雷达（radar）基本知识总结

RADAR在IoT设备中使用越来越广泛，无论是室内应用还是室外应用，本文介绍radar相关的基本概念和基本知识，为后续介绍分析雷达应用做准备。资料总结于网络，侵删。

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雷达使用的电磁波

雷达使用的是高频电磁波，其基本工作原理简单易懂，但是电磁波理论可能相当复杂。由于电磁波的特性，使得雷达测量距离或距离成为可能。

电磁波的反射

电磁波在前进的过程中，如果遇到物体，就会被反射。如果这些反射波在接收端收到， 那么这意味着障碍物在传播方向上。电磁能量以恒定的速度在空气中传播， 该速度为光速每秒 300,000 公里，这种恒定速度可以通过测量电磁波运行时间，确定雷达站到反射物体之间的距离 （飞机、轮船或汽车） 

这种能量通常以直线穿过空间，通过使用特殊的雷达天线，可以集中这种能量进入所需的方向，因此可以测量反射物体的方向（方位角和仰角）。这些原理基本上可以在雷达系统中实现， 并可以确定距离、方向和 反射对象的高度。

雷达基本工作原理

雷达工作原理与声波反射原理非常相似。如果你朝一个物体（如岩石、峡谷或洞穴）的方向呼喊，你能听到回声。如果您知道声音在空气中传播的速度，回声返回所需的时间可以大致转换为距离，因而可以估计物体的距离和大致方向。

波都有能量，雷达使用电磁波具有电磁能量，如图所示， 射频（RF）能量被发射到空着，遇到反射物体并从反射物体反射。一小部分反射能量返回到雷达接受装置。这种返回的能量被称为回声。雷达使用回波来确定反射物体的方向和距离。

术语雷达（RADAR）是RAdio Detection And Ranging的缩写，它主要用于确定或检测某个物体位置和距离。这个物体有可能是肉眼无法观察到的。

雷达电磁能量不受雾、雪、雨、黑暗、云等的因素影响，可以用于探测目标的范围、角度位置、目标位置和目标速度等信息。也可以区分固定目标和移动目标类型。与视觉观察相比，雷达具有许多优点：

• 雷达能够在白天或黑夜，在明亮或黑暗的远距离内运行;

• 雷达能够在各种天气、雾和雨中运行，甚至可以穿透墙壁或雪层;

• 雷达的覆盖范围非常广;可以观察整个半球;

• 雷达检测和跟踪移动物体，可以进行高分辨率成像，从而识别物体;

• 雷达可以每周 24 天、每天 7 小时无人运行。

方向确定

目标的角度确定由天线的方向性决定。方向性，有时称为指令增益，是天线集中的能力，在特定方向上传输的能量。具有高方向性的天线也称为定向天线。通过测量接收回波时天线指向的方向， 可以确定从雷达到物体或目标的方位角和仰角。角度测量的精度由方向性决定，是天线尺寸的函数。

雷达单元通常以非常高的频率工作。主要是因为：

• 以近光速传播，速度快。

• 高分辨率（波长越小，雷达能够检测到的物体越小）。

• 频率越高，在相同增益下天线尺寸越小。

雷达覆盖范围

覆盖范围描述由雷达或雷达网络空域控制。

在二维雷达中，通常使用具有余割方形图案的天线。它的主要光束方向形成一个带有圆角的垂直矩形，绕垂直轴旋转。因此，在雷达站点上出现了一个具有扁平圆柱体几何形状，雷达可以在其中定位空中目标。

如图空中交通管制雷达（ATC-Radar）上， 该圆柱体（绿色显示）的直径约为220公里，高度约为3,000米。

波和频率范围

电磁波的频谱频率高达 10²⁴ Hz。由于物理性质不同，这个非常大的范围被细分为不同的子范围，目前有两种频段划分系统，如图所示，一种是IEEE使用的名称系统，另外一种是NATO（北约，战争贩子）使用的较新的频段分类，二者起源都与军事有关。

一些雷达使用的频段

更多关于频段的信息请参阅文末链接

雷达的类型

雷达有两种分类方式

按使用用途分类

按技术分类如下

在IoT sensing中，常用的是FMCW雷达和脉冲雷达（例如 UWB雷达）。

脉冲雷达（Pulse radar）

在脉冲雷达中，信号以短脉冲（突发）方式传输。脉冲的持续时间或宽度非常短，从微秒到几微秒不等。物体的距离是通过测量传输的时间延迟来确定的，即接受到发生时间的差值。

脉冲宽度或持续时间是一个重要因素。

连续波雷达（CW radar）

在CW雷达中，恒定振幅连续的正弦波在一定的频率范围内传输，当物体移动时，在发射和接收回波之间会观察到频率变化。发射信号和接收回波之间的这种频移称为多普勒效应。通过这种方式来确定雷达单元和目标物体之间的相对速度。

这种多普勒效应提供了载波的频率调制。

这个概念的变体是FM连续波雷达，这里的载波是连续的 由锯齿波或三角波调制频率

FMCW雷达（Frequency Modulated Continuous Wave radar）

FMCW雷达是一种调频连续波雷达。这里载波信号频率f0由频率 f m（t） 调制，使得发射频率fi可以如下所示。

fi= f0+ fm（t）

多普勒雷达

多普勒雷达的工作原理基于多普勒效应原理。当多普勒雷达利用连续波进行传输时，多普勒雷达也被称为CW雷达。多普勒雷达系统频率通常在几千兆赫兹（GHz）范围内。该雷达原理：当固定目标时，返回信号的频率与发射波相同，而来自运动目标的返回信号的频率将根据多普勒频率进行偏移。通过测量发射频率和反射接收频率之间的差异，进而计算出目标的相对速度。

由于连续发射的形式，不知道发射和接收的时间戳，为了克服这个缺点，可以利用频率随时间的变化来进行测距，FMCW中测距也是这种情况。

FMCW雷达的工作功率比脉冲雷达低。它用于短距离的目标。

脉冲多普勒雷达

多普勒雷达的工作原理基于多普勒效应原理。当雷达的发射的是脉冲信号时，则成为脉冲多普勒雷达。

多普勒效应

多普勒效应 (Doppler effect) 是为纪念奥地利物理学家及数学家克里斯琴·约翰·多普勒（Christian Johann Doppler）而命名的。

雷达中的多普勒效应是一种频率变化的现象，即从移动目标反射时的雷达信号频率发生了变化。频率的变化与目标的速度和波长成正比，

多普勒雷达的工作原理基于多普勒效应原理。

雷达中的多普勒效应取决于目标相对于雷达系统的运动。有三种可能的情况。

· 如果目标接近雷达，反射信号频率会更高，表明多普勒频移为正。
· 如果目标远离雷达，反射信号频率会更低， 提示负多普勒频移。
· 如果目标相对于雷达是静止的，则没有频率变化（即零多普勒频移）。

参考：

RADAR tutorial | Tutorial on radar basics (rfwireless-world.com)

https://www.rfwireless-world.com/Tutorials/radar-tutorial.html

https://www.eetimes.com/radar-basics-part-1/

https://www.radartutorial.eu/index.en.html