雷达

雷达是一种利用电磁辐射（通常为无线电波或微波）探测物体，并确定其距离、方向和运动状态的传感技术。常规雷达系统发射信号，并分析飞机、船舶、地形、降水或其他目标返回的回波。其英文名称源自“radio detection and ranging”，意为“无线电探测与测距”。雷达无需依赖可见光照明，可用于导航、监视、天气观测和成像。其性能随波长、发射波形、天线设计和处理方法而异。(weather.gov)

历史发展

雷达源于对无线电传播和反射的研究，而非某一项单独的发明。1922年9月，美国海军研究人员阿尔伯特·霍伊特·泰勒和利奥·克利福德·杨观察到，一艘驶过的船只引起了无线电信号的变化。此后，美国海军研究实验室开展研究，发展了飞机探测和脉冲测距技术。1935年2月，英国的罗伯特·沃森-瓦特利用无线电接收设备，演示了飞机产生的回波。这些实验推动无线电探测成为一种实用的监视手段。(nrl.navy.mil)

1938年12月，实验型XAF雷达安装在美国海军“纽约”号军舰上。第二次世界大战期间，雷达广泛用于飞机预警和海上作战。天气回波最初被视为军事监视中不必要的干扰，却也揭示了雷达在降水观测方面的价值。此后的发展使雷达的应用扩展到专业气象观测网、电子扫描系统，以及机载和星载成像仪器。(nrl.navy.mil)

测量原理

发射波通过散射与目标相互作用，只有一部分能量返回接收机。在发射机与接收机实际上位于同一位置的单基地雷达中，目标距离 $R$ 可由往返传播时延 $\Delta t$ 得出：

其中，$c$ 近似为空气中的光速。分母中的2用于计入信号到达目标再返回的双程传播距离。目标方向由天线波束的指向确定，也可通过比较不同天线阵元接收到的信号来确定。(weather.gov)

相对运动会产生多普勒效应。对于单基地雷达，当所观测目标的运动速度远低于光速时，多普勒频移的绝对值近似为 $2|v_r|/\lambda$，其中 $v_r$ 为径向速度，$\lambda$ 为波长。这一测量反映的是目标朝向或远离雷达的运动，而非完整的速度矢量。气象雷达可根据相邻脉冲之间的回波相位变化确定径向速度。(ll.mit.edu)

回波强度取决于距离和目标的雷达散射截面。雷达散射截面是衡量目标散射响应的有效指标，并不简单等同于其实际面积。形状、材料、观测方向、波长和偏振都会影响这一数值。在理想的自由空间条件下，单基地系统接收到的孤立目标回波功率近似与距离的四次方成反比。因此，接收机灵敏度和传播损耗对探测距离有很大影响。(ll.mit.edu)

硬件与波形

典型雷达由发射机、天线、接收机、定时电路和信号处理设备组成。双工器可使脉冲系统在发射和接收时共用一副天线，同时保护接收机免受强大发射信号的影响。机械扫描天线通过旋转或倾斜来改变指向；相控阵则控制多个辐射阵元之间的相对相位，以电子方式改变波束指向。(nrl.navy.mil)

脉冲雷达根据回波的到达时间区分目标。连续波雷达能够测量多普勒速度，但未经调制的连续信号无法独立确定绝对距离。调频连续波雷达会改变发射频率，常见方式是进行线性扫频，形成啁啾信号。将接收信号与发射信号进行比较可产生拍频，据此估算距离和运动状态。(ll.mit.edu)

距离分辨率是区分距离相近目标的能力，而非单次距离估计的准确度。对于有效带宽为 $B$ 的理想波形，距离分辨率近似为：

脉冲压缩将较长的编码或调频发射脉冲与相应的信号处理相结合，以获得更精细的距离分辨率。角分辨率主要取决于波长和有效孔径尺寸。(e2e.ti.com)

探测与局限

雷达接收机必须从噪声和雷达杂波中分辨出微弱的目标回波；杂波是地形、海面、降水或其他物体产生的不需要的回波。信号处理可包括对连续回波进行积累、滤除静止目标回波，以及应用检测门限。傅里叶变换有助于按频率或多普勒速度分离信号，而跟踪算法则将不同时刻的检测结果关联起来。门限的选择需要在漏检目标与虚警之间进行权衡。(ll.mit.edu)

雷达并非在所有条件下都能“看见一切”。地形可能遮挡探测区域；大气衰减、折射和多径传播可能削弱回波，或使回波所指示的位置发生偏移。有限的波束宽度限制了区分目标的能力。重复发射的脉冲可能造成距离模糊，离散采样则可能造成多普勒模糊。延长观测时间和采用合适的波形设计可以改善某些测量，但也需要在覆盖范围、更新速率和处理要求之间作出权衡。(ll.mit.edu)

应用与成像

在空中交通管制中，一次雷达通过探测反射信号工作，无需飞机配合。二次监视雷达则向机载应答机发出询问信号，由应答机回复身份和高度信息。气象雷达测量降水回波及其径向运动，从而观测降水分布和风暴环流。这些测量结果需要经过解读：回波强度并不是一种可在所有情况下直接反映地面降雨量的指标。(faa.gov)

合成孔径雷达将飞机或航天器运动过程中采集的回波结合起来，形成比实际天线更大的有效孔径。它可提高沿运动轨迹方向的分辨率，并生成能够反映地表粗糙度和电学性质的图像。作为一种遥感技术，它能够在黑暗中或透过云层成像。重复观测和干涉测量还可用于测量地表位移，包括与地震和冰体运动有关的变化。(science.nasa.gov)