雷达的基本功能

在雷达用于实战之前，要在夜间发现空中目标，通常要借助探照灯。当敌方飞机来袭时，防守五方就打开探照灯，在天空中组成的交叉“火力”，为地面高炮指引目标。雷达投入实战后，逐渐取代了这种依赖人类视力的探测方式，而且探测效果也远远超过探照灯。现代雷达在探测空中目标时，目标的运动方向、距离、速度以及影像等信息都能迅速、准确、全方位地显示在雷达屏幕上。

探照灯在夜间探测来袭目标

1　距离探测

测量目标的距离是雷达最基本也是最简单的功能，其实质是测量发射脉冲与回波脉冲之间的时间差。雷达发射机通过天线向某一方向发射不连续的电磁波，每次发射的时间约为百万分之一秒，两次发射的时间间隔大约是万分之一秒，这样，发射出去的无线电波遇到障碍物时，可以在这个时间间隔内反射回来被天线接收。电磁波从雷达传播到目标所需要的时间（即回波信号到达时间的一半）和光速（每秒30万千米）相乘即可得到目标的距离。

S = cT/2

式中，S为目标距离；T为电磁波从雷达到目标的往返传播时间；c为光速。

发射不连续电磁波的雷达被称为脉冲雷达。脉冲雷达容易实现精确测距，且接收回波是在发射脉冲休止期内，所以接收天线和发射天线可用同一副天线。当前常用的雷达大多数是脉冲雷达。

2　方位测定

在实际应用中，雷达往往需要连续跟踪一个目标并测量目标的精确位置。雷达对目标方位、仰角的自动跟踪，就是雷达天线追随目标运动而连续地改变其指向，使天线瞄准轴始终指向目标。根据目标距离和仰角，可测定目标的高度。当雷达自动跟踪一个目标时，某一瞬时因目标运动到一个新的位置而偏离了天线瞄准轴指向，便在目标与天线瞄准轴指向之间产生一个夹角，称为角误差。

现代雷达测定目标方位的方法称为单脉冲法（Monopulse radar）。雷达波的发射每次都是一个时间很短的电波，时间长度从不到1μs到几毫秒，雷达术语称为“脉冲”（Pulse），然后间隔一段时间再发射一个脉冲。单脉冲法就是雷达仅仅发射一个脉冲就可以修正目标的角误差。

单脉冲法的基本原理是：在雷达天线瞄准轴的上、下、左、右同时设置四个对称的偏置波瓣，从右上方那一块算起，沿逆时针方向分别定义为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四块。当目标位于天线轴正方向时，四个波瓣接收到的目标回波信号强度相同；当目标偏离天线的瞄准轴时，如向右偏的，则右波瓣接收到的回波强度比左波瓣接收的大，根据左右固波强度的差别，就可以计算出方位偏离角。

用Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ分别代表四个对称的偏置波瓣的回波信号强度，用Σ表示整个天线搜集的回波信号强度和，Δ表示回波信号强度差，方位偏离角可用下列数学模型表示：

Σ=Ⅰ+Ⅱ+Ⅲ+Ⅳ

Δ=（Ⅰ+Ⅳ）-（Ⅱ+Ⅲ）

若Δ= 0，表示目标在正中，天线不必修正；

若Δ> 0，表示目标在右边正的一方，天线需要向右修正；

若Δ< 0，表示目标在左边负的一方，天线需要往左修正。

同理，当目标上下偏离时，可以计算出目标相对于天线瞄准轴的俯仰偏离角。

确定了雷达天线的修正方向，还需要计算具体的修正量。用回波信号强度差Δ除以回波信号强度和Σ，就可以得到修正量OBA（Off Boresight Angle），即是雷达天线偏移的角度。

OBA = K·Δ/Σ

此处K为常数，表示误差信号在瞄准轴上的变化率，与雷达的性能参数有关，可由实验测得。

以左下图中用一架被追踪的飞机为例，该机明显出现在天线的左半部，所以左半部搜集得到的功率（Ⅱ+Ⅲ）大于右半部搜集得到的功率（Ⅰ+Ⅳ）。

Δ=（Ⅰ+Ⅳ）-（Ⅱ+Ⅲ） < 0

由此可知：目标在天线的左半部（负方向），天线需要向左修正；修正量是K·Δ/Σ度。

利用这种测角方法，雷达只需要接收到目标的一个，而不是一串信号，就可以提取目标的角度信息。这利测角方法的精度很高，可以达到0.1毫弧度（1毫弧度=0.0573°），也就是说，雷达对100km远的目标进行方位测定，其横向误差不会超过10m。

单脉冲法测定目标方位、仰角示意

美国范登堡空军基地附近山顶上安装的FPS-16雷达，海拔648m，主要用于跟踪在该基地起降的飞机，也可用于跟踪弹道导弹

3　雷达测速

雷达要探测的目标通常是运动着的物体，如空中飞行的导弹、飞机，海上的舰船以及地面车辆等，因此，雷达测速是其基本的重要的功能。雷达测速的原理就是利用了电磁波的多普勒效应。

在中学的物理课本中有一个非常生动的例子来说明多普勒效应：火车从远处飞驰而来，火车鸣笛声变得尖细（即频率变高，波长变短）；而离我们而去的火车鸣笛声变得低沉（即频率变低，波长变长），就是多普勒效应的现象。这一现象最初由奥地利物理学家多普勒在1842年发现，因此命名为多普勒效应。

多普勒效应是指当目标物的运动指向雷达时，雷达接收到的回波频率将高于发射波的频率；反之，当目标物的运动背向雷达时，雷达接收到的回波频率将低于发射波的频率。回波频率与发射频率之差称为多普勒频移。

对于一个运动的目标，向着雷达运动或远离雷达运动所产生的频移量是相同的，但符号不同：指向雷达时频移为正，背向雷达时频移为负。多普勒频移可以通过以下公式来计算：

fd=fv/c

式中，fd为多普勒频移；f为雷达波频率；v为目标物与雷达的相对速度（正、负两个方向）；c为光速。

通常情况下，目标物移动速度与光速相比差得太多，所以多普勒频移的数量级非常小，约为发射频率的1/107倍。

在公式中可以看出，多普勒频移与目标物径向运动的速度分量成正比关系，因此，雷达只要测得了多普勒频移，就可以计算出目标物的径向运动速度。

为了方便对多普勒频率测量，雷达一般应采用连续波的信号形式，但连续波信号又难以测定目标的距离，因此，现代雷达多采用脉冲多普勒雷达，即采用脉冲波形来完成多普勒频率的处理，同时实现测距和测速的功能。

脉冲多普勒雷达需要采集一串脉冲的回波信号，才能通过复杂的信号处理技术从中提取目标运动产生的多普勒频率，因此，它的构造比一般普通的测速雷达复杂得多。

脉冲多普勒雷达的作用并不仅在于测定目标的运动速度，目前脉冲多普勒技术更多地在机载雷达中得到应用，它可以帮助雷达从很强的地物杂波中探测到目标。因为地物等杂波的信号强度非常大，常规雷达根本无法在强杂波中监测到目标的回波。

但由于载机相对于地物和目标的运动速度不同，因此产生的多普勒频率也不同，雷达可以根据载机自身的运动速度计算出地物的杂波多普勒频率，从而可以设计针对杂波的滤波器，将杂波滤除，使目标回波显示出来。因此，脉冲多普勒雷达广泛应用于下视的机载火控雷达或机载预警系统中。

多普勒效应示意

法国E-3F空中预警飞机

澳大利亚皇家空军的E-7A空中预警飞机

印度装备的武器定位雷达

美国AN/APQ-120机载火控雷达