揭秘雷達工作原理:靠異頻雷達辨識飛機!

　　【PConline 技術分析】馬航失聯客機MH370的搜救工作引起了公眾對於如何追蹤飛機的諸多疑問，除了上期我們提到的衛星《中美衛星馬航失聯客機搜救陣容全解析》，追蹤飛機方位的另一個重要手段就是雷達。雪梨大學航空航天、機械與機電一體化工程學院的格雷厄姆·布魯克博士表示，雷達在第二次世界大戰前問世，隨後一直不斷進化，性能也得以提升。

　　那麼，本期乾貨帖就來跟大家聊聊：雷達那點事。從描述中，我們似乎也能窺探到一些在馬航MH370搜尋工作中，為何雷達突然啞火的蛛絲馬跡……

■雷達的概念和基本工作原理

　　雷達的英文「Radar」就是無線電探測和測距（radio detection and ranging）的英文首字母縮寫。最簡單的雷達由發射機和接收器構成，發射機天線朝著一個特定的方向發射無線電信號，接收器負責探測信號行進途中遇到的物體反射的「回聲」。

　　發射機的電路以一個特定的頻率振蕩，頻率通常高於電臺或者電視廣播的頻率。這種信號藉助天線以短電磁能脈衝的形式發送，也就是我們通常所說的「脈衝」了，天線產生一個窄射束，就像火炬一樣。布魯克博士說：「基於天線的朝向，雷達能夠確定一個物體——通常被稱之為『目標』的方向。」與目標之間的距離則根據發射脈衝和接收回波之間的時間確定，因為雷達信號一直以光速移動，因此能夠準確測算出距離。

　　空中交通管制雷達的射束形狀為扇形，水平方向較窄，垂直方向較寬，以對應高空飛行的飛機。這種射束每隔2秒或者3秒掃描一圈，回波顯示在圓形顯示屏上，被稱之為「平面位置指示器」（plane position indicator，簡稱PPI）。空中交通管制員或者電腦能夠追蹤到回波或者說根據屏幕上的光點確定飛機的飛行方向，這種雷達被稱之為「初級雷達」。

■現實中的雷達：為何雷達突然啞火？

　　雪梨金斯福德·史密斯國際機場的一位空中交通管制員說：「初級雷達很少單獨使用，因為空中的飛機實在是太多了。現在，我們還會使用次級雷達。次級雷達的編碼脈衝序列發送給飛機，飛機上的異頻雷達收發機產生一個編碼回應信號，信號中含有與飛機有關的大量信息。這些信息用於進行敵我識別。」

　　空中交通管制員主要使用次級雷達追蹤商業飛機的方位，只有在沒有安裝異頻雷達收發機，收發機關閉或者破損情況下才會使用真正的雷達。布魯克博士說：「幾十年前，一名年輕男子駕駛一輛輕型飛機在美國空中飛行，由於空中交通管制員沒有關閉初級雷達或者認為只是一群鳥，最後竟沒有發現這架飛機。」

馬來西亞軍方此前公布的其部署馬國北部的新型GM400雷達截獲的圖片

　　如果飛機上的異頻雷達收發機被人切斷，便很難判斷空中交通控制中心的初級雷達屏幕上的光點究竟哪一個才是目標飛機。布魯克博士表示：「這很可能就是370航班的異頻雷達收發機為什麼會在管制範圍內一個空中交通管制中心移交給另一個中心時關閉的原因吧。」>>

 

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■雷達工作時的影響因素

　　絕大多數人可能聽過「不在雷達範圍內」這句話。這種現象由雷達射束與地面的交互作用所致，導致雷達射束處在地平線上方。如果飛機的飛行高度足夠低，射束很難照射到飛機，雷達就很可能探測不到飛機位置，也就是所謂雷達「盲區」的一種。

雷達，當然也會有盲區

　　此外，雷達還受到距離的限制。雷達進行遠距離探測時面臨的主要問題是發射和接收信號耗費的電量取決於與飛機之間的距離，距離較遠時可達到正常情況下的4次方。如果希望將雷達對飛機的探測範圍提高一倍，發射和接收信號耗費的電量必須增加16倍。

　　通常情況下，用於追蹤100公裡以上範圍內的飛機的雷達耗電量達到數兆瓦特。不過，發射的脈衝較短，通常在1微秒左右，每秒只能發射幾百次，平均功率很低。在進行遠距離探測時，雷達發射脈衝所能達到的峰值功率達到令人難以接受的程度。

革新巨製——相控陣雷達

　　這一問題促使科學家進行一系列革新，例如上圖所示的相控陣雷達（Phased Array Radar），即相控天線陣。相控天線陣由大量較小的發射機和接收器構成，部署在一個平面上，協同工作並對脈衝進行壓縮，允許在產生距離更遠功率更大的編碼脈衝的同時仍保持較大的探測範圍和精確性。

　　遠程雷達發射的信號在大氣中穿行時不斷減弱，即便在天氣晴朗時也是如此，遇到雨天時更嚴重。信號的波長越大，在大氣中穿行時減弱的程度越小，因此，遠程雷達都在低頻時工作。

大氣中信號衰減的示意圖

　　還有就是飛機的材質。電磁波會從導電物體上反彈，因此，使用木料和帆布製造的老式飛機並不會產生很大的雷達回波。使用碳纖維合成材料製造的現代飛機也是這種情況。而鋁皮飛機是最容易被雷達探測的目標之一。

　　另外，飛機的外形也是一個重要因素，使用平板材料製造的金屬飛機尖角和邊緣通常產生強烈的回波。就好比你要造一架隱形飛機，就需要採用平板或者小面排列的方式，讓接收器接收不到雷達信號。

無人不知無人不曉的美F-117隱形攻擊機

　　飛機外形的另一種選擇是放棄直角，讓機翼與機身融合在一起，消除外部明顯特徵。飛機的外皮使用可吸收雷達信號的材料也是將回波降至最小的一種方式。「B-2隱形轟炸機非常先進，採用了絕大多數隱形技術，所形成的回波只相當於一隻大黃蜂。」布魯克博士說道。>>

 

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聲明：本段內容摘錄自百度百科

 

■雷達的發展史

　　1842年都卜勒（Christian Andreas Doppler）率先提出利用都卜勒效應的都卜勒式雷達。
　　1864年馬克斯威爾（James Clerk Maxwell）推導出可計算電磁波特性的公式。
　　1886年赫茲（Heinerich Hertz）展開研究無線電波的一系列實驗。
　　1888年赫茲成功利用儀器產生無線電波。
　　1897年湯普森（JJ Thompson）展開對真空管內陰極射線的研究。
　　1904年侯斯美爾（Christian Hülsmeyer）發明電動鏡（telemobiloscope），是利用無線電波回聲探測的裝置，可防止海上船舶相撞。
　　1906年德弗瑞斯特（De Forest Lee）發明真空三極體，是世界上第一種可放大信號的主動電子元件。
　　1916年馬可尼（ Marconi）和富蘭克林（Franklin）開始研究短波信號反射。
　　1917年羅伯特·沃特森·瓦特（Robert Watson-Watt）成功設計雷暴定位裝置,它宣告了雷達的誕生。
　　1922年馬可尼在美國電氣及無線電工程師學會（American Institutes of Electrical and Radio Engineers）發表演說，題目是可防止船隻相撞的平面角雷達。
　　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年英國阿普利頓和巴尼特通過電離層反射無線電波測量賽層（ionosphere）的高度。美國布萊爾和杜夫用脈衝波來測量亥維塞層。
　　1925年貝爾德（John L. Baird）發明機動式電視（現代電視的前身）。
　　1925年伯烈特（Gregory Breit）與杜武（Merle Antony Tuve）合作，第一次成功使用雷達，把從電離層反射回來的無線電短脈衝顯示在陰極射線管上。
　　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。
　　1935年法國古頓研製出用磁控管產生16釐米波長的撜習窖捌鰏，可以在霧天或黑夜發現其他船隻。這是雷達和平利用的開始。
　　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。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年馬可尼公司替英國加建20個鏈向雷達站。
　　1937年美國第一個軍艦雷達XAF試驗成功。
　　1937年瓦裡安兄弟（Russell and Sigurd Varian）研製成高功率微波振蕩器，又稱速調管（klystron）。
　　1939年布特（Henry Boot）與蘭特爾（John T. Randall）發明電子管，又稱共振穴磁控管（resonant-cavity magnetron ）。
　　1941年蘇聯最早在飛機上裝備預警雷達。
　　1943年美國麻省理工學院研製出機載雷達平面位置指示器，預警雷達。
　　1944年馬可尼公司成功設計、開發並生產「布袋式」（Bagful）系統，以及「地氈式」（Carpet）雷達幹擾系統。前者用來截取德國的無線電通訊，而後者則用來裝備英國皇家空軍（RAF）的轟炸機隊。
　　1945年二次大戰結束後，全憑裝有特別設計的真空管——磁控管的雷達，盟軍得以打敗德國。
　　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。不久又研製出脈衝都卜勒雷達。
　　1959年美國通用電器公司研製出彈道飛彈預警雷達系統，可發跟蹤3000英裡外，600英裡高的飛彈，預警時間為20分鐘。
　　1964年美國裝置了第一個空間軌道監視雷達，用於監視人造地球衛星或空間飛行器。
　　1971年加拿大伊朱卡等3人發明全息矩陣雷達。與此同時，數字雷達技術在美國出現。
　　1993年美國曼徹斯特市德雷爾·麥吉爾發明了多塔查克超智能雷達。

■雷達的種類

　　雷達的種類繁多，分類的方法也非常複雜。一般分為軍用雷達。通常可以按照雷達的用途分類，如預警雷達、搜索警戒雷達、引導指揮雷達、炮瞄雷達、測高雷達、戰場監視雷達、機載雷達、無線電測高雷達、雷達引信、氣象雷達、航行管制雷達、導航雷達以及防撞和敵我識別雷達等。

　　按照雷達信號形式分類，有脈衝雷達、連續波雷達、脈部壓縮雷達和頻率捷變雷達等。
　　按照角跟蹤方式分類，有單脈衝雷達、圓錐掃描雷達和隱蔽圓錐掃描雷達等。
　　按照目標測量的參數分類，有測高雷達、二坐標雷達、三坐標雷達和敵我識對雷達、多站雷達等。
　　按照雷達採用的技術和信號處理的方式有相參積累和非相參積累、動目標顯示、動目標檢測、脈衝都卜勒雷達、合成孔徑雷達、邊掃描邊跟蹤雷達。
　　按照天線掃描方式分類，分為機械掃描雷達、相控陣雷達等。
　　按雷達頻段分，可分為超視距雷達、微波雷達、毫米波雷達以及雷射雷達等。[返回頻道首頁]

 

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