揭秘雷达工作原理：靠异频雷达辨识飞机

孝文

据澳大利亚广播公司（ABC）报道，对失去联系的马来西亚航空公司370航班的搜索工作引起了公众对有关如何追踪飞机的诸多疑问，追踪飞机方位的一个重要手段就是借助雷达。悉尼大学航空航天、机械与机电一体化工程学院的格雷厄姆-布鲁克博士表示，雷达在第二次世界大战前问世，问世后一直不断进化，性能逐渐提升。不过，雷达的探测能力受到很多因素限制，例如距离、天气以及飞机的具体情况。

雷达的英文名称“Radar”是无线电探测和测距的英文首字母缩写。布鲁克波士称最简单的雷达由发射机和接收器构成，发射机天线朝着一个特定的方向发射无线电信号，接收器负责探测信号行进途中遇到的物体反射的“回声”。发射机的电子电路以一个特定的频率振荡，频率通常高于电台或者电视广播的频率。这种信号借助天线以短电磁能脉冲的形式发送，被称之为“脉冲”，天线产生一个窄射束，就像火炬一样。布鲁克说：“基于天线的朝向，雷达能够确定一个物体——通常被称之为‘目标——的方向。”与目标之间的距离根据发射脉冲和接收回波之间的时间确定。因为雷达信号一直以光速移动，因此能够准确测算出距离。

空中交通管制雷达的射束形状为扇形，水平方向较窄，垂直方向较宽，以对应高空飞行的飞机。这种射束每隔2秒或者3秒扫描一圈，回波显示在圆形显示屏上，被称之为“平面位置指示器”。空中交通管制员或者电脑能够追踪到回波或者说根据屏幕上的光点确定飞机的飞行方向。这种雷达被称之为“初级雷达”。布鲁克指出：“初级雷达很少单独使用，因为空中的飞机实在是太多了。现在，我们还会使用次级雷达。次级雷达的编码脉冲序列发送给飞机，飞机上的异频雷达收发机产生一个编码回应信号，信号中含有与飞机有关的大量信息。这些信息用于进行敌我识别。”

空中交通管制员主要使用次级雷达追踪商业飞机的方位，只有在没有安装异频雷达收发机，收发机关闭或者破损情况下才会使用真正的雷达。布鲁克表示：“几十年前，一名年轻男子驾驶一辆轻型飞机在美国空中飞行，由于空中交通管制员没有关闭初级雷达或者认为只是一群鸟，他们并没有发现这架飞机。”

如果飞机上的异频雷达收发机被人切断，便很难判断空中交通控制中心的初级雷达屏幕上的光点究竟哪一个才是目标飞机。布鲁克说：“这可能就是为什么370航班的异频雷达收发机在管制责任从一个空中交通管制中心移交给另一个中心时关闭。”

布鲁克表示：“绝大多数人可能听过‘不在雷达范围内这句话。这种现象由雷达射束与地面的交互作用所致，导致雷达射束处在地平线上方。如果飞机的飞行高度足够低，射束很难照射到飞机，雷达的探测范围受限。”

此外，雷达还受到距离的限制。雷达进行远距离探测时面临的主要问题是发射和接收信号耗费的电量取决于与飞机之间的距离，距离较远时可达到正常情况下的四次方。布鲁克说：“如果希望将雷达对飞机的探测范围提高一倍，发射和接收信号耗费的电量必须增加16倍。”

通常情况下，用于追踪100公里以上范围内的飞机的雷达耗电量达到数兆瓦特。不过，发射的脉冲较短，通常在1微秒左右，每秒只能发射几百次，平均功率很低。在进行远距离探测时，雷达发射脉冲所能达到的峰值功率达到令人难以接受的程度。这一问题促使科学家进行一系列革新，例如研制相控天线阵。相控天线阵由大量较小的发射机和接收器构成，部署在一个平面上，协同工作并对脉冲进行压缩，允许在产生距离更远功率更大的编码脉冲的同时仍保持较大的探测范围和精确性。

远程雷达发射的信号在大气中穿行时不断减弱，即便在天气晴朗时也是如此，遇到雨天时更严重。信号的波长越大，在大气中穿行时减弱的程度越小，因此，远程雷达都在低频时工作。

布鲁克表示电磁波会从导电物体上反弹，因此使用木料和帆布制造的老式飞机并不会产生很大的雷达回波。使用碳纤维合成材料制造的现代飞机也是这种情况。铝皮飞机是最容易被雷达探测的目标之一。布鲁克说：“飞机的外形也是一个重要因素，使用平板材料制造的金属飞机尖角和边缘通常产生强烈的回波。如果你希望制造一架隐形飞机，你需要采用平板或者小面排列的方式，让接收器接收不到雷达信号。F-117隐形攻击机就是这种隐形技术的典范。”

飞机外形的另一种选择是放弃直角，让机翼与机身融合在一起，消除外部明显特征。布鲁克表示，飞机的外皮使用可吸收雷达信号的材料也是将回波降至最小的一种方式。他说：“B-2隐形轰炸机非常先进，采用了绝大多数隐形技术，所形成的回波只相当于一只大黄蜂。”

（选自新浪科技）endprint