雷达

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雷达（radar）是英文“Radio Detection and Ranging”（直译：“无线电探测与测距”）的缩写的音译，即用无线电波的反射信号发现目标并测定其空间位置、移动方向、速度、相对距离以及大概形状的电子设备。雷达被广泛应用于航空与航海导航、军事侦察和预警、气象观测以及太空探索等领域。

## 起源

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雷达的出现，始于二战前。虽然美、法等国亦注意到“以无线电探测目标的可能”，这在当时的学术界并不是秘密，但真正开始研制实用设备的是英、德2国。因北大西洋时常恶劣的天气，货运繁忙的伦敦港、朴茨茅斯港，及汉堡港时常发生轮船碰撞事故，英、德在两战间开发雷达的本意是在夜间或雾天协助钢铁货轮航行；而欲实现以无线电探测目标，需要大功率的电磁波发射源，这在当时是物理界的前沿技术；后发展出磁控管等一系列至今仍属高端技术的产品，历史证明各国均为此投入了大量资金和专业人员。因此英、德早期的研究人员均不约而同地找到政府申请投资，而政府又要求项目具有军事价值作为回报，从而在相互不知情的情况下，两国的雷达项目均成为了机密的军事项目。

## 各国雷达

两国雷达的最大不同在选择的频段。英国一开始选择了高频频段（High frequency/HF），频率在30MHz左右。因为这是英国当时技术能够得到的可靠的大功率发射器件的最高频率；由于波长太长，后来战时在英吉利海峡树立的天线极为庞大不可移动，对小物体的检测性能不好，战时实际用来探测德军机群而非单机；但是可以超视距工作，探测到因地球曲率处于地平线以下的机群或军舰。但在1939年英国发明磁腔管后便进入大功率微波雷达时代，并教导美国有关技术，美国因此在1941年后已能做出舰、机载雷达。英国于战争后期获得美国提供的雷达核心部件，频率范围和雷达品种才开始多样化。德国一直走错科技树，以洛伦玆波导为主，以VHF频段为主（德文Kurz，意思是短），频率200MHz-400MHz；由于磁控管技术的不成熟，功率密度太低，雷达体积巨大不可移动部署，也因技术的限制，只能用于测控，例如炸英国时测量自己在德方雷达站的方向及距离，只有当有敌机在两者中间飞过才感知（但却不知敌人在那），后来战时更率先发展出机载版本用于Bf 110G-4夜间战斗机上，可探测到单机，英国只有木结构的蚊式易躲过侦测；但英军当年的干扰技术基本上瘫痪了所有德国雷达。

二战期间列强的研究使得雷达技术得以快速的发展，雷达就已经出现了地对空、空对地（搜索）轰炸、空对空（截击）火控、敌我识别功能的雷达技术。二战以后，雷达发展了单脉冲角度跟踪、脉冲多普勒信号处理、合成孔径和脉冲压缩的高分辨率、结合敌我识别的组合系统、结合计算机的自动火控系统、地形回避和地形跟随、无源或有源的相位阵列、频率捷变、多目标探测与跟踪等新的雷达体制。

后来随着微电子等各个领域科学进步，雷达技术的不断发展，其内涵和研究内容都在不断地拓展。目前，雷达的探测手段已经由从前的只有雷达一种探测器发展到了雷达、红外光、紫外光、激光以及其他光学探测手段融合协作。

当代雷达的同时多功能的能力使得战场指挥员在各种不同的搜索/跟踪模式下对目标进行扫描，并对干扰误差进行自动修正，而且大多数的控制功能是在系统内部完成的。自动目标识别则可使武器系统最大限度地发挥作用，空中预警机和JSTARS这样的具有战场敌我识别能力的综合雷达系统实际上已经成为了未来战场上的信息指挥中心。

## 技术发展的过程

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早期的雷达天线是固定的、无方向的阵列，只有距离讯息。天线在一定的时间间隔内发射射频脉冲，将接收到的回波放大，并在示波器的CRT上显示（即常称的A显示），产生一个与目标位置对应的水平线，供雷达操作员识别目标的大致距离。

但由于当时所用的射频电波频率较低，为了有效地发射和接收射频信号，雷达系统需要一个很大的天线，这种天线不能迁移或者改变方向，而且只能探测到大目标，且距离信息的精度也很低。

到二战结束时，雷达系统中那些现在熟悉的特征—微波频率、抛物面天线和平面位置指示器显示，已建立起来。

当代雷达的主要特点：

- 同时多功能
- 感测器融合
- 高灵敏度
- 隐身
- 反隐身
- 雷达ECCM
- 自动目标识别
- 战场敌我识别
- 高可靠性

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- 1917年：尼古拉·特斯拉首次建立关于第一个原始的雷达的频率和功率电平的原则。特斯拉也声称了这是现代军用雷达的原理——高频交流电导致这方面的发展。特斯拉已经形成了在距离内使用无线电波侦测对象的概念。
- 1922年：无线电发展者之一马可尼提出一个新概念：在能见度极低时，可发射无线电波而凭“回声”（实为反射波）探测船只。
- 1922年：美国泰勒和杨建议在两艘军舰上装备高频发射机和接收机以搜索敌舰。
- 1924年：英国爱德华·阿普尔顿和巴尼特通过电离层反射无线电波测量赛层的高度。美国布莱尔和杜夫用脉冲波来测量亥维塞层。
- 1931年：美国海军研究实验室利用拍频原理研制雷达，开始让发射机发射连续波，三年后改用脉冲波。
- 1934年：法国人埃米尔说他正在“根据特斯拉规定的原则设想”来建立一个雷达系统。
- 1935年：A.L.Samuel最早研制出多腔磁控管的模型。同年法国Gutton用磁控管产生16厘米波长波，11月29日德国人H.E. Hollmann注册了一项更为出色的多腔磁控管专利。1939年H.A.H.布特和J.T.兰道尔制成了完全达到实用标准的多腔磁控管，从而使得大战中美国的分米级别雷达技术突飞猛进。而苏联却于40年代出版的刊物上声称两名苏联学者先于36年制成了多腔磁控管，意将发明归功于自己名下。
- 雷达作为夜间和雾天的海上探测式工具开始进行非军事化利用。1936年1月英国W.瓦特在索夫克海岸架起了英国第一个雷达站。此后，英国空军又增设了五个，它们在第二次世界大战中发挥了重要作用。
- 1937年：美国第一个军舰雷达XAF试验成功。
- 1943年：美国麻省理工学院研制出机载雷达平面位置指示器，可将运动中的飞机拍摄下来。他亦发明了可同时分辨几十个目标的微波预警雷达。
- 1947年：美国贝尔电话实验室研制出线性调频脉冲雷达。
- 50年代中期：美国装备了超距预警雷达系统，可以探寻超音速飞机。不久又研制出脉冲多普勒雷达。
- 1959年：美国通用电器公司研制出弹道导弹预警雷达系统，可跟踪3000英里外，600英里高的导弹，预警时间为20分钟。
- 1964年：美国设置了第一个空间轨道监视雷达，用于监视人造卫星或太空飞行器。
- 1971年：加拿大伊朱卡等3人发明全息矩阵雷达。与此同时，数位雷达技术在美国出现。

## 分类

### 按功能分类

- 搜索雷达
- 预警雷达
- 超地平线雷达
- 面搜索雷达
- 导航雷达
- 海岸监控雷达
- 港口监控雷达
- 反潜雷达
- 目标截获雷达
- 跟踪雷达
- 制导雷达
- 炮瞄雷达
- 机载雷达
- 1代雷达测距仪（F-86）
- 2代单脉冲（米格-21，幻影-3）
- 2.5代倒卡PD（米格23）/连续波（F-4）
- 3代平板缝隙阵列/多普勒/IRS）（三代机）
- 3.5代PESA（阵风/苏-35）
- 4代AESA/EODAS/EOTS（F-35/歼-20）
- 测高雷达
- 盲目着陆雷达
- 地形回避雷达
- 地形跟踪雷达
- 成像雷达
- 气象雷达
- 测速雷达
- 生物雷达

### 按工作体制分类

圆锥扫描雷达、单脉冲雷达、无源相控阵雷达、有源相控阵雷达、脉冲压缩雷达、频率捷变雷达、MTI雷达、MTD雷达、PD雷达、合成孔径雷达、噪声雷达、冲击雷达、双/多基地雷达、天/地波超视距雷达等。

### 按工作波长分类

米波雷达、分米波雷达、厘米波雷达、毫米波雷达、激光/红外雷达......

### 按测量目标坐标参数分类

两坐标雷达、三座标雷达、测速雷达、测高雷达、制导雷达等。

## 雷达方程

影响雷达探测距离的雷达方程其基本的公式是

$$P_r = {{P_t G_t}\over{4 \pi r^2}} \sigma {{1}\over{4 \pi r^2}} A_{eff}$$

其中

- $P_t$ = 雷达的发射功率（单位瓦特W）
- $G_t$ = 雷达天线增益（单位分贝db）
- $r$ = 雷达到探测目标的距离（单位米M）
- $\sigma$ = 目标的雷达截面积（单位RCS平方米）
- $A_{eff}$ = 接收天线的有效面积（单位平方米）
- $P_r$ = 接收到的雷达功率（单位瓦特W）

其中${{P_t G_t}\over{4 \pi r^2}}$为雷达波的功率密度（每瓦特米的平方）由雷达发射机产生。因电磁波的功率密度和距离平方成反比递减，而这个发射出去的雷达波功率密度在照射到目体表面后的雷达反射截面RCS为符号$\sigma$（米的平方）表示，被其目标表面雷达截面积反射其中一部分。因此这两项相乘的乘积就是到达目标后开始反射的雷达功率密度${{P_t G_t}\over{4 \pi r^2}} \sigma$而雷达波在次按照原路径从目标反射回来功率密度又一次乘平方反比递减${{1}\over{4 \pi r^2}}$，因此最后返回雷达接收天线的功率密度只剩下${{P_t G_t}\over{4 \pi r^2}} \sigma {{1}\over{4 \pi r^2}}$，而这个值最后还要在乘上雷达天线的有效接收面积$A_{eff}$。最后才是雷达接受到的功率。因此雷达的探测距离和目标的“雷达反射截面RCS、雷达功率、天线增益、天线接收面积这四项参数的大小的乘积的四次方根成正比。而雷达的RCS取决于目标物体的几何横截面积大小、反射率、和方向性。

## 外部链接

- "The Great Detective", 1946. Story of the development of radar by the Chrysler Corporation
- Christian Hülsmeyer and the early days of radar
- Radar: The Canadian History of Radar - Canadian War Museum
- Radar technology principles
- Ultrasonic Generator
- History of radar
- Radar invisibility with metamaterials
- Radar Research Center-Italy
- Early radar development in the UK
- Principles of radar target acquisition and weapon guidance systems
- Cloaking and radar invisibility
- The Secrets of Radar Museum
- 84th Radar Evaluation Squadron
- Radar
- EKCO WW II ASV radar units
- RAF Air Defence Radar Museum