精品课程：雷达探测与对抗-雷达原理概述（一）

飞机刚刚被引入战争，雷达还没有出现的时候，在第一次世界大战中最早出现的防控探测设备是听音器。其就像医生用的听诊器一样，通过巨型的听筒监听远处飞机飞行时发出的声音。

战争开始后，各国都开始将收音设备用于战争。

1-1921年美国的声音探测装置。

2-1927年，美军使用的“T3飞行器声音定位装置”，由海军将领 Harold Gardiner Bowen（1883-1965）发明；同样是T3，和60英寸的探照灯配合使用。声音定位的同时用探照灯照射可疑目标

3-美军的“M2”探测器，同样可以与探照灯配合使用。这些装置直到雷达刚刚被发明时还在被使用。

4-1930年代荷兰军队研发的“空气侦查装置”。两个抛物线收音装置像是铝制的，通过金属棍链接在一起，由于每个人的头大小不一，所以在耳朵两侧配置了可充气的气垫用于调整。气垫似乎是通过延伸到胸前的管子靠人工充气的。

1-这个也是是荷兰军队研发的产品，从体积也能看出收音效果更好。不过已经重到需要听音人身后的架子来专门支撑。

2-上一张照片的升级版，与小型装置一样配备了气垫，据说精度比上一代提高了2个等级。1934年，荷兰军方一共生产了16台这样的设备。

3-1916-1918 年 René Baillaud 研发的装置，1918年被法国军方使用。法国飞行器探测装置。远处的收音装置上，每个圆盘配有6个喇叭，中间带轮子的设备将收音装置和探照灯相连，使它们指向相同的方位。

4-1917年，德国的两名士兵佩戴着听觉/视觉联合定位装置。在通过声音辨别出飞机的方向之后，视觉装置可以帮助看清更小的飞机。

1-这个装置叫做“环形喇叭声学定位探测器”，简称RRH。RRH在二战中被德军用于夜间搜寻空中目标，因为相比雷达，RRH更便宜也更好制造。这是RRH使用时的照片。左边人听方位，右边人听高度，中间人做记录。

2-1936年日本的听觉定位装置，叫做“90型大探测器”，有轮子驱动。这是小版装置，叫做“90型小探测器”。带有电子声音放大器。3

3-1898 年英国人 Rev J M Bacon 发明的装置。但看起来应该是用于收音无疑。

4-英国发明的声音定位装置 Mk 1。实物来自于加拿大渥太华的加拿大战争博物馆。

5-1938 年，英格兰的4喇叭声音定位系统，两个喇叭水平放置，两个喇叭竖直放置，需3人配合使用定位飞机。

1-声音探测器还曾有过固定的大型建筑。例如这是1928年在英国肯特建造的30英尺声音探测器。1930年，肯特还建造了这堵200英尺的墙，能够汇集波长为15-18英尺的声波，能探测到20-30英里之外的飞行器。

美国在1922年利用连续波干涉雷达检测到木船。1933年6月利用连续波干涉雷达首次检测到飞机。该种雷达不能测距。

1934年美国海军开始发展脉冲雷达。

英国于1935年开始研究脉冲雷达。1936年，英国的瓦特设计的警戒雷达最先投入了运行。有效地警戒了来自德国的轰炸机。

1937年4月成功验证了CH（Chain Home）雷达站，1938年大量的CH雷达站投入运行

1938年，美国研制成第一部能指挥火炮射击的火炮控制雷达。 

1940年，多腔磁控管的发明，微波雷达的研制成为可能。

1944年，能够自动跟踪飞机的雷达研制成功。

1945年，能消除背景干扰显示运动目标的显示技术的发明,使雷达更加完善

二战时，鉴于英国本土遭受到德国轰炸机的严重威胁，英国皇家空军决定研制一种能远距离侦察敌机轨迹的新型电子仪器。这个任务被交给了时任英国国家物理实验室无线电研究室负责人罗伯特·沃特森-瓦特。

沃特森-瓦特又是谁呢？他跟那个发明蒸汽机的瓦特有啥关系？其实还真是有关系，它是发明蒸汽机詹姆斯·瓦特的亲子孙。他从小就聪慧过人，小学、中学到大学做了一路的“学霸”。     

1912年，沃特森-瓦特从大学学院毕业取得工程学学士学位，他的老师威廉姆·佩蒂教授很才，引荐他留校做了自己的助手。对沃特森-瓦特来说，研究新兴的无线电技术，并完成了波传播和频率振荡方向的硕士研究生课程。     

一战爆发后，沃特森-瓦特毛遂自荐，请求为英国战争部做通讯研究。战争部他安排在空军部气象办公室，利用他在无线电波方面的特长研制雷暴定位装置，以提前探测雷暴区域，为空中的飞机提供预警。雷暴定位装置的研制是彻底失败。起初，沃特森-瓦特成功地探测到2500千米外的雷暴电磁信号，但因为探测器很难跟踪到转瞬即逝的闪电，雷暴区的具**置在哪里很难确定。沃特森-瓦特只能用笨办法：让操作员辨雷听音，然后判断出雷暴区的大概方位。这个神操作让这个高科技的玩意一下变换了地摊货。

但是机遇总是留给有准备的人。1927年，空军部气象办公室与国家物理实验室联合成立“无线电研究室”，沃特森-瓦特被指定为负责人。这时候他研究无线电信号的“实体定位”功能：理论上，无线电信号可以被远处的某个物体“反弹”回来，特制的接收装置收到“反弹信号”后应该可以计算出该物体的方位。   

1932年，沃特森-瓦特与他人合写了一篇详细叙述无线电探测方面的报告。为了得到拨款，二人利用BBC广播公司向军方做了首次展示。展示中，他们从位于北安普顿郡达文特里【这就是著名的 Daventry 试验】的一处BBC短波发射站发射无线电信号，电波传输约12.8千米后“触碰”到一架从海福德基地起飞的轰炸机反弹，达文特里发射站接收到了反弹信号并将其还原为广播，证明沃特森-瓦特“实体定位”理论是可行的。“为了纪念这次试验的成功，人们在达文特里短波站附近放置了一块铭牌，这块铭牌也是迄今为止英国境内唯一的沃特森-瓦特纪念物。”     

“BBC短波站试验”的结果让英国空军部大感兴趣。英国在一战中接连遭受德国飞机和飞艇的疯狂空袭，英国人损失惨重却拿不出有效的应对措施，德国人的飞机扔下炸弹就跑，英国战斗机根本来不及拦截。能想到的唯一解决办法是保持24小时空中巡逻，但这对当时战斗机的规模和性能而言是根本不可能的。如果真的能如沃特森-瓦特所设想，通过无线电波探测到十几、数十英里外的敌机，己方战斗机无疑可以提前埋伏在合适的地点，给侵犯者来个措手不及。     

1935年1月，沃特森-瓦特在回复英国空军部科研局的信里再次确认，无线电波“应该具备远距离探测飞机的能力”。“目前实现这项能力虽然有些困难，但前景无限，”他在信中写道，“一旦得到授权，我将不遗余力地展开研制工作。”          

自“BBC短波站试验”以来，时任英国首相关照下，空军部及时向沃特森-瓦特下达了研制雷达的授权。经过多次试验，1935年2月26日，沃特森-瓦特进行了最后一场雷达实用探测试验。探测装置被安放在一台载重汽车上，目标飞机从15千米外向载重汽车所在地点飞来。当飞机距离汽车12千米时，雷达装置成功接收到了回波信号。1935年4月2日，沃特森-瓦特研制的一款无线电探测与定位装置获得专利。    

经过不断改进，雷达的有效探测范围变得越来越远。

1936 年，英国人在本国东南海岸修建了5 部“沃森·瓦特”雷达，每部发射天线都有120 米高，接收天线也有80 米高，都是名副其实的庞然“巨眼”。这些巨眼的峰值功率高达350 千瓦，探测距离达到120 千米，至此，被称为“本土链”的雷达警戒链雏形已成。后来，英国人又研制了功率150 千瓦，用于中低空探测的补盲雷达，以及功率50 千瓦的车载低空补盲雷达站，这些雷达主要用于填补“沃森·瓦特”远程预警雷达在探测近距离低空目标时的盲区。在本土链雷达的帮助下操作员通过它们就能在英国南部的地下室里捕捉到在法国机场上空集结出发的德国机群，掌握它们的架数、航向、速度和预计抵达英国领空的时间，即时向皇家空军战斗机司令部发布预警。在著名的“不列颠之战”中，英国战斗机司令部依靠本土链雷达系统所提供的资信，痛击了来犯的德国空军轰炸机编队，成功保住了英国南部区域的制空权。由于本土链雷达的巨大成功，罗伯特·沃森-瓦特被后人冠以“雷达之父”的头衔。     

“雷达助英国赢得不列颠战役。”“罗伯特·沃特森-瓦特”纪念会主席说，“但当时只有极少数人知道它的存在，德国人一直被蒙在鼓里。”为了保密，皇家空军想出了各种借口解释自己在夜间空战中的优异表现，其中一个竟然是英军飞行员吃了大量胡萝卜，所以在夜里的视力非常好。

电磁波具有在自由空间传播的特性，它是由是由相同且互相垂直的电场与磁场在空间中是以波动的形式传播的电磁场，其传播方向垂直于电场与磁场构成的平面。电磁波在真空中速率固定，速度为光速。

雷达，是英文Radar的音译，源于radio detection and ranging的缩写，意思为"无线电探测和测距"，即用无线电的方法发现目标并测定它们的空间位置。因此，雷达也被称为“无线电定位”。雷达就是利用目标对电磁波的反射现象来发现目标并且测定其位置的，雷达的任务不仅能测量木的距离、方位和阳角，而且还能测量目标速度、以及从目标的回波中获取更多有关目标特性的信息。

为了找到目标，波束在目标可能出现的区域进行扫描，波束的路径称为搜索扫描图，扫描所覆盖的区域称为扫描帧，波束扫描一帧所经历的时间为帧周期。

各种雷达的具体用途和结构不尽相同，但基本形式是一致的，包括:发射机、发射天线、接收机、接收天线，处理部分以及显示器。还有电源设备、数据录取设备、抗干扰设备等辅助设备。

雷达所起的作用跟眼睛和耳朵相似，它的信息载体是无线电波，在真空中传播的速度都是光速C，其原理是雷达设备的发射机通过天线把电磁波能量射向空间某一方向，处在此方向上的物体反射碰到的电磁波；雷达天线接收此反射波，送至接收设备进行处理，提取有关该物体的某些信息（目标物体至雷达的距离，距离变化率或径向速度、方位、高度等）。

测量距离：就是是测量发射脉冲与回波脉冲之间的时间差，因电磁波以光速传播，据此就能换算成雷达与目标的精确距离。

角度测量

在雷达技术中测量这两个角位置基本上都是利用天线的方向性来实现的。雷达天线将电磁能量汇集在窄波束内, 当天线波束轴对准目标时, 回波信号最强,。当目标偏离天线波束轴时回波信号减弱, 如图上虚线所示。根据接收回波最强时的天线波束指向, 就可确定目标的方向, 这就是角坐标测量的基本原理。

测量速度原理是雷达根据自身和目标之间有相对运动产生的频率多普勒效应。雷达接收到的目标回波频率与雷达发射频率不同，两者的差值称为多普勒频率。从多普勒频率中可提取的主要信息之一是雷达与目标之间的距离变化率，而距离变换率就是目标相对于雷达的径向速度。

雷达区分邻近目标的能力。脉冲雷达的分辨能力分为距离分辨力、角度分辨力和速度分辨力以及联合分辨力等。

目标在空间、陆地或海面上的位置, 可以用多种坐标系来表示。最常见的是直角坐标系, 即空间任一点目标P的位置可用（x、 y、z）三个坐标值来决定。在雷达应用中, 测定目标坐标常采用极(球)坐标系统, 如图1.1所示。图中, 空间任一目标P所在位置可用下列三个坐标确定:

    (1) 目标的斜距R：雷达到目标的直线距离OP;

    (2) 方位角α：目标斜距R在水平面上的投影OB与某一起始方向(正北、 正南或其它参考方向)在水平面上的夹角。

    (3) 仰角β：斜距R与它在水平面上的投影OB在铅垂面上的夹角, 有时也称为倾角或高低角。  

 如需要知道目标的高度和水平距离, 那么利用圆柱坐标系统就比较方便。在这种系统中, 目标的位置由以下三个坐标来确定: 水平距离D，方位角α，高度H。   这两种坐标系统之间的关系如下:

D=R cosβ， H=Rsinβ，α=α

上述这些关系仅在目标的距离不太远时是正确的。当距离较远时, 由于地面的弯曲, 必须作适当的修改。 

为什么使用脉冲信号？

雷达工作时, 发射机经天线向空间发射一串重复周期一定的高频脉冲。如果在电磁波传播的途径上有目标存在, 那么雷达就可以接收到由目标反射回来的回波。由于回波信号往返于雷达与目标之间, 它将滞后于发射脉冲一个时间tr, 如图1.3所示。我们知道电磁波的能量是以光速传播的, 设目标的距离为R, 则传播的距离等于光速乘上时间间隔,  式中, R为目标到雷达站的单程距离, 单位为m; tr为电磁波往返于目标与雷达之间的时间间隔, 单位为s; c为光速。

雷达脉冲宽度若为1微秒,在无脉内调制时信号带宽为1兆赫,则距离分辨力约150米；有100兆赫的脉内调频时，信号带宽相应增大为100兆赫，则距离分辨力约为1.5米。

目标角位置指方位角或仰角, 在雷达技术中测量这两个角位置基本上都是利用天线的方向性来实现的。雷达天线将电磁能量汇集在窄波束内, 当天线波束轴对准目标时, 回波信号最强, 如图实线所示。当目标偏离天线波束轴时回波信号减弱, 如图上虚线所示。根据接收回波最强时的天线波束指向, 就可确定目标的方向, 这就是角坐标测量的基本原理。天线波束指向实际上也是辐射波前的方向。 

角分辨率实际上指的是雷达的指向精度，比如雷达指向精度0.01弧度（换算成角度就是0.6度），那么就可以在100米的距离获得1米的分辨率，如果雷达的指向精度是0.001弧度的话，那么就可以在1000米的距离获得1米的分辨能力。

雷达波束张角θ与发射波长λ、天线孔径D之间存在近似关系：

   θ≈λ/D

雷达的角分辨率与雷达的波长成反比，与天线的直径或者叫孔径成正比，就是说波长越长，分辨率越低，孔径越大，分辨率越高。

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