雷達原理第一講:雷達是個什麼東東?

電磁波具有在自由空間傳播的特性，它是由相同且互相垂直的電場與磁場在空間中是以波動的形式傳播，其傳播方向垂直於電場與磁場構成的平面。電磁波在真空中速率固定，速度為光速。

雷達，是英文Radar的音譯，源於Radio Detection And Ranging的縮寫，意思為"無線電探測和測距"，即用無線電的方法發現目標並測定它們的空間位置。因此，雷達也被稱為「無線電定位」。雷達就是利用目標對電磁波的反射現象來發現目標並且測定其位置的，雷達的任務不僅能測量木的距離、方位和陽角，而且還能測量目標速度、以及從目標的回波中獲取更多有關目標特性的信息。

 二戰時，鑑於英國本土遭受到德國轟炸機的嚴重威脅，英國皇家空軍決定研製一種能遠距離偵察敵機軌跡的新型電子儀器。這個任務被交給了時任英國國家物理實驗室無線電研究室負責人羅伯特·沃特森-瓦特。

沃特森-瓦特又是誰呢？他跟那個發明蒸汽機的瓦特有啥關係？其實還真是有關係，它是發明蒸汽機詹姆斯·瓦特的親子孫。他從小就聰慧過人，小學、中學到大學做了一路的「學霸」。     

1932年，沃特森-瓦特與他人合寫了一篇詳細敘述無線電探測方面的報告。為了得到撥款，二人利用BBC廣播公司向軍方著名的 Daventry 試驗，獲得了成功。試驗利用廣播信號成功的探測到了飛機。證明沃特森-瓦特「實體定位」理論是可行的。     

「BBC短波站試驗」的結果讓英國空軍部大感興趣。自「BBC短波站試驗」以來，時任英國首相關照下，空軍部及時向沃特森-瓦特下達了研製雷達的授權。經過多次試驗，1935年2月26日，沃特森-瓦特進行了最後一場雷達實用探測試驗。探測裝置被安放在一臺載重汽車上，目標飛機從15千米外向載重汽車所在地點飛來。當飛機距離汽車12千米時，雷達裝置成功接收到了回波信號。1935年4月2日，沃特森-瓦特研製的一款無線電探測與定位裝置獲得專利。經過不斷改進，雷達的有效探測範圍變得越來越遠。

1936 年，英國人在本國東南海岸修建了5 部「沃森·瓦特」雷達，每部發射天線都有120 米高，接收天線也有80 米高，都是名副其實的龐然「巨眼」。這些巨眼的峰值功率高達350 千瓦，探測距離達到120 千米，至此，被稱為「本土鏈」的雷達警戒鏈雛形已成。在著名的「不列顛之戰」中，英國戰鬥機司令部依靠本土鏈雷達系統所提供的資信，痛擊了來犯的德國空軍轟炸機編隊，成功保住了英國南部區域的制空權。由於本土鏈雷達的巨大成功，羅伯特·沃森-瓦特被後人冠以「雷達之父」的頭銜。     

但當時只有極少數人知道本土鏈的存在，為了保密，皇家空軍想出了各種藉口解釋自己在夜間空戰中的優異表現，其中一個竟然是英軍飛行員吃了大量胡蘿蔔，所以在夜裡的視力非常好。

隨著雷達技術的發展，現代雷達的具體用途和結構不盡相同，但基本形式是一致的，包括:發射機、發射天線、接收機、接收天線，處理部分以及顯示器。還有電源設備、數據錄取設備、抗幹擾設備等輔助設備。

雷達所起的作用跟眼睛和耳朵相似，它的信息載體是無線電波，在真空中傳播的速度都是光速C，其原理是雷達設備的發射機通過天線把電磁波能量射向空間某一方向，處在此方向上的物體反射碰到的電磁波；雷達天線接收此反射波，送至接收設備進行處理，提取有關該物體的某些信息（目標物體至雷達的距離，距離變化率或徑向速度、方位、高度等）。

測量距離

就是是測量發射脈衝與回波脈衝之間的時間差，因電磁波以光速傳播，據此就能換算成雷達與目標的精確距離。

角度測量

在雷達技術中測量這兩個角位置基本上都是利用天線的方向性來實現的。雷達天線將電磁能量匯集在窄波束內, 當天線波束軸對準目標時, 回波信號最強,。當目標偏離天線波束軸時回波信號減弱, 如圖上虛線所示。根據接收回波最強時的天線波束指向, 就可確定目標的方向, 這就是角坐標測量的基本原理。

速度測量

測量速度原理是雷達根據自身和目標之間有相對運動產生的頻率都卜勒效應。雷達接收到的目標回波頻率與雷達發射頻率不同，兩者的差值稱為都卜勒頻率。從都卜勒頻率中可提取的主要信息之一是雷達與目標之間的距離變化率，而距離變換率就是目標相對於雷達的徑向速度。