雷達

雷達（radar）是英文「Radio Detection and Ranging」（直譯：「無線電探測與測距」）的縮寫的音譯，即用無線電波的反射信號發現目標並測定其空間位置、移動方向、速度、相對距離以及大概形狀的電子設備。雷達被廣泛應用於航空與航海導航、軍事偵察和預警、氣象觀測以及太空探索等領域。

起源

雷達的出現，始於二戰前。雖然美、法等國亦注意到「以無線電探測目標的可能」，這在當時的學術界並不是秘密，但真正開始研製實用設備的是英、德2國。因北大西洋時常惡劣的天氣，貨運繁忙的倫敦港、樸茨茅夫港，及漢堡港時常發生輪船碰撞事故，英、德在兩戰間開發雷達的本意是在夜間或霧天協助鋼鐵貨輪航行；而欲實現以無線電探測目標，需要大功率的電磁波發射源，這在當時是物理界的前沿技術；後發展出磁控管等一系列至今仍屬高端技術的產品，歷史證明各國均為此投入了大量資金和專業人員。因此英、德早期的研究人員均不約而同地找到政府申請投資，而政府又要求項目具有軍事價值作為回報，從而在相互不知情的情況下，兩國的雷達項目均成為了機密的軍事項目。

各國雷達

兩國雷達的最大不同在選擇的頻段。英國一開始選擇了高頻頻段（High frequency/HF），頻率在30MHz左右。因為這是英國當時技術能夠得到的可靠的大功率發射器件的最高頻率；由於波長太長，後來戰時在英吉利海峽樹立的天線極為龐大不可移動，對小物體的檢測性能不好，戰時實際用來探測德軍機群而非單機；但是可以超視距工作，探測到因地球曲率處於地平線以下的機群或軍艦。但在1939年英國發明磁腔管後便進入大功率微波雷達俱樂部，並教導美國有關技術，美國因此在1941年後已能做出當時的船、飛機載雷達。英國於戰爭後期獲得美國提供的雷達核心部件，頻率範圍和雷達品種才開始多樣化。德國一直走錯科技樹，以洛倫玆波導為主，以VHF頻段為主（德文Kurz，意思是短），頻率200MHz-400MHz；由於磁控管技術的不成熟，功率密度太低，雷達體積巨大不可移動部署，也因技術的限制，只能用於測控，例如炸英國時測量自己在德方雷達站的方向及距離，只有當有敵機在兩者中間飛過才感知（但卻不知敵人在那），後來戰時更率先發展出機載版本用於Bf 110G-4夜間戰鬥機上，可探測到單機，英國只有木結構的蚊式易躲過偵測；但英軍當年的干擾技術基本上癱瘓了所有德國雷達。

二戰期間列強的研究使得雷達技術得以快速的發展，雷達就已經出現了地對空、空對地（搜索）轟炸、空對空（截擊）火控、敵我識別功能的雷達技術。二戰以後，雷達發展了單脈衝角度跟蹤、脈衝多普勒信號處理、合成孔徑和脈衝壓縮的高解像度、結合敵我識別的組合系統、結合計算機的自動火控系統、地形迴避和地形跟隨、無源或有源的相位陣列、頻率捷變、多目標探測與跟蹤等新的雷達體制。

後來隨着微電子等各個領域科學進步，雷達技術的不斷發展，其內涵和研究內容都在不斷地拓展。目前，雷達的探測手段已經由從前的只有雷達一種探測器發展到了雷達、紅外光、紫外光、激光以及其他光學探測手段融合協作。

當代雷達的同時多功能的能力使得戰場指揮員在各種不同的搜索/跟蹤模式下對目標進行掃瞄，並對干擾誤差進行自動修正，而且大多數的控制功能是在系統內部完成的。自動目標識別則可使武器系統最大限度地發揮作用，空中預警機和JSTARS這樣的具有戰場敵我識別能力的綜合雷達系統實際上已經成為了未來戰場上的信息指揮中心。

技術發展的過程

早期的雷達天線是固定的、無方向的陣列，只有距離訊息。天線在一定的時間間隔內發射射頻脈衝，將接收到的回波放大，並在示波器的CRT上顯示（即常稱的A顯示），產生一個與目標位置對應的水平線，供雷達操作員識別目標的大致距離。

但由於當時所用的射頻電波頻率較低，為了有效地發射和接收射頻信號，雷達系統需要一個很大的天線，這種天線不能遷移或者改變方向，而且只能探測到大目標，且距離信息的精度也很低。

到二戰結束時，雷達系統中那些現在熟悉的特徵—微波頻率、拋物面天線和平面位置指示器（英語：Plan position indicator）顯示，已建立起來。

當代雷達的主要特點：

同時多功能
感測器融合
高靈敏度
隱身
反隱身
雷達ECCM
自動目標識別
戰場敵我識別
高可靠性

1917年：尼古拉·特斯拉首次建立關於第一個原始的雷達的頻率和功率電平的原則。特斯拉也聲稱了這是現代軍用雷達的原理——高頻交流電導致這方面的發展。特斯拉已經形成了在距離內使用無線電波偵測對象的概念。
1922年：無線電發展者之一馬可尼提出一個新概念：在能見度極低時，可發射無線電波而憑「回聲」（實為反射波）探測船隻。
1922年：美國泰勒和楊建議在兩艘軍艦上裝備高頻發射機和接收機以搜索敵艦。
1924年：英國愛德華·阿普爾頓和巴尼特通過電離層反射無線電波測量賽層的高度。美國貝理雅和杜夫用脈衝波來測量亥維塞層。
1931年：美國海軍研究實驗室利用拍頻原理研製雷達，開始讓發射機發射連續波，三年後改用脈衝波。
1934年：法國人埃米爾說他正在「根據特斯拉規定的原則設想」來建立一個雷達系統。
1935年：A.L.Samuel最早研製出多腔磁控管的模型。同年法國Gutton用磁控管產生16厘米波長波，11月29日德國人H.E. Hollmann註冊了一項更為出色的多腔磁控管專利。1939年H.A.H.布特和J.T.蘭道爾製成了完全達到實用標準的多腔磁控管，從而使得大戰中美國的分米級別雷達技術突飛猛進。而蘇聯卻於40年代出版的刊物上聲稱兩名蘇聯學者先於36年製成了多腔磁控管，意將發明歸功於自己名下。
雷達作為夜間和霧天的海上探測式工具開始進行非軍事化利用。1936年1月英國W.瓦特在索夫克海岸架起了英國第一個雷達站。此後，英國空軍又增設了五個，它們在第二次世界大戰中發揮了重要作用。
1937年：美國第一個軍艦雷達XAF試驗成功。
1943年：美國麻省理工學院研製出機載雷達平面位置指示器，可將運動中的飛機拍攝下來。他亦發明了可同時分辨幾十個目標的微波預警雷達。
1947年：美國貝爾電話實驗室研製出線性調頻脈衝雷達。
50年代中期：美國裝備了超距預警雷達系統，可以探尋超音速飛機。不久又研製出脈衝多普勒雷達。
1959年：美國通用電器公司研製出彈道導彈預警雷達系統，可跟蹤3000英里外，600英里高的導彈，預警時間為20分鐘。
1964年：美國設置了第一個空間軌道監視雷達，用於監視人造衛星或太空飛行器。
1971年：加拿大伊朱卡等3人發明全息矩陣雷達。與此同時，數位雷達技術在美國出現。

分類

按功能分類

搜索雷達
- 預警雷達
  - 超地平線雷達
- 面搜索雷達
  - 導航雷達
- 海岸監控雷達
- 港口監控雷達
- 反潛雷達
- 目標截獲雷達
跟蹤雷達
制導雷達
炮瞄雷達
機載雷達
- 1代雷達測距儀（F-86）
- 2代單脈衝（米格-21，幻影-3）
- 2.5代倒卡PD（米格23）/連續波（F-4）
- 3代平板縫隙陣列/多普勒/IRS）（三代機）
- 3.5代PESA（陣風/蘇-35）
- 4代AESA/EODAS/EOTS（F-35/殲-20）
測高雷達
盲目着陸雷達
地形迴避雷達
地形跟蹤雷達
成像雷達
氣象雷達
測速雷達
生物雷達（英語：Bioradiolocation）

按工作體制分類

圓錐掃描雷達、單脈衝雷達、無源相控陣雷達、有源相控陣雷達、脈衝壓縮雷達、頻率捷變雷達、MTI雷達、MTD雷達、PD雷達、合成孔徑雷達、噪聲雷達、衝擊雷達、雙/多基地雷達、天/地波超視距雷達等。

按工作波長分類

米波雷達、分米波雷達、厘米波雷達、毫米波雷達、激光/紅外雷達......

按測量目標坐標參數分類

兩坐標雷達、三座標雷達、測速雷達、測高雷達、制導雷達等。

雷達方程

影響雷達探測距離的雷達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

$P_{t}$ = 雷達的發射功率（單位瓦特W）
$G_{t}$ = 雷達天線增益（單位分貝db）
$r$ = 雷達到探測目標的距離（單位公尺M）
$\sigma$ = 目標的雷達截面積（單位RCS平方米）
$A_{eff}$ = 接收天線的有效面積（單位平方米）
$P_{r}$ = 接收到的雷達功率（單位瓦特W）

其中 ${{P_{t}G_{t}} \over {4\pi r^{2}}}$ 為雷達波的功率密度（每瓦特米的平方）由雷達發射機產生。因電磁波的功率密度和距離平方成反比遞減，而這個發射出去的雷達波功率密度在照射到目體表面後的雷達反射截面RCS為符號 $\sigma$ （米的平方）表示，被其目標表面雷達截面積反射其中一部份。因此這兩項相乘的乘積就是到達目標後開始反射的雷達功率密度 ${{P_{t}G_{t}} \over {4\pi r^{2}}}\sigma$ 而雷達波在次按照原路徑從目標反射回來功率密度又一次乘平方反比遞減 ${{1} \over {4\pi r^{2}}}$ ，因此最後返回雷達接收天線的功率密度只剩下 ${{P_{t}G_{t}} \over {4\pi r^{2}}}\sigma {{1} \over {4\pi r^{2}}}$ ，而這個值最後還要在乘上雷達天線的有效接收面積 $A_{eff}$ 。最後才是雷達接受到的功率。因此雷達的探測距離和目標的「雷達反射截面RCS、雷達功率、天線增益、天線接收面積這四項參數的大小的乘積的四次方根成正比。而雷達的RCS取決於目標物體的幾何橫截面積大小、反射率、和方向性。

參考資料

外部連結

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

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