雷達的誕生！
1864年,英國人麥克斯韋建立了電磁理論的基本公式,出版了<<電磁場動力學>>,拉開了人類對電磁波(無線電波)認識和應用的序幕.進入20世紀,無線電波開始應用於軍事領域,但是直到一戰末期,其用途主要局限於通訊領域.不過,無線電波的應用潛力已獲得各國的廣泛認同.20世紀30年代來臨時,美.英.法.德以及蘇聯等國相繼在無線電探測領域取得突破,雷達的概念(RADAR,既radio detection and ranging的縮寫,意為"無線電探測與測距")開始進入實用化階段,並在接踵而至的第二次世界大戰中粉墨登場,廣泛應用於各國的防空戰場.
20世紀30年代.隨著納粹德國空軍的日益壯大,隔海相望的日不落帝國感受到明顯的壓力.英國專門成立了防空科學研究委員會在無線電偵測這一領域進行深入研究.研究的角度之一就是要找到一種"死亡射線'',或使飛行員失去行為能力,或使發動機停車,或者乾脆引爆飛機.因此,委員會找到了英國國家物理實驗室的瓦特,希望從他那裡得到更加專業的意見和建議.
1935年1月.瓦特在給委員會的回覆中除了分析製造"死亡射線''的可能性外,還著重指出,利用無線電波的探測功能雖然存在一定困難,但比之利用其破壞功能,前者的難度要小很多.而且,他本人也可以很快的拿出實現無線電波探測功能的具體方案.由於受到上層的大力支持,瓦特的設想很快付諸實施.當年6月,他成功的利用位於達文特裡的BBC短波廣播站無線電波,探測到8英裡外飛行的"黑福德''雙翼轟炸機.這一重大突破被包括今天的許多史料視為雷達的誕生,試驗的成功也理所當然地吸引了更多來自政府的支持.在空軍部的資助下,瓦特開始在毗鄰海岸線的地方建立了為數眾多的雷達基站.到36年8月,已有7座基站投入使用,這就是鏈向雷達網的起源.
實際上.鏈向雷達站的原理非常簡單,大部分技術來源於瓦特對英國廣播公司和高頻無線電波的了解.最先推出的雷達系統是AMES-1型,主要用於遠程探測.AMES是Air Ministry Experimental Station 的縮寫,意為空軍部試驗站.每個雷達基站都使用裝在固定支架上的大型天線,所謂的支架實際上都是高達120米的鐵塔,用以支撐這組發射功率達到350千瓦的廣角發射天線,發射頻率為20--30兆赫(類似於當時的高頻雷達).脈衝重複頻率為每秒12.5--25次.接收天線則安裝在4座80米高的獨立支架上.整個基站顯得龐大異常,因為無法轉動天線進行掃描.所以只能覆蓋正前方100度的區域.
此後，英國科學家繼續研發新的雷達技術，以至於到了二戰後期，英國的雷達技術已經超過德國。在雷達網鏈的幫助下，英國皇家空軍可以提前判定德軍飛機數量，航向，速度等關鍵指標，以最有利的方式組織戰鬥機群進行攔截和阻擊，最終以絕對劣勢的飛機數量抵擋住了數倍於己的德軍空襲，守住了英倫三島，成為歐洲唯一沒有淪陷的國家。
都卜勒效應是雷達測速的基石
提到雷達的原理，就不得不提都卜勒效應。都卜勒效應Doppler effect是為紀念奧地利物理學家及數學家克裡斯琴·約翰·都卜勒（Christian Johann Doppler）而命名的，他於1842年首先提出了這一理論。1842年的一天，他正路過鐵路交叉處，恰逢一列火車從他身旁馳過，他發現火車從遠而近時汽笛聲變響，音調變尖，而火車從近而遠時汽笛聲變弱，音調變低。他對這個物理現象感到極大興趣，並進行了研究。發現這是由于振源與觀察者之間存在著相對運動，使觀察者聽到的聲音頻率不同于振源頻率的現象。這就是頻移現象。因為，聲源相對於觀測者在運動時，觀測者所聽到的聲音會發生變化。當聲源離觀測者而去時，聲波的波長增加，音調變得低沉，當聲源接近觀測者時，聲波的波長減小，音調就變高。音調的變化同聲源與觀測者間的相對速度和聲速的比值有關。這一比值越大，改變就越顯著，後人把它稱為「都卜勒效應」。
觀察者 (Observer) 和發射源 (Source) 的頻率關係為：
為觀察到的頻率；
為發射源於該介質中的原始發射頻率；
為波在該介質中的行進速度；
為觀察者移動速度，若接近發射源則前方運算符號為 + 號, 反之則為 - 號；
為發射源移動速度，若接近觀察者則前方運算符號為 - 號，反之則為 + 號。
通過這個公式，我們就知道火車接近你的時候音調變化的原因：公式中分母是聲音傳播速度和觀察者速度之和（v+v0），分子是聲音傳播速度和火車速度之差（v-vs），然後和聲源原始頻率（）進行乘法運算。觀察者接受到的頻率
比火車笛聲的原始頻率變高，所以聽到的火車鳴笛音調變高。反之，當觀察者和火車遠離的時候，分母減法運算變小，分子加法運算變大，計算得到的頻率比火車鳴笛的原始聲音頻率變低，故聽到音調變低。
如果有兩個觀測者，他們觀察方向成90度交叉，那麼根據頻率變化就可以得出在XY兩個方向上的變化。最終可以用來測定發射源的的位置。這就是雷達測速測向的原理。
那麼距離和高度如何測量呢?
說出來你都不信，就這麼簡單，如下圖：
雷達發射的電波，有一個仰角，收到無線電電電波有一個時間差，時間差乘以無線電波的速度（當時科學家卡婁拉斯和米泰斯塔德於1928年，已經精確測量了光速=299793Km/s，詳見本公眾號的另外一篇文章，光速時如何測量的），就是目標離雷達的距離往返裡程。除以2就是直線距離。知道了仰角和斜邊，利用三角公式就可以很簡單的算出垂直高度和地面投影距離。
如何避開雷達
這個從原理上來說非常好理解，之所以物體會被雷達測到，是因為物體會反射無線電電波。只要讓電波無法原路返回就好了！要麼就用材料吸收，你來的探測波我全都給你吸收了，你收不到回聲就看不到我。要麼就用折射方法，讓你發出的探測波不返回到你發射的方向上而是轉移到別的方向上。
老美的B2隱形轟炸機採用了上述兩種方法的綜合，造價及其昂貴！在海灣戰爭和波赫戰爭中，視對方雷達為無物，橫衝直撞，用精確制導炸彈百發百中，自身卻從來沒被擊落。確切的說，除了用衛星，其他方法根本就找不到這龐然大物！
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