揭秘雷達(dá)工作原理：靠異頻雷達(dá)辨識飛機(jī)

空中交通管制員主要使用次級雷達(dá)追蹤商業(yè)飛機(jī)的方位，只有在沒有安裝異頻雷達(dá)收發(fā)機(jī)，關(guān)閉或者破損情況下才會使用真正的雷達(dá)

3月26日消息，據(jù)澳大利亞廣播公司(ABC)報(bào)道，對失去聯(lián)系的馬來西亞航空公司370航班的搜索工作引起了公眾對有關(guān)如何追蹤飛機(jī)的諸多疑問，追蹤飛機(jī)方位的一個重要手段就是借助雷達(dá)。悉尼大學(xué)航空航天、機(jī)械與機(jī)電一體化工程學(xué)院的格雷厄姆-布魯克博士表示，雷達(dá)在第二次世界大戰(zhàn)前問世，問世后一直不斷進(jìn)化，性能逐漸提升。不過，雷達(dá)的探測能力受到很多因素限制，例如距離、天氣以及飛機(jī)的具體情況。

雷達(dá)的英文名稱“Radar”是無線電探測和測距的英文首字母縮寫。布魯克波士稱最簡單的雷達(dá)由發(fā)射機(jī)和接收器構(gòu)成，發(fā)射機(jī)天線朝著一個特定的方向發(fā)射無線電信號，接收器負(fù)責(zé)探測信號行進(jìn)途中遇到的物體反射的“回聲”。發(fā)射機(jī)的電子電路以一個特定的頻率振蕩，頻率通常高于電臺或者電視廣播的頻率。這種信號借助天線以短電磁能脈沖的形式發(fā)送，被稱之為“脈沖”，天線產(chǎn)生一個窄射束，就像火炬一樣。布魯克說：“基于天線的朝向，雷達(dá)能夠確定一個物體——通常被稱之為‘目標(biāo)’——的方向。”與目標(biāo)之間的距離根據(jù)發(fā)射脈沖和接收回波之間的時間確定。因?yàn)槔走_(dá)信號一直以光速移動，因此能夠準(zhǔn)確測算出距離。

空中交通管制雷達(dá)的射束形狀為扇形，水平方向較窄，垂直方向較寬，以對應(yīng)高空飛行的飛機(jī)。這種射束每隔2秒或者3秒掃描一圈，回波顯示在圓形顯示屏上，被稱之為“平面位置指示器”。空中交通管制員或者電腦能夠追蹤到回波或者說根據(jù)屏幕上的光點(diǎn)確定飛機(jī)的飛行方向。這種雷達(dá)被稱之為“初級雷達(dá)”。布魯克指出：“初級雷達(dá)很少單獨(dú)使用，因?yàn)榭罩械娘w機(jī)實(shí)在是太多了?，F(xiàn)在，我們還會使用次級雷達(dá)。次級雷達(dá)的編碼脈沖序列發(fā)送給飛機(jī)，飛機(jī)上的異頻雷達(dá)收發(fā)機(jī)產(chǎn)生一個編碼回應(yīng)信號，信號中含有與飛機(jī)有關(guān)的大量信息。這些信息用于進(jìn)行敵我識別。”

空中交通管制員主要使用次級雷達(dá)追蹤商業(yè)飛機(jī)的方位，只有在沒有安裝異頻雷達(dá)收發(fā)機(jī)，收發(fā)機(jī)關(guān)閉或者破損情況下才會使用真正的雷達(dá)。布魯克表示：“幾十年前，一名年輕男子駕駛一輛輕型飛機(jī)在美國空中飛行，由于空中交通管制員沒有關(guān)閉初級雷達(dá)或者認(rèn)為只是一群鳥，他們并沒有發(fā)現(xiàn)這架飛機(jī)。”

如果飛機(jī)上的異頻雷達(dá)收發(fā)機(jī)被人切斷，便很難判斷空中交通控制中心的初級雷達(dá)屏幕上的光點(diǎn)究竟哪一個才是目標(biāo)飛機(jī)。布魯克說：“這可能就是為什么370航班的異頻雷達(dá)收發(fā)機(jī)在管制責(zé)任從一個空中交通管制中心移交給另一個中心時關(guān)閉。”

布魯克表示：“絕大多數(shù)人可能聽過‘不在雷達(dá)范圍內(nèi)’這句話。這種現(xiàn)象由雷達(dá)射束與地面的交互作用所致，導(dǎo)致雷達(dá)射束處在地平線上方。如果飛機(jī)的飛行高度足夠低，射束很難照射到飛機(jī)，雷達(dá)的探測范圍受限。”

此外，雷達(dá)還受到距離的限制。雷達(dá)進(jìn)行遠(yuǎn)距離探測時面臨的主要問題是發(fā)射和接收信號耗費(fèi)的電量取決于與飛機(jī)之間的距離，距離較遠(yuǎn)時可達(dá)到正常情況下的四次方。布魯克說：“如果希望將雷達(dá)對飛機(jī)的探測范圍提高一倍，發(fā)射和接收信號耗費(fèi)的電量必須增加16倍。”

通常情況下，用于追蹤100公里以上范圍內(nèi)的飛機(jī)的雷達(dá)耗電量達(dá)到數(shù)兆瓦特。不過，發(fā)射的脈沖較短，通常在1微秒左右，每秒只能發(fā)射幾百次，平均功率很低。在進(jìn)行遠(yuǎn)距離探測時，雷達(dá)發(fā)射脈沖所能達(dá)到的峰值功率達(dá)到令人難以接受的程度。這一問題促使科學(xué)家進(jìn)行一系列革新，例如研制相控天線陣。相控天線陣由大量較小的發(fā)射機(jī)和接收器構(gòu)成，部署在一個平面上，協(xié)同工作并對脈沖進(jìn)行壓縮，允許在產(chǎn)生距離更遠(yuǎn)功率更大的編碼脈沖的同時仍保持較大的探測范圍和精確性。

遠(yuǎn)程雷達(dá)發(fā)射的信號在大氣中穿行時不斷減弱，即便在天氣晴朗時也是如此，遇到雨天時更嚴(yán)重。信號的波長越大，在大氣中穿行時減弱的程度越小，因此，遠(yuǎn)程雷達(dá)都在低頻時工作。

布魯克表示電磁波會從導(dǎo)電物體上反彈，因此使用木料和帆布制造的老式飛機(jī)并不會產(chǎn)生很大的雷達(dá)回波。使用碳纖維合成材料制造的現(xiàn)代飛機(jī)也是這種情況。鋁皮飛機(jī)是最容易被雷達(dá)探測的目標(biāo)之一。布魯克說：“飛機(jī)的外形也是一個重要因素，使用平板材料制造的金屬飛機(jī)尖角和邊緣通常產(chǎn)生強(qiáng)烈的回波。如果你希望制造一架隱形飛機(jī)，你需要采用平板或者小面排列的方式，讓接收器接收不到雷達(dá)信號。F-117隱形攻擊機(jī)就是這種隱形技術(shù)的典范。”

飛機(jī)外形的另一種選擇是放棄直角，讓機(jī)翼與機(jī)身融合在一起，消除外部明顯特征。布魯克表示飛機(jī)的外皮使用可吸收雷達(dá)信號的材料也是將回波降至最小的一種方式。他說：“B-2隱形轟炸機(jī)非常先進(jìn)，采用了絕大多數(shù)隱形技術(shù)，所形成的回波只相當(dāng)于一只大黃蜂。”