雷达的起源
雷达(RADAR),是英文 Radio Detection and Ranging(无线电侦测和定距)的缩写。这几个单词既说明了雷达的技术来源于无线电,又说明了它的用途——探测目标的存在并确定目标的位置。
雷达主要由天线、发射机、接收机(包括信号处理机)和显示器等部分组成。雷达发射机产生足够的电磁能量,经过收发转换开关传送给天线。天线将这些电磁能量辐射至大气中,集中在某一个很窄的方向上形成波束,向前传播。电磁波遇到波束内的目标后,将沿着各个方向产生反射,其中的一部分电磁能量反射回雷达的方向,被雷达天线获取。天线获取的能量经过收发转换开关送到接收机,形成雷达的回波信号。接收机放大微弱的回波信号,经过信号处理机处理,提取出包含在回波中的信息,送到显示器,显示出目标的距离、方向、速度等。
最早投入实用的军用雷达是由英国研制的。英国物理学家罗伯特·沃森-瓦特(Robert Watson-Watt)在20世纪30年代初就利用无线电波探测电离层,使用阴极射线管接收和显示无线电回波,并记录电波从发射到反射回来的时间,从而确定电离层的高度。1935年1月,他受英国军方委托,研究利用电波探测空中的飞机,利用已取得的研究成果,迅速研制出对空警戒雷达的试验装置。2月26日,沃森-瓦特为军方进行雷达演示,探测到了16km外的飞机。后来经过改进,到1936年1月,沃森-瓦特研制的雷达探测距离已达120km。
在第二次世界大战(以下简称二战)期间,雷达技术得到了快速发展,以英国、美国为代表的西方国家相继开发了地对空(预警)、空对地(搜索)轰炸、空对空(截击)火控、敌我识别等多种功能的雷达装备。
英国物理学家罗伯特·沃森-瓦特(1892~1973)
第二次世界大战时期英国部署的对空警戒雷达
二战后,世界进入持续近半个世纪的冷战时期。在美、苏军备竞赛的直接刺激和推动下,雷达系统技术飞速发展,并且获得了更加广泛的应用。
经过80多年的发展,雷达系统出现了许多新体制,如脉冲压缩雷达、合成孔径雷达、毫米波雷达、全相参雷达、相控阵雷达、超视距雷达、三坐标雷达、双/多基地雷达和单脉冲雷达等。而在雷达发展中应用了许多新技术,如脉冲多普勒技术、低截获概率技术、多传感器融合技术、自动检测和跟踪技术、信号处理新技术等。
TIPS
从仿生学的角度来说,蝙蝠具有的“回声定位”功能与雷达的工作原理完全相仿,因此蝙蝠有“活雷达”之称。
蝙蝠在夜间飞行时,能连续不断地发出高频率超声波。如果碰到障碍物或飞舞的昆虫,这些超声波就能反射回来,被它们超凡的大耳廓接收,再传入大脑进行分析。这种超声波探测灵敏度和分辨力很高,使蝙蝠根据回声不仅能判别方向,为自身飞行路线定位,还能辨别不同的昆虫或障碍物,进行有效的回避或追捕。蝙蝠发射超声波也像雷达一样,都是相距极短的时间而且极有规则,并且每只蝙蝠有其固有的频率,这样蝙蝠可分清自己的声音,不致发生扰乱。
再举一个贴近生活的例子,能够更容易理解雷达的工作原理。人在山里大声叫喊,往往会听到对面大山的回声。在叫喊时,声带振动而产生声波,相当于雷达发射机产生的电磁波;为了让声音传得尽量远,一种办法是用力提高音量,相当于雷达发射机提高发射功率,另一种办法是借助喊话筒或用双手在嘴边卷个“喇叭”,使声音集中向某一个方向发射,相当于雷达的指向天线;而雷达接收机的作用则与人的耳朵相仿,用以接收雷达发射机所发出电磁波的回波。
蝙蝠的“回声定位”功能示意
雷达工作原理示意