三人三事三大跨越

云脑智库 2022-11-29 00:00

雷达天线

雷达一词来源于英文缩写RADAR,原文是Radio Detection And Ranging,意思是无线电探测与测距。这个名字太好了,开宗明义,无需再做任何解释。

在雷达发展演变的过程中,有三个人、三件事值得一提。

一、瓦特发明了雷达

上小学时就知道了瓦特发明了蒸汽机,瓦特发明了雷达还是第一次听说。哈哈,这个瓦特不是那个瓦特,发明雷达的是罗伯特×沃森×瓦特,发明蒸汽机的是詹姆斯×瓦特。不过二人还真的是一家子,小瓦特是老瓦特的后人,他没有辜负老瓦特的名声。

关于雷达,还得从19世纪说起。

早在19世纪,在海上无线电通信中,人们已经注意到当有第三艘船只经过正在通信的两艘船只中间时,会造成无线电通信的暂时中断。

20世纪初,美国人利用了这一现象,在海上航道两侧安装了电磁波发射机和接收机,设置了一道看不见的警戒线。

同一时期,伴随着飞机的诞生和空袭的出现,欧洲各国迫切需要一种技术,能够及时发现来袭敌机。在诸多的研究团队中,英国科学家罗伯特×沃森×瓦特率领的团队脱颖而出。

二战时英国的预警雷达阵地

(左为发射塔,右为接收塔)

1935年,瓦特团队发明了世界上第一部对空探测装置,命名为雷达。瓦特的创新之处在于将发射机与接收机都部署于己方一侧,并且接收机由接收发射机信号改变为接收目标反射回波,这样一来就可以根据反射回波确定目标的方位和距离,从而为防空作战提供引导。1936年,英国开始在本土大规模部署这种雷达。到1939年,英国在本土建立了贯通南北的雷达网。在1940年到1941年的不列颠空中战中,这些雷达网为英国赢得空战胜利建立了不朽功勋,也推动了雷达在欧洲各国的迅速普及。

其间,1937年,英国还研制成功了世界上第一部机载雷达,安装在“安森”双发飞机上,用于北海的海上监视,成为英国反潜作战的利器。1940年,英国还研制了装有雷达瞄准具的“波菲特”战斗机,用于夜间作战,号称是世界上最早的截击机。

雷达探测空中目标

雷达屏幕

雷达从孕育到问世,走过的道路是漫长的,技术实现过程更是错综复杂,但是它的物理原理并不复杂,主要有三条:

  • 电磁波在空气中以光速(3´108米/秒)直线传播;
  • 电磁波在传播过程中遇到障碍物会被反射;
  • 依据探测到回波时的天线的方位角可以确定目标方位,依据电磁波的往返时间可确定目标距离。
  • 有了这三条,在原理上就可以实现电磁波对目标的探测与测距。

二、多普勒与多普勒雷达

克里斯蒂恩×多普勒(1803-1853),奥地利科学家,因发现“多普勒效应”而闻名于世。多普勒诞生于19世纪初,雷达发明于20世纪中叶,二者有什么交集呢?

雷达问世之后,随着磁控管、电子收发开关、抛物面天线、平板缝隙天线等等的发明,不仅推动了机载雷达的小型化,带来了机载雷达的普及,也推动了机载雷达与武器系统的融合,出现了机载火控系统,适应了机载武器导弹化的发展趋势。到了20世纪60年代,机载雷达、火控系统、空空导弹等已经成为以F-104、米格-21等为代表的第三代战斗机的标配。

这时人们遇到了一个新问题:机载雷达不具备“下视”能力,从而限制了空空导弹的“下射”能力。所谓“下视”,是指机载雷达对贴地、贴海飞行的低空目标的探测能力。由于低空目标以地、海面为背景,雷达向下探测时,电磁波不仅会打到需要探测的飞机上,也会打到地面或者海面,来自地面或者海面的回波(称为杂波)比来自飞机的回波要强大得多,这样一来就造成了目标回波被淹没,雷达不能发现贴地或贴海飞行的低空目标。

针对雷达的这一弱点,低空突防战术应运而生,并且一度在战争中屡屡得手。

怎么办?有人想到了多普勒,想到了多普勒效应。于是,人们就请出了这尊大神。

多普勒效应示意图

1842年,多普勒首次提出了多普勒效应。他发现,当波源和观察者有相对运动时,观察者接收到的波的频率会有改变。举个例子,当你站在路边,听到的迎面而来的汽车的喇叭声和离你而去的汽车喇叭声是不同的,前者频率越来越高,声音越来越高亢,后者频率逐渐降低,声音越来越低沉。这就是多普勒效应。换句话说,当波源和观察者发生相对运动时,观察者接收到的波的频率和波源发出的频率是不同的,当二者接近时,频率升高,当二者远离时,频率降低。这种现象也被称为多普勒频移。

多普勒雷达测速

借助多普勒效应,人们可以在雷达上实现两个重大突破:

    一是机载雷达向下探测时,载机是运动的,目标也是运动的,而大地或者海洋则是相对静止的,于是目标回波和背景回波的频移是不同的,利用这种不同就可以将目标信息从背景回波中提取出来,从而解决了雷达的“下视”问题;
    二是由于目标相对于载机是运动的,因此可以依据频移的方向和大小确定目标的运动方向和速度大小。

于是在解决了一系列的相关技术问题之后,多普勒雷达应运而生。有了多普勒雷达,也就解决了雷达的“下视”问题。雷达有了“下视”能力,也就可以引导空空导弹攻击低空或超低空的飞行目标,从而带动空空导弹具备了“下射”能力。20世纪70年代以后,多普勒雷达成为机载火控雷达的主流,“下视、下射”也因此成为以F-15、苏-27、歼-10等为代表的第四代战斗机的标志性能力。

顺便说一句,地面道路,包括城市道路、高速公路等测速采用的也都是多普勒雷达。

三、惠更斯与相控阵雷达

说到惠更斯与相控阵雷达,似乎就更邪乎了。克里斯蒂恩×惠更斯(1629-1695),荷兰科学家,重要的物理学先驱,在伽利略与牛顿之间承前启后。相控阵雷达则是20世纪50年代以后的事情了。在时间上,二者相差了三个世纪。

在惠更斯的诸多建树中,有一个被称为“近代光学的重要基本理论之一”的惠更斯原理,是这样说的:对于任何一种波,从波源发射的子波中,其波面上的任何一点都可以作为子波的波源,各个子波波源波面的包络面就是下一个新的波面。

具体到相控阵雷达,特殊之处就在于天线。相控阵雷达的全称是“相位控制电子天线阵列雷达”,说的都是它的天线。有两个特点:

相控阵雷达天线

一是天线单元成阵列排布。相控阵雷达的天线由成百上千、甚至成千上万的电子收/发单元组成,这些单元排成平面阵列,依据照惠更斯原理,每个单元就是一个波源,其发射的子波波面上的任何一点又都可以作为子波的波源,各个子波波源波面的包络面就是下一个新的波面,由此连续不断、绵延不绝,在天线的正前方就形成一片可以沿着某个特定方向传播的平面波。

瞧,这就是基础科学的伟大!惠更斯在三百年前就为相控阵雷达的发明扫清了理论障碍。

相控阵雷达波面控制示意图

二是通过相位控制实现电子扫描。如上图所示,TX代表中央信号发生器,F代表天线单元,C代表相位控制器。相位控制器通过控制每一个天线单元的发射时间,使不同位置上的天线单元按照一定的时间间隔依次提前或延迟雷达波的发射,就可以控制或改变雷达波的传播方向q,从而实现了对周围空间的电子扫描。

相对于机械扫描雷达,相控阵雷达的优势是十分明显的,主要在于:⑴不受机械惯性制约,波束指向灵活,扫描周期可以压缩到毫秒、甚至微秒,数据率高;⑵可以同时形成多个独立波束,分别实现搜索、识别、跟踪、制导等多种功能;⑶目标容量大,可以在一个空域内同时监视、跟踪数百个目标;⑷对复杂目标环境的适应能力强,抗干扰性能好;⑸可靠性高,就像一捆手电筒,即使几把不亮,依然能够照亮前方。

多阵面相控阵天线

相控阵雷达的不足在于设备复杂、价格昂贵,且最大扫描角为90°~120°。当需要进行全方位监视时,需要设置3~4个天线阵面。

回顾历史,雷达在跨越中不断发展。早期雷达,实现了无线电探测与测距。多普勒雷达实现了无线电测速与对低空目标的探测。相控阵雷达,实现了由机械扫描向电子扫描的跨越。这一切都得益于伟大人物的重要发现。目前,相控阵雷达已经成为现代雷达的主流,广泛地运用于战略预警、地面防空、机载/舰载/车载火控等领域。未来随着相关技术的发展,一定会有更多的新体制雷达不断涌现。

,退役空军大校,,航空工业发展研究中心研究员,

云脑智库 努力是一种生活态度,与年龄无关!专注搬运、分享、发表雷达、卫通、通信、化合物半导体等技术应用、行业调研、前沿技术探索!专注相控阵、太赫兹、微波光子、光学等前沿技术学习、分享
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