機載雷達簡(jiǎn)史：向雷達先驅者們致敬

　　蝙蝠，雖然像人一樣擁有雙眼，但它看起東西來(lái)，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(guò)程中遇到物體后會(huì )立刻反彈，根據聲波發(fā)射和回波接收之間的時(shí)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(lèi)發(fā)明的雷達如出一轍。

　　從蝙蝠的生存技能來(lái)理解雷達，無(wú)疑是一個(gè)很有意思的捷徑。不過(guò)把雷達的發(fā)明說(shuō)成是仿生學(xué)的結果，卻是一種牽強附會(huì )。如果時(shí)間倒退到七十多年前，英國的雷達先驅者們聽(tīng)到這種說(shuō)法，也一定會(huì )笑著(zhù)解釋說(shuō)，“不，不，是轟炸機讓我們發(fā)明了雷達，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的研制者。當時(shí)正值第二次世界大戰前。那時(shí)的轟炸機在戰爭中已經(jīng)扮演了重要的角色，為了發(fā)現入侵的轟炸機，最初只能利用光學(xué)(如探照燈)或聲學(xué)的手段，顯然，這種方法提供的預警時(shí)間太短，不能滿(mǎn)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(kāi)發(fā)出一部能夠接收電磁波的設備。當年6月，瓦特領(lǐng)導的團隊趕制出了世界上的第一部雷達。多座高塔是這部雷達的最顯著(zhù)特征，高塔之間掛列著(zhù)平行放置的發(fā)射天線(xiàn)，而接收天線(xiàn)則放置在另外的高塔上。7月，這部雷達探測到海上的飛機。1936年5月，英國空軍決定在本土大規模部署這種雷達，稱(chēng)為“本土鏈”(Chain Home)，到1937年4月，本土鏈雷達工作狀態(tài)趨于穩定，能夠探測到160千米以外的飛機;到了8月，已經(jīng)有3個(gè)本土鏈雷達站部署完畢。而到了1939年初，投入使用的雷達站增加到20個(gè)，形成貫通英國南北的無(wú)線(xiàn)電波防線(xiàn)。

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

　　雷達先驅者們的不幸

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

　　雷達通過(guò)發(fā)射機產(chǎn)生一定振蕩頻率的電流，送至天線(xiàn)后通過(guò)電磁感應現象把電能變成電磁波輻射到空間;電磁波碰到物體后會(huì )向各個(gè)方向反射，其中一部分會(huì )返回雷達(稱(chēng)為后向散射)，被天線(xiàn)接收并送至雷達接收機，在顯示器上顯示。如果我們能夠提高發(fā)射機產(chǎn)生的功率，并且使得從天線(xiàn)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的距離上觸及目標。這正像我們在說(shuō)話(huà)時(shí)，如果需要離自己很遠的人也能聽(tīng)見(jiàn)，可以做兩件事，要么扯起嗓子喊，要么拿一個(gè)喇叭。雷達提高探測距離的這兩個(gè)基本辦法，在專(zhuān)業(yè)上稱(chēng)為提高“功率孔徑積”。

　　如何提高發(fā)射機的功率呢?可以對一定振蕩頻率(可以認為與雷達在空間輻射的電磁波的頻率相同)的電流通過(guò)放大器放大，然后再送至天線(xiàn)。實(shí)際上這是發(fā)射機最主要的功用。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，其電磁波頻率只能在300兆赫以下(對應的電磁波波長(cháng)大于1米，稱(chēng)為米波)，本土鏈雷達的工作頻率只有11.5兆赫，波長(cháng)26米。當然，如果器件水平只允許雷達工作在較低的頻率，而雷達工作在較低頻率上又沒(méi)有什么壞處的話(huà)，那就讓它工作在低頻段上好了，但情況并沒(méi)有那么簡(jiǎn)單。雷達電磁波的工作頻率還直接影響到雷達把能量集中到空中去發(fā)射的能力，即天線(xiàn)性能。人們把雷達電波從天線(xiàn)輻射出來(lái)的能量在空間的分布用波瓣圖來(lái)表示。雷達能量最集中的區域稱(chēng)為主瓣，其余的區域就叫副瓣，又叫旁瓣。雷達天線(xiàn)把能量集中到主瓣寬度內發(fā)射的能量和雷達向全方位同等輻射能量的比值，稱(chēng)為天線(xiàn)的增益。雷達能量在空間越集中，主瓣寬度(一般為幾度以下)就越小，增益就越高。在天線(xiàn)尺寸一定的情況下，雷達波長(cháng)越長(cháng)，主瓣波束寬度越寬，增益越小;或者說(shuō)，在雷達波長(cháng)選定以后，為了獲得盡量窄的波束寬度和盡量高的增益，應該盡量把天線(xiàn)個(gè)頭做大。

　　如果要增大天線(xiàn)，飛機上的空間不允許;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(wú)法直接在一個(gè)較高的頻率上產(chǎn)生電流振蕩，如果要讓雷達工作頻率提高，就只能采用一級一級的電路逐級提高工作頻率，這無(wú)疑又會(huì )增加設備的數量、重量和體積。因此，早期的機載雷達發(fā)展面臨嚴重的困難。

　　無(wú)心插柳的空海監視雷達

　　1936年，美國無(wú)線(xiàn)電公司開(kāi)發(fā)出一種小型電子管，可產(chǎn)生波長(cháng)1.5米，工作頻率200兆赫的電磁波，這成為人們把雷達裝上飛機的一根“救命稻草”。1937年8月，世界上第一部機載雷達試驗機由英國科學(xué)家愛(ài)德華?鮑恩領(lǐng)導的研究小組研制成功，并把它安裝在一架雙發(fā)動(dòng)機的“安森”飛機上，探索作為截擊雷達的可能性，這架“安森”飛機便成為最早載有雷達的飛機。不過(guò)雷達的功率雖然只有區區100瓦，但卻讓飛行員們感到不安——他們認為，雷達可能引起火花并點(diǎn)燃油箱，而且，雷達的天線(xiàn)會(huì )妨礙飛機的機動(dòng)飛行。

　　正式試飛開(kāi)始以后，結果有些出乎意料。雷達在空中沒(méi)有發(fā)現任何空中飛機，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做觀(guān)察英軍艦船的進(jìn)一步實(shí)驗，結果令人鼓舞。很快，機載雷達的研發(fā)重點(diǎn)就從空-空截擊轉向空-海監視。這種情況發(fā)生的原因是，艦船反射雷達回波的能力要比飛機反射回波的能力強幾十倍以上。因此，在海情良好的情況下，機載雷達發(fā)現艦船的距離要比發(fā)現飛機的距離遠得多。但當海情惡劣時(shí)，艦船回波容易受到海浪的干擾，雷達發(fā)現距離會(huì )大幅度下降。

　　1939年11月，第一種生產(chǎn)型機載空海監視雷達ASV-1開(kāi)始試驗，1940年初投入使用，裝備英國空軍海防總隊的3個(gè)海上巡邏機中隊，用以在北海跟蹤護航艦隊。1940年末，隨著(zhù)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(guò)德軍潛艇的活動(dòng)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(kāi)始圍繞海上交通線(xiàn)大舉開(kāi)展反潛戰，機載雷達成為盟軍反潛的利器。它能在更遠的距離上發(fā)現水面航行的潛艇，并引導飛機發(fā)起攻擊。

　　小玩意兒的大玄機

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

　　在20世紀40年代之初，磁控管讓機載雷達在經(jīng)歷了3年的徘徊和困難時(shí)期后有望解決在飛機上的適裝性問(wèn)題。同時(shí)在這一階段，另一重要元件的發(fā)明——電子收發(fā)開(kāi)關(guān)，使得雷達不再需要分置的兩個(gè)天線(xiàn)，將用于接收和用于發(fā)射的天線(xiàn)合二為一。那么，雷達發(fā)展的早期，為什么發(fā)射和接收要用不同的天線(xiàn)呢?

　　雷達的首要功能是測距，通過(guò)測量發(fā)射電波和接收回波之間的時(shí)間差，并將其除以2后再乘上電波傳輸速度(光速)，就得到目標距雷達的距離。大部分雷達采用脈沖方式工作，也就是雷達發(fā)射一段時(shí)間的電磁波(通常為數毫秒以?xún)?，然后歇一會(huì )兒(通常為幾百毫秒以?xún)?，然后再發(fā)射，如此往復。雷達停止發(fā)射的時(shí)間段內，就在接收回波。由于從發(fā)射機送出的功率極大(地面雷達的功率可達兆瓦以上)，而進(jìn)入接收機的雷達回波通常非常微弱(最多為發(fā)射機送出的功率的幾百億分之一)，為接收到微弱的回波，接收機要求非常靈敏。在電子收發(fā)開(kāi)關(guān)沒(méi)有發(fā)明之前，為使發(fā)射機的能量不至于進(jìn)入接收機并燒壞接收機，只能把收發(fā)天線(xiàn)以及相應收發(fā)通道分開(kāi)。有了電子開(kāi)關(guān)之后，在用一個(gè)天線(xiàn)既做發(fā)射又做接收的情況下，發(fā)射時(shí)用于保證巨大的雷達電波能量?jì)H僅送入天線(xiàn)而不送往接收機;接收時(shí)則保證可以讓微弱的雷達電波能量送入接收機而不是送往發(fā)射機，使接收到的能量不至于被發(fā)射機送出的能量所淹沒(méi)。

　　不過(guò)，對雷達來(lái)說(shuō)，還需要在收發(fā)開(kāi)關(guān)的基礎上，再配置接收機保護裝置。這是因為，天線(xiàn)和傳送電流至天線(xiàn)的通道之間的電路不能做到絕對匹配，因此，天線(xiàn)不能完全吸收由發(fā)射機送過(guò)來(lái)的電流能量，其中的一小部分會(huì )被天線(xiàn)反射回來(lái)，從而會(huì )造成一部分發(fā)射機能量損耗———就像光線(xiàn)在穿透一塊玻璃時(shí)，總有一部分光線(xiàn)會(huì )從玻璃上反射回來(lái)一樣。由于雙工器完全根據能量的流向執行其開(kāi)關(guān)功能，因此，從天線(xiàn)反射回的這部分能量會(huì )“欺騙”雙工器，仍然會(huì )進(jìn)入接收機。雖然這個(gè)能量很少，但仍然比雷達的回波強很多，足以燒壞接收機。

　　雷達天線(xiàn)不再分置，減少了飛機上的空間占用，使機載雷達更加緊湊，設備在機身上的安置更加集中。隨后，也是在這個(gè)十年間，雷達天線(xiàn)形式開(kāi)始由釘子狀的單個(gè)或多個(gè)天線(xiàn)振子、魚(yú)骨狀的八木天線(xiàn)陣列向鍋狀的拋物面反射天線(xiàn)進(jìn)化。拋物面天線(xiàn)的增益是八木天線(xiàn)的十倍以上，也就是拋物面天線(xiàn)的波束寬度普遍要比八木天線(xiàn)的窄很多，從早期的十幾度甚至幾十度演變到當時(shí)的幾度，這樣，功率相對小一些的發(fā)射機，也能讓電波傳得很遠。

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

　　擦亮飛機上的神眼

　　雷達有兩大基本功——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(shí)間，或者說(shuō)，時(shí)間就是距離。雷達所能測量的時(shí)間越短，則雷達距離的測量也就越準。在雷達里，能夠測量的最短時(shí)間就是每次發(fā)射電波的持續時(shí)間，即脈沖寬度。因此，減少雷達發(fā)射能量的持續時(shí)間，對提高距離測量的精度有好處。

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

　　雷達測量目標的角度，就是通過(guò)記下雷達天線(xiàn)當前旋轉所處的位置，如果在這個(gè)位置上有一個(gè)很強的回波，那么，這個(gè)回波所對應的方向就是雷達天線(xiàn)的當前指向角。但是，如果雷達波束很寬，而兩個(gè)目標在方位上又靠得很近，一個(gè)波束就可以把這兩個(gè)目標“罩住”，那么，雷達對這兩個(gè)目標就無(wú)法區分了。如果降低雷達的波束寬度，使得波束在兩個(gè)旋轉位置上才能分別照射到這兩個(gè)目標，這樣就會(huì )有兩個(gè)方向了。因此，測角要測得準，首先要使波束窄一些。后來(lái)，人們想到了在測量方法上也做一些改進(jìn)。通過(guò)先后改變波束位置(在這兩個(gè)位置上都能照射到目標)，并且使同一個(gè)目標在這兩個(gè)波束位置上的回波強度都一樣，那么，由于波束位置是事先知道的，就可以判斷出目標的方向是在這兩個(gè)波束位置的角平分線(xiàn)上。如果目標不是位于兩個(gè)波束位置的正中，那么兩次回波在強度上就有所不同。由于這種測角方法中，需要把波束先后放到兩個(gè)相鄰的位置上，而雷達天線(xiàn)通過(guò)掃描在空域中搜索目標時(shí)正達到這樣的效果，所以稱(chēng)為“順序掃描”。當需要對目標的高度也進(jìn)行測量時(shí)，道理是一樣的，只不過(guò)是把波束要先后放到兩個(gè)相鄰的高低角上。如果在測量方位的同時(shí)，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(shí)從雷達射出的波束就要在空中“畫(huà)圈”，波束的運動(dòng)軌跡就像一個(gè)圓錐，所以這種測角方法稱(chēng)為“圓錐掃描”。

　　通過(guò)順序掃描或圓錐掃描的方法，雷達對角度的測量可以達到波束寬度的幾分之一。不過(guò)，順序掃描或圓錐掃描雖然提高了測角的準確度，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后的回波，兩次回波的強度可能會(huì )變化很大，難以使兩次的回波強度相同，所以，測角效果有時(shí)候并不是很理想。我們都有這樣的生活經(jīng)驗，在明媚的陽(yáng)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(shí)候會(huì )讓我們覺(jué)得晃眼，有時(shí)候卻又很溫柔地進(jìn)入我們的視線(xiàn)。這種情況實(shí)際上表示，陽(yáng)光照射到湖面以后，由于微風(fēng)吹動(dòng)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(yáng)光強度發(fā)生了變化。目標對雷達的反射有如此理。在雷達的波束先后兩次照射到目標的時(shí)間間隔內，由于目標在此期間的姿態(tài)或其它物理特性的變化，雷達兩次收到的回波的強度會(huì )有很大的不同，專(zhuān)業(yè)上叫作“目標閃爍”或“目標起伏”，這對雷達確定目標的位置是非常不利的。所以，雷達在確定目標的位置時(shí)，要想測得準一些，總是希望克服目標閃爍的影響。20世紀50年代，雷達工程師想到了單脈沖技術(shù)，也就是讓天線(xiàn)“同時(shí)”產(chǎn)生兩個(gè)波束照射目標而不是“先后”利用兩個(gè)波束照射目標，以克服先后兩個(gè)波束照射的間隔中目標回波強度的變化;而且理論上，這種方法只需要兩個(gè)波束在一次照射時(shí)間內(也就是1個(gè)脈沖，故稱(chēng)為單脈沖)返回的能量就能把角度測出來(lái)，而測量的準確度卻可以提高1個(gè)數量級(達到波束寬度的1/10至1/20)。

　　脈沖壓縮，魚(yú)與熊掌可以兼得

　　前面說(shuō)過(guò)，為了提高雷達的距離分辨力，以及測距的準確性，希望脈沖寬度越窄越好。另一方面，以脈沖方式工作的雷達，脈沖越寬，也就是每次發(fā)射能量的持續時(shí)間越長(cháng)，里面包含的能量也就越多，回波也就可能蘊含更多的能量，這對于提高雷達的發(fā)現距離是有利的，所以，雷達脈沖又是寬一些好。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50年代出現的單脈沖技術(shù)后，機載雷達發(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(shí)，脈沖寬度很寬，在接收時(shí)，則把它壓窄。脈沖壓窄意味著(zhù)頻率變高，而頻率越高，通過(guò)接收機的速度就越快。脈沖的接收過(guò)程相當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(guò)接收機。如果作脈沖壓縮，就是在第一段通過(guò)的同時(shí)，讓第二段趕上第一段，第二段和第一段就同時(shí)通過(guò)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(gè)時(shí)間段通過(guò)接收機了。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(xiàn)，團結與距離

　　平面陣列天線(xiàn)從外觀(guān)上看，象是一塊平板，而不象拋物面那樣是一個(gè)曲面。波導縫隙(又稱(chēng)“裂縫”)陣列天線(xiàn)就是用得最多的平面陣列天線(xiàn)。顧名思義，“波導縫隙陣列”就是把波導——根根排列起來(lái)組成陣列，并且在陣列上開(kāi)出縫隙。波導是電磁波從發(fā)射機輸送到天線(xiàn)以及從天線(xiàn)輸送到接收機的通道。波導中以電流或電磁場(chǎng)形式傳輸的電磁波，在“縫隙”處輻射出去并在空間進(jìn)行合成，以在某個(gè)方向上形成窄波束;而在接收時(shí)，則在雷達發(fā)射電波的方向上收集返回的大部分雷達能量，當然，每個(gè)縫隙所接收到的電磁波也要合成，以便形成接收波束。

　　天線(xiàn)上的各個(gè)縫隙之間到底間隔多大的距離排布，有一個(gè)簡(jiǎn)單而重要的規律，那就是必須相隔半個(gè)波長(cháng)，無(wú)論是高度方向上還是水平方向上，都服從這個(gè)規律。如果間距太大，各個(gè)縫隙射出的電波能量在空間合成時(shí)不容易匯聚到一起，因此，各個(gè)縫隙需要“緊密團結”;可如果各個(gè)縫隙太“親近”，也就是間距太小，各個(gè)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(cháng)為宜。

　　縫隙除了開(kāi)在波導上以外，也可以開(kāi)在微帶傳輸線(xiàn)上。微帶傳輸線(xiàn)和波導一樣，都是傳送電流或電磁場(chǎng)的通道，一根根的微帶傳輸線(xiàn)也可以象波導一樣排成陣列。所以，很多時(shí)候，人們將波導縫隙或微帶縫隙天線(xiàn)統稱(chēng)平面縫隙陣列天線(xiàn)。

　　平面陣列天線(xiàn)誕生于20世紀60年代，相比之前的鍋形天線(xiàn)，又將天線(xiàn)增益提高了一到兩個(gè)數量級，這有利于擴展機載雷達的探測距離。通過(guò)提高天線(xiàn)匯聚能量的能力來(lái)使雷達看得更遠，而又不會(huì )明顯增加雷達的體積和重量。

　　脈沖多普勒，相對運動(dòng)的奧妙

　　人們在說(shuō)起機載雷達性能時(shí)，常常提到“具有下視下射能力”。要能“下射”，“下視”(雷達的波束往下指向)是前提，只有能夠發(fā)現位于己方飛機下方的目標，才能進(jìn)行打擊。而雷達的波束往下指向后，電波不僅會(huì )打到需要探測的飛機目標上，還會(huì )打到地面上，而來(lái)自地面的回波(稱(chēng)為雜波)能夠比來(lái)自飛機的回波強百萬(wàn)倍以上，從而將目標淹沒(méi)，雷達不能發(fā)現目標。

　　那么，如何使得機載雷達具有明察秋毫的下視能力，使得它能夠把弱小的目標回波從強大的地面反射回波中區分提取出來(lái)呢?在沒(méi)解決雜波剔除問(wèn)題之前，機載雷達基本上只能在海面上空工作，經(jīng)過(guò)自上世紀30年代后期至60年代的發(fā)展，機載雷達無(wú)論是發(fā)現海面上的艦船，還是看海面上空的飛機，都已經(jīng)具備了差強人意的能力。但直到70年代初脈沖多普勒(PD)技術(shù)的成熟，才使得機載雷達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在以脈沖方式工作的同時(shí)，利用多普勒效應來(lái)區分目標和雜波。什么是“多普勒效應”呢?我們有過(guò)這樣的生活體驗，站在火車(chē)站臺上時(shí)，如果一列火車(chē)鳴笛接近站臺，我們會(huì )覺(jué)得其聲音逐漸尖銳，而火車(chē)逐漸遠離站臺時(shí)聲音逐漸低沉?；疖?chē)的鳴笛從尖銳到低沉的變化，實(shí)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(chē)存在相對于人的接近或遠離的運動(dòng)，這就是多普勒效應。

　　與此類(lèi)似，當雷達向空中發(fā)射一定頻率的電磁波，如遇到運動(dòng)目標，一般情況下該目標會(huì )存在與雷達的接近或遠離的運動(dòng)(稱(chēng)為徑向運動(dòng))，因此從運動(dòng)目標反射回雷達的電磁波頻率與雷達發(fā)射出去的電磁波的頻率相比會(huì )發(fā)生變化，二者的差值稱(chēng)為多普勒頻率，它與2倍的目標徑向速度(注意不是目標的真實(shí)速度，徑向速度只是真實(shí)速度的一個(gè)分量)成正比，與雷達波長(cháng)成反比;如果目標是接近雷達的，則多普勒頻率是正的，反之是負的。

　　在脈沖多普勒技術(shù)發(fā)明之前，雷達要檢測到目標，是利用目標的回波強度。如果目標的回波足夠強，強過(guò)接收機中根據電子隨機起伏而產(chǎn)生功率(即“電子噪聲”，簡(jiǎn)稱(chēng)“噪聲”)，雷達就可以發(fā)現目標的存在。這種方式就是“普通脈沖”方式，它并沒(méi)有利用目標的速度信息。而由于雷達下視時(shí)，地面的反射回波強度要比目標的回波強度強很多，所以，在雷達顯示屏上，操作員只能看到白花花的一片，目標回波淹沒(méi)在雜波中，雷達就因為“晃眼”而“暫時(shí)失明”。脈沖多普勒技術(shù)發(fā)明以后，雷達在發(fā)現目標時(shí)，不僅僅利用目標的回波強度，也利用目標和地面的速度信息，因為兩者相對于雷達有不同的速度，從而目標和地面相對于雷達有著(zhù)不同的徑向速度，進(jìn)而有著(zhù)不同的多普勒頻率。利用這一點(diǎn)可以把目標回波和地面反射回波進(jìn)行區分。這就是脈沖多普勒技術(shù)蘊含的簡(jiǎn)單道理。

　　相控陣技術(shù)，相位里的大學(xué)問(wèn)

　　在電子技術(shù)中，特別是雷達技術(shù)中，“相位”是一個(gè)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(shuō)，所有的人都必須使出最大的力量;二是說(shuō)，所有的人使出最大力量的時(shí)機，或者說(shuō)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(shuō)，驅動(dòng)艇前進(jìn)的總力量，就是各個(gè)槳手的力量的合成，但并不是各個(gè)槳手的力量簡(jiǎn)單地相加，在相加時(shí)還要考慮到槳手用力的方向，以及使出最大力量的時(shí)機。

　　相位在雷達中的作用，有如此理。以平板縫隙天線(xiàn)為例，每一個(gè)縫隙就是一個(gè)小的天線(xiàn)單元。從平板天線(xiàn)發(fā)射出來(lái)的有一定寬度的波束，實(shí)際上是每個(gè)縫隙所輻射出來(lái)的具有一定幅度(功率或能量，相當于每個(gè)槳手的力量)和一定相位(相當于槳手劃槳的方向和時(shí)機)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(xiàn)單元輻射出的能量相加能夠達到最大，而在其他方向上，所有天線(xiàn)單元輻射出的能量則遠遠小于最大值，這就是因為在其他方向相加時(shí)，各個(gè)天線(xiàn)單元輻射出的能量不是同相位相加的。因此，在雷達天線(xiàn)里，相位是用來(lái)衡量各個(gè)天線(xiàn)單元相互配合程度的。

　　由于相位在雷達能量合成的過(guò)程中有些類(lèi)似于矢量相加過(guò)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(lái)表示。反過(guò)來(lái)說(shuō)，為了形成具有一定寬度的波束，在設計天線(xiàn)時(shí)，必須使得組成天線(xiàn)的各個(gè)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(huì )較多，這些方向就是主瓣區域;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，就是副瓣區域。

　　普通的平板天線(xiàn)中的每一個(gè)縫隙，其輻射出的電磁波相位在出廠(chǎng)時(shí)就是固定好、不能調整的，此時(shí)，從天線(xiàn)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(xiàn)波束能夠覆蓋全方位空域，就只能讓平板天線(xiàn)旋轉起來(lái)。

　　20世紀70年代，在通信技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，人們第一次認識到，如果平板天線(xiàn)中每一個(gè)縫隙的相位都能調整和控制，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?jì)蓚€(gè)相鄰縫隙的相位差連續改變，則指向就會(huì )從垂直于平板中心向其方向連續變化，這種效果實(shí)際上就是掃描，而不用轉動(dòng)平板天線(xiàn)——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技術(shù)中去，掀開(kāi)了雷達發(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(gè)天線(xiàn)單元的相位變化來(lái)實(shí)現的。相控陣雷達在每一個(gè)天線(xiàn)單元(如縫隙)后面，都會(huì )安裝一個(gè)移相器，用來(lái)改變它的相位。而我們知道，從天線(xiàn)射出的波束是每一個(gè)天線(xiàn)單元輻射出的電磁波在功率和相位兩個(gè)方面進(jìn)行相加的結果。那么，每一個(gè)天線(xiàn)單元的功率如何決定呢?早期的相控陣雷達，有一個(gè)工作在很高的電壓(高達上萬(wàn)伏)上的發(fā)射機，產(chǎn)生很大的功率，通過(guò)功率分配網(wǎng)絡(luò )把功率分配到這些天線(xiàn)單元中，每一個(gè)天線(xiàn)單元自身輻射功率就是集中式發(fā)射機分配得到的，天線(xiàn)單元自身并不能自主地輻射功率，因此稱(chēng)為無(wú)源相控陣雷達。

　　化整為零，從無(wú)源到有源

　　集中式發(fā)射機由于工作在高壓，很容易發(fā)生打火現象，由于發(fā)射機只有1個(gè)，一旦打火失效，整部雷達也就失效了。實(shí)際上，自成功地將雷達搬上飛機以來(lái)，可靠性低一直妨礙著(zhù)機載雷達的應用。在第三代戰斗機F-14剛剛服役時(shí)，AWG-9火控雷達的平均故障間隔時(shí)間(MTBF)只有幾小時(shí)，使之難以形成有效的戰斗力;經(jīng)過(guò)了幾十年的努力，第三代戰斗機雷達的可靠性也只有100小時(shí)左右，相對于其他電子設備的數千小時(shí)仍有1至2個(gè)數量級的差距。究其原因，一是極端惡劣環(huán)境下機載雷達高功率電子器件的可靠性低;二是高速運動(dòng)的機械雷達天線(xiàn)成為大量故障的誘因。無(wú)源相控陣解決了機械旋轉天線(xiàn)的問(wèn)題，并使得波束旋轉不再需要克服巨大的機械慣性而具有更大的靈活性，但對于高功率集中式發(fā)射機的可靠性問(wèn)題，仍然無(wú)能為力。

　　此時(shí)人們想到，能否把整個(gè)發(fā)射機分散到各個(gè)天線(xiàn)單元后面去，變成若干多個(gè)小的發(fā)射機，每一個(gè)小的發(fā)射機只需要工作在很低的電壓上，而從天線(xiàn)射出的波束，是每一個(gè)小發(fā)射機輸出功率之和。這樣，即使一個(gè)小發(fā)射機壞了，也不會(huì )影響別的發(fā)射機，對整個(gè)射出的功率也不會(huì )產(chǎn)生多大影響。由于原來(lái)各個(gè)天線(xiàn)單元后面還要有移相器，那就要把移相器和發(fā)射機集成到一起。而又由于在集中式發(fā)射機情況下，收發(fā)通道是共用的，現在發(fā)射機被分散到天線(xiàn)單元后面去了，接收通道也可以一起挪過(guò)去，這樣，發(fā)射機、移相器和接收機全部做到一起，這就是收發(fā)組件，實(shí)際上相當于一個(gè)個(gè)小的雷達。有多少個(gè)天線(xiàn)單元，就得有多少個(gè)收發(fā)組件。由于這樣的相控陣雷達其天線(xiàn)單元具備獨立發(fā)射功率的能力，也就是天線(xiàn)單元是有源的，因此稱(chēng)為有源相控陣。

　　人們常常把有源相控陣比作昆蟲(chóng)的眼睛，這有一定道理。昆蟲(chóng)的每只眼睛內部幾乎都是由成千上萬(wàn)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(dòng)物學(xué)上叫做“復眼”。而有源相控陣擁有成千上萬(wàn)個(gè)收發(fā)組件，每一個(gè)收發(fā)組件都是一個(gè)小的雷達。昆蟲(chóng)有的復眼可以朝某個(gè)方向看，而另外的復眼則可以朝向另外的方向。與此類(lèi)似，有源相控陣容易實(shí)現雷達的多功能，眾多收發(fā)組件和天線(xiàn)單元，可以分組使用，各忙各的，有的看這個(gè)方向，有的看那個(gè)方向，有的用來(lái)看空中目標，有的用來(lái)對地成像。因此，昆蟲(chóng)之眼的比喻，很好地說(shuō)明了有源相控陣最重要的特征和優(yōu)點(diǎn)。不過(guò)，至于有源相控陣的發(fā)明，是不是受到了昆蟲(chóng)的啟發(fā)?有源相控陣雷達，是不是仿生學(xué)的杰作?這都無(wú)從考證了。也許，這只是又一個(gè)頗具吸引力的附會(huì )而已。

　　米格-31是世界上最早裝備無(wú)源相控陣雷達的戰斗機。目前，俄羅斯的無(wú)源相控陣技術(shù)已經(jīng)非常成熟，米格-29和蘇-27/30系列都廣泛應用，取代原來(lái)的機械掃描雷達。有源相控陣技術(shù)從上世紀70年代中期才開(kāi)始探索，至本世紀初，隨著(zhù)F-22及其AN/APG-77雷達的服役，才標志著(zhù)有源相控陣火控雷達的成熟。

　　由于無(wú)源相控陣和有源相控陣的天線(xiàn)單元相位都可以由計算機控制，所以在掃描的靈活性上具有同樣優(yōu)點(diǎn)。二者都可以通過(guò)延長(cháng)在每個(gè)方向上照射時(shí)間(也就是降低掃描一周的時(shí)間)的辦法，來(lái)提高目標反射回雷達的功率。因為每個(gè)方向上照射時(shí)間增加了，也就是發(fā)出的脈沖個(gè)數多了，而每個(gè)脈沖都是攜帶一定能量的，返回雷達的回波脈沖的總能量也就增加了。這是機械掃描雷達做不到的。

　　而有源相控陣較無(wú)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(xiàn)輻射出去的總功率是每一個(gè)收發(fā)單元的合成，所以，要增加總的輻射功率，在每個(gè)收發(fā)單元的功率一定的情況下，增加收發(fā)單元的數量即可。而無(wú)源相控陣或者是機械掃描的雷達，由于只有1個(gè)發(fā)射機，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(gè)收發(fā)組件的功率一般為數十瓦至數百瓦，且有很高的集成度，總功率是若干個(gè)收發(fā)組件功率的合成，不需要象無(wú)源相控陣那樣有一個(gè)集中產(chǎn)生大功率能量的發(fā)射機，從而避免了集中式雷達發(fā)射機必須使用高壓所帶來(lái)的打火故障。二是由于有源相控陣雷達收發(fā)組件數量較多，如果出現一小撮“非戰斗減員”，對雷達正常工作也無(wú)大礙。有源相控陣出現以后，將傳統機載雷達最多200小時(shí)的MTBF提高到2 000小時(shí)。

　　未來(lái)，滲透與被滲透

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

　　21世紀的機載雷達，將在不斷完善自身的同時(shí)，逐漸與飛機上的其他航電系統融為一體。美國空軍在上世紀80年代初提出了“數字航空電子綜合系統”、“寶石柱”和“寶石臺”計劃，數航系統已在上世紀80年代設計的雷達型號上實(shí)現;2005年的F-22服役，則標志著(zhù)“寶石柱”計劃已在新世紀得以推行。在第一階段，雷達失去了自己的顯示器，與飛機上的其他儀表系統集成在一起;在第二階段，隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展，雷達又失去了信號處理和數據處理分系統，只剩下發(fā)射、接收和天線(xiàn)三個(gè)分系統。通用信號處理器(CIP)將雷達同F-22飛機上的光電、紅外、無(wú)源和電子戰系統的信息一起處理。同時(shí)，飛機航電系統的數據開(kāi)始在光纖傳輸上傳輸，傳輸速率可達10吉比特/秒以上，而傳統的1553總線(xiàn)傳輸速率只有1兆比特/秒。各種航電系統掛在基于光纖傳輸的總線(xiàn)上集成起來(lái)，并且多達60余種本應由硬件實(shí)現的功能都已經(jīng)由軟件實(shí)現。

　　之所以雷達的發(fā)射、接收和天線(xiàn)系統成為大一統過(guò)程中的“頑固分子”，是因為雷達自身的特殊性所決定的。從發(fā)射機來(lái)說(shuō)，雷達自身發(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大的功率，而飛機上的其他傳感器要么自身不輻射功率，要么輻射的功率遠遠小于雷達;從接收機來(lái)說(shuō)，雷達的接收機非常靈敏，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(xiàn)來(lái)說(shuō)，天線(xiàn)的性能與工作頻段息息相關(guān)，而雷達的工作頻率與其他電子設備的頻率相差很遠，要想天線(xiàn)共用，必須讓天線(xiàn)在寬達20吉赫茲以上的頻率范圍內工作，而目前的技術(shù)，讓天線(xiàn)在寬達1吉赫茲以上的頻率范圍內正常工作，就已經(jīng)非常不容易。

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