说到雷达,大家最先想到的可能是汽车上的倒车雷达。其实倒车雷达只能算是广义上的雷达,其实它是超声波探头,利用超声波原理去探测车尾和障碍物距离的。雷达最初出现时,表示的是利用电磁波进行探测的。
图1:倒车雷达
电磁波和超声波是两种完全不同性质的波,超声波是机械波,机械波的传播必须依靠物质载体,比如空气,水,木头等等。而电磁波是是通过电和磁的运动而形成的波,地球本身是个大磁场,电磁波在地球上可以说无处不在。
雷达这个词是在无线电发现之后才被创造出来的词汇,是(Radio Detection and Ranging)的缩写,即:Radar,意思是:无线电探测和测距。利用电磁波进行各种检测,就是雷达。
那它最开始是怎么被发现,以及如何发展成现在的雷达呢?这要从100多年前电磁波的发现开始。
1864年,英国科学家麦克斯韦发表了科学名著《电磁理论》,系统、全面、完美地阐述了电磁场理论。仅限于理论,当时的人们依然固守着牛顿的传统物理学观念,而年轻的赫兹对此着迷不已。直到1886年,德国科学家赫兹发明了电波环,利用电波环,经过两年的反复试验,终于证实了电磁波的存在,此举轰动了全球的科学界。
这个振奋人心的消息传到俄国后,引起了年仅29岁的物理学老师波波夫的强烈兴趣,他兴奋地说:“要是我能够指挥电磁波,我就可以飞跃整个世界。”第二年,波波夫复现了赫兹的试验,并在一次公开演讲中提出可以利用电磁波进行无线电通讯的设想。随后几年,他一心扑在无线电的研究上,有次他用无线电在海上做通讯试验时,通讯突然断了,几分钟后又恢复如常。这种情况出现了几次,经过观察,原来是因为海里有军舰通过。他由此想到,电磁波在传播过程中遇到金属物体会被反射回来,可以利用这个现象来检测目标,可惜的是,他并没有付诸行动。
图2:波波夫和他发明的无线电
直到第一次世界大战爆发, 当时英国和德国交战,英国急需一种能探测空中金属物体的技术,以在反空袭战中帮助搜寻德国飞机。1917年,科学家马可尼根据他之前无线电的研究成果,和富兰克林一起研究短波讯号的反射,但并没有实现什么突破性的进展。5年后,也就是1922年,马可尼首次提出利用电磁波探测海上目标的存在和位置,同年美国海军试验时研制出发射和接受装置分开的试验设备,并探测到一艘木船。至此,雷达的‘雏形’算是正式问世。
图3:一战时期的雷达前身
而真正的能用到军事上的雷达还要再等13年,即到1935年,英国物理学家沃特森·瓦特在美军雷达‘雏形’的基础上发明了一种既能发射电磁波,又能接收电磁波的装置,该装置可以检测出60公里以外空中的轰炸机。这就是世界上的第一台雷达。
图4:二战时期美军防空雷达
经过3年的改进,该装置被装在英国泰晤士河口附近,组成一个长达200公里的雷达网,该雷达网在接下去的第二次世界大战中发挥了及其重要的作用。当时希特勒打算空袭伦敦,英国成功预警了德军对伦敦的轰炸行动,并进行了有效拦截,给希特勒以意想不到的打击和威胁。随着二战的深入,雷达的研究和应用也飞速发展,出现了地对空、空对地(搜索)轰炸、空对空(截击)火控、敌我识别功能的雷达技术。可以说,雷达改变了世界的进程。因为雷达的优点是无论白天黑夜都能探测到远距离的目标,且不受云雨雾的阻挡,穿透能力极强。后来雷达装置军舰上,装在飞机上,也发挥了重要军事作用。为了应对雷达的监测,后来又发明了反雷达技术,我们常说的隐形飞机,不是说肉眼看不到的飞机,而是通过反射电磁波或干扰电磁波等方式让雷达监测不出来的飞机。而雷达技术就在这种交错应用中突飞猛进。
图5:二战英国防空雷达网
世界大战结束后,原来主要用于军事的雷达装置逐渐向民用发展,形成了交通雷达、车载雷达、气象雷达、地质勘探雷达等等,而随着微电子等各个领域科学进步,雷达的探测手段也由从前的只有雷达一种探测器发展到了红外光、紫外光、激光以及其他光学探测手段融合协作。其应用非常广泛:比如反恐中探测墙的后面是否有人,地震后探测下面是否还有生命,病房里记录病人的心跳脉搏,甚至监测山体或矿山是否即将塌方,森林资源清查,海水监测等等。可以说,雷达就是一个千里眼和透视眼,大大拓展了人类肉眼的局限,在越来越多的领域中发挥着重要作用。