天线单元性能相同的情况下，雷达探测距离将与天线单元数量成正比。

雷达方程的结论：
雷达接收机接收到的信号功率与发射功率、天线增益（或孔径尺寸）以及雷达散射截面（RCS，即目标反射雷达信号的程度）成正比。更重要的是，它与目标距离的四次方成反比。考虑到信号在往返目标的过程中会发生较大的衰减，高功率是十分理想的。然而，由于发热、电压崩溃、动态功率需求、系统尺寸和成本等实际问题，实现高功率十分困难。

下一篇文章我们将讨论脉冲雷达信号的特性、压缩技术和测量方法。
参考文献：
1. https://atap.google.com/soli/
2.    http://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/5992-1386EN.pdf?id=2715324

作者：

Giovanni D'Amore，
科技
射频和微波产品
市场品牌经理

自19世纪末以来，雷达技术取得了长足的进步，发展成为一套涵盖广泛应用的综合技术。这些应用范围从执法部门用于抓捕超速驾驶员的简单、经济、紧凑的连续波（CW）雷达，到用于陆基、舰载和机载雷达应用的复杂有源相控阵（AESA）雷达系统，不一而足。典型的AESA雷达由成百上千个发射/接收（T/R）模块组成，这得益于高性能固态器件的应用。.

随着雷达技术向更高频率和更宽带宽发展，许多以前难以想象的新应用应运而生。低成本、非电离、超宽带微波成像技术能够提供与现有成像技术截然不同的信息，并在医疗保健领域展现出广阔的应用前景。亚毫米分辨率的雷达手势识别技术为消费者提供了与设备交互的新方式^自主行驶和防碰撞功能。太赫兹波段具有独特的化学和生物成分光谱特性，吸引着科学界和非科学界的广泛关注，其在成像、传感和探测方面具有巨大的应用潜力。鉴于雷达的应用日益多样化，我们想简要回顾一下雷达的基本原理。

工作原理

雷达的本质在于其获取一个或多个目标的物理信息的能力：位置、速度、方向、形状、身份，或者仅仅是目标的存在。一次雷达通过处理反射的电磁波来实现这一点，而二次雷达则通过处理发射的响应来实现。在大多数应用中，雷达系统产生脉冲射频或微波信号并将其指向目标。发射信号的同一天线随后接收返回的信号。.

图 1 显示了脉冲雷达系统的基本框图。图中，主定时器或 脉冲重复频率 (PRF) 发生器是系统的核心模块。PRF 发生器通过与脉冲调制器、双工器或收发开关以及显示处理器连接，在同步所有雷达系统组件方面发挥着至关重要的作用。此外，与接收机的连接还提供了用于 前端 或定时增益控制（例如灵敏度时间控制 (STC)）的滤波功能。

图 1. 脉冲雷达系统框图示例

雷达方程的解释

雷达方程描述了雷达最重要的性能变量，并为理解为确保最佳性能而采取的措施提供了基础。该方程可以有多种不同的形式。方程 1 展示了雷达方程的一种形式，它给出了雷达的最大探测距离（以米为单位）。为了更好地理解该方程及其所用的假设，建议读者回顾一下其推导过程。².

                                              (1)

在哪里：

         = 最大距离（米）

         = 传输功率（单位：瓦特）

         = 发射天线增益

         = 接收天线增益

          = 雷达信号的波长（单位：米）

          目标的雷达散射截面（RCS），单位为平方米

           = 玻尔兹曼常数

           = 环境温度（开尔文）

        接收机噪声带宽（单位：赫兹）

         = 噪声系数

          = 所需的最小信噪比

推导过程首先分析各向同性辐射体（或点源天线）的简单球面散射传播模型。由于雷达系统采用定向天线将辐射能量集中到目标上，因此天线增益定义为指向目标的功率与理想各向同性天线功率之比。该方程反映了天线的方向性增益，其中 和 分别 代表发射和接收。如果发射和接收使用同一天线，则可以通过将方程中的两项替换为 来简化方程 。

到达目标的部分发射功率密度会被反射到各个方向，而部分能量则会被重新辐射回雷达系统。重新辐射回雷达的入射功率密度的大小取决于 目标的雷达散射截面（RCS）。RCS以面积单位表示，是衡量雷达所探测到的目标尺寸的指标。

雷达天线会截获目标反射的部分信号。该信号强度等于天线接收到的回波功率密度乘以天线的有效面积。限制接收机性能的主要因素是噪声和由此产生的信噪比（SNR）。

接收机输入端的噪声功率（理论极限）被称为约翰逊噪声或热噪声。它是电子随机运动的结果，与温度成正比。接收机输出端的噪声功率始终高于约翰逊噪声。这是由于接收机内部产生的额外噪声造成的。因此，公式 1 通过将约翰逊噪声功率乘以噪声因子 和接收机增益来考虑接收机内部产生的噪声。

公式 1 描述了基于发射功率、天线增益、目标雷达散射截面 (RCS)、系统噪声系数和最小信噪比的雷达目标最大探测距离。实际上，这只是一个简化的系统性能模型。许多其他因素也会影响系统性能，包括推导该公式所用假设的修正。另外两个需要考虑的因素是系统损耗和脉冲积分，它们可能在信号处理过程中应用。系统损耗存在于发射路径 和接收 。

在经典的脉冲雷达应用中，我们可以假设雷达天线在每个位置都会接收到来自给定目标的多个脉冲（由于雷达天线的波束宽度大于零，我们可以假设雷达会在每个目标上停留一段时间），因此可以对这些脉冲进行积分以提高雷达系统的性能。由于这种积分可能并非理想，我们 将使用一个基于积分脉冲数的积分效率项来描述积分的改进。包含这些项后，雷达方程变为：

                                          (2)

在哪里：

   = 整合效率因子

         = 传输路径中的损耗

         接收路径中的损耗

对于多天线雷达，只要所有天线单元的性能相同，雷达探测距离就会与天线单元的数量成正比增加。.

关于雷达方程的结论

雷达接收机处的信号强度与发射功率、天线增益（或孔径大小）以及雷达散射截面（RCS，即目标反射雷达信号的程度）成正比。更重要的是，它与目标距离的四次方成反比。考虑到信号在往返目标的过程中会发生显著衰减，高功率发射至关重要。然而，由于发热、电压崩溃、动态功率需求、系统尺寸和成本等实际问题，实现高功率发射极具挑战性。.

下一篇文章我们将讨论脉冲雷达信号的特性、压缩技术和测量方法。.

参考：

1.       https://atap.google.com/soli/

2.       http://literature.cdn.keysight.com/litweb/pdf/5992-1386EN.pdf?id=2715324