**大家还记得小学语文学的《蝙蝠和雷达》吗?**说的是科学家从蝙蝠发出的超声波辨别方向中得到启发,最后研究出雷达。其实蝙蝠的超声波研究和雷达的发明并没有直接关系,但是要解释相控阵雷达,我还是借用蝙蝠做个比喻:
普通雷达就像是一只蝙蝠对着天空发出超声波,如果发现天上有物体就会反射回来;相控阵雷达就像是一只拥有蜻蜓复眼般的蝙蝠,对天空进行网状式扫描,所有复眼都能发射超声波。
只是蝙蝠发出来的是超声波,而雷达发出来的是电磁波。电磁波与超声波的区别就是,电磁波是一种物质,可以在空气中传播,也可以在真空环境中传播;超声波只是一种波动形式,需要借助某种介质才可以形成,真空环境中不能形成超声波。
雷达的发明
我们从小学课文上看到蝙蝠与雷达的故事,大家就会觉得雷达是从蝙蝠身上得到的启发,实际上这则故事只是发现了超声波,而雷达的发明是在这个故事发生后的100多年后。
1793年,意大利科学家斯帕拉捷在晚上散步的时候,发现蝙蝠在夜空中飞来飞去非常灵活,也不会撞到树上或者墙上。这个现象引起他的好奇,于是斯帕拉捷做了一个有趣的实验:
他抓了几只蝙蝠关在笼子里,先是把蝙蝠眼睛蒙起来试飞,发现“瞎眼”的蝙蝠飞起来一样灵敏。他再把蝙蝠的鼻子堵起来,结果蝙蝠也没有受到任何影响。接着斯帕拉捷把蝙蝠的耳朵堵住,这次蝙蝠就像是没头的苍蝇,在夜空中胡乱飞行,一会撞到树上,一会又撞到墙上。
斯帕拉捷的实验证明了蝙蝠靠听觉进行方向和障碍物的辨别,但是对于超声波的研究和应用,一直到19世纪末,20世纪初才得到广泛应用,超声波被应用于医疗、工业、农业等领域,而且超声波还可以用来清洗,我们去眼镜店洗眼镜用的就是超声波。
雷达发射的是电磁波,这种物质于1887年被德国科学家赫兹证实,而且当时他也发现电磁波在传播的过程中,遇到金属物质会被反射回来,就像光照到镜子一样,但是当时的科学家并没有想到利用这个原理进行空中侦察。
1897年夏天,俄国科学家波波夫在海上进行通信试验,他发现两艘船在通讯过程中,如果有第三艘船从中间驶过,通讯就会被中断。当时波波夫将这一现象写在工作日记中,并得出结论:障碍物会对电磁波的传播产生影响。遗憾的是,波波夫也没有利用电磁波这一特性进行更深层的研究。
一直到1934年,英国皇家无线电研究所所长沃特森·瓦特发现了电磁波反射的特性,当时英国正准备大力发展防空力量,为此英国空军甚至找了一批听觉灵敏的肓人利用耳朵搜寻敌机。瓦特认为,可以利用电磁波反射的原理进行空中侦察,只要发现敌机,电磁波就会反射回来,这样比人耳搜寻要准确得多,范围也更广。
于是,瓦特的建议得到认可,英国空军也因此获得了一笔新装备研发的拨款。1935年,瓦特和英国电机工程师研制出第一台探测飞机的雷达。
所以从雷达发明的历史可以看出,雷达与蝙蝠之间的联系真的不大,超声波的反射、光的反射、电磁波的反射,都是经过单独的试验被发现,三者之间没有必然的联系!
什么是相控阵雷达
从第一台雷达发明以后,就被广泛应用于军事领域,这种雷达属于机械式的,只能以固定的转动方式对固定范围进行扫描,如果遇到高速飞行器,比如高速战斗机或者导弹,这种雷达的反应速度就跟不上了,于是相控阵雷达随之产生。
相控阵雷达又叫电子扫描阵列雷达,是通过改变天线表面阵列所发出波束的合成方式,来改变波束扫描方向的雷达。相控阵雷达比传统雷达扫描的效率和速度更快,对目标讯号测量的精确度也更高,举个形象比喻就是,传统雷达就像是一颗LED灯射向天空,相控阵雷达就像是一整块装满LED灯的面板同时射向天空。
相控阵雷达分为有源和无源,无源相控阵雷达只有一个中央发射机和接收机,发射出来的高频能量由计算机分配给天线阵列中的各个辐射器,优点是成本低,技术要求低,缺点就是发射和接收环节要是出了问题,整个雷达都不能使用。
有源相控阵雷达则是每个辐射器都安装了发射和接收的组件,整个雷达可以拥有成千上万个这样的辐射器,就算其中有些辐射器坏了,也不会影响其他辐射器的正常运行,因为每个单元都是独立的。优点是可以进行三坐标扫描(水平方向和垂直方向),缺点是造价高,技术要求高。
相控阵雷达的有源与无源,其实就像是音箱的有源与无源。有源音箱里面安装了功放机,只要有声音输入就可以进行放大发音;无源音箱除了喇叭、分频器,里面就是空的,需要经过功放机对每个音箱进行信号放大。
无源音箱的功放机坏了,所有音箱都不会响,有源音箱的功放机坏了, 只有相应的那对不会响,其他音箱不影响。
结语:
相控阵雷达比普通雷达需要更高的技术要求,首先需要有强大的电子技术作为基础,其次就是要具备强大的计算机系统,因为相控阵雷达会同时收到很多信息,计算机需要对这些信息进行分辨识别和处理,这就需要有足够强大的系统和精密的算法程序。
由于相控阵雷达需要整个工业体系的支持,因此并不是所有国家都有能力研制,目前这个领域还是美国领先,而中国随着近几十年的发展,在相控阵雷达方面也做得相当不错,与美国之间的差距也在逐渐缩小。
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