1.4 雷达的起源和发展

从最基本的雷达雏形到现在各种功能完善的复杂雷达系统，雷达的发展已有100多年的历史。本节对雷达历史的主要脉络及重大事件做简要介绍。

1.4.1 雷达的起源

19世纪后期：电磁波理论的建立和电磁波实验的突破，为雷达的产生奠定了基础。

1865年，麦克斯韦理论上预言了电磁波的存在；1886年，赫兹实验上证明了电磁波的存在，1889年，实现了电磁波的产生、接收和目标散射。这些成就为雷达的产生奠定了基础。

20世纪初至20年代：第一部雷达的发明和人们对雷达用途的探索。

1904年4月30日，德国的克里斯琴·赫尔斯迈耶（Christian Huelsmeyer）在英格兰申请了一项名为“telemobiloscope”的专利，用于防止轮船之间的碰撞。这是一个利用无线电波来探测远处金属物体的发射机-接收机系统。图1-2所示为该装置及其发明者。尽管该系统最初并没有考虑测距功能，但这一系统仍然被认为是世界上的第一部雷达。

1922年，无线电先驱者之一，马可尼（S.G.Marconi）在美国无线电工程师协会（IRE，即现在IEEE的前身）的一篇论文中，曾提到在其实验中用无线电波观测到目标，他并建议对这种技术加以开发利用[2]。同年，美国海军研究实验室（NRL）的泰勒（A. H.Taylor）和杨（L. C.Young）观测到轮船的起伏回波，他们的实验系统被称为连续波（CW）干涉系统。实际上，这就是今天的双站（bistatic，也叫做双基地）CW雷达。

1927年，德国的赫尔曼（Hans E.Hollmann）对赫尔斯迈耶的装置进行改进，制造了第一部工作在厘米波段的发射-接收机，它被认为是“微波”（Microwave）雷达和通信系统的前身。赫尔曼等三人开发完善的系统，可以探测到8km远的轮船和在500m高空飞行30km远的飞机。以后，上述系统分别形成了舰载（Seetakt）和地基（Freya）两个系列的雷达，Seetakt雷达工作频率为500MHz，Freya雷达工作频率则为125MHz。这两类雷达如图1-3所示。

在雷达实用于探测飞机之前，第一次世界大战中，法国人曾最早用声音探测装置对来袭飞机进行告警。20世纪20年代，英国建造了大量钢筋混凝土结构的声音探测装置，将其用于国土防御。典型的声音探测装置如图1-4所示，据称这种声音探测装置可以探测25km外飞行中的飞机[18]。到1936年以后，雷达功能日益强大，人们意识到这种飞机预警装置，不会比使用无线电波进行探测的雷达具有更大的发展前途。

20世纪30年代：开始研究用来探测飞机和舰船的脉冲多普勒雷达，多种实战型军用雷达问世。

1934年，美国海军研究实验室开始研究发射脉冲波形的雷达。1936 年其80MHz频段的脉冲雷达可以探测到60km远的飞机，1938年12月其200MHz XAF雷达探测到了160km远的飞机目标。

1937年，英国的防空雷达“本土链”（Chain Home）雷达可以说是第一个完整的防空系统，也是真正用于作战（第二次世界大战）的第一部雷达，用于对高空飞行的飞机探测和测距，如图1-5所示。该雷达工作频率为22～55MHz，其天线塔高达72m，可以对3km高空、150km远的飞机进行预警探测。

1938年，美国信号公司制造了第一部SCR-268 防空火力控制雷达，如图1-6所示，工作频率为205MHz，探测距离180km。SCR-268雷达必须依靠光学跟踪器来精化其测角数据，在夜间工作时，要借助与雷达波束同步的探照灯。

1939年，美国无线电公司（RCA）研制出了第一部实用的XAF舰载雷达，装在美国“纽约”号战舰上，它对海面舰船的探测距离是20km，对飞机的探测距离为160km。英国在一架飞机上装了一部200MHz的雷达，用来监视入侵的飞机。这可称得上是世界上第一部机载预警雷达。当时的英国在研制厘米波功率发生器件方面居于领先地位，首先发明并制造出了能产生3000MHz、1kW功率的磁控管。高功率厘米波器件的出现，大大促进了雷达技术的发展。

20世纪40年代：雷达功能进一步增强，对雷达发展具有重要影响的高功率磁控管问世，首次出现了雷达电子战。

1940年，德国Telefunken公司生产了一种三坐标火控雷达，如图1-7所示。该雷达采用可旋转的偶极子天线，它的频率为565MHz，测距精度25m，方位精度2°，俯仰精度3°。

1940年，德国Gema生产出世界上第一部平面位置指示（Plane Position Indicator，PPI）雷达。在图1-8中，左图示出在1944 年对柏林（Berlin）的一次夜间攻击中，PPI雷达显示屏上显示了400 多架轰炸机；右图则是PPI雷达对地面环境杂波的测量结果，这也可以认为是最早的雷达“成像”。

1941年12 月，那时已生产了100 多部的SCR-270/271陆军通信兵预警雷达，如图1-9所示。其中一部雷达架设在檀香山上，它探测到了日本飞机对珍珠港的入侵，但是，美国军官误将探测到的日本飞机认为是友军飞机，从而酿成了惨重悲剧。

1943年，高功率磁控管研制成功并投入生产，微波雷达正式面世。低功率速调管在很长一段时间里一直只用做超外差接收机的本地振荡器。从研制成功磁控管到美国麻省理工学院（MIT）辐射实验室（Radiation Lab）制造出第一部10cm实验雷达，只用了一年时间。1943 年中期，研制成功SCR-584防空火控雷达，如图1-10所示，这种雷达的波束宽度为70mrad，跟踪飞机的精度约为1 5mrad，但光学跟踪仍作为雷达数据的补充。

1943年7月24～25日，盟军800架RAF轰炸机执行袭击德国汉堡（Hamburg）的任务。在这次袭击中，这些轰炸机都携带了金属箔条（一种尺寸同雷达波长相匹配的金属条带，可以迷惑雷达的探测）干扰发射器。这是历史上第一次将雷达对抗技术实用于战争当中。这次行动使德军的地面和机载雷达被大量的箔条干扰致盲，完全失效。它标志着雷达电子战的开端。

早期雷达操作员们还发现，英国的“蚊子”（Mosquito）战斗机和日本的“零点”（Zero）战斗机特别难以被雷达发现，因为这两种飞机的机身都是由木头建造的。这可认为是最早的对付雷达探测的“隐身”飞机。

在1940年以前（甚至直到1945年第二次世界大战结束前），德国的雷达技术比美国、英国等所有其他国家都要先进。但是，后来美、英等国认识到雷达技术在军事应用中的重要性，加大了投资和研究力量，随后在技术上很快赶上并超过了德国。1940年10月，美国政府支持麻省理工学院建立了辐射实验室，主要从事雷达相关理论与技术的研究，该实验室后改名为林肯实验室（Lincoln Lab）。在最初的6 年时间里，美国对该实验室投入了21 亿美元，研究飞机截获、导航、火控等雷达技术，其投资强度几乎和研制原子弹的投资强度完全一样。仅在第二次世界大战后期，该实验室便研制和提供了超过100部包括早期攻击预警、反飞机火控、空中截获、舰船探测等在内的各种雷达系统。

1.4.2 雷达的发展

第二次世界大战后，雷达技术得到了进一步的发展和完善，按年代顺序，雷达技术在以下方面得到了巨大进展[7]。

20世纪50年代：主要包括微波雷达、单脉冲雷达、脉冲压缩、合成孔径雷达、气象观测雷达和机载脉冲多普勒雷达等技术。

（1）微波雷达：20世纪50年代雷达的工作频段由高频（HF）、甚高频（VHF）发展到了微波波段，直至K波段。到50年代末，为了有效地探测卫星和远程弹道导弹而需要研制超远程雷达，雷达的工作频段又返回到了较低的VHF和UHF波段。在这些波段上可获得兆瓦级的平均功率，可采用线尺寸达百米以上的大型天线。大型雷达已开始应用于观测月亮、极光、流星和金星。

（2）单脉冲雷达：20世纪40年代创立的单脉冲雷达原理，在50年代已成功地应用于目标跟踪雷达。这种供测量用的单脉冲精密跟踪雷达的角跟踪精度可达0.1mrad，即使在今天来看，这样的精度也是相当高的。

（3）脉冲压缩雷达：脉冲压缩原理也是在20世纪40年代提出的，但直到50年代才得以应用于雷达系统。最早的高功率脉冲压缩雷达采用相位编码调制，把一个长脉冲分成数百个子脉冲，各脉冲的相位随机选择为0°或180°。

（4）速调管：英国在1943年发明了高功率磁控管并且很快实用于高功率雷达。20世纪50年代大功率速调管放大器开始应用于雷达，其发射功率比磁控管大两个数量级。

（5）合成孔径雷达（SAR）：20世纪50年代出现的机载侧视合成孔径雷达，利用装在飞机上的一个相对来说较小的侧视天线，可产生地面的两维高分辨率条带地图。

（6）机载脉冲多普勒雷达：20世纪50年代初提出的构思，并于50年代末成功地应用于空-空导弹的下视、下射制导雷达。

20世纪60年代：以第一部电扫相控阵天线和后期开始的数字处理技术为标志，其他技术还包括动目标指示（MTI）、超视距（OTH）雷达等。

（1）电扫相控阵雷达：1957年前苏联成功地发射了人造地球卫星，这表明射程可达美国本土的洲际弹道导弹已进入实用阶段，人类进入了空间时代。美苏相继开始研制超远程相控阵雷达，用于外空监视和洲际弹道导弹预警。美国AN/FPS-85 雷达就是这种雷达的典型，该雷达20世纪60年代完成，服役于美国空军。其天线波束可在方位和仰角方向上实现相控阵扫描。这是正式用于探测和跟踪空间物体的第一部大型相控阵雷达。这部雷达的发展表明了数字计算机对控制相控阵雷达的重要性。

（2）动目标指示雷达：1964年在美国海军的E-2A预警机上的雷达实现了动目标指示。采用偏置相位中心天线（DPCA）和机载时间平均杂波相干雷达（TACCAR）实现运动多普勒频率补偿技术，是机载动目标指示雷达能够成功的关键。

（3）超视距雷达：美国海军研究实验室研制的探测距离在3600km以上的“麦德雷”高频超视距雷达，将雷达的探测距离提高了10倍，并首先证明了超视距雷达探测飞机、弹道导弹和舰艇等的能力，同时还具有确定海面状况和海洋上空气流分布的能力。

（4）电子抗干扰装置：用来对抗敌方雷达干扰的措施也出现于20世纪60年代，最典型的例子就是美国陆军的“奈基Ⅱ型”对空武器系统所用的雷达。这个系统包括一部L波段对空监视雷达，它利用一个大型天线，在很宽的频带内具有高平均功率。该雷达有战时使用的保留频率，并有相干副瓣对消器。此外，这部雷达还与一部S波段点头式测高雷达、S波段截获雷达、X波段跟踪雷达和Ku波段测距雷达一起工作，使电子干扰更加困难。

20世纪70年代：由于数字信号处理等技术的飞速发展，在50年代末有所突破、60年代得到大力发展的几种主要相干雷达，如合成孔径雷达、相控阵雷达和脉冲多普勒雷达等，在70年代又有了新发展。

（1）合成孔径雷达数字处理：合成孔径雷达的计算机成像在70年代中期取得突破，高分辨率合成孔径雷达已经移植到民用并进入空间飞行器。1978年安装在海洋卫星（seasat）上的合成孔径雷达获得了两维分辨率为25m×25m的雷达图像，用计算机处理后能提供大量地理、地质和海洋状态信息。在1cm波段上，机载合成孔径雷达的分辨率已可达到约30cm×30cm。分米量级分辨率的SAR在U-2 高空间谍飞机上得到应用。相控阵雷达和脉冲多普勒雷达的发展都与数字计算机的高速发展密不可分。

（2）低噪声接收机前端：低噪声晶体管放大器前端，成为70年代广泛受到雷达工程师欢迎的技术。

（3）脉冲压缩技术：由于采用了声表面波延迟线，可把脉冲压缩到几个纳秒（ns），达到分米级径向距离分辨率，高分辨率脉冲压缩的实用性因而也得到了提高。

（4）机载预警雷达：E-3预警机的脉冲多普勒雷达研制成功，标志着机载预警雷达有了重大发展。机载脉冲多普勒雷达之所以能够成功，很大程度上依靠的是天线的超低副瓣性能（最大副瓣低于-40dB）。

（5）探地雷达：在70年代越南战争期间，为了探测地雷、地下坑道等，开发出了甚高频宽带探地雷达。此后，这种雷达一直供探测地下管道和电线电缆等民事应用。

（6）大型高分辨率相控阵雷达：于70 年代投入运转的AN/FPS-108 型“丹麦眼镜蛇”（Cobra Dane）雷达是一部有代表性的大型高分辨率相控阵雷达，美国将该雷达用于观测和跟踪苏联勘察加半岛靶场上空的再入段弹道导弹的多个弹头。

（7）雷达的空间应用：雷达被用来帮助“阿波罗”飞船在月球上着陆，在卫星上雷达被用做高度计、测量地球及其表面的不平度等。

20世纪80年代：相控阵雷达技术大量用于战术雷达，这期间研制成功的主要相控阵雷达，包括美国陆军的“爱国者”、海军的“宙斯盾”和空军的B-1B系统，它们都已进入了批量生产。L波段和L波段以下的固态发射机得到广泛使用。在空间监视雷达方面，“铺路爪”（Pave Paws）全固态大型相控阵雷达（即AN/FPS-115）是雷达的一个重大发展。通过对降雨的测量、剪切风和其他恶劣气象条件的告警、以及对风速和风向的垂直分布的及时测量等，雷达成为气象研究和安全飞行等的重要工具。

20世纪90年代：对雷达观测隐身目标的能力、在反辐射导弹（ARM）与电子战（EW）条件下的生存能力和工作有效性提出了很高的要求，对雷达测量目标特征参数和进行目标分类、目标识别有了更强烈的需求。随着微电子和计算机的高速发展，雷达的技术性能也在迅速提高，在军事上的应用进一步扩大，雷达安装平台的种类日益增多，雷达成像技术取得了巨大进展。双/多基地雷达与雷达组网技术的应用，与无源雷达及其他传感器综合，实现多传感器数据融合等技术，在现代雷达发展过程中均占有重要地位。

特别地，最近十几年来，微电子机械（MEM）和数字信号处理（DSP）等技术的飞速发展，为有源电扫相控阵列（AESA）多功能雷达发展提供了技术动力，这种雷达系统是新一代高分辨率雷达的代表。这些技术包括[4]：

（1）低成本、高效率的微波单晶集成电路（MMIC）发射/接收模块；

（2）平面多层电路的应用，可以同时馈送直流电源功率、数字控制信号和射频信号；

（3）微电子机械开关的出现，可以为相控阵列天线中各单个辐射单元提供高度可靠的极化开关和数字延时模块；

（4）频率捷变/调频激励器和接收机的使用，可以提供极大的频带宽度和很大的调谐范围；

（5）嵌入式低成本商用信号处理器，可提供每秒每立方英尺（1 英尺大约为30cm）1013～1014次运算；

（6）空时自适应处理（space-time adaptive processing，STAP）技术的发展，不但可以对消运动的地物杂波，而且可以通过自适应波束调零，消除人为干扰信号的影响；

（7）各种信号处理算法：使用高更新率和高精度的算法，实现大批运动目标（数以千计）的自动跟踪；采用高分辨率距离像、合成孔径雷达和逆合成孔径雷达成像，实现空中和地面目标的自动识别等；

（8）通过捷变波束的使用，可以使AESA雷达在脉间（pulse-to-pulse）实现同时或交替地面或空中动目标指示（GMTI/AMTI）、SAR/ISAR成像和目标识别波形。这种高分辨率成像同高更新率MTI的结合，可以得到比传统MTI中运动的“点”目标更多的目标信息，从而自动完成目标的检测和识别，图1-11所示是典型自动目标搜索、检测和成像识别过程的示意图。