如何通過雷達追蹤飛機
2021-01-20 電子發燒友孝文 發表於 2020-04-06 14:09:00
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，關閉或者破損情況下才會使用真正的雷達
對失去聯繫的馬來西亞航空公司370航班的搜索工作引起了公眾對有關如何追蹤飛機的諸多疑問，追蹤飛機方位的一個重要手段就是藉助雷達。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，問世後一直不斷進化，性能逐漸提升。不過，雷達的探測能力受到很多因素限制，例如距離、天氣以及飛機的具體情況。
雷達的英文名稱「Radar」是無線電探測和測距的英文首字母縮寫。布魯克波士稱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」。發射機的電子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，被稱之為「脈衝」，天線產生一個窄射束，就像火炬一樣。布魯克說：「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」。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」。布魯克指出：「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。布魯克表示：「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，他們並沒有發現這架飛機。」
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。布魯克說：「這可能就是為什麼370航班的異頻雷達收發機在管制責任從一個空中交通管制中心移交給另一個中心時關閉。」
布魯克表示：「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，雷達的探測範圍受限。」
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四次方。布魯克說：「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。這一問題促使科學家進行一系列革新，例如研製相控天線陣。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。
布魯克表示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。鋁皮飛機是最容易被雷達探測的目標之一。布魯克說：「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。如果你希望製造一架隱形飛機，你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。F-117隱形攻擊機就是這種隱形技術的典範。」
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。布魯克表示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。他說：「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。」
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