風雅的智慧——琴棋書畫詩酒花

3. 用電磁波測量目標的雷達

　　雷達Rader 是Radio detection and ranging 的縮寫， 原意是“利用無線電實現測量和定位”。雷達是在第二次世界大戰前發明的， 在第二次世界大戰中得到應用和發展。在戰爭中， 英國利用雷達， 確定了德國飛機的方位、距離和高度， 提前作好準備並指揮自己的飛機和防空部隊戰鬥， 效果非常明顯。

　　雷達包括天線、發射機、接收機、指示器等幾部分。發射機通過天線， 把電磁波發射到空中。雷達發射的電磁波與廣播電台發射的電磁波有兩大區別。一個區別是隻向某個方向發射， 隻在這個方向有電磁波。另一個區別是發射電磁波的時間很短， 我們稱之為“脈衝電磁波”。被發射的電磁波沿直線向前傳播。如果電磁波沒有遇到障礙物， 它將一直向前傳播“一去不複返”。如果電磁波遇到了障礙物， 就會像聲音或光一樣被反射回來。接收機接收到被反射的電磁波並加以放大， 在指示器上顯現出來。由上麵的分析可以知道， 若雷達向某個方向發出電磁波， 並且接收到了被反射回來的電磁波， 可確定在這個方向上有障礙物。由發射、接收電磁波的時間差， 就可以知道障礙物與雷達之間的距離。

　　在使用時， 雷達的天線不停地轉動， 向各個方向發射電磁波， 同時接收被反射的電磁波。由指示器上， 可以知道在每個時間， 雷達周圍障礙物的方位和距離。如果雷達天線轉一圈以後， 障礙物的位置不變， 這個障礙物為固定物體。如果障礙物的位置改變， 它就是一個活動的目標。由雷達指示器上的數據， 可以確定活動目標移動的方向和移動的速度。

　　為了更快地測定活動目標的運動情況， 更清楚地觀測目標， 現代雷達采用了“多普勒”和“合成孔徑”技術。

　　你也許注意到， 當急救車響著笛聲駛近時， 聽到的聲音發“尖”； 當急救車駛向遠方時， 聽到的聲音變得“低沉”。這種現象稱為“多普勒效應”。多普勒效應說明： 一個發聲的物體， 若所發聲音有一個固定的頻率， 當它運動的時候， 接收者收聽的頻率與發聲體發出聲音的頻率不一樣。發聲體駛近時， 接收到的頻率變大； 發聲體駛遠時， 接收到的頻率變小。

　　依據多普勒效應， 我們製成了多普勒雷達。多普勒雷達具有分辨電磁波頻率的本領。當雷達向空間發射電磁波時， 它“記住”了自己發射的時間和電磁波的頻率。如果障礙物是運動的， 它反射的電磁波頻率與運動情況有關。與發聲體的情況相似， 當運動物體接近雷達時， 電磁波頻率變大； 當運動物體遠離雷達時， 電磁波頻率減小。增大或減小的數值， 與運動物體的運動速度有關。使用多普勒雷達時， 不僅可以由指示器顯示目標此時的位置， 而且可以由電磁波的頻率變化， 直接得知目標的運動速度及運動方向。

　　想要探測尺寸較小的目標， 或者探明目標的具體細節， 就需發射強大的脈衝電磁波， 還需能接收到微弱的反射電磁波。在地麵的雷達站， 可以采用較長的發射、接收天線。但在飛機、衛星、艦船上， 天線不可能做得太長。為了適應這種情況， 采用了合成孔徑天線技術。

　　合成孔徑無線技術是利用雷達本身的運動， 分段、定時地發射和接收電磁波。通過對所接收電磁波的技術處理， 使它相當於用一根長天線發射得到的回波， 等於增大了天線的孔徑和有效長度。

　　在海灣戰爭中， 多國部隊使用的“長曲棍球”合成孔徑雷達偵察衛星， 在地麵上空600 多千米軌道上飛行， 可以探測在一定厚度的植被和幹燥地麵下的物體， 有一定識別偽裝的能力， 具有顯示活動目標的能力， 分辨能力為1 ～2 米。E-3 空中預警指揮飛機， 在9000 米的高度值班巡航， 采用脈衝多普勒雷達， 有效地探測半徑為370 千米內的高空與低空的各種目標， 進行空中指揮。