從地基起步

蝙蝠，雖然像人一樣擁有雙眼，但它看起東西來，用到的卻不是眼睛。蝙蝠從鼻子里發(fā)出的超聲波在傳輸過程中遇到物體后會立刻反彈，根據(jù)聲波發(fā)射和回波接收之間的時間差，蝙蝠就可以輕易地判斷出物體的位置。這一工作原理與人類發(fā)明的雷達(dá)如出一轍。

從蝙蝠的生存技能來理解雷達(dá)，無疑是一個很有意思的捷徑。不過把雷達(dá)的發(fā)明說成是仿生學(xué)的結(jié)果，卻是一種牽強(qiáng)附會。如果時間倒退到七十多年前，英國的雷達(dá)先驅(qū)者們聽到這種說法，也一定會笑著解釋說，“不，不，是轟炸機(jī)讓我們發(fā)明了雷達(dá)，而不是蝙蝠?！?/p>

1935年，英國科學(xué)家羅伯特.沃森.瓦特爵士（發(fā)明蒸汽機(jī)的那位瓦特先生的后代），顯然繼承了其祖先的優(yōu)秀基因，成為世界上第一部雷達(dá)的研制者。當(dāng)時正值第二次世界大戰(zhàn)前。那時的轟炸機(jī)在戰(zhàn)爭中已經(jīng)扮演了重要的角色，為了發(fā)現(xiàn)入侵的轟炸機(jī)，最初只能利用光學(xué)（如探照燈）或聲學(xué)的手段，顯然，這種方法提供的預(yù)警時間太短，不能滿足防空需要。為了緩解巨大的防空壓力，英國人可謂絞盡腦汁。

1935年初，瓦特開發(fā)出一部能夠接收電磁波的設(shè)備。當(dāng)年6月，瓦特領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊趕制出了世界上的第一部雷達(dá)。多座高塔是這部雷達(dá)的最顯著特征，高塔之間掛列著平行放置的發(fā)射天線，而接收天線則放置在另外的高塔上。7月，這部雷達(dá)探測到海上的飛機(jī)。1936年5月，英國空軍決定在本土大規(guī)模部署這種雷達(dá)，稱為“本土鏈”（Chain Home），到1937年4月，本土鏈雷達(dá)工作狀態(tài)趨于穩(wěn)定，能夠探測到160千米以外的飛機(jī)；到了8月，已經(jīng)有3個本土鏈雷達(dá)站部署完畢。而到了1939年初，投入使用的雷達(dá)站增加到20個，形成貫通英國南北的無線電波防線。

1939年，二戰(zhàn)爆發(fā)。英德之間的不列顛空戰(zhàn)成為雷達(dá)大顯身手的舞臺。本土鏈雷達(dá)網(wǎng)多次探測到德軍的空襲，并為己方攔截機(jī)提供引導(dǎo)信息。也許，德國人并沒有真正理解本土鏈的威力，因此自始至終都沒有對那一個個看來莫名其妙的高塔進(jìn)行轟炸或干擾。

雷達(dá)先驅(qū)者們的不幸

雷達(dá)在戰(zhàn)爭中展露頭角，使得英國人也想把雷達(dá)裝上飛機(jī)。在空戰(zhàn)中，如果在晴朗的白天，飛行員一般都能比較順利地發(fā)現(xiàn)敵機(jī)，但如果天氣不好或者是在夜晚，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)就會變得困難。把雷達(dá)裝上飛機(jī)就能幫助飛行員穿透迷霧和黑夜進(jìn)行空中攔截作戰(zhàn)——空中截?fù)衾走_(dá)（AI雷達(dá)）的概念就出現(xiàn)了。然而，以當(dāng)時的技術(shù)水平，哪個工程師要是被軍方派去開發(fā)AI雷達(dá)，絕對是一種不幸。先不說本土鏈雷達(dá)的巨大天線，僅僅是巨大的耗電量就是個難以解決的事兒了。那么，怎么樣才能把雷達(dá)做得足夠“迷你”夠“環(huán)?！眳s又看得足夠遠(yuǎn)呢？

雷達(dá)通過發(fā)射機(jī)產(chǎn)生一定振蕩頻率的電流，送至天線后通過電磁感應(yīng)現(xiàn)象把電能變成電磁波輻射到空間；電磁波碰到物體后會向各個方向反射，其中一部分會返回雷達(dá)（稱為后向散射），被天線接收并送至雷達(dá)接收機(jī)，在顯示器上顯示。如果我們能夠提高發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的功率，并且使得從天線輻射出去的電波能量在空間盡量集中，就能使得電波能夠在更遠(yuǎn)的距離上觸及目標(biāo)。這正像我們在說話時，如果需要離自己很遠(yuǎn)的人也能聽見，可以做兩件事，要么扯起嗓子喊，要么拿一個喇叭。雷達(dá)提高探測距離的這兩個基本辦法，在專業(yè)上稱為提高“功率孔徑積”。

如何提高發(fā)射機(jī)的功率呢？可以對一定振蕩頻率（可以認(rèn)為與雷達(dá)在空間輻射的電磁波的頻率相同）的電流通過放大器放大，然后再送至天線。實際上這是發(fā)射機(jī)最主要的功用。但是，放大器的放大能力與電磁波的工作頻率直接相關(guān)。頻率越低，放大越容易。早期的雷達(dá)，其電磁波頻率只能在300兆赫以下（對應(yīng)的電磁波波長大于1米，稱為米波），本土鏈雷達(dá)的工作頻率只有11.5兆赫，波長26米。當(dāng)然，如果器件水平只允許雷達(dá)工作在較低的頻率，而雷達(dá)工作在較低頻率上又沒有什么壞處的話，那就讓它工作在低頻段上好了，但情況并沒有那么簡單。雷達(dá)電磁波的工作頻率還直接影響到雷達(dá)把能量集中到空中去發(fā)射的能力，即天線性能。人們把雷達(dá)電波從天線輻射出來的能量在空間的分布用波瓣圖來表示。雷達(dá)能量最集中的區(qū)域稱為主瓣，其余的區(qū)域就叫副瓣，又叫旁瓣。雷達(dá)天線把能量集中到主瓣寬度內(nèi)發(fā)射的能量和雷達(dá)向全方位同等輻射能量的比值，稱為天線的增益。雷達(dá)能量在空間越集中，主瓣寬度（一般為幾度以下）就越小，增益就越高。在天線尺寸一定的情況下，雷達(dá)波長越長，主瓣波束寬度越寬，增益越小；或者說，在雷達(dá)波長選定以后，為了獲得盡量窄的波束寬度和盡量高的增益，應(yīng)該盡量把天線個頭做大。

如果要增大天線，飛機(jī)上的空間不允許；如果要提高電波頻率和發(fā)射功率，器件水平又不允許，而且，早期的電子技術(shù)，無法直接在一個較高的頻率上產(chǎn)生電流振蕩，如果要讓雷達(dá)工作頻率提高，就只能采用一級一級的電路逐級提高工作頻率，這無疑又會增加設(shè)備的數(shù)量、重量和體積。因此，早期的機(jī)載雷達(dá)發(fā)展面臨嚴(yán)重的困難。

無心插柳的空海監(jiān)視雷達(dá)

1936年，美國無線電公司開發(fā)出一種小型電子管，可產(chǎn)生波長1.5米，工作頻率200兆赫的電磁波，這成為人們把雷達(dá)裝上飛機(jī)的一根“救命稻草”。1937年8月，世界上第一部機(jī)載雷達(dá)試驗機(jī)由英國科學(xué)家愛德華?鮑恩領(lǐng)導(dǎo)的研究小組研制成功，并把它安裝在一架雙發(fā)動機(jī)的“安森”飛機(jī)上，探索作為截?fù)衾走_(dá)的可能性，這架“安森”飛機(jī)便成為最早載有雷達(dá)的飛機(jī)。不過雷達(dá)的功率雖然只有區(qū)區(qū)100瓦，但卻讓飛行員們感到不安——他們認(rèn)為，雷達(dá)可能引起火花并點燃油箱，而且，雷達(dá)的天線會妨礙飛機(jī)的機(jī)動飛行。

正式試飛開始以后，結(jié)果有些出乎意料。雷達(dá)在空中沒有發(fā)現(xiàn)任何空中飛機(jī)，卻把海面上的幾艘船看得清清楚楚。于是瓦特又特地安排這架飛機(jī)做觀察英軍艦船的進(jìn)一步實驗，結(jié)果令人鼓舞。很快，機(jī)載雷達(dá)的研發(fā)重點就從空-空截?fù)艮D(zhuǎn)向空-海監(jiān)視。這種情況發(fā)生的原因是，艦船反射雷達(dá)回波的能力要比飛機(jī)反射回波的能力強(qiáng)幾十倍以上。因此，在海情良好的情況下，機(jī)載雷達(dá)發(fā)現(xiàn)艦船的距離要比發(fā)現(xiàn)飛機(jī)的距離遠(yuǎn)得多。但當(dāng)海情惡劣時，艦船回波容易受到海浪的干擾，雷達(dá)發(fā)現(xiàn)距離會大幅度下降。

1939年11月，第一種生產(chǎn)型機(jī)載空海監(jiān)視雷達(dá)ASV-1開始試驗，1940年初投入使用，裝備英國空軍海防總隊的3個海上巡邏機(jī)中隊，用以在北海跟蹤護(hù)航艦隊。1940年末，隨著希特勒“海獅計劃”的破產(chǎn)，納粹空軍對英國的空中威脅大大減弱，不過德軍潛艇的活動卻越發(fā)猖狂。到1941年春，德軍潛艇已經(jīng)擊沉一百多艘盟軍商船，極大破壞了英軍物資保障體系。于是，英國開始圍繞海上交通線大舉開展反潛戰(zhàn)，機(jī)載雷達(dá)成為盟軍反潛的利器。它能在更遠(yuǎn)的距離上發(fā)現(xiàn)水面航行的潛艇，并引導(dǎo)飛機(jī)發(fā)起攻擊。

小玩意兒的大玄機(jī)

1940年2月，英國科學(xué)家發(fā)明磁控管，第一次使得雷達(dá)工作頻率從米波提高到分米波，從而使得雷達(dá)終于進(jìn)入微波時代（雷達(dá)波長如果短至分米以下，則稱為微波波段）。雷達(dá)工作在微波波段帶來的好處是巨大的。由于頻率提高、波長縮短，所以可以允許天線在做得比較小的情況下仍然有很強(qiáng)的方向性，另外磁控管也解決了雷達(dá)工作頻率提高以后的功率放大難題，首次讓雷達(dá)工作在分米波長上并產(chǎn)生高達(dá)1千瓦的功率。

在20世紀(jì)40年代之初，磁控管讓機(jī)載雷達(dá)在經(jīng)歷了3年的徘徊和困難時期后有望解決在飛機(jī)上的適裝性問題。同時在這一階段，另一重要元件的發(fā)明——電子收發(fā)開關(guān)，使得雷達(dá)不再需要分置的兩個天線，將用于接收和用于發(fā)射的天線合二為一。那么，雷達(dá)發(fā)展的早期，為什么發(fā)射和接收要用不同的天線呢？

雷達(dá)的首要功能是測距，通過測量發(fā)射電波和接收回波之間的時間差，并將其除以2后再乘上電波傳輸速度（光速），就得到目標(biāo)距雷達(dá)的距離。大部分雷達(dá)采用脈沖方式工作，也就是雷達(dá)發(fā)射一段時間的電磁波（通常為數(shù)毫秒以內(nèi)），然后歇一會兒（通常為幾百毫秒以內(nèi)），然后再發(fā)射，如此往復(fù)。雷達(dá)停止發(fā)射的時間段內(nèi)，就在接收回波。由于從發(fā)射機(jī)送出的功率極大（地面雷達(dá)的功率可達(dá)兆瓦以上），而進(jìn)入接收機(jī)的雷達(dá)回波通常非常微弱（最多為發(fā)射機(jī)送出的功率的幾百億分之一），為接收到微弱的回波，接收機(jī)要求非常靈敏。在電子收發(fā)開關(guān)沒有發(fā)明之前，為使發(fā)射機(jī)的能量不至于進(jìn)入接收機(jī)并燒壞接收機(jī)，只能把收發(fā)天線以及相應(yīng)收發(fā)通道分開。有了電子開關(guān)之后，在用一個天線既做發(fā)射又做接收的情況下，發(fā)射時用于保證巨大的雷達(dá)電波能量僅僅送入天線而不送往接收機(jī)；接收時則保證可以讓微弱的雷達(dá)電波能量送入接收機(jī)而不是送往發(fā)射機(jī)，使接收到的能量不至于被發(fā)射機(jī)送出的能量所淹沒。

不過，對雷達(dá)來說，還需要在收發(fā)開關(guān)的基礎(chǔ)上，再配置接收機(jī)保護(hù)裝置。這是因為，天線和傳送電流至天線的通道之間的電路不能做到絕對匹配，因此，天線不能完全吸收由發(fā)射機(jī)送過來的電流能量，其中的一小部分會被天線反射回來，從而會造成一部分發(fā)射機(jī)能量損耗———就像光線在穿透一塊玻璃時，總有一部分光線會從玻璃上反射回來一樣。由于雙工器完全根據(jù)能量的流向執(zhí)行其開關(guān)功能，因此，從天線反射回的這部分能量會“欺騙”雙工器，仍然會進(jìn)入接收機(jī)。雖然這個能量很少，但仍然比雷達(dá)的回波強(qiáng)很多，足以燒壞接收機(jī)。

雷達(dá)天線不再分置，減少了飛機(jī)上的空間占用，使機(jī)載雷達(dá)更加緊湊，設(shè)備在機(jī)身上的安置更加集中。隨后，也是在這個十年間，雷達(dá)天線形式開始由釘子狀的單個或多個天線振子、魚骨狀的八木天線陣列向鍋狀的拋物面反射天線進(jìn)化。拋物面天線的增益是八木天線的十倍以上，也就是拋物面天線的波束寬度普遍要比八木天線的窄很多，從早期的十幾度甚至幾十度演變到當(dāng)時的幾度，這樣，功率相對小一些的發(fā)射機(jī)，也能讓電波傳得很遠(yuǎn)。

磁控管的發(fā)明，收發(fā)天線的共用，以及天線形式的演變，使雷達(dá)逐漸變得更適合在飛機(jī)上安裝，到上世紀(jì)40年代中期，雷達(dá)已經(jīng)具備了機(jī)載應(yīng)用的條件。

擦亮飛機(jī)上的神眼

雷達(dá)有兩大基本功——測距和測角。

因為電磁波的傳播速度是一定的（光速），測距就是測時間，或者說，時間就是距離。雷達(dá)所能測量的時間越短，則雷達(dá)距離的測量也就越準(zhǔn)。在雷達(dá)里，能夠測量的最短時間就是每次發(fā)射電波的持續(xù)時間，即脈沖寬度。因此，減少雷達(dá)發(fā)射能量的持續(xù)時間，對提高距離測量的精度有好處。

雷達(dá)對角度的測量，則要復(fù)雜一些。由于雷達(dá)的波束有一定寬度，為了覆蓋全方位，雷達(dá)波束就需要旋轉(zhuǎn)起來，正像人的眼睛有一定的視角范圍，為了看清身體兩側(cè)和身后的物體，就必須轉(zhuǎn)身一樣。

雷達(dá)測量目標(biāo)的角度，就是通過記下雷達(dá)天線當(dāng)前旋轉(zhuǎn)所處的位置，如果在這個位置上有一個很強(qiáng)的回波，那么，這個回波所對應(yīng)的方向就是雷達(dá)天線的當(dāng)前指向角。但是，如果雷達(dá)波束很寬，而兩個目標(biāo)在方位上又靠得很近，一個波束就可以把這兩個目標(biāo)“罩住”，那么，雷達(dá)對這兩個目標(biāo)就無法區(qū)分了。如果降低雷達(dá)的波束寬度，使得波束在兩個旋轉(zhuǎn)位置上才能分別照射到這兩個目標(biāo)，這樣就會有兩個方向了。因此，測角要測得準(zhǔn)，首先要使波束窄一些。后來，人們想到了在測量方法上也做一些改進(jìn)。通過先后改變波束位置（在這兩個位置上都能照射到目標(biāo)），并且使同一個目標(biāo)在這兩個波束位置上的回波強(qiáng)度都一樣，那么，由于波束位置是事先知道的，就可以判斷出目標(biāo)的方向是在這兩個波束位置的角平分線上。如果目標(biāo)不是位于兩個波束位置的正中，那么兩次回波在強(qiáng)度上就有所不同。由于這種測角方法中，需要把波束先后放到兩個相鄰的位置上，而雷達(dá)天線通過掃描在空域中搜索目標(biāo)時正達(dá)到這樣的效果，所以稱為“順序掃描”。當(dāng)需要對目標(biāo)的高度也進(jìn)行測量時，道理是一樣的，只不過是把波束要先后放到兩個相鄰的高低角上。如果在測量方位的同時，需要測量高度，那么波束既要在方位上變化，也要在高度方向上變化，此時從雷達(dá)射出的波束就要在空中“畫圈”，波束的運動軌跡就像一個圓錐，所以這種測角方法稱為“圓錐掃描”。

通過順序掃描或圓錐掃描的方法，雷達(dá)對角度的測量可以達(dá)到波束寬度的幾分之一。不過，順序掃描或圓錐掃描雖然提高了測角的準(zhǔn)確度，但是由于這種測角方法需要利用波束先后兩次照射到目標(biāo)后的回波，兩次回波的強(qiáng)度可能會變化很大，難以使兩次的回波強(qiáng)度相同，所以，測角效果有時候并不是很理想。我們都有這樣的生活經(jīng)驗，在明媚的陽光之下，垂楊柳邊，一片平靜的湖面，在微風(fēng)的吹拂下，波光搖曳。這些粼粼的波光有時候會讓我們覺得晃眼，有時候卻又很溫柔地進(jìn)入我們的視線。這種情況實際上表示，陽光照射到湖面以后，由于微風(fēng)吹動了湖水，水面的姿態(tài)在變化和起伏，從而使水波反射進(jìn)入人眼的陽光強(qiáng)度發(fā)生了變化。目標(biāo)對雷達(dá)的反射有如此理。在雷達(dá)的波束先后兩次照射到目標(biāo)的時間間隔內(nèi)，由于目標(biāo)在此期間的姿態(tài)或其它物理特性的變化，雷達(dá)兩次收到的回波的強(qiáng)度會有很大的不同，專業(yè)上叫作“目標(biāo)閃爍”或“目標(biāo)起伏”，這對雷達(dá)確定目標(biāo)的位置是非常不利的。所以，雷達(dá)在確定目標(biāo)的位置時，要想測得準(zhǔn)一些，總是希望克服目標(biāo)閃爍的影響。20世紀(jì)50年代，雷達(dá)工程師想到了單脈沖技術(shù)，也就是讓天線“同時”產(chǎn)生兩個波束照射目標(biāo)而不是“先后”利用兩個波束照射目標(biāo)，以克服先后兩個波束照射的間隔中目標(biāo)回波強(qiáng)度的變化；而且理論上，這種方法只需要兩個波束在一次照射時間內(nèi)（也就是1個脈沖，故稱為單脈沖）返回的能量就能把角度測出來，而測量的準(zhǔn)確度卻可以提高1個數(shù)量級（達(dá)到波束寬度的1/10至1/20）。

脈沖壓縮，魚與熊掌可以兼得

前面說過，為了提高雷達(dá)的距離分辨力，以及測距的準(zhǔn)確性，希望脈沖寬度越窄越好。另一方面，以脈沖方式工作的雷達(dá)，脈沖越寬，也就是每次發(fā)射能量的持續(xù)時間越長，里面包含的能量也就越多，回波也就可能蘊(yùn)含更多的能量，這對于提高雷達(dá)的發(fā)現(xiàn)距離是有利的，所以，雷達(dá)脈沖又是寬一些好。那么，如何解決提高發(fā)射能量和提高距離分辨力的矛盾呢？答案就是脈沖壓縮。這是繼20世紀(jì)50年代出現(xiàn)的單脈沖技術(shù)后，機(jī)載雷達(dá)發(fā)展史上的又一次重大技術(shù)突破

。

脈沖壓縮技術(shù)就是在發(fā)射脈沖時，脈沖寬度很寬，在接收時，則把它壓窄。脈沖壓窄意味著頻率變高，而頻率越高，通過接收機(jī)的速度就越快。脈沖的接收過程相當(dāng)于把寬脈沖分成很多段，如果不作脈沖壓縮，那么這些段是先后依次通過接收機(jī)。如果作脈沖壓縮，就是在第一段通過的同時，讓第二段趕上第一段，第二段和第一段就同時通過了。然后讓第三段趕上第二段，第四段趕上第三段……，所有的回波段就全趕在同一個時間段通過接收機(jī)了。因為要讓后面的段趕上前面的段，所以，后面段的信號頻率就要依次增高，越靠后面的段頻率越快。

平板縫隙天線，團(tuán)結(jié)與距離

平面陣列天線從外觀上看，象是一塊平板，而不象拋物面那樣是一個曲面。波導(dǎo)縫隙（又稱“裂縫”）陣列天線就是用得最多的平面陣列天線。顧名思義，“波導(dǎo)縫隙陣列”就是把波導(dǎo)——根根排列起來組成陣列，并且在陣列上開出縫隙。波導(dǎo)是電磁波從發(fā)射機(jī)輸送到天線以及從天線輸送到接收機(jī)的通道。波導(dǎo)中以電流或電磁場形式傳輸?shù)碾姶挪ǎ凇翱p隙”處輻射出去并在空間進(jìn)行合成，以在某個方向上形成窄波束；而在接收時，則在雷達(dá)發(fā)射電波的方向上收集返回的大部分雷達(dá)能量，當(dāng)然，每個縫隙所接收到的電磁波也要合成，以便形成接收波束。

天線上的各個縫隙之間到底間隔多大的距離排布，有一個簡單而重要的規(guī)律，那就是必須相隔半個波長，無論是高度方向上還是水平方向上，都服從這個規(guī)律。如果間距太大，各個縫隙射出的電波能量在空間合成時不容易匯聚到一起，因此，各個縫隙需要“緊密團(tuán)結(jié)”；可如果各個縫隙太“親近”，也就是間距太小，各個縫隙射出的電磁波又容易互相干擾、互相打架，正所謂“距離產(chǎn)生美”，因此，間距半波長為宜。

縫隙除了開在波導(dǎo)上以外，也可以開在微帶傳輸線上。微帶傳輸線和波導(dǎo)一樣，都是傳送電流或電磁場的通道，一根根的微帶傳輸線也可以象波導(dǎo)一樣排成陣列。所以，很多時候，人們將波導(dǎo)縫隙或微帶縫隙天線統(tǒng)稱平面縫隙陣列天線。

平面陣列天線誕生于20世紀(jì)60年代，相比之前的鍋形天線，又將天線增益提高了一到兩個數(shù)量級，這有利于擴(kuò)展機(jī)載雷達(dá)的探測距離。通過提高天線匯聚能量的能力來使雷達(dá)看得更遠(yuǎn)，而又不會明顯增加雷達(dá)的體積和重量。

脈沖多普勒，相對運動的奧妙

人們在說起

性能時，常常提到“具有下視下射能力”。要能“下射”，“下視”（雷達(dá)的波束往下指向）是前提，只有能夠發(fā)現(xiàn)位于己方飛機(jī)下方的目標(biāo)，才能進(jìn)行打擊。而雷達(dá)的波束往下指向后，電波不僅會打到需要探測的飛機(jī)目標(biāo)上，還會打到地面上，而來自地面的回波（稱為雜波）能夠比來自飛機(jī)的回波強(qiáng)百萬倍以上，從而將目標(biāo)淹沒，雷達(dá)不能發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。

那么，如何使得機(jī)載雷達(dá)具有明察秋毫的下視能力，使得它能夠把弱小的目標(biāo)回波從強(qiáng)大的地面反射回波中區(qū)分提取出來呢？在沒解決雜波剔除問題之前，機(jī)載雷達(dá)基本上只能在海面上空工作，經(jīng)過自上世紀(jì)30年代后期至60年代的發(fā)展，機(jī)載雷達(dá)無論是發(fā)現(xiàn)海面上的艦船，還是看海面上空的飛機(jī)，都已經(jīng)具備了差強(qiáng)人意的能力。但直到70年代初脈沖多普勒（PD）技術(shù)的成熟，才使得機(jī)載雷達(dá)真正具備全空域工作的能力，能夠在陸地上空較好地發(fā)揮作用。

脈沖多普勒是指雷達(dá)在以脈沖方式工作的同時，利用多普勒效應(yīng)來區(qū)分目標(biāo)和雜波。什么是“多普勒效應(yīng)”呢？我們有過這樣的生活體驗，站在火車站臺上時，如果一列火車鳴笛接近站臺，我們會覺得其聲音逐漸尖銳，而火車逐漸遠(yuǎn)離站臺時聲音逐漸低沉?；疖嚨镍Q笛從尖銳到低沉的變化，實際上是進(jìn)入人耳的笛聲聲波頻率的變化，而這種變化的產(chǎn)生正是由于火車存在相對于人的接近或遠(yuǎn)離的運動，這就是多普勒效應(yīng)。

與此類似，當(dāng)雷達(dá)向空中發(fā)射一定頻率的電磁波，如遇到運動目標(biāo)，一般情況下該目標(biāo)會存在與雷達(dá)的接近或遠(yuǎn)離的運動（稱為徑向運動），因此從運動目標(biāo)反射回雷達(dá)的電磁波頻率與雷達(dá)發(fā)射出去的電磁波的頻率相比會發(fā)生變化，二者的差值稱為多普勒頻率，它與2倍的目標(biāo)徑向速度（注意不是目標(biāo)的真實速度，徑向速度只是真實速度的一個分量）成正比，與雷達(dá)波長成反比；如果目標(biāo)是接近雷達(dá)的，則多普勒頻率是正的，反之是負(fù)的。

在脈沖多普勒技術(shù)發(fā)明之前，雷達(dá)要檢測到目標(biāo)，是利用目標(biāo)的回波強(qiáng)度。如果目標(biāo)的回波足夠強(qiáng)，強(qiáng)過接收機(jī)中根據(jù)電子隨機(jī)起伏而產(chǎn)生功率（即“電子噪聲”，簡稱“噪聲”），雷達(dá)就可以發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的存在。這種方式就是“普通脈沖”方式，它并沒有利用目標(biāo)的速度信息。而由于雷達(dá)下視時，地面的反射回波強(qiáng)度要比目標(biāo)的回波強(qiáng)度強(qiáng)很多，所以，在雷達(dá)顯示屏上，操作員只能看到白花花的一片，目標(biāo)回波淹沒在雜波中，雷達(dá)就因為“晃眼”而“暫時失明”。脈沖多普勒技術(shù)發(fā)明以后，雷達(dá)在發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時，不僅僅利用目標(biāo)的回波強(qiáng)度，也利用目標(biāo)和地面的速度信息，因為兩者相對于雷達(dá)有不同的速度，從而目標(biāo)和地面相對于雷達(dá)有著不同的徑向速度，進(jìn)而有著不同的多普勒頻率。利用這一點可以把目標(biāo)回波和地面反射回波進(jìn)行區(qū)分。這就是脈沖多普勒技術(shù)蘊(yùn)含的簡單道理。

相控陣技術(shù)，相位里的大學(xué)問

在電子技術(shù)中，特別是雷達(dá)技術(shù)中，“相位”是一個極其重要的概念。為了理解相位，我們可以用多人多槳的劃艇比賽做例子。要想艇劃得快，所有劃艇的人必須高度配合，一是說，所有的人都必須使出最大的力量；二是說，所有的人使出最大力量的時機(jī)，或者說槳每次入水的方向和相對于船體的位置，都必須一致。如果不一致，就得不到最大的前進(jìn)速度。也就是說，驅(qū)動艇前進(jìn)的總力量，就是各個槳手的力量的合成，但并不是各個槳手的力量簡單地相加，在相加時還要考慮到槳手用力的方向，以及使出最大力量的時機(jī)。

相位在雷達(dá)中的作用，有如此理。以平板縫隙天線為例，每一個縫隙就是一個小的天線單元。從平板天線發(fā)射出來的有一定寬度的波束，實際上是每個縫隙所輻射出來的具有一定幅度（功率或能量，相當(dāng)于每個槳手的力量）和一定相位（相當(dāng)于槳手劃槳的方向和時機(jī)）的電波的疊加，而不僅僅是幅度的疊加。在主瓣方向上，所有的天線單元輻射出的能量相加能夠達(dá)到最大，而在其他方向上，所有天線單元輻射出的能量則遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于最大值，這就是因為在其他方向相加時，各個天線單元輻射出的能量不是同相位相加的。因此，在雷達(dá)天線里，相位是用來衡量各個天線單元相互配合程度的。

由于相位在雷達(dá)能量合成的過程中有些類似于矢量相加過程中的矢量方向角的作用（矢量相加遵循平行四邊形法則），所以，相位一般用角度來表示。反過來說，為了形成具有一定寬度的波束，在設(shè)計天線時，必須使得組成天線的各個輻射單元所輻射出的電磁波在空間的某些方向上同相位或接近同相位相加，這樣就能獲得較大值，這些方向上分布的能量就會較多，這些方向就是主瓣區(qū)域；而在空間的某些方向上反相位或者接近反相位相加，這樣就能在其它方向上獲得較小值，這些方向上的能量分布較少，就是副瓣區(qū)域。

普通的平板天線中的每一個縫隙，其輻射出的電磁波相位在出廠時就是固定好、不能調(diào)整的，此時，從天線平面中心輻射出的具有一定形狀的波束一定始終垂直于平板的方向。所以，如果要想使天線波束能夠覆蓋全方位空域，就只能讓平板天線旋轉(zhuǎn)起來。

20世紀(jì)70年代，在通信技術(shù)的發(fā)展過程中，人們第一次認(rèn)識到，如果平板天線中每一個縫隙的相位都能調(diào)整和控制，那么，從平板中心射出的波束不僅能夠垂直于平板方向，而且能夠指向其他方向。如果讓每兩個相鄰縫隙的相位差連續(xù)改變，則指向就會從垂直于平板中心向其方向連續(xù)變化，這種效果實際上就是掃描，而不用轉(zhuǎn)動平板天線——這就是所謂的相控陣技術(shù)。這一技術(shù)被迅速地利用到雷達(dá)技術(shù)中去，掀開了雷達(dá)發(fā)展的新篇章。

在相控陣技術(shù)中，波束指向的變化是由每一個天線單元的相位變化來實現(xiàn)的。相控陣?yán)走_(dá)在每一個天線單元（如縫隙）后面，都會安裝一個移相器，用來改變它的相位。而我們知道，從天線射出的波束是每一個天線單元輻射出的電磁波在功率和相位兩個方面進(jìn)行相加的結(jié)果。那么，每一個天線單元的功率如何決定呢？早期的相控陣?yán)走_(dá)，有一個工作在很高的電壓（高達(dá)上萬伏）上的發(fā)射機(jī)，產(chǎn)生很大的功率，通過功率分配網(wǎng)絡(luò)把功率分配到這些天線單元中，每一個天線單元自身輻射功率就是集中式發(fā)射機(jī)分配得到的，天線單元自身并不能自主地輻射功率，因此稱為無源相控陣?yán)走_(dá)。

化整為零，從無源到有源

集中式發(fā)射機(jī)由于工作在高壓，很容易發(fā)生打火現(xiàn)象，由于發(fā)射機(jī)只有1個，一旦打火失效，整部雷達(dá)也就失效了。實際上，自成功地將雷達(dá)搬上飛機(jī)以來，可靠性低一直妨礙著機(jī)載雷達(dá)的應(yīng)用。在第三代戰(zhàn)斗機(jī)F-14剛剛服役時，AWG-9火控雷達(dá)的平均故障間隔時間（MTBF）只有幾小時，使之難以形成有效的戰(zhàn)斗力；經(jīng)過了幾十年的努力，第三代戰(zhàn)斗機(jī)雷達(dá)的可靠性也只有100小時左右，相對于其他電子設(shè)備的數(shù)千小時仍有1至2個數(shù)量級的差距。究其原因，一是極端惡劣環(huán)境下機(jī)載雷達(dá)高功率電子器件的可靠性低；二是高速運動的機(jī)械雷達(dá)天線成為大量故障的誘因。無源相控陣解決了機(jī)械旋轉(zhuǎn)天線的問題，并使得波束旋轉(zhuǎn)不再需要克服巨大的機(jī)械慣性而具有更大的靈活性，但對于高功率集中式發(fā)射機(jī)的可靠性問題，仍然無能為力。

此時人們想到，能否把整個發(fā)射機(jī)分散到各個天線單元后面去，變成若干多個小的發(fā)射機(jī)，每一個小的發(fā)射機(jī)只需要工作在很低的電壓上，而從天線射出的波束，是每一個小發(fā)射機(jī)輸出功率之和。這樣，即使一個小發(fā)射機(jī)壞了，也不會影響別的發(fā)射機(jī)，對整個射出的功率也不會產(chǎn)生多大影響。由于原來各個天線單元后面還要有移相器，那就要把移相器和發(fā)射機(jī)集成到一起。而又由于在集中式發(fā)射機(jī)情況下，收發(fā)通道是共用的，現(xiàn)在發(fā)射機(jī)被分散到天線單元后面去了，接收通道也可以一起挪過去，這樣，發(fā)射機(jī)、移相器和接收機(jī)全部做到一起，這就是收發(fā)組件，實際上相當(dāng)于一個個小的雷達(dá)。有多少個天線單元，就得有多少個收發(fā)組件。由于這樣的相控陣?yán)走_(dá)其天線單元具備獨立發(fā)射功率的能力，也就是天線單元是有源的，因此稱為有源相控陣。

人們常常把有源相控陣比作昆蟲的眼睛，這有一定道理。昆蟲的每只眼睛內(nèi)部幾乎都是由成千上萬只六邊形的小眼睛緊密排列組合而成，每只小眼睛又都自成體系。這種奇特的小眼睛，動物學(xué)上叫做“復(fù)眼”。而有源相控陣擁有成千上萬個收發(fā)組件，每一個收發(fā)組件都是一個小的雷達(dá)。昆蟲有的復(fù)眼可以朝某個方向看，而另外的復(fù)眼則可以朝向另外的方向。與此類似，有源相控陣容易實現(xiàn)雷達(dá)的多功能，眾多收發(fā)組件和天線單元，可以分組使用，各忙各的，有的看這個方向，有的看那個方向，有的用來看空中目標(biāo)，有的用來對地成像。因此，昆蟲之眼的比喻，很好地說明了有源相控陣最重要的特征和優(yōu)點。不過，至于有源相控陣的發(fā)明，是不是受到了昆蟲的啟發(fā)？有源相控陣?yán)走_(dá)，是不是仿生學(xué)的杰作？這都無從考證了。也許，這只是又一個頗具吸引力的附會而已。

米格-31是世界上最早裝備無源相控陣?yán)走_(dá)的戰(zhàn)斗機(jī)。目前，俄羅斯的無源相控陣技術(shù)已經(jīng)非常成熟，米格-29和蘇-27/30系列都廣泛應(yīng)用，取代原來的機(jī)械掃描雷達(dá)。有源相控陣技術(shù)從上世紀(jì)70年代中期才開始探索，至本世紀(jì)初，隨著F-22及其AN/APG-77雷達(dá)的服役，才標(biāo)志著有源相控陣火控雷達(dá)的成熟。

由于無源相控陣和有源相控陣的天線單元相位都可以由計算機(jī)控制，所以在掃描的靈活性上具有同樣優(yōu)點。二者都可以通過延長在每個方向上照射時間（也就是降低掃描一周的時間）的辦法，來提高目標(biāo)反射回雷達(dá)的功率。因為每個方向上照射時間增加了，也就是發(fā)出的脈沖個數(shù)多了，而每個脈沖都是攜帶一定能量的，返回雷達(dá)的回波脈沖的總能量也就增加了。這是機(jī)械掃描雷達(dá)做不到的。

而有源相控陣較無源相控陣又有很多優(yōu)勢。首先，有源相控陣易于產(chǎn)生更大的功率，因為天線輻射出去的總功率是每一個收發(fā)單元的合成，所以，要增加總的輻射功率，在每個收發(fā)單元的功率一定的情況下，增加收發(fā)單元的數(shù)量即可。而無源相控陣或者是機(jī)械掃描的雷達(dá)，由于只有1個發(fā)射機(jī)，在它的功率已經(jīng)很高的情況下，再提高就非常困難；其次，有源相控陣的可靠性更高，一是因為在有源相控陣的收發(fā)組件中采用半導(dǎo)體放大器件（即“固態(tài)”器件）對功率進(jìn)行放大，工作電壓低，功率較小，每個收發(fā)組件的功率一般為數(shù)十瓦至數(shù)百瓦，且有很高的集成度，總功率是若干個收發(fā)組件功率的合成，不需要象無源相控陣那樣有一個集中產(chǎn)生大功率能量的發(fā)射機(jī)，從而避免了集中式雷達(dá)發(fā)射機(jī)必須使用高壓所帶來的打火故障。二是由于有源相控陣?yán)走_(dá)收發(fā)組件數(shù)量較多，如果出現(xiàn)一小撮“非戰(zhàn)斗減員”，對雷達(dá)正常工作也無大礙。有源相控陣出現(xiàn)以后，將傳統(tǒng)機(jī)載雷達(dá)最多200小時的MTBF提高到2 000小時。

未來，滲透與被滲透

到了20世紀(jì)80年代，軍事強(qiáng)國對機(jī)載雷達(dá)的設(shè)計工作已經(jīng)得心應(yīng)手，新型號的研制速度很快。隨著半導(dǎo)體集成電路和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)迅速邁向多功能化的同時也在不斷瘦身——1973年，歷時10年研制成功的AN/AWG-9雷達(dá)，采用機(jī)械旋轉(zhuǎn)天線，其直徑0.91米，雷達(dá)重量高達(dá)612千克，是當(dāng)時最大的機(jī)載火控雷達(dá)，工作模式不到10種，可靠性只有數(shù)小時。到了2005年F-22的AN/APG-77雷達(dá)采用有源相控陣技術(shù)，天線直徑為1米，重量只有200千克，可靠性達(dá)到2 000小時，有20種以上的工作模式。

21世紀(jì)的機(jī)載雷達(dá)，將在不斷完善自身的同時，逐漸與飛機(jī)上的其他航電系統(tǒng)融為一體。美國空軍在上世紀(jì)80年代初提出了“數(shù)字航空電子綜合系統(tǒng)”、“寶石柱”和“寶石臺”計劃，數(shù)航系統(tǒng)已在上世紀(jì)80年代設(shè)計的雷達(dá)型號上實現(xiàn)；2005年的F-22服役，則標(biāo)志著“寶石柱”計劃已在新世紀(jì)得以推行。在第一階段，雷達(dá)失去了自己的顯示器，與飛機(jī)上的其他儀表系統(tǒng)集成在一起；在第二階段，隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)又失去了信號處理和數(shù)據(jù)處理分系統(tǒng)，只剩下發(fā)射、接收和天線三個分系統(tǒng)。通用信號處理器（CIP）將雷達(dá)同F(xiàn)-22飛機(jī)上的光電、紅外、無源和電子戰(zhàn)系統(tǒng)的信息一起處理。同時，飛機(jī)航電系統(tǒng)的數(shù)據(jù)開始在光纖傳輸上傳輸，傳輸速率可達(dá)10吉比特/秒以上，而傳統(tǒng)的1553總線傳輸速率只有1兆比特/秒。各種航電系統(tǒng)掛在基于光纖傳輸?shù)目偩€上集成起來，并且多達(dá)60余種本應(yīng)由硬件實現(xiàn)的功能都已經(jīng)由軟件實現(xiàn)。

之所以雷達(dá)的發(fā)射、接收和天線系統(tǒng)成為大一統(tǒng)過程中的“頑固分子”，是因為雷達(dá)自身的特殊性所決定的。從發(fā)射機(jī)來說，雷達(dá)自身發(fā)射電磁波，為了獲得足夠的回波功率，需要自身提供非常強(qiáng)大的功率，而飛機(jī)上的其他傳感器要么自身不輻射功率，要么輻射的功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于雷達(dá)；從接收機(jī)來說，雷達(dá)的接收機(jī)非常靈敏，要求能夠接收信號的功率僅為發(fā)射功率的幾十億分之一；從天線來說，天線的性能與工作頻段息息相關(guān)，而雷達(dá)的工作頻率與其他電子設(shè)備的頻率相差很遠(yuǎn)，要想天線共用，必須讓天線在寬達(dá)20吉赫茲以上的頻率范圍內(nèi)工作，而目前的技術(shù)，讓天線在寬達(dá)1吉赫茲以上的頻率范圍內(nèi)正常工作，就已經(jīng)非常不容易。

但是，技術(shù)的發(fā)展，永遠(yuǎn)會超出普通人的想象。讓雷達(dá)在完善自身探測性能的同時，還能提供通信、偵察和干擾等能力，正在全世界范圍內(nèi)廣泛開展研究，并持續(xù)取得進(jìn)展。雖然看起來雷達(dá)作為獨立的系統(tǒng)正在走向消亡，可是從另外一個角度去看，又何嘗不是在擴(kuò)展自己的領(lǐng)地呢？

文章來源：電波之矛