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第85章 雷达

大家都知道在夜间飞行的蝙蝠,它的喉部能发出超声波,这种超声波遇到蚊虫或飞蛾等障碍物时能反射回来,它再用耳朵来接收这个回波信号。蝙蝠有这种能力,而人却没有,但是人们通过巧妙地利用电磁波,可以更准确地发现目标和更精确地测量距离,而完成这个任务的装置就是雷达。

利用电磁波探测目标是在20世纪30年代出现的。1930年1月,德国盖码公司的鲁道夫·库诺,从蝙蝠产生超声波来获得信息这一生物现象中受到启发,经过几年的艰苦努力,终于研制成功了早期的雷达。这种雷达实际上就是一种特殊的无线电装置,它能向空间发射电磁波,这种电磁波遇到目标时便反射回来,雷达根据电磁波往返的时间及发射时的方位角和仰角,能迅速计算出目标的距离和位置,并在监视器上显示出目标的特征。1934年,英国的一位科学家在对地球大气层进行无线电回波信号研究时,偶然发现荧光屏上有一串明亮的光点,他经过反复试验和研究,证实了这是附近某一大楼对电磁波反射的回波信号。这个意外的发现,使他萌发了用无线电回波来探测移动目标的设想。1935年由沃森·瓦特和其他英国电气工程师研制了第一部用于探测飞机的雷达,当时探测的距离虽然只有几十千米,但其意义很大,从此开辟了用电磁波探测和定位的发展道路。

早期的雷达只能发现目标和测量目标的距离,所以把它叫做“无线电发现和测距”,人们取这句话英文字的开头几个字母构成一个新词“Radar”,中文的译音就是“雷达”。

在第二次世界大战中,雷达技术得到了广泛的应用和迅速的发展。在大战开始阶段,作战双方都用雷达来预报对方飞机的入侵情况。比如,1940年8月,在纳粹德国征服了欧洲大陆后,准备占领英国。为此希特勒亲自制定了代号为“海狮”的作战计划,出动了近千架飞机向英国进发。然而,他没有想到的是,德军第一次偷袭都被英国空军拦截,仅在2周内德军就损失飞机600多架。希特勒妄图占领英国的计划失败了。为什么英军能对德军进行准确的打击呢?原来英国人在沿海地带建造了许多雷达站,用它来预报来犯的德国飞机的数量、航向和距离,从而及时采取了防御措施,使德军遭到了惨败。这是第一次在实战中使用雷达。再比如,在“珍珠港事件”之前,美国军队也设有雷达站,还发现过来犯的日本飞机,但美国指挥官太大意了,结果耽误了时间,使来犯的日本飞机对珍珠港袭击成功,把驻守在珍珠港的美国太平洋舰队的主力,打了个稀巴烂。这时。轻视雷达作用的美国人才从迷梦中猛醒过来,但为时已晚。

在雷达用于空防之后不久,在军舰上也安装了雷达,这对海军的战术产生了重大的影响。英国军舰利用自己在使用雷达搜索目标方面的优势,即使在风大浪高、天空漆黑的夜晚,也能发现和追击德国的战舰。所以在第二次世界大战后期,德军被击沉的舰船和潜艇的数目迅速增加。到1943年,英国普遍使用了雷达,仅在9月份一个月内,就摧毁德国潜艇64艘,使德国军队受到了很大的创伤。

在第二次世界大战后期,雷达又与武器操纵系统相结合,使雷达也具备了攻击性。炮兵部队使用了这种雷达之后,不仅能自动搜索、跟踪目标,而且还能攻击目标,从而大大提高了火炮的命中率和炮兵的战斗力。

也是在第二次世界大战的后期,一种新的敌我识别系统用于雷达,使雷达又具有了识别敌我月标的能力。有的雷达还能随着环境和目标的变化,自动调整自己的工作状态,使雷达的威力更大了。

第二次世界大战以后,雷达开始被广泛地用于经济建设中。

在陆地上,利用雷达发射的电磁波,测量物体运动的速度;测量风速和风向;预报台风和暴雨;在机场用雷达实现现代化管理和调度等。

在高空中,利用雷达发射的电磁波,帮助高速飞行物飞越崇山峻岭;雷达与电视技术相结合,能使飞行员在自己的荧光屏上形象地看到目标的形状和环境的图像;雷达与天文学相结合,形成了“射电天文学”,用雷达发射的电磁波,可以探测流星的余迹,并推算出120千米以内的大气温度、密度、风向等。1964年,用雷达发射出的电磁波,为飞船在月球上着陆选定了合适的登陆点。

在地下,利用探地雷达发出的电磁波,能够准确地探查出地球的断层、空间、陷落等地壳结构的缺陷。它利用渗入到地下的电磁波和反射回波进行分析,可以探得地面以下20米范围内的地层情况,从而可以预防地陷滑坡和堤坝崩塌等灾难性事件,还可以用它来探查地下古物或金属矿藏等等。

随着科学技术的不断进步和经济建设的迅速发展,雷达的应用领域还在进一步扩大。现在人们已经普遍认识到,雷达是帮助人类认识世界和观察宇宙奥秘不可缺少的工具,雷达在经济建设领域中也发挥着重要的作用。所以,人们形象地称雷达是“高级侦探”,是人类的好朋友。

说了这么多雷达的好处,你可能会着急地想到:雷达到底是如何工作的呢?怎么会有这么大的本领呢?现在我们就来简单地谈谈这方面的问题。

雷达的基本组成包括三个部分:发射机、接收机、天线。开始时将接收机关闭,把发射机打开,由发射机产生一定形式的高频电磁波(超短波或微波),经发射天线按特定的方向辐射出去。然后再将发射机关闭,把接收机打开,这时原来的发射天线就变成了接收天线。当电磁波在空间传播途中遇到目标时,就有一部分高频电磁波会反射回来,接收天线就会把这个信号接收下来并且输入到接收机中。观察人员就可以在接收机的输出端来判断有无目标以及目标的性质。电磁波从发射机发出到接收机收到反射回来的电磁信号所需的时间,再乘上电磁波的速度(即光速:30万千米/秒),就是电磁波在雷达和目标之间的往返距离。然后再被2除,所得结果就是所测量的目标的距离。利用天线的方向性或者利用双波束天线系统,就可以测量出目标的角位置。

多普勒效应是人们常遇到的一种自然现象。比如,当你站在铁路旁边时,迎面飞驰过来一列鸣笛的高速火车,这时你会听到汽笛的声调变高;当火车远离而去时,你又会听到声调变得低沉;而听到静止的火车鸣笛时,则声调不变。这说明声波的频率(声调的高低)会因波源与观察者之间的相对运动而改变,这种现象就叫做多普勒效应。雷达发出的超高频电磁波也具有这种性质,利用电磁波的多普勒效应,人们就可以测量出目标是向着雷达站运动还是背着雷达站运动,并且可以计算出其速度的大小。

按辐射电磁波的类型及其功能的不同,雷达可分为多种类型,不同类型的雷达有着不同的用途。对此我们简单介绍如下:

圆锥扫描雷达。这种雷达的天线为特殊形状,它转动时在辐射空间形成一个圆锥形的覆盖区。这种雷达整体结构简单;主要用于测量目标角位置和角度的自动跟踪,曾广泛地用于高射炮火的控制。它的缺点是只能跟踪较慢的目标,同时也有一定的误差。

单脉冲雷达。它只需发射一个电磁波脉冲信号,就能实现对目标角度的定位和自动跟踪。它的优点是精确度高,抗干扰能力强。缺点是结构复杂,使用起来有所不便。

三坐标雷达。它可以在几个方面同时确定目标的位置,主要用于空中警戒方面。这种雷达对电磁波的波束形式要求严格,必须有多路接收装置,所以结构自然也就比较复杂了。

合成孔径雷达。它利用运载工具的有规律运动,依次在不同位置上发射相干的电磁波脉冲信号,然后对一连串回波信号进行处理并合成,所得结果分辨率高,适合于在高空飞机和卫星上使用。它的缺点是发射功率较小,对信号噪声比要求高。

相控阵雷达。它由很多个辐射单元在空间排列构成,通过技术上的特殊处理,能实现辐射电磁波束的空间扫描。能灵活地实现同时对多批量、多目标的搜索和跟踪,它主要用于警戒和跟踪。其优点是探测速度快,抗干扰能力强,功能多,测量距离远,可以达3700千米。因此它的用途非常广泛,被称为雷达家庭中的“骄子”。它的缺点是结构复杂,造价高,设备庞大而难以隐蔽。虽然这样,但由于它的优点特别突出,目前仍是雷达技术发展的一个重要方向。

按雷达所在的位置来分。有地面防空雷达,用于警戒敌方侵袭;机载雷达,它能搜索地面防空雷达所看不到的目标,而且不易遭到敌方袭击;舰载雷达,它的个头虽小,但“能力”很强,被称为是“特种雷达”。此外,还有专门为天气预报服务的气象雷达等等。

以上这些雷达的性能和特点,都是用控制天线电磁波束的空间扫苗运动得到的。因此,掌握电磁波的辐射特性和有关的规律,是了解雷达特定功能进而使用雷达为人类服务的关键。

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