雷達(Radio Detection and Ranging)技術自從在20世紀初被發明以來，就已經成為軍事和民間領域中的重要技術。雷達的核心原理是使用電磁波來偵測、跟踪和定位物體。在車載無線領域打滾過一段時間後，也開始好奇無線電波在其他領域的應用；本篇文章介紹無線射頻(RF)技術與雷達應用的基本概念，大部分的內容會著重在軍用雷達。
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歷史
19世紀末人們發現了電磁波的存在，到20世紀初許多科學家和工程師都開始嘗試利用電磁波來偵測和定位物體。「雷達」 這個詞是「RAdio Detection And Ranging」的縮寫，意指使用無線電波進行偵測和測距。到了1920年代，多個國家的研究者開始進行初步的實驗，使用無線電波來偵測飛機，其中最著名的是英國的羅伯特·沃特金斯-華特(Robert Watson-Watt)和他的團隊。
在第二次世界大戰期間，隨著戰爭的爆發，雷達技術變得更加重要。在戰爭初期，英國成功地利用「鏈式家庭」(Chain Home)雷達系統來偵測和跟踪德國飛機，這一技術在不列顛戰役中起到了關鍵作用；不過儘管英國在早期雷達發展中起到了領先作用，但其他國家，如美國、德國、蘇聯和日本，也都在研究和開發自己的雷達系統。在戰爭期間雷達技術迅速演進，出現了新的頻率、更高的解析度，以及能夠同時偵測多個目標的能力；其中最著名的是微波雷達，它使用的頻率比早期的雷達高得多，能夠提供更精確的信息。第二次世界大戰結束後，雷達技術被廣泛應用於民間和軍事領域，在冷戰時期，雷達成為兩超國家的主要早期警報系統；在民間，雷達技術也被用於氣象觀測和航空交通控制。
基本原理
雷達系統通常利用無線射頻信號發射到特定方向，當這些信號遇到物體(如飛機、飛彈或其他軍用裝備)時，它們會被反射回雷達系統；系統接著計算信號的往返時間，從而確定物體的距離、位置和速度。其中無線射頻在雷達系統中扮演關鍵角色，因為雷達使用特定的RF頻率範圍，這使得它們能夠在各種環境條件下工作，包括惡劣天氣或高干擾區域。使用不同的射頻頻率可以使雷達對特定目標或任務更加敏感。隨著無線射頻技術的進步，軍用雷達也在持續發展。例如，隱形技術試圖使飛機對雷達不可見，但現代的軍用雷達系統已經開發了新的射頻模式和分析技術，以偵測這些先進的目標；此外，新的無線射頻技術還允許軍用雷達在同一時間內跟踪多個目標，提供更高的解析度和更廣泛的覆蓋範圍。
技術發展
依雷達技術的演進，我們按照其發展的年代和主要技術成果進行劃分，以下是一個概覽：
- 1930年代：初步發展
- 早期實驗：利用電磁波進行偵測和測距的基礎研究。
- 首次應用：英國的鏈式家庭雷達系統對抗德國飛機。
- 1940年代：第二次世界大戰和雷達的快速進化
- 微波雷達：高頻雷達技術的發展，提供更精確的偵測。
- 相控陣列：允許雷達波束電子掃描而不是物理移動。
- 專門雷達：開發專門用於夜間轟炸、海上搜索和潛艇偵測的雷達。
- 1950年代-1960年代：冷戰和早期警報雷達
- 遠程偵測：如美國的DEW線，用於遠距離偵測來襲的飛機或導彈。
- 合成孔徑雷達(SAR)：允許從高速移動的平台獲得高解析度的圖像。
- 多模雷達：能夠在多種模式下運作，例如對空和對地搜索。
- 1970年代-1980年代：數字化和多功能雷達
- 數字處理：利用電腦技術改進雷達信號的處理。
- 低檢測範圍雷達：設計用於逃避敵方雷達偵測。
- 導彈導航雷達：專為導彈導航和目標跟踪設計。
- 1990年代至今：先進技術和多用途雷達
- 主動電子掃描陣列(AESA)：提供更快速、靈活的雷達掃描能力。
- 無人飛行載具(UAV)雷達：專為無人機設計的輕型、高效雷達。
- 隱身技術與雷達: 對抗隱身技術的先進雷達系統。
如前面所說，雷達的工作原理是發射電磁波，接著接收反射回來的回波，以測定物體的位置、速度和大小。我們可以根據雷達的波長或頻率，在進一步的將雷達系統可以分為不同類型，每種都有其特定的應用和特性。
根據頻率範疇可以將雷達分成：
- HF雷達(High Frequency)：3-30 MHz，主要用於超過地平線的偵測。
- VHF雷達(Very High Frequency)：30-300 MHz，用於長距離偵測和早期警告。
- UHF雷達(Ultra High Frequency)：300-1000 MHz，用於火控和飛彈追踪。
- L波段雷達：1-2 GHz，常見於航空母艦上，具有長距離偵測能力。
- S波段雷達：2-4 GHz，主要用於防空搜索和偵測。
- C波段雷達：4-8 GHz，常用於天氣監測和空中交通管制。
- X波段雷達：8-12 GHz，常用於軍事和氣象預報中的短距離偵測。
- K波段雷達：18-27 GHz，主要用於飛行測試和目標跟踪。
- Ka波段雷達：27-40 GHz，通常用於高分辨率應用。
- W波段雷達：75-110 GHz，用於高分辨率偵測和近距離偵測。
根據工作模式可以分成：
- 連續波雷達(CW, Continuous Wave Radar)：發射連續的信號，並同時接收反射。它主要用於測量目標的速度。
- 脈衝雷達: 透過發射短暫的脈衝並在脈衝間接收回波來操作。它提供目標的距離和速度資訊。
- 多功能雷達(MFR, Multi-Function Radar)：結合了搜索、跟踪和火控功能。
根據技術和性能特點可以分成：
- 合成孔徑雷達(SAR, Synthetic Aperture Radar)：透過移動的平台如(飛機或衛星)來獲得高分辨率的地面圖像。
- 相控陣雷達(Phased Array Radar)：具有固定或可移動的電子掃描能力，能夠快速切換目標或同時跟踪多個目標。
- 被動雷達：不是發射自己的信號，使用現有的非合作性來源(例如廣播或電視信號)來偵測目標。
對雷達的歷史以及技術原理有了基本了解之後，接著我們來看軍用雷達類型和其主要用途，軍用雷達大致上可以分為：
- 偵查雷達(Surveillance Radars)：用於持續監測特定地區或領域，可以偵測飛行中的飛機、飛彈或其他物體。這些雷達通常具有較大的偵測範圍和較低的分辨率。
- 目標跟踪雷達 (Target Tracking Radars)：專為跟踪單一或多個已確定的目標而設計，提供精確的目標位置、速度和方向資訊。
- 火控雷達 (Fire-Control Radars)：用於導彈和火炮射擊控制，它們提供非常精確的目標位置資訊，以確保武器能夠精確打擊目標。
- 地形追踪雷達 (Terrain Following Radars)：主要用於低飛行的飛機，幫助它們跟隨地形飛行以避免被敵方雷達偵測。它們測量飛機與地面之間的距離，並自動調整飛機的飛行高度。
- 氣象雷達 (Weather Radars)：用於偵測和預測天氣條件，特別是對於飛行任務至關重要的天氣條件。可以提供有關雨、雪、冰雹和其他氣象現象的資訊。
- 合成孔徑雷達 (Synthetic Aperture Radars, SAR)：主要用於空中偵查，提供高分辨率的地面圖像。通常用於無人機或偵查飛機上，提供詳細的地形和建築物圖像。
- 多功能雷達 (Multifunction Radars):結合了多種功能，如偵查、跟踪和火控於一體的雷達系統。這些雷達可以在不同模式下操作，根據任務需求進行快速切換。
這些雷達在配置上，可以依照空、海、陸不同軍種的應用，配備用途不同的雷達系統。以空中飛行器(如戰鬥機、轟炸機、偵查機)來說，由於空間和重量限制，空載雷達必須輕巧，且要符合特定的空氣動力學。而在考量到許多現代戰鬥機的雷達能夠執行多個任務，例如同時進行空對空搜索、目標追踪和空對地偵查，因此雷達也必須符合多功能的需求，能夠在高速飛行中迅速調整和追踪多目標。同時對於隱身與低偵測性會有更高的要求，例如對於隱身戰鬥機，雷達必須被設計得更加隱蔽，以降低被敵方偵測的機會。
- F-22 Raptor：配置雷達為AN/APG-77，AN/APG-77是一個先進的主動電子掃描陣列(AESA)雷達，具有低機率截獲、高解析度、和多目標追踪能力。
- F-35 Lightning II：配置雷達為AN/APG-81，AN/APG-81也是一個AESA雷達，能夠同時進行空對空和空對地任務，並具有先進的電子戰能力。
- Su-57 (俄羅斯的第五代戰鬥機)：配置雷達為N036 Byelka，N036 Byelka是一個主動電子掃描陣列雷達，並配有額外的側面和後部雷達陣列，用於全方位偵查。
- B-2 Spirit(隱形轟炸機)：配置雷達為AN/APQ-181，AN/APQ-181是一個多模式雷達，具有高解析度的合成孔徑雷達能力，以及地形追踪和地形識別功能。
- E-3 Sentry AWACS(空中預警和控制系統飛機)：配置雷達為AN/APY-1、AN/APY-2，此雷達能夠偵測和追踪空中和地面目標。
- EA-18G Growler(電子戰飛機)：配置雷達為AN/APG-79，它是一個主動電子掃描陣列雷達，除了基本的空對空和空對地功能外，還具有先進的電子戰和電子攻擊功能。
- RC-135 Rivet Joint(電子偵查機)：雖然並不裝備傳統意義上的雷達，但配有高度先進的電子情報偵查設備，用於收集和分析敵方的雷達和其他電子信號。
海面艦艇(如航空母艦、驅逐艦、巡洋艦)使用的雷達需要考慮長距離和廣範圍搜索，艦上雷達常被用來在廣大的海域上偵測航空和海上目標，而艦上雷達系統也需要考慮到船體的搖晃並提供穩定的輸出，所以雷達的穩定性也相當重要，特別是要耐鹽水腐蝕，因為海洋環境要求雷達和其組件能夠抵抗鹽水的腐蝕。身為在海面上移動的軍事設施，雷達也需要具備多目標追踪，能夠追踪多架飛機、導彈或其他海上目標。
- 航空母艦：
- 長距離空中搜索雷達：用於偵測和追踪遠程的空中目標。
- 表面搜索雷達：偵測和追踪海上目標。
- 飛機導航雷達：幫助航母上的飛機安全起飛和降落。
- 例如，美國的Nimitz類航母和Ford類航母都裝備有多種雷達系統來支持其作戰和飛機操作功能。
- 護衛艦(或驅逐艦、巡洋艦)：
- 3D空中搜索雷達：能夠提供目標的方位、高度和距離。
- 火控雷達：用於導引飛彈或炮彈至目標。
- 表面搜索雷達：偵測海上目標。
- 例如，美國海軍的Arleigh Burke類驅逐艦使用AN/SPY-1雷達作為其主要的空中搜索和追踪雷達。
- 獵雷艦：
- 雷達探測裝置：針對潛在的水雷。
- 導航雷達：在低能見度或狹窄水道中進行導航。
- 例如，美國海軍的Avenger類獵雷艦配置有專門用於搜尋水雷的裝置。
- 潛艇：
- 導航雷達：通常在浮到水面時使用，以幫助導航。
- 通信系統：進行以上行和下行通信。
- 巡邏艇/巡邏船(Patrol Boats)：
- 主要用於近海的巡邏和執法任務，通常裝備有導航雷達以及短距離的表面搜索雷達。
- 兩棲攻擊艦(Amphibious Assault Ships)：
- 這些艦艇旨在運輸和部署陸軍部隊到敵方海岸，可能裝備有空中搜索雷達和表面搜索雷達，還可能有火控雷達來導引其防禦武器。
- 補給艦(Replenishment Ships)：
- 主要用於在海上補給其他軍艦，通常配備導航雷達，以及用於保護的基本火控雷達。
- 偵察艦/電子偵查艦（Reconnaissance or Electronic Surveillance Ships）:
- 專門用於收集敵方的電子情報，除了標準的導航雷達外，還會有專門的電子戰雷達和感測器。
- 反潛護衛艦(Anti-Submarine Warfare Frigates/Corvettes)：
- 專門用於反潛作戰，通常會裝備有空中搜索雷達、表面搜索雷達和聲納系統來偵測潛艇。
地面平台(如防空導彈系統、地面監視站)因為地面雷達可以是固定的，例如為了國土防禦，或者是移動的，例如車載或卡車載的，體積比較沒有限制，因此可以識別的目標可以更多，例如辨別飛行中的飛機、導彈、無人機等，並區分敵我。不過考慮到地形，地面設施用的雷達也必須能夠偵測低飛的目標，以避免被地形遮擋。
- 預警雷達(Early Warning Radars)：
- 主要用於遠距離探測和跟踪飛機、飛彈等空中目標，以提前發現潛在威脅。
- 例如：美國的AN/FPS-132 Upgraded Early Warning Radar (UEWR)。
- 地面監視雷達(Ground Surveillance Radars)：
- 主要用於監控和偵測地面活動，如移動的車輛和人員。
- 例如：美國的AN/TPS-25雷達系統。
- 飛彈防禦雷達(Missile Defense Radars)：
- 專為偵測、跟踪和分辨敵方彈道飛彈設計，並將資訊傳送給反飛彈系統。
- 例如：美國的**AN/TPY-2 Terminal High Altitude Area Defense (THAAD)**雷達。
- 火控雷達(Fire-Control Radars)：
- 用於導航武器至目標，如飛彈、火炮等。
- 例如：俄羅斯的Zoopark-1反砲兵雷達。
- 砲兵偵測雷達(Counter-Battery Radars)：
- 專用於偵測敵方砲彈、迫擊炮或火箭的發射點，並迅速計算其射程和位置，以便回擊。
- 例如：瑞典的ARTHUR反砲兵雷達。
- 無人機偵測雷達(UAV Detection Radars)：
- 專門用於偵測小型無人機或無人飛機，這些目標體積小、飛行速度慢。
- 例如：以色列的ELTA ELM-2026B雷達。
- 預警與控制系統(Airborne Warning and Control System, AWACS)：
- 儘管這通常是空中平台，但它在空中控制地面或海面部隊的行動時起著關鍵作用。
- 例如：美國的E-3 Sentry飛機配備了高級雷達系統。
結語
軍用雷達和無線射頻之間的關係是密不可分的。隨著無線射頻技術的進步，我們可以預期軍用雷達系統將繼續演進，以應對各種新的挑戰和威脅。這種技術互補將持續確保雷達在現代戰爭中的核心地位。
參考連結
- Wikipedia: AN/APG-77
- Wikipedia: AN/APG-81
- Wikipedia: Byelka (radar)
- Wikipedia: AN/APQ-181
- Wikipedia: AN/APG-79
- Wikipedia: AN/SPY-1 3D相位陣列雷達
- Wikipedia: AN/FPS-132
- Wikipedia: TPY-2
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