科普:雷达

一、雷达是什么?

    雷达(RADAR),是英文 Radio Detection and Ranging (无线电侦测和定距)的缩写及音译。最初的雷达就指主动式雷达,它原理是“将电磁波以定向方式发射至空间之中,借由分析所反射回来得电磁波,来得到电磁波遇到物体的方向、高度、速度、距离,形状等”,现在一般我们说的雷达的是一种借由电磁波探测物体状态(包括 方向 速度 距离 形状等)的系统或者装置。

二、雷达的基本组成

    雷达系统的主要组成部分有信号发生器、天线、信号接收器、信号处理单元、控制单元,其中信号发生器产生特定波段电磁波,天线接收和发射波束,信号接收器从天线获取特定信号并放大,信号处理单元处理数据,控制器是根据信号解析的信息做出来接下来动作(比如跟踪信号源,显示信号距离等)。

三、雷达的分类和应用场景

    雷达可以根据其用途、工作方式、使用电磁波波长等方式进行进行分类,这里主要针对雷达使用波长稍微展开,对于电磁波有以下三条基本定理:

  1. c=fλ 其中c是光速,是固定常数, f是频率, λ是波长;
  2. E=hf 其中E是能量 ,h是普朗克常数 f是频率;
  3. y = mλ / d 其中 y代表衍射(能够绕过物体到达物体背后的能力)能力,m是衍射常数,λ是光的波长,d是狭缝的宽度

根据上述定理,我们可以得出以下结论:

1. 电磁波波长越短则:

  • 能量更密集:能够携带的信息更多,但也会使得功耗变得更高;
  • 折射更强 :遇到比较小的物体也能够使之反射回来、位置判断也更加精确;
  • 穿透力更强:越短的波越难以绕过物体传播,所以有更强的穿透物体传播能力, 甚至可以用来探测物体内部结构(X光),但是穿透物体就会被物体吸收,会出现能量衰减(电磁炉) ;
  • 特定环境下传播距离短:根据上两条来看在有微小颗粒散布空间(雨天、雾天、火灾现场),越短的波越容易被折射以及发生穿透衰减,传播距离更短。

2. 电磁波波长越长则:

  • 能耗低、但通信传递信息量也少;
  • 折射反射弱,定位更加粗糙;
  • 穿透力弱:绕过物体的波更多;
  • 特定环境下传播距离更长:在雨天、雾天、火灾现场通信距离更远;

    综合来看 雷达使用不同长度的电磁波都有各自的优势和劣势,实际情况下 人类根据实际场景采用使用各种波长的雷达,也有把不同波段雷达结合在一起进行使用。下面举几个雷达相关例子:
    1 车载雷达
    激光雷达精度很高,一般范围是毫米和厘米级别的,但是在雨天、雾天,空气中有大量的雾滴: 大雾滴大小(20微米~100微米)小雾滴 (0.5~20微米),激光雷达波长 1000nm左右,常见的波长有850nm,905nm和1550nm,它的波长都小于这些雾滴的直径,所以在这些天气下 激光雷达探测距离 大打折扣;
    毫米波雷达精度是分米级(10cm),毫米波雷达可发射波长为 1-10mm,可以有效的绕过雾滴,在恶劣天气下也可以正常工作。所以一般智能汽车会有 摄像头/激光雷达/毫米波雷达配合使用,以应对不同的场景,可见光摄像头可以认为是一种被动式自然光雷达。

    2 隐形战机
    目前世界上的隐形战机不是肉眼看不见,而是采用了一系列技术减小了其被雷达系统探测到的概率,其中有两个重要的项是:

  • 减小雷达截面积: 隐形战机的外形和结构被设计成最小化雷达截面积,即雷达波击中飞机后被反射回去的有效截面,这通常要采用角度较小的表面、平滑的曲线和特定几何形状的设计。
  • 雷达吸收材料: 隐形战机表面通常覆盖有吸收特定波段电磁波的特殊涂层或材料。这些材料能够吸收电磁波的能量,减少反射,从而减小雷达截面,吸收电磁波能量的材料涂层其实很常见,只不过吸收的率有高低,比如常见的太阳能电池板,就可以达到20%~30%。
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