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雷达(radar)是英文“Radio Detection and Ranging”(直译:“无线电探测与测距”)的缩写的音译,即用无线电波的反射信号发现目标并测定其空间位置、移动方向、速度、相對距離以及大概形状的电子设备。雷达被广泛应用于航空与航海导航、军事侦察和预警、气象观测以及太空探索等领域。
雷達的出現,始於二戰前。虽然美、法等国亦注意到“以无线电探测目标的可能”,这在当时的学术界并不是秘密,但真正开始研制实用设备的是英、德2国。因北大西洋时常恶劣的天气,货运繁忙的伦敦港、朴茨茅斯港,及汉堡港时常发生轮船碰撞事故,英、德在两战间开发雷达的本意是在夜间或雾天协助钢铁货轮航行;而欲实现以无线电探测目标,需要大功率的电磁波发射源,这在当时是物理界的前沿技术;后发展出磁控管等一系列至今仍属高端技术的产品,历史证明各国均为此投入了大量资金和专业人员。因此英、德早期的研究人员均不约而同地找到政府申请投资,而政府又要求项目具有军事价值作为回报,从而在相互不知情的情况下,两国的雷达项目均成为了机密的军事项目。
两国雷达的最大不同在选择的频段。英国一开始选择了高频频段(High frequency/HF),频率在30MHz左右。因为这是英国当时技术能够得到的可靠的大功率发射器件的最高频率;由于波长太长,后来战时在英吉利海峡树立的天线极为庞大不可移动,对小物体的检测性能不好,战时实际用来探测德军机群而非单机;但是可以超视距工作,探测到因地球曲率处于地平线以下的机群或军舰。但在1939年英国發明磁腔管後便進入大功率微波雷達俱樂部,並教導美国有关技術,美国因此在1941年后已能做出當時的船、飛机載雷達。英国于战争后期获得美国提供的雷达核心部件,频率范围和雷达品种才开始多样化。德国一直走錯科技樹,以洛倫玆波導為主,以VHF频段为主(德文Kurz,意思是短),频率200MHz-400MHz;由于磁控管技术的不成熟,功率密度太低,雷达体积巨大不可移动部署,也因技術的限制,只能用于測控,例如炸英国時測量自己在德方雷達站的方向及距离,只有當有敵机在兩者中間飛過才感知(但卻不知敵人在那),后来战时更率先发展出机载版本用于Bf 110G-4夜间战斗机上,可探测到单机,英国只有木结构的蚊式易躲过侦测;但英軍當年的干扰技術基本上癱瘓了所有德国雷達。
二戰期間列強的研究使得雷達技術得以快速的發展,雷達就已經出現了地對空、空對地(搜索)轟炸、空對空(截擊)火控、敵我識別功能的雷達技術。二戰以後,雷達發展了單脈衝角度跟蹤、脈衝多普勒信號處理、合成孔徑和脈衝壓縮的高分辨率、結合敵我識別的組合系統、結合計算機的自動火控系統、地形迴避和地形跟隨、無源或有源的相位陣列、頻率捷變、多目標探測與跟蹤等新的雷達體制。
後來隨著微電子等各個領域科學進步,雷達技術的不斷發展,其內涵和研究內容都在不斷地拓展。目前,雷達的探測手段已經由從前的只有雷達一種探測器發展到了雷達、紅外光、紫外光、激光以及其他光學探測手段融合協作。
當代雷達的同時多功能的能力使得戰場指揮員在各種不同的搜索/跟蹤模式下對目標進行掃瞄,並對干擾誤差進行自動修正,而且大多數的控制功能是在系統內部完成的。自動目標識別則可使武器系統最大限度地發揮作用,空中預警機和JSTARS這樣的具有戰場敵我識別能力的綜合雷達系統實際上已經成為了未來戰場上的信息指揮中心。
早期的雷達天線是固定的、無方向的陣列,只有距離訊息。天線在一定的時間間隔內發射射頻脈衝,將接收到的回波放大,並在示波器的CRT上顯示(即常稱的A顯示),產生一個與目標位置對應的水平線,供雷達操作員識別目標的大致距離。
但由於當時所用的射頻電波頻率較低,為了有效地發射和接收射頻信號,雷達系統需要一個很大的天線,這種天線不能遷移或者改變方向,而且只能探測到大目標,且距離信息的精度也很低。
到二戰結束時,雷達系統中那些現在熟悉的特徵—微波頻率、拋物面天線和平面位置指示器顯示,已建立起來。
當代雷達的主要特點:
圆锥扫描雷达、单脉冲雷达、无源相控阵雷达、有源相控阵雷达、脉冲压缩雷达、频率捷变雷达、MTI雷达、MTD雷达、PD雷达、合成孔径雷达、噪声雷达、冲击雷达、双/多基地雷达、天/地波超视距雷达等。
米波雷达、分米波雷达、厘米波雷达、毫米波雷达、激光/红外雷达......
两坐标雷达、三座标雷达、测速雷达、测高雷达、制导雷达等。
影響雷達探測距離的雷達方程其基本的公式是
其中
其中為雷達波的功率密度(每瓦特米的平方)由雷達發射機產生。因電磁波的功率密度和距離平方成反比遞減,而這個發射出去的雷達波功率密度在照射到目體表面後的雷達反射截面RCS為符號(米的平方)表示,被其目標表面雷達截面積反射其中一部份。因此這兩項相乘的乘積就是到達目標後開始反射的雷達功率密度而雷達波在次按照原路徑從目標反射回來功率密度又一次乘平方反比遞減,因此最後返回雷達接收天線的功率密度只剩下,而這個值最後還要在乘上雷達天線的有效接收面積。最後才是雷達接受到的功率。因此雷達的探測距離和目標的「雷達反射截面RCS、雷達功率、天線增益、天線接收面積這四項參數的大小的乘積的四次方根成正比。而雷達的RCS取決於目標物體的幾何橫截面積大小、反射率、和方向性。
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