【PConline 技术分析】马航失联客机MH370的搜救工作引起了公众对于如何追踪飞机的诸多疑问，除了上期我们提到的卫星《中美卫星马航失联客机搜救阵容全解析》，追踪飞机方位的另一个重要手段就是雷达。悉尼大学航空航天、机械与机电一体化工程学院的格雷厄姆·布鲁克博士表示，雷达在第二次世界大战前问世，随后一直不断进化，性能也得以提升。
那么，本期干货帖就来跟大家聊聊：雷达那点事。从描述中，我们似乎也能窥探到一些在马航MH370搜寻工作中，为何雷达突然哑火的蛛丝马迹……
■雷达的概念和基本工作原理
雷达的英文“Radar”就是无线电探测和测距（radio detection and ranging）的英文首字母缩写。最简单的雷达由发射机和接收器构成，发射机天线朝着一个特定的方向发射无线电信号，接收器负责探测信号行进途中遇到的物体反射的“回声”。
发射机的电路以一个特定的频率振荡，频率通常高于电台或者电视广播的频率。这种信号借助天线以短电磁能脉冲的形式发送，也就是我们通常所说的“脉冲”了，天线产生一个窄射束，就像火炬一样。布鲁克博士说：“基于天线的朝向，雷达能够确定一个物体——通常被称之为‘目标’的方向。”与目标之间的距离则根据发射脉冲和接收回波之间的时间确定，因为雷达信号一直以光速移动，因此能够准确测算出距离。
空中交通管制雷达的射束形状为扇形，水平方向较窄，垂直方向较宽，以对应高空飞行的飞机。这种射束每隔2秒或者3秒扫描一圈，回波显示在圆形显示屏上，被称之为“平面位置指示器”（plane position indicator，简称PPI）。空中交通管制员或者电脑能够追踪到回波或者说根据屏幕上的光点确定飞机的飞行方向，这种雷达被称之为“初级雷达”。
■现实中的雷达：为何雷达突然哑火？
悉尼金斯福德·史密斯国际机场的一位空中交通管制员说：“初级雷达很少单独使用，因为空中的飞机实在是太多了。现在，我们还会使用次级雷达。次级雷达的编码脉冲序列发送给飞机，飞机上的异频雷达收发机产生一个编码回应信号，信号中含有与飞机有关的大量信息。这些信息用于进行敌我识别。”
空中交通管制员主要使用次级雷达追踪商业飞机的方位，只有在没有安装异频雷达收发机，收发机关闭或者破损情况下才会使用真正的雷达。布鲁克博士说：“几十年前，一名年轻男子驾驶一辆轻型飞机在美国空中飞行，由于空中交通管制员没有关闭初级雷达或者认为只是一群鸟，最后竟没有发现这架飞机。”
马来西亚军方此前公布的其部署马国北部的新型GM400雷达截获的图片
如果飞机上的异频雷达收发机被人切断，便很难判断空中交通控制中心的初级雷达屏幕上的光点究竟哪一个才是目标飞机。布鲁克博士表示：“这很可能就是370航班的异频雷达收发机为什么会在管制范围内一个空中交通管制中心移交给另一个中心时关闭的原因吧。”>>
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■雷达工作时的影响因素
绝大多数人可能听过“不在雷达范围内”这句话。这种现象由雷达射束与地面的交互作用所致，导致雷达射束处在地平线上方。如果飞机的飞行高度足够低，射束很难照射到飞机，雷达就很可能探测不到飞机位置，也就是所谓雷达“盲区”的一种。
雷达，当然也会有盲区
此外，雷达还受到距离的限制。雷达进行远距离探测时面临的主要问题是发射和接收信号耗费的电量取决于与飞机之间的距离，距离较远时可达到正常情况下的4次方。如果希望将雷达对飞机的探测范围提高一倍，发射和接收信号耗费的电量必须增加16倍。
通常情况下，用于追踪100公里以上范围内的飞机的雷达耗电量达到数兆瓦特。不过，发射的脉冲较短，通常在1微秒左右，每秒只能发射几百次，平均功率很低。在进行远距离探测时，雷达发射脉冲所能达到的峰值功率达到令人难以接受的程度。
革新巨制——相控阵雷达
这一问题促使科学家进行一系列革新，例如上图所示的相控阵雷达（Phased Array Radar），即相控天线阵。相控天线阵由大量较小的发射机和接收器构成，部署在一个平面上，协同工作并对脉冲进行压缩，允许在产生距离更远功率更大的编码脉冲的同时仍保持较大的探测范围和精确性。
远程雷达发射的信号在大气中穿行时不断减弱，即便在天气晴朗时也是如此，遇到雨天时更严重。信号的波长越大，在大气中穿行时减弱的程度越小，因此，远程雷达都在低频时工作。
大气中信号衰减的示意图
还有就是飞机的材质。电磁波会从导电物体上反弹，因此，使用木料和帆布制造的老式飞机并不会产生很大的雷达回波。使用碳纤维合成材料制造的现代飞机也是这种情况。而铝皮飞机是最容易被雷达探测的目标之一。
另外，飞机的外形也是一个重要因素，使用平板材料制造的金属飞机尖角和边缘通常产生强烈的回波。就好比你要造一架隐形飞机，就需要采用平板或者小面排列的方式，让接收器接收不到雷达信号。
无人不知无人不晓的美F-117隐形攻击机
飞机外形的另一种选择是放弃直角，让机翼与机身融合在一起，消除外部明显特征。飞机的外皮使用可吸收雷达信号的材料也是将回波降至最小的一种方式。“B-2隐形轰炸机非常先进，采用了绝大多数隐形技术，所形成的回波只相当于一只大黄蜂。”布鲁克博士说道。>>
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声明：本段内容摘录自百度百科
■雷达的发展史
1842年多普勒（Christian Andreas Doppler）率先提出利用多普勒效应的多普勒式雷达。
1864年马克斯威尔（James Clerk Maxwell）推导出可计算电磁波特性的公式。
1886年赫兹（Heinerich Hertz）展开研究无线电波的一系列实验。
1888年赫兹成功利用仪器产生无线电波。
1897年汤普森（JJ Thompson）展开对真空管内阴极射线的研究。
1904年侯斯美尔（Christian Hülsmeyer）发明电动镜（telemobiloscope），是利用无线电波回声探测的装置，可防止海上船舶相撞。
1906年德弗瑞斯特（De Forest Lee）发明真空三极管，是世界上第一种可放大信号的主动电子元件。
1916年马可尼（ Marconi）和富兰克林（Franklin）开始研究短波信号反射。
1917年罗伯特·沃特森·瓦特（Robert Watson-Watt）成功设计雷暴定位装置,它宣告了雷达的诞生。
1922年马可尼在美国电气及无线电工程师学会（American Institutes of Electrical and Radio Engineers）发表演说，题目是可防止船只相撞的平面角雷达。
1922年美国泰勒和杨建议在两艘军舰上装备高频发射机和接收机以搜索敌舰。
1924年英国阿普利顿和巴尼特通过电离层反射无线电波测量赛层（ionosphere）的高度。美国布莱尔和杜夫用脉冲波来测量亥维塞层。
1925年贝尔德（John L. Baird）发明机动式电视（现代电视的前身）。
1925年伯烈特（Gregory Breit）与杜武（Merle Antony Tuve）合作，第一次成功使用雷达，把从电离层反射回来的无线电短脉冲显示在阴极射线管上。
1931年美国海军研究实验室利用拍频原理研制雷达，开始让发射机发射连续波，三年后改用脉冲波。
1935年法国古顿研制出用磁控管产生16厘米波长的撜习窖捌鲾，可以在雾天或黑夜发现其他船只。这是雷达和平利用的开始。
1936年1月英国W.瓦特在索夫克海岸架起了英国第一个雷达站。英国空军又增设了五个，它们在第二次世界大战中发挥了重要作用。
1937年马可尼公司替英国加建20个链向雷达站。
1937年美国第一个军舰雷达XAF试验成功。
1937年瓦里安兄弟（Russell and Sigurd Varian）研制成高功率微波振荡器，又称速调管（klystron）。
1939年布特（Henry Boot）与兰特尔（John T. Randall）发明电子管，又称共振穴磁控管（resonant-cavity magnetron ）。
1941年苏联最早在飞机上装备预警雷达。
1943年美国麻省理工学院研制出机载雷达平面位置指示器，预警雷达。
1944年马可尼公司成功设计、开发并生产「布袋式」（Bagful）系统，以及「地毡式」（Carpet）雷达干扰系统。前者用来截取德国的无线电通讯，而后者则用来装备英国皇家空军（RAF）的轰炸机队。
1945年二次大战结束后，全凭装有特别设计的真空管——磁控管的雷达，盟军得以打败德国。
1947年美国贝尔电话实验室研制出线性调频脉冲雷达。
50年代中期美国装备了超距预警雷达系统，可以探寻超音速飞机。不久又研制出脉冲多普勒雷达。
1959年美国通用电器公司研制出弹道导弹预警雷达系统，可发跟踪3000英里外，600英里高的导弹，预警时间为20分钟。
1964年美国装置了第一个空间轨道监视雷达，用于监视人造地球卫星或空间飞行器。
1971年加拿大伊朱卡等3人发明全息矩阵雷达。与此同时，数字雷达技术在美国出现。
1993年美国曼彻斯特市德雷尔·麦吉尔发明了多塔查克超智能雷达。
■雷达的种类
雷达的种类繁多，分类的方法也非常复杂。一般分为军用雷达。通常可以按照雷达的用途分类，如预警雷达、搜索警戒雷达、引导指挥雷达、炮瞄雷达、测高雷达、战场监视雷达、机载雷达、无线电测高雷达、雷达引信、气象雷达、航行管制雷达、导航雷达以及防撞和敌我识别雷达等。
按照雷达信号形式分类，有脉冲雷达、连续波雷达、脉部压缩雷达和频率捷变雷达等。
按照角跟踪方式分类，有单脉冲雷达、圆锥扫描雷达和隐蔽圆锥扫描雷达等。
按照目标测量的参数分类，有测高雷达、二坐标雷达、三坐标雷达和敌我识对雷达、多站雷达等。
按照雷达采用的技术和信号处理的方式有相参积累和非相参积累、动目标显示、动目标检测、脉冲多普勒雷达、合成孔径雷达、边扫描边跟踪雷达。
按照天线扫描方式分类，分为机械扫描雷达、相控阵雷达等。
按雷达频段分，可分为超视距雷达、微波雷达、毫米波雷达以及激光雷达等。[返回频道首页]
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