雷达高度计

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雷达高度计（radar altimeter，简称为RA），又名电子高度计（electronic altimeter）、反射高度计（reflection altimeter）、无线电高度表（radio altimeter，RADALT）、低范围无线电高度表（low range radio altimeter，LRRA），是使用在飞机等航空器上测量高度，以它发射的电波从它下方的地形反射回来所需要的时间，测量飞机或太空船与下方的距离。这种类型的高度计提供天线和下方地表的直接距离，与基于平均海平面的气压高度计不同。

民用航空器上使用的无线电高度表一般为低高度无线电高度表（LRRA，Low Range Radio Altimeter），测量范围为-20到2,500英尺，通常用于航空器进近和着陆阶段，特别是在低能见度和自动着陆的情况下。无线电高度表是近地警告系统（GPWS）的基本组成部分。

## 原理

据名可究，该系统使用与雷达相同的原理。它向地面发射无线电波，进而根据电波传播时间和光速测算出离地高度。与使用阴极射线管的早期雷达系统不同，雷达高度计仅仅依靠简单的时间差来测量即可，所以能在常规仪表上得以显示。

为此，发射机需要发送一个调频信号。在给定时间 $T$ 内，该信号的频率在最小值 $F_{min}$ 和最大值 $F_{max}$ 之间往复变化。在早期设备中，这是通过小型电动机驱动的可调电容 LC 谐振回路实现的。该输出随后与射频载波信号混合，由发射天线发出。

由于信号往返地面需要时间，接收信号的频率相对于当前发送信号的频率存在些许延迟，这段时间差直接表征了高度信息。混频器可提取这两个频率的差值。其输出频率通常在每秒数百次（Hz）量级，而非兆赫（MHz）量级，因此能在模拟仪表上显示。该技术被称为。

雷达高度计显示的是绝对高度，即，这与标准气压高度计显示的指示高度不同。

截至2010年，所有商用雷达高度计均采用线性调频连续波（LFMCW或FMCW）技术，并且美国约25000架飞机都配备了至少一台无线电高度计。

## 历史

### 早期

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雷达高度计的原理概念并非源自整个雷达领域，而是起源于贝尔实验室对长距离电话通信的研究。在20世纪10年代，贝尔电话公司一直面临电话线路的阻抗变化所引起的信号反射问题，这些问题通常发生在设备与线路的连接处，而在接续站尤为明显。不匹配的阻抗会导致大量信号反射，从而极大阻碍了长距离电话通信的进行。

工程师们观察到，信号反射具有一种明显的“波峰波谷”规律：对于任何特定的信号频率，只有当设备位于线路的特定节点时，这一问题才会变得显著。由此，工程师们想到向线路发送测试信号并逐步改变其频率，直到接收到明显的回波为止。通过测量回波的时间，便可大致确定设备所在距离。这样即使在设置了大量接续站的复杂线路中，也能实现定位和纠正。

在贝尔实验室工作期间首次将这一现象应用于电线距离测量。他在该领域的早期成果之一，是1919年（1924年获批）的一项专利。该专利的核心思想是向铁轨发送信号，并测量到达“不连续点”的距离。这项技术最初可用于检测断轨，而如果测得的距离变化速率超过列车运行速度，亦可预警同一线路上有其他列车存在。

### 阿普尔顿对电离层的测量

在同一时期，物理学界围绕无线电波传播的性质展开了一场盛大的辩论。古列尔莫·马可尼成功跨大西洋的无线电信号传输，其原理在当时看来是难以置信的。无线电信号的研究表明，它们至少在远距离传输时是沿直线传播的，因此，在康沃尔发射的信号本应消失在太空，而不是在纽芬兰接收到。于是，人们提出了疑问：信号是如何穿越大洋的？

1902年，英国的奥利弗·黑维塞和美国的独立提出了一个假说：高层大气中存在一层电离层，该电离层能够将信号反射回地面，使其得以被接收，即后人所知的。

尽管理论很饱满，但直接证据却很缺乏。直到1924年，爱德华·阿普尔顿和才在与英国广播公司合作进行的一系列实验中成功证明了这种电离层的存在。当年，在例行传输结束后，英国广播公司位于伯恩茅斯的一台发射机发出信号，并缓慢提升其频率。此信号被阿普尔顿在牛津的接收器接收到，此时接收器记录了两个信号。一个信号是来自发射站的直接信号，即；另一个信号是经过更长时间到达哈维赛德层并反射回来的信号，即。

至此，证明天波信号确实是通过大气层回弹得来成为关键。这就是改变频率的目的所在：地面信号传播路径更短，到达接收器的时间更近，因此其频率与瞬间发射的频率更接近；而天波由于路径更长，传输时间更久，因此它承载的是一个“过去”的频率。

通过在混频器中混合二者可产生第三个具有独特频率的信号，该频率携带了两个输入信号之间频率差异的编码。由于该新频率差异源于传输路径的差异，因此它能直接表示信号的传输路径长度。尽管技术上更为复杂，但它本质上就是贝尔公司最初用于测量电线中反射体距离的基础技术原理。

### 埃弗里特与纽豪斯

1929年，俄亥俄州立大学教授开始考虑将阿普尔顿的基本技术应用于高度计系统。他将此项目交由两位大四学生和 M. W. 哈维尔（M. W. Havel）负责。他们的实验系统更接近贝尔实验室早期的工作，即利用频率变化来测量导线两端的距离。两人以该系统作为了1929年的一项联合毕业论文课题发表。

埃弗里特向美国专利局透露了该概念，但当时并未提交专利。随后，他寻求了的开发资金。基金会秘书吉米·杜利特尔联系了贝尔实验室的万尼瓦尔·布什寻求判断。布什对当时该系统能否成熟开发持怀疑态度，但仍建议基金会资助开发一个原型。这使得纽豪斯得以搭建一台实验设备，并将其作为与 J. D. 科利（J. D. Corley）合作的1930年硕士论文基础。

该原型设备随后被带到，由著名的飞机导航专家进行测试。赫根伯格发现该系统运作符合预期，但指出要实现实用化，必须将其频率提升到更高。

### 埃斯蓬希德与纽豪斯

埃斯蓬希德也曾考虑应用阿普尔顿的方法进行高度测量。1926年，他提出了该概念，不仅作为测量高度的方法，还将其视为一种预见性的、用于地形规避和碰撞检测的系统。然而，当时所用的短波无线电频率比实际所需的频率低了五十倍。

埃斯蓬希德最终在1930年为该方法申请了专利。那时，纽豪斯已经离开了俄亥俄州立大学，并在贝尔实验室找到了工作。在这里，他遇到了对无线电导航课题同样感兴趣的彼得·桑德雷托（Peter Sandretto）。桑德雷托于1932年离开贝尔，成为美联航的通信主管，负责引领商用无线电系统的开发。

埃斯蓬希德的专利直到1936年才获批，其发布引发了极大的关注。与此同时，贝尔实验室正在研发新的电子管，它们能在高达 500MHz 的频率下输出5至10瓦的功率，完美符合该应用的需求。这促使桑德雷托联系贝尔。在1937年，贝尔实验室与美联航建立了合作关系，目标是构建一个实用的检测系统。在纽豪斯的带领下，一个团队于1938年初完成了原型测试，西部电气（当时为贝尔门下的制造部门）也为生产模型做好了准备。纽豪斯也基于此工作提交了多项技术改进专利。

### 商业应用

雷达高度测量系统于1938年10月8日和9日首次公开亮相。二战期间，美国无线电公司接手了大规模生产，型号分别为ABY-1和RC-24，战后则由多家公司接手。随着盲降的普遍化，该系统成为许多飞机的标准设备。

次年，埃斯蓬希德和纽豪斯联合发表了一篇描述该系统的论文。该论文分析了系统的误差来源，并得出结论，最坏情况下固有的误差约为9%，但在飞行至城市建成区等复杂地形时，此误差可能高达10%。

在系统早期的飞行测试中，人们注意到示波器上显示的信号返回模式会根据飞机下方地形的不同类型呈现出独特的规律。这为该技术开辟了包括地面扫描和导航等各种用途的可能性。然而，当时贝尔实验室尚未能探索这些概念。

### 通用雷达系统的应用

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从19世纪末以来，人们便知晓金属和水是优秀的无线电信号反射体。自那时起，科学家们便尝试开发过无数用于探测船只、列车和冰山等目标的设备。然而，这些早期尝试大多存在显著的实际限制，主要是因为它们使用了低频信号，而低频信号的良好性能要求天线必须足够巨大。与此相比，工作基频为450 MHz的贝尔天线是其时代最高频率的系统之一，故其具有极大的实用性。

在加拿大，国家研究委员会开始以贝尔高度计为基础开发车载雷达系统。1940年10月，英国研究人员参加访问加拿大时得知此事。这让英国人感到极大震惊，因为此前英国人一直以为自己是唯一参与该概念研究的国家。眼见该想法已不再是秘密，访问团便向加拿大国家研究委员会展示了其生产级设计方案。基于贝尔的原型设计最终被放弃，转而采用开发更完善、以更高功率运行的英国。

在法国，IT&T法国分部的研究人员当时也在进行类似的雷达实验，直到德军入侵巴黎的实验室。为防止研究成果落入德国人手中，实验室被故意销毁。德军技术人员在瓦砾堆中发现了天线并追问缘由。IT&T 的研究主管将杂志封面上的高度计展示给他们看，声称他们对最新的导航技术了解不够，以此成功地转移了德军的怀疑焦点。

## 实际应用

### 民用航空

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雷达高度计广泛用于商用飞机的进近和着陆阶段，尤其是在低能见度条件下（参见仪表飞行规则）以及自动着陆过程中。当飞机在距地面 200–300 英尺（61–91 米）以下并进入下滑道截获模式时，雷达高度计可让自动驾驶系统判断何时开始动作。雷达高度计同时还会向自动油门系统提供数据，而自动油门系统属于飞行计算机的一部分。

雷达高度计通常只能提供最高至距地面 2,500 英尺（760 米）的高度读数。很多情况下，机载气象雷达也可向下探测，从而获得更远距离的数据，最高可达距地面 60,000 英尺（18,000 米）。截至 2012 年，所有客机至少配备两台雷达高度计，有些甚至更多，因为它们对自动着陆能力至关重要。20 世纪 60 年代的老式客机（如英国飞机公司 BAC 1-11）以及 50 座以下的小型支线客机（如 ATR 42 和宇航捷流系列）也都配备了雷达高度计。

雷达高度计也是近地警告系统的关键组成部分。当飞机飞得过低或下降速度过快时，它会向飞行员发出警报。不过，雷达高度计无法探测飞机前方地形，只能测量正下方地面的距离；若要实现前视地形探测，则需要结合飞机位置与地形数据库，或使用前视地形雷达。雷达高度计天线的主波束较宽，约为 80°，因此在横滚角不超过约 40° 时，雷达测得的是飞机到地面的距离（至最近大型反射物的距离）。这是因为系统会以每个采样周期返回的首个信号来计算距离。只有当横滚或俯仰超过约 40° 时，系统才会开始测量斜距。不过，这在着陆过程中并不是问题，因为飞机的俯仰和横滚通常不会超过 20°。

民航使用的无线电高度计工作在 IEEE C 波段，即 4.2–4.4 GHz 频率范围内。

2022 年初在美国，部分 5G 手机基站可能对无线电高度计产生干扰，导致一些航班延误，甚至少量航班取消。

### 军用航空

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雷达高度计同样广泛应用于军用飞机，使其能够贴近地面或海面低空飞行，以规避雷达探测、防空炮火或地对空导弹的锁定。与之相关的一项技术是地形追沿雷达（TFR），它能够让战斗轰炸机以极低高度飞行。

澳大利亚皇家空军和美国空军装备的 F-111 战斗机 配备了前视地形追沿雷达，并通过数字计算机与自动驾驶仪连接。在机头雷达罩下方安装有两套独立的 TFR 天线，分别向双通道 TFR 系统提供数据。一旦该系统发生故障，F-111 还可启用备用雷达高度计系统，该系统同样与自动驾驶仪相连。

因此，如果 F-111 因任何原因下降到预设最低高度以下（例如 15 米），自动驾驶系统便会立即指令飞机执行 2G 拉升动作（即大仰角快速爬升），以避免撞击地面或海面。即便是在战斗环境中，撞地风险通常也远高于被敌方发现的风险。澳大利亚和美国装备的F/A-18 “超级大黄蜂”战斗机也采用了类似系统。

## 国际监管

国际电信联盟（ITU）在（RR）第 1.108 条中，将无线电高度计定义为：“安装于航空器或航天器上的设备，用于测定航空器或航天器相对于地球表面或其他表面的高度。”

无线电导航设备应依据其永久或临时运行所属的无线电通信业务进行分类。无线电高度计设备被归类为，并且是导航系统中的关键组成部分，因此必须受到严格的抗干扰保护。

## 另请参阅

- 高度表
- 光学雷达