雷达及其探测器工作原理

雷达及其探测器工作原理  

 

本文转载自博客侠《雷达及其探测器工作原理》

1. 引言

对许多人来说，超速驾驶已经是家常便饭了。 这种触犯法律的行为非常普遍，甚至出现了专门的电子装备来帮助驾驶员脱身。 自二十世纪七十年代引进以来，雷达探测器已经成为所有希望自己变成安德烈蒂（著名赛车手）的快车一族的必备装备。

 XR-1050可针对传统警用雷达和激光测速枪发出警报。

在本文中，我们将探讨雷达探测器的作用及其工作原理。 还将介绍一些更先进的测速枪和探测器，并了解警察局准备如何应对这些探测技术的挑战。

2. 雷达的基本知识

      雷达广泛应用在我们生活中的方方面面，虽然它通常是看不见的。空中交通控制利用雷达来跟踪地面和空中的飞机，并引导飞机平稳降落。警察利用雷达来探测过往车辆的速度。美国国家航空航天局（NASA）利用雷达来绘制地球和其他星球的地图，跟踪卫星和空间碎片，还用它来协助空间对接和机动操纵。军方则利用它来侦察敌人和指挥武器攻击。

 

美国国防部供图
操作专家、二等兵Gilbert Lundgren正在操作
“卡尼”号驱逐舰的作战信息中心内的雷达设备。

气象学家还利用雷达来跟踪风暴、飓风和龙卷风。您甚至可以在很多杂货店看到另一种形式的雷达——自动门！很显然，雷达是一种非常有用的技术。

人们使用雷达时，一般是希望达到下列三种目的之一：
探测远处物体的存在——一般这个“物体”是移动的，比如飞机，但雷达也可用于探测埋在地下的静止物体。某些情况下，雷达还可以辨识物体。例如，它可以辨识探测到的飞机的种类。
探测物体的速度——这就是警察使用雷达的原因。
绘图——航天飞船和轨道卫星利用一种称为合成孔径雷达的设备，来绘制行星和月球表面的详尽地形图。
这三种用途都可以用您在日常生活中可能就已经熟悉的两种现象来实现：回声和多普勒频移。这两个概念在声学上都比较容易理解，因为您的耳朵每天都会听到回声和多普勒频移。雷达利用的是同样的原理，不同的是它采用了的是无线电波。

在本文中，我们将揭开雷达的秘密。首先我们来看看声音，因为您对这个概念已经非常熟悉了。

回声和多普勒频移

如果您对着一口井里喊话，您喊话的声音将沿着井向下传播，然后在井底的水面上发生反射（回声）。如果您测量回声返回的时间，并知道声速的话，您就可以非常精确地计算井深。

回声是您经常都遇到的现象。如果您对着井里或者在峡谷里喊话，回声要过一段时间才能返回来。发生回声是因为您喊话的声波有一部分在某个表面发生反射（井底的水面或远处的峡谷壁），并传回了您的耳朵。从喊话到听到回声之间所需的时间，是由您和声音反射表面之间的距离决定的。

多普勒频移也是很常见的。您可能每天都会经历（却没有意识到）。当一个正在运动的物体发出声音或产生反射时，就会发生多普勒频移。极端条件下的多普勒频移会产生声震（见后文）。您可以这样来理解多普勒频移（您可能还会想在一个空旷的停车场中做这个实验）：假设有一辆车以96公里/小时向您驶来，同时鸣笛。您会听到，在车接近您的时候，喇叭是一种“音调”，而在车和您擦身而过后，喇叭声会突然变为一个较低的音调。但是在整个过程中，一直是同一个喇叭在发出同一种声音。您所听到的声音变化就是由多普勒频移引起的。

产生这种现象的原因如下所述。在停车场的空气中传播的声速是固定的。为了计算简便起见，假定声速是960公里/小时（精确的声速受气压、温度和湿度的影响）。想象汽车是静止的，离您恰好1.6公里远，鸣笛恰好1分钟。喇叭发出的声波会以960公里/小时的速度从汽车向您传播。而您听到的是延迟了6秒后（声音以960公里/小时的速度传播了1.6公里）、恰好1分钟的声音。

 

多普勒频移：站在车后方的人听到的音调比司机听到的低，因为车正在远离他。站在车前方的人听到的音调比司机听到的高，因为车正在向他靠近。

假设汽车以96公里/小时向您驶来。它从1.6公里之外起步，鸣笛1分钟整。您会在延迟6秒后听到声音。然而，声音只会持续54秒。这是因为，1分钟后车恰好开到了您身边，在这1分钟后，声音立刻就会传到您耳中。汽车（从司机的角度看）仍然是鸣笛1分钟。然而，因为车在运动，在您看来，1分钟的声音被压缩到了54秒之中。同样数量的声波数被压缩到了较短的时间中。因此，声波的频率被提高了，于是您听到的喇叭音调就较高。当车和您擦身而过并驶远时，这一过程被反过来，声音时间拖长。因此，音调就会变低。

 

声震虽然我们现在谈论的是关于声音和运动的话题，我们也可以同样理解声震现象。假设汽车以和声音以恰好相同的速度向您驶来——1120公里/小时左右。汽车同时还在鸣笛。喇叭产生的声波无法以超过声速的速度传播，而汽车和喇叭都以1120公里/小时向您驶来，则汽车发出的所有声音都“堆积”起来。于是您可以看到汽车驶来，却什么也听不到。而在汽车到达的那一刻，所有的声音也同时到达，会非常非常响！这就是声震。 在船只以超过水中波速（湖水中的波以约8公里/小时移动——所有波在同一介质中的传播速度都是固定的）的速度驶过水面时，也会发生同样的现象。船只产生的波“堆积”起来，在船尾后您就会看到V形的冲击波（尾流）。冲击波就是声震的一种。它是船只产生的所有波相叠加的组合。尾流形成了V字形，而V字的角度则由船速决定。

您可以将回声和多普勒频移这样结合起来：假设您向一辆驶向您的汽车发出响亮的声音，有一些声波将在汽车表面发生反射（回声）。然而，因为汽车正向您驶来，所以声波将被压缩。因此，回声的音调将比您发出的原始声音高。如果您测量了回声的音调，您就可以确定汽车行驶的速度了。

我们已经知道，回声可以用来确定物体距离我们多远，还知道可以利用回声的多普勒频移来确定物体移动的速度。因此，就有可能创造出一种“声学雷达”，这正是声纳的原理。潜艇和船只时时刻刻都在使用声纳。您也可以对空气中的声音应用同样的原理，但是空气中的声音传播存在一些问题：
声音无法传播得很远——也许最多1.6公里。
几乎所有人都能听到声音，那么“声学雷达”肯定会打扰到邻居（使用超声而不是可听声，可以在很大程度上克服这个问题）。
因为回声非常微弱，所以很可能难以探测到。
因此，雷达使用无线电波来代替声音。无线电波可以传播得很远，人无法感知到，而且即使信号微弱也比较容易探测到。

 

美国国家航空航天局（左），美国国防部（右）供图

左图：Goldstone深空通讯站（NASA深空网的组成部分）的天线，可为NASA的行星际飞船提供无线通讯。
右图：导弹驱逐舰前桅上安装的海面搜索雷达和对空搜索雷达。

我们以用于探测空中飞机的典型雷达设计为例。雷达装置打开发射机，发射一束短促的、高强度的高频无线电波脉冲。脉冲可能只持续一微秒。随后雷达装置关闭发射机，打开接收机并开始侦听回波。然后雷达测量回波返回的时间，以及回波的多普勒频移。无线电波以光速传播，每微秒约前进305米。因此如果雷达装置具有很好的高速时钟，那么它就可以非常精确地测量飞机的距离。雷达装置也可以利用特殊的信号处理设备，非常精确地测量多普勒频移并确定飞机的速度。

雷达天线以已知频率发射出一束非常短促的高功率无线电波脉冲。当无线电波碰到物体时，就会发生发射，而且物体的速度会引起回波的多普勒频移。随后利用同一个天线来接收这些微弱得多的返回信号。

对于地基雷达来说，可能受到的干扰比空载雷达要多得多。当警用雷达发射脉冲时，脉冲会在所有物体上发生反射——围墙、桥梁、山体、建筑等。消除这类杂波的最简单方法就是识别这些杂波不是发生多普勒频移的信号，并将其滤除。警用雷达仅仅关心发生多普勒频移的信号，并且由于雷达波束高度集中，只会射到一辆车上。

警察现在采用激光技术来测量车速。这一技术被称为激光雷达，它使用光而不是无线电波。关于激光雷达技术的信息，请参见雷达探测器工作原理。

    要了解雷达探测器的工作原理，首先必须清楚它们的探测对象。 使用雷达测量车速非常简单。 只要将一个无线电发射器和一个接收器组合成在一起就是一个基本的测速枪。 无线电发射器能产生振荡电流，以使电压按特定频率升高或降低。 这种电流会产生电磁能；当电流振荡时，电磁能会通过空气以电磁波的形式进行传播。 发射器还有一个用于增加电磁能密度的放大器和一个用于将电磁能传播到空气中的天线。

 
两款传统雷达枪

无线电接收器与发射器恰好相反：它用天线拾取电磁波并将它们重新转换成电流。实际上，无线电就是通过空间传输的电磁波。

雷达就是利用无线电波来探测和监控各种对象的。 雷达最简单的功能是测量对象的距离。 要做到这一点，雷达装置会发射一束集中的无线电波并监听回波。 如果在无线电波在传输中遇到物体，该物体便会反射部分电磁能，并将无线电波反射回雷达装置。 无线电波以恒定速度（光速）在空气中传播，因此雷达设备可以根据无线电信号的返回时间计算对象的距离。

雷达还可用来测量对象速度，这是利用了一种称为多普勒频移的现象。 与声波类似，无线电波也有一定的频率，即每单位时间的振荡次数。 当雷达枪和汽车都处于静止状态时，回波的频率与原始信号相同。 信号的每部分传输到汽车后都被反射回来，并与原始信号完全一致。

但当汽车行驶时，无线电信号的每个部分在不同的空间位置被反射回来，从而会改变波型。 当汽车驶离雷达枪时，第二段信号必须比第一段信号传播更远的距离才能抵达汽车。 如下图所示，这会导致电波被“拉长”，也就是降低了它的频率。 如果汽车是向雷达枪驶来，那么第二段电波在被反射时所传播的距离要比第一段电波短。 因此，波峰和波谷将挤压到一起： 频率增加。

根据频率的改变情况，雷达枪可以计算出汽车驶近或驶离它的速度。 如果在一辆行驶的警车内使用雷达枪，还需要考虑它自己的移动速度。例如，如果警车的速度约为80公里/小时，而雷达枪探测到目标车的驶离速度约为32公里/小时，那么目标车的实际速度约为112公里/小时。 如果雷达枪探测到目标车没有驶近或驶离警车，则表明目标车恰好也在以80公里/小时的速度行驶。

警察通过这种方式查找超速驾驶者已有50多年的历史了。 近来，许多警察局都配备了一种新测速仪，它使用光而非无线电波。 在下一节中，我们将介绍这些技术领先装置的工作原理。

3. 激光雷达枪

上一节中，我们介绍了警察自二十世纪五十年代以来一直在使用的传统雷达枪。 如今，越来越多的警察局使用的是激光测速枪，而非传统的雷达枪。 激光测速枪也称为激光雷达枪（用于光探测与测距），其基本要素是光。

两种不同的激光雷达枪设计

 

激光雷达枪自向汽车发射红外光脉冲开始计时，记录它返回到出发点的时间。 通过将此时间乘以光速，激光雷达系统便可以确定对象的距离。 与传统警用雷达不同，激光雷达并不测量波频的变化。 实际上，它会在很短的时间内发出很多红外激光脉冲来采集多个距离样本。 通过比较这些样本的差异，系统便可以计算出汽车的行驶速度。 这些雷达枪可以在不到半秒的时间内采集数百个样本，因此它们非常精确。

面对镜头，笑一笑！

警察可能会使用手持激光雷达系统，就像传统雷达枪一样，但在许多区域，激光雷达系统是全自动化的。 雷达枪与公路成一定角度发射激光束，并记录从其旁边经过的任何汽车的速度（系统会进行数学调整以考虑视角因素）。

当探测到超速车时，系统会触发一台小照相机，将车牌和驾驶员的面容拍下来。 由于自动化系统会收集警察需要的所有证据，因此警察局只需开出罚单并将其邮寄给超速驾驶者。

在后面的两小节中，我们将介绍探测器设备如何帮助超速驾驶者避开雷达和激光雷达超速监视区。 我们还要看看警察如何找出那些使用雷达探测器的违规者。

4. 雷达探测器如何拾取信号

在前面几小节中，我们知道了警察如何使用传统雷达和新式激光雷达技术发现驾驶员的超速行为。 实际上，传统的雷达比较容易探测到。 最简单的雷达探测器就是一个基本的无线电接收器，类似于用来接收FM和AM无线电广播的接收器。

天空中充满了无线电信号（用于从电视广播到车库门开启装置等各种设备），因此要想使接收器真正发挥作用，它必须仅接收特定范围的信号。 无线电广播接收器用于接收AM和FM频谱中的信号，而雷达探测器的接收器被调节到警用雷达枪使用的频率范围。 警察使用的频率范围会定期扩展，因而各地的超速驾驶者们必须购买新的探测装备。

 BEL 975R矢量远程雷达探测器：超速驾驶者可以重新对此探测器的敏感度进行编程以适应警方不断变化的技术。

如果警察驾车跟在您后面并打开雷达枪，这时基础型的雷达探测器没有多大用处。 探测器会发出警告，但那时警察已经获得了他们所需的信息。 不过，很多情况下探测器会在超速汽车被跟踪之前接收信号。 警察经常会长时间打开雷达枪，而不会在尾随上一辆汽车后再打开。

雷达枪有一个用于集中无线电信号的锥形或碟形天线，但是电磁波会迅速在一个很广的区域传播。 雷达枪被设置为只监控特定目标的速度，这样，探测器就有机会在雷达枪找到汽车之前接收无线电信号。

当然，使用这种探测器更多的是靠运气——如果警察已经盯上了您，那您就跑不掉了。 现代的探测器可以为超速驾驶者提供更多保护，我们将在下一节对此进行介绍。

5. 用雷达探测器发射干扰信号

反探测由于所有无线电接收器都具有振荡电流，因而无线电接收器不仅会接收无线电信号，也会发射无线电信号。 这意味着，不管是否带有干扰器，任何雷达探测器在开启时都会发射无线电波，从而泄露自己的踪迹。 在禁止使用雷达探测器的地方，警察可能会配备一种称为VG2的设备。VG2设备是一种调节到雷达探测器的信号频率的大功率无线电接收器。 因此，当您扫描区域寻找它们时，它们或许也正在扫描区域寻找你。

在上一节中，我们介绍了使用简单无线电接收器来探测警用雷达的传统雷达探测器。 这种探测器是一种完全被动的设备： 它仅能识别雷达的存在。 更复杂的探测器可以在躲避警察时扮演更主动的角色。 除了基本的接收器外，这些设备还有自己的无线电发射器，可以发射干扰信号。 实质上，该信号将复制警用雷达枪的原始信号，但是会在其中混杂额外的无线电噪波。 夹杂了这些信号后，雷达接收器会接收到令人迷惑的回波信号，这样警察就无法准确确定车速了。

现代的探测器还可能包含一个光敏板，用于探测来自激光雷达枪的光束。 激光雷达比传统雷达更难避开，因为光束非常集中并且不会传播很远的距离。 当探测器发现有激光束存在时，汽车很可能已经闯入光束的范围内。 有些超速驾驶者尝试通过降低汽车的反射性来躲避这些系统。 黑色表面可降低反射性，因为它会吸收更多光线。 驾驶员还会使用一种可降低车牌反射性的特殊塑料膜。 这些手段可降低激光雷达系统的有效范围，但不会影响超速驾驶者的探测器。 凭借争取到的这点时间，超速驾驶者或许能够在激光雷达枪获取其车速之前先行减速。

超速驾驶者还可能使用一种激光干扰器。 其工作原理与雷达干扰器基本相同。 除光敏板外，该探测器还有自己的内置发光二极管 (LED)，发光二极管可产生自己的光束。 当此光束照到激光雷达系统上时，接收器便无法识别任何反射回的光线，因而无法读取准确的车速。

有一点要注意的是，没有任何系统是百分之百有效的；即使使用最高级的探测和干扰系统，警察仍可能抓到您的超速行为。 此外，由于警察会定期采用新的车速监控技术，因而您的探测器可能会突然失效。 只要发生这种情况，全副武装的超速驾驶者就不得不彻底改换新装备。

当然，不管警察采用什么新技术，始终有一种方法可使您避免收到超速罚单， 那就是慢点开车！