雷达的本质

在古代，人们就幻想着有千里眼，能够看到交战对方的军事部署和调动情况，这从本质上来说就是为了获取信息。当然，千里眼是没有的，因此双方只能靠效率非常低的哨所、侦察兵和间谍等方式获取情报。后来，望远镜和侦察机的出现让人可以看得更远，但仍然是靠肉眼获取信息，很多重要的信息还是会漏掉。因此，人们一直在考虑能否有一种装置，自动扫描和发现天上地下的敌情。到20世纪初，这种装置终于被发明出来，它就是雷达。

早在1917年，尼古拉·特斯拉就提出使用无线电波侦测远处目标的概念，并且后来被意大利发明家、无线电工程师马可尼进一步完善为发射无线电波，并凭借“回声”（反射波）探测船只。在随后的十多年时间里，英国、美国、德国和法国的科学家逐渐掌握了这项技术，并且建立起实用的无线电探测站，也就是今天所说的雷达站的前身。雷达（radar）这个词出现的时间远比实际装置要晚，它是英语radio，detection and ranging几个单词的首字母缩写，在1940年才被美国海军使用。但是早在1936年，英国为了防范来自德国可能的入侵，在大不列颠岛的海岸就建立了第一个雷达站，并很快又增设了5个。

早期的雷达因为无线电发射功率有限，无线电波的频率也不够高，因此侦察范围很小。1939年，英国物理学家布特（Harry Boot，1917—1983）和兰德尔（John Turton Randall，1905—1984）发明了多腔磁控管，这是一种大功率的真空管，能产生超高频率的电磁波，它后来成了实用雷达中最重要的部件。这项发明使得英国的雷达技术在二战中领先于世界。当然，雷达的迅速发展和普及在很大程度上是出于二战期间英国和德国之间空战的需要。

1940年，纳粹德国对英国发动了代号为“海狮行动”的入侵英国本土的计划，但是由于英国使用的雷达所发挥的预警作用，使得飞机数量远不如德国的英国在空战中占据上风，并且最终让“海狮行动”彻底破产。早期的雷达体积很大，非常笨重，只能安装在基地上，也只能起到被动侦察的作用。如果想让它主动侦察敌情，最好能把它送到天上。因此在二战期间，美国和英国花了很大的力气，终于实现了把小型雷达装在飞机上，使得英美空军在和德国空军的较量中占尽先机。不仅在雷达方面，在所有和信息有关的领域，美国都比德国和日本重视得多。二战时，美国有大量的科学家从事信息的收集、破译和处理工作，以至在很多战役中美国和盟国都如同明眼人打瞎子。不过具体到雷达技术，德国还是有可圈可点之处，他们发明了控制火炮的火控雷达。

二战中，雷达技术是各国最高的机密，而在战后，它很快被普及并得到了广泛应用。20世纪60年代，雷达被广泛用于气象探测、遥感、测速、测距、登月及外太空探索等各个方面。科学家还利用雷达接受无线电波的特性，发明了只接收信号、不发射信号的射电望远镜，它们也可以被看成是雷达技术的一个应用。2016年9月在贵州落成的、被誉为“中国天眼”的直径长达500米的球面射电望远镜FAST，利用的就是雷达的原理（见图8.4）。从20世纪50年代开始，雷达就成为电子工程的一个重要学科。

▲图8.4 被誉为“中国天眼”的500米口径球面射电望远镜FAST

从二战开始，军事技术在十几年或者几十年后转为民用，成了科技进步的一个趋势。冷战期间，出于军事目的，雷达技术不断翻新。1971年，美国国家航空航天局与美国军方合作发明了使用激光脉冲探测与测量目标的激光雷达，使得扫描的精确度大幅提高。1995年，该技术第一次用于商业目的，被地质勘探局用于测绘海岸线的植物的生长情况。今天，它被广泛应用于无人驾驶汽车。

早期的雷达使用的都是固定频率或者有规律地变化的频率，这样的雷达一旦开启，很容易被对方发现并成为对方攻击的目标。因此在二战期间，具有良好音乐基础的演员拉马尔（Hedy Lamarr，1914—2000）与作曲家安太尔（George Antheil，1900—1959）合作，发明了一种不断变化频率的通信技术，这项技术很快被用于改进雷达，使得对方无法侦察到雷达的频率。这就是移动通信CDMA（码分多址）的前身，并且成了今天通信中调频编码的基础。

人类在进入21世纪后，雷达的应用早已超出军事目的，在生活中几乎无所不在，从很小的倒车雷达、手持测速仪器，到无人驾驶汽车上的激光雷达、检测气象和大气污染的气象雷达，种类非常多。此外，雷达中最关键的部件多腔磁控管，经过改进，就变成了我们今天几乎每个家庭都有的微波炉。

雷达的本质是什么？有人说是千里眼，它能够“看到”远处的目标，甚至能穿透云层。不过从更广泛的意义上讲，雷达的本质是信息的检测，而不是千里眼。比如无人驾驶汽车上的激光雷达就不需要看得很远，但必须做到“眼观六路”，迅速了解周围全方位的信息。今天，大学里雷达专业的正式名称通常是“信息检测”或者“信号检测”，也反映了科技界对雷达本质的认识。