【原】雷達的歷史 | Radar History
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嚴(yán)格地說起來，雷達的研發(fā)工作始1930 年，但雷達的基本概念卻起源于1880 年后期德國物理學(xué)家海因里希·赫茲進行的經(jīng)典電磁輻射實驗。赫茲通過實驗驗證了蘇格蘭物理學(xué)家詹姆斯·克拉克·麥克斯韋早期的理論工作。當(dāng)時，麥克斯韋提出了電磁場的一般方程，即麥克斯韋方程組，并從理論上證明了光和無線電波都遵循相同基本定律，只是二者都是頻率不同的電磁波。麥克斯韋的工作得出的理論結(jié)論是：無線電波就像光波一樣可以被金屬物體反射并被電介質(zhì)折射，赫茲在1888 年使用波長為66厘米（對應(yīng)于大約 455MHz）的無線電波證明了這個結(jié)論。在當(dāng)時，赫茲的工作作為檢測具有實際意義的目標(biāo)的潛在效用并沒有被別人忽視。1904年，德國工程師 Christian Hülsmeyer獲得了多個國家授予的基于 赫茲提出的原理的“障礙物探測器和船舶導(dǎo)航裝置”專利，并向德國海軍進行展示，但未能引起德國軍方的任何興趣。 1930年代以前，雷達根本就沒有對的經(jīng)濟、社會或軍事具有重大的需求，直到人類研發(fā)出能夠攜帶大型有效載荷的遠程軍用轟炸機后，才促使了世界主要國家尋找一種手段來探測敵方飛機。在二戰(zhàn)前，大多數(shù)開發(fā)雷達的國家首先采用了其他探測飛機的方法， 其中包括監(jiān)聽飛機發(fā)動機的聲學(xué)噪音并檢測其點火產(chǎn)生的電噪音，另外，研究人員還試驗了紅外傳感器。然而，這些方法都被試驗證明是無效的。
在1930年代，使用無線電回波進行飛機探測的研發(fā)工作幾乎同時在十分關(guān)注當(dāng)前世界軍事局勢并且已經(jīng)擁有無線電技術(shù)實踐經(jīng)驗的國家開始。美國、英國、德國、法國、蘇聯(lián)、意大利、荷蘭和日本都在大約兩年內(nèi)開始試驗雷達，并以不同程度的動機和目的成功開始了雷達的軍事發(fā)展，其中某些國家在二戰(zhàn)時具備某種形式的作戰(zhàn)雷達設(shè)備服務(wù)于軍事。1922年，位于華盛頓特區(qū)的美國海軍研究實驗室 (NRL) 首次觀察到雷達效應(yīng)。NRL 研究人員在波托馬克河的一側(cè)放置了一個無線電發(fā)射器，另一側(cè)放置了一個接收器，一艘在河上航行的船意外地在發(fā)射器和接收器之間通過時導(dǎo)致接收信號的強度波動（今天，這種配置將被稱為雙基地雷達）。盡管這項實驗取得了可喜的結(jié)果，但美國海軍官員不愿贊助進一步的研究工作。1930年，當(dāng)L.A. Hyland 觀察到一架飛機飛過發(fā)射天線的波束時，導(dǎo)致接收信號發(fā)生波動，之前在NRL的現(xiàn)象被“重新發(fā)現(xiàn)”。盡管L.A. Hyland和他在 NRL的同事對通過無線電手段探測目標(biāo)的前景充滿熱情，并渴望認(rèn)真尋求發(fā)展，但海軍當(dāng)局對此興趣不大。直到研究出如何使用單個天線進行發(fā)射和接收（現(xiàn)在稱為單基地雷達），雷達在探測、跟蹤飛機和船只方面的價值才得到充分的認(rèn)可。1939年初，這種雷達系統(tǒng)在美國紐約號戰(zhàn)列艦上進行了海上試驗。美國陸軍開發(fā)的第一臺雷達是用于控制高射炮火的SCR-268（頻率為 205 MHz）和用于探測飛機的 SCR-270（頻率為 100 MHz），這兩種雷達都在二戰(zhàn)時使用，海軍的 CXAM 艦載監(jiān)視雷達（頻率為 200 MHz），亦是如此。1941年12月7日，當(dāng)時夏威夷有六架 SCR-270 探測到了日本戰(zhàn)機向檀香山附近的珍珠港靠近。然而，直到珍珠港炸彈開始落下，雷達探測的重要性才得到大家的重視。英國于1935年開始進行用于飛機探測的雷達研究，英國政府鼓勵雷達工程師迅速開展工作，因為英國人非常擔(dān)心戰(zhàn)爭的失敗可能性越來越大。到 1938 年 9 月，英國第一個雷達系統(tǒng)“Chain Home（本土鏈）”已開始 24 小時工作，并在整個戰(zhàn)爭期間保持運行。
“本土鏈”雷達使英國能夠成功部署其有限的防空系統(tǒng)，以應(yīng)對戰(zhàn)爭初期德國進行的猛烈空襲。它們以大約 30 MHz 的頻率運行，即在所謂的短波或 HF 波段不過，這實際上是雷達的一個相當(dāng)?shù)偷念l率。因此，以目前的眼光看來，它可能不是最佳解決方案，但英國雷達的發(fā)明者羅伯特·沃森-瓦特爵士認(rèn)為，當(dāng)前這些可行且可用的解決方案要比一個承諾或可能的理想解決方案要好。蘇聯(lián)也在1930年代開始研究雷達，1941年6月德國襲擊蘇聯(lián)時，蘇聯(lián)人已經(jīng)研發(fā)了幾種不同類型的雷達，并生產(chǎn)了一種工作頻率為 75 MHz（在甚高頻 [VHF] 波段）的飛機探測雷達，后來蘇聯(lián)的雷達設(shè)備的研發(fā)和制造因德國的入侵而中斷，實驗室和工廠不得不搬遷。二戰(zhàn)初期，德國在雷達的發(fā)展上比其他任何國家都走得更遠。德國人在地面和空中使用雷達來防御盟軍轟炸機，并且早在1936年就安裝在德國的袖珍戰(zhàn)艦上。在1940年末，雷達的研究被德國人停止，因為他們認(rèn)為戰(zhàn)爭快結(jié)束了，但美國和英國加快了他們的研究，當(dāng)?shù)聡艘庾R到他們的錯誤時，為時已晚。除了一些工作在 375 和 560 MHz 的德國雷達之外，所有在二戰(zhàn)開始之前開發(fā)成功雷達系統(tǒng)都在 VHF 頻段，低于約 200 MHz。VHF的使用帶來了幾點優(yōu)勢：首先，VHF 波束寬度很寬。窄波束寬度會產(chǎn)生更高的精度、更好的分辨率，并且可以排除來自地面或其他雜波的不需要的回波。其次，電磁頻譜的 VHF 部分不允許短脈沖所需的高帶寬，而這允許更高的精度范圍確定。第三，VHF 會受到大氣噪聲的影響，這限制了接收器的靈敏度。盡管有這些缺點，VHF 代表了 1930 年代無線電技術(shù)的前沿，在這個頻率范圍內(nèi)的雷達發(fā)展構(gòu)成了真正的開創(chuàng)性成就。 早期的研發(fā)人員很清楚，雷達在更高的頻率下工作是可取的，特別是因為可以在不使用過大天線的情況下實現(xiàn)窄波束寬度。1939 年末，英國伯明翰大學(xué)的物理學(xué)家發(fā)明了空腔磁控管振蕩器，從而使得雷達可以工作在更高頻率（微波區(qū)域的頻率），可以利用微波頻率的優(yōu)勢。1940 年，英國“慷慨”地向美國透露了磁控管的技術(shù)，這成為了新成立的位于馬塞諸塞州劍橋市的麻省理工學(xué)院 (MIT) 輻射實驗室開展研究的開端，也正是磁控管使得微波雷達在二戰(zhàn)中成為現(xiàn)實。麻省理工學(xué)院輻射實驗室創(chuàng)研制微波雷達的成功，歸因于滿足新軍事能力的緊迫性、對實驗室的有效管理，以及招募有才華和敬業(yè)的科學(xué)家。在實驗室成立的五年（1940-1945 年）期間，研發(fā)了 100 多種不同的雷達系統(tǒng)。SCR-584雷達是麻省理工學(xué)院輻射實驗室研發(fā)的最著名的微波雷達之一，它是一種廣泛使用的炮火控制系統(tǒng)，采用錐形掃描跟蹤，其中單個偏移（斜視）雷達波束圍繞雷達天線的中心軸連續(xù)旋轉(zhuǎn)，并具有4 度的波束寬度使得雷達具備足夠的角度精度，因此無需將高射炮對準(zhǔn)目標(biāo)探照燈或光學(xué)器件，這是寬波束寬度的舊雷達（例如 SCR-268）所不具備的。SCR-584雷達在2.7-2.9GHz的頻率范圍內(nèi)（稱為 S 波段）工作，并有一個直徑接近 6.6 英尺（2 米）的拋物面反射天線，它于 1944 年初在意大利的安齊奧灘頭陣地首次用于戰(zhàn)爭。SCR-584 微波雷達的引入讓德國人措手不及，因為在此之前，德國人已經(jīng)學(xué)會了如何干擾SCR-584 微波雷達的前身 SCR-268雷達。戰(zhàn)后，雷達技術(shù)的進步顯著放緩。1940年后期，主要延續(xù)二戰(zhàn)期間雷達的研究，其中一種是單脈沖跟蹤雷達，另一種是動目標(biāo)指示 (MTI) 雷達，將這兩種雷達技術(shù)完全發(fā)揮作用需要多年的時間。1950年代，出現(xiàn)了新的更好的雷達系統(tǒng)。其中一個是高精度的單脈沖跟蹤雷達，命名為 AN/FPS-16，其角精度約為 0.1毫弧度（約 0.006度）。另外，還研制成了在220MHz(VHF) 和 450MHz (UHF)下工作的大型高功率雷達，這些系統(tǒng)配備了大型的機械旋轉(zhuǎn)天線（水平尺寸37米），能夠可靠地探測遠距離的飛機。另一個值得注意的進步是速調(diào)管放大器，它為超遠程雷達提供了穩(wěn)定的高功率源。 合成孔徑雷達于1950年代初首次出現(xiàn)，但隨著數(shù)字處理和其他技術(shù)的引入，合成孔徑雷達又花了將近 30 年的時間才達到高度發(fā)展的狀態(tài)。機載脈沖多普勒雷達也在1950年代后期被引入 Bomarc 空對空導(dǎo)彈。1950 年代的十年緩慢發(fā)展時期，也見證了雷達方面重要理論的發(fā)表，這些理論將有助于雷達系統(tǒng)設(shè)計具備理論依據(jù)。其中包括：（1）噪聲信號檢測的統(tǒng)計理論，所謂的匹配濾波器理論，它展示了如何配置雷達接收器以最大限度地檢測微弱信號。（2）伍德沃德模糊圖，明確了波形設(shè)計中的權(quán)衡取舍，以獲得良好的范圍和徑向速度測量和分辨率。 （3）MTI 雷達中多普勒濾波的基本方法，后來當(dāng)數(shù)字技術(shù)使這個理論變?yōu)閷嶋H時，它變得十分重要。 多普勒頻移及其在雷達中的應(yīng)用在二戰(zhàn)之前就被人所知，但它后來經(jīng)過了很多年的發(fā)展，才實現(xiàn)了可以大規(guī)模使用所必需的技術(shù)。嚴(yán)格地說起來，多普勒原理在雷達上的應(yīng)用始于1950年代，如今該原理在許多雷達系統(tǒng)的運行中變得至關(guān)重要。如前所述，反射信號的多普勒頻移是由目標(biāo)和雷達之間的相對運動引起的，在連續(xù)波、MTI 和脈沖多普勒雷達中，多普勒頻率的使用是必不可少的，它們可以在存在大雜波回波的情況下檢測動目標(biāo)。多普勒頻移是警用雷達槍的基礎(chǔ)。SAR 和 ISAR 成像雷達利用多普勒頻率生成地形和目標(biāo)的高分辨率圖像。多普勒頻移也用于多普勒導(dǎo)航雷達，以測量攜帶雷達系統(tǒng)的飛機的速度。此外，在天氣雷達中提取多普勒頻移，可以識別其他技術(shù)無法識別的嚴(yán)重風(fēng)暴和危險的風(fēng)切變。第一臺大型電子控制的相控陣?yán)走_于1960年代投入使用。用于飛機探測的機載MTI雷達當(dāng)時是為美國海軍的 Grumman E-2 機載預(yù)警 (AEW) 飛機研制的。HF超視距雷達的許多特性在1960年代得到了展示，第一批設(shè)計用于探測彈道導(dǎo)彈和衛(wèi)星的雷達也是如此。在 1970 年代，數(shù)字技術(shù)取得了巨大進步，這使得現(xiàn)代雷達所需的信號和數(shù)據(jù)處理變得實用。機載脈沖多普勒雷達也取得了重大進展，大大提高了它在地面雜波中探測飛機的能力。美國空軍的機載預(yù)警和控制系統(tǒng) (AWACS) 雷達和軍用機載攔截雷達依賴于脈沖多普勒原理。還需要注意的是，在1970年代，雷達開始在航天器中用于環(huán)境遙感。在接下來的十年里，雷達技術(shù)發(fā)展到雷達能夠區(qū)分一種目標(biāo)和另一種目標(biāo)的程度。在1980年代，用于防空（愛國者和宙斯盾系統(tǒng)）、機載轟炸機雷達（B-1B 飛機）和彈道導(dǎo)彈探測（鋪路爪）的相控陣?yán)走_的批量生產(chǎn)也變得可行。遙感技術(shù)的進步使得測量吹過海面的風(fēng)、大地水準(zhǔn)面（或平均海平面）、海洋粗糙度、冰況和其他環(huán)境影響成為可能。固態(tài)技術(shù)和集成微波電路使得雷達系統(tǒng)在十年或兩年前只是學(xué)術(shù)上的新奇事物，在現(xiàn)在變得可能。1990 年代計算機技術(shù)的持續(xù)進步使得可以從雷達回波中獲得更多關(guān)于目標(biāo)性質(zhì)和環(huán)境的信息。多普勒天氣雷達系統(tǒng)（例如 Nexrad）的引入，測量風(fēng)速的徑向分量以及降水率，提供了新的危險天氣預(yù)警能力。終端多普勒天氣雷達 (TDWR) 安裝在主要機場或其附近，以在起飛和著陸期間警告危險的風(fēng)切變。對于空中交通管制等雷達應(yīng)用領(lǐng)域，幾乎沒有停機維修時間雷達，因此制造商需要研發(fā)無人值守的雷達。HF超視距雷達系統(tǒng)由多個國家運營，主要用于探測超遠距離3700 公里的飛機。天基雷達繼續(xù)在全球范圍內(nèi)收集有關(guān)地球陸地和海洋表面的信息。改進的成像雷達系統(tǒng)由金星空間探測器攜帶，首次穿透金星一直存在的不透明云層，獲得了金星表面的更高分辨率的3D 圖像，。世界上第一個彈道導(dǎo)彈防御雷達是在1950年代中期和1960年代構(gòu)思和研發(fā)的。然而，隨著1972年蘇聯(lián)和美國簽署反彈道導(dǎo)彈（ABM）條約，美國停止了研發(fā)。波斯灣戰(zhàn)爭（1990-1991 年）期間戰(zhàn)術(shù)彈道導(dǎo)彈的使用使人們重新需要雷達來防御此類導(dǎo)彈。俄羅斯（以及在此之前的蘇聯(lián)）不斷增強其強大的基于雷達的防空系統(tǒng)來對付戰(zhàn)術(shù)彈道導(dǎo)彈。以色列人部署了 Arrow 相控陣?yán)走_作為 ABM 系統(tǒng)的一部分來保衛(wèi)他們的國土。美國開發(fā)了一種移動有源孔徑（全固態(tài)）相控陣，稱為戰(zhàn)區(qū)高空區(qū)域防御陸基雷達（THAAD GBR），用于戰(zhàn)區(qū)范圍的反導(dǎo)系統(tǒng)。21世紀(jì)頭十年，數(shù)字技術(shù)的進步引發(fā)了信號和數(shù)據(jù)處理能力的進一步提高，開發(fā)（幾乎）全數(shù)字相控陣?yán)走_成為現(xiàn)實?？捎糜诤撩撞l譜部分（通常為 94 GHz）的雷達應(yīng)用的高功率發(fā)射器，其平均功率比以前高100 到1000 倍。https://www./technology/radar/History-of-radar
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