风雅的智慧——琴棋书画诗酒花

3. 用电磁波测量目标的雷达

　　雷达Rader 是Radio detection and ranging 的缩写， 原意是“利用无线电实现测量和定位”。雷达是在第二次世界大战前发明的， 在第二次世界大战中得到应用和发展。在战争中， 英国利用雷达， 确定了德国飞机的方位、距离和高度， 提前作好准备并指挥自己的飞机和防空部队战斗， 效果非常明显。

　　雷达包括天线、发射机、接收机、指示器等几部分。发射机通过天线， 把电磁波发射到空中。雷达发射的电磁波与广播电台发射的电磁波有两大区别。一个区别是只向某个方向发射， 只在这个方向有电磁波。另一个区别是发射电磁波的时间很短， 我们称之为“脉冲电磁波”。被发射的电磁波沿直线向前传播。如果电磁波没有遇到障碍物， 它将一直向前传播“一去不复返”。如果电磁波遇到了障碍物， 就会像声音或光一样被反射回来。接收机接收到被反射的电磁波并加以放大， 在指示器上显现出来。由上面的分析可以知道， 若雷达向某个方向发出电磁波， 并且接收到了被反射回来的电磁波， 可确定在这个方向上有障碍物。由发射、接收电磁波的时间差， 就可以知道障碍物与雷达之间的距离。

　　在使用时， 雷达的天线不停地转动， 向各个方向发射电磁波， 同时接收被反射的电磁波。由指示器上， 可以知道在每个时间， 雷达周围障碍物的方位和距离。如果雷达天线转一圈以后， 障碍物的位置不变， 这个障碍物为固定物体。如果障碍物的位置改变， 它就是一个活动的目标。由雷达指示器上的数据， 可以确定活动目标移动的方向和移动的速度。

　　为了更快地测定活动目标的运动情况， 更清楚地观测目标， 现代雷达采用了“多普勒”和“合成孔径”技术。

　　你也许注意到， 当急救车响着笛声驶近时， 听到的声音发“尖”； 当急救车驶向远方时， 听到的声音变得“低沉”。这种现象称为“多普勒效应”。多普勒效应说明： 一个发声的物体， 若所发声音有一个固定的频率， 当它运动的时候， 接收者收听的频率与发声体发出声音的频率不一样。发声体驶近时， 接收到的频率变大； 发声体驶远时， 接收到的频率变小。

　　依据多普勒效应， 我们制成了多普勒雷达。多普勒雷达具有分辨电磁波频率的本领。当雷达向空间发射电磁波时， 它“记住”了自己发射的时间和电磁波的频率。如果障碍物是运动的， 它反射的电磁波频率与运动情况有关。与发声体的情况相似， 当运动物体接近雷达时， 电磁波频率变大； 当运动物体远离雷达时， 电磁波频率减小。增大或减小的数值， 与运动物体的运动速度有关。使用多普勒雷达时， 不仅可以由指示器显示目标此时的位置， 而且可以由电磁波的频率变化， 直接得知目标的运动速度及运动方向。

　　想要探测尺寸较小的目标， 或者探明目标的具体细节， 就需发射强大的脉冲电磁波， 还需能接收到微弱的反射电磁波。在地面的雷达站， 可以采用较长的发射、接收天线。但在飞机、卫星、舰船上， 天线不可能做得太长。为了适应这种情况， 采用了合成孔径天线技术。

　　合成孔径无线技术是利用雷达本身的运动， 分段、定时地发射和接收电磁波。通过对所接收电磁波的技术处理， 使它相当于用一根长天线发射得到的回波， 等于增大了天线的孔径和有效长度。

　　在海湾战争中， 多国部队使用的“长曲棍球”合成孔径雷达侦察卫星， 在地面上空600 多千米轨道上飞行， 可以探测在一定厚度的植被和干燥地面下的物体， 有一定识别伪装的能力， 具有显示活动目标的能力， 分辨能力为1 ～2 米。E-3 空中预警指挥飞机， 在9000 米的高度值班巡航， 采用脉冲多普勒雷达， 有效地探测半径为370 千米内的高空与低空的各种目标， 进行空中指挥。