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无处不在的雷达
电子信息,先进制造
2016-12-29 19:17
原创  Mitchell Lazarus

20世纪30年代,战争阴云笼罩欧洲,英国政府急切需要能够探测敌机的技术。尽管工程师罗伯特•沃特森•瓦特(Robert Watson-Watt)一副书呆子模样,却在1935年成功为英国发明并测试了最初的雷达系统。在1940年的不列颠之战中,英国东部和南部的海岸已经建成了一系列雷达站。当纳粹德国的空军来袭时,这些雷达站能够提供足够的预警时间让平民寻找地下掩体,皇家空军的飞行员也可以驾驶战机升空迎敌。1942年,为表彰沃特森-瓦特的功绩,乔治五世授予了他爵士爵位。一些历史学家认为,如果没有沃特森-瓦特,英国也许会输掉这场残酷的战争。

15年后,60岁的沃特森-瓦特到访加拿大,并在我所在的高中演讲,那时我才十几岁。演讲中最精彩的部分是说他被超速雷达拍到停车的故事。在等待处理的时候,他写了一首诗:

可怜的沃特森•瓦特爵士,

成了雷达追踪的目标,

只能和大家说,

我被自己的发明逮了个正着。

它神奇的眼睛洞穿一切,

引导飞机冲出云霄。

但讽刺的是,

它抓住了骑摩托的超速老头。

在法律面前,

雷达的创造人也要乖乖就范。

当问起除了探测飞机雷达还有哪些用途,大多数人的反应就是配有雷达测速枪的警察。事实上,虽然雷达用途广泛,在车辆、天气监测、空中侦察中都能大显身手,甚至可以穿透墙壁,但是随着应用领域的快速发展,包括美国在内的政府监管部门越来越难以跟上步伐。

政府部门有必要跟上雷达应用的发展,否则将会拖累技术创新的步伐。如果你觉得言过其实,不妨接着往下读,看看雷达是如何根植于现代工业社会的,虽然监管环境依然存在一些问题。这是一个有警示性的故事。尽管我在这里关注的是雷达,但对其他很多技术来说也有警示意义,包括但不限于遥控飞机、基于软件应用的驾乘分享系统、密码货币等。

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第二次世界大战的雷达技术基于沃特森•瓦特的工作,主要由电子研究实验室的前身MIT辐射实验室负责开发。由于美国的贡献,雷达设备才变得更加高效、可靠和精巧。一部鞋盒大小的电子集成设备就可提醒战斗机驾驶员注意后方来袭的敌机。后来人们发现了这种设备在战时的另一种用途:在广岛和长崎投放的原子弹各自携带了4台这种雷达设备,用于在设定高度引爆核弹。

战后雷达技术的发展依然保持活跃势头。伴随着军事系统进步,两种民用途径迅速涌现:空中交通管制和海上碰撞事故预防。在其后几十年中,数十项应用陆续出现。

当前的雷达技术分为两大类。一类直接继承了战时的雷达技术,在相对较窄的带宽上集中发射大功率无线电波,能够探测数百公里的范围。监管部门将这种形式的技术称为雷达无线电定位。另一类雷达技术的操作频率很低,探测距离也很短。

现在让我们来谈谈雷达无线电定位。它的原理很简单:在目标反射雷达波后测量雷达波返回的时间,就可以获知目标的距离。发射雷达波天线的指向则说明了目标的方向。

当然,具体测量的精确程度取决于使用的电子设备。在第二次世界大战中,雷达设计人员不得不受制于真空管的限制。战后,晶体管的发明以及更高的操作频率促进了雷达技术的发展,使小型天线能够发射更密集的雷达波,提高了探测距离和方向的准确性。更加精密的接收器进一步增加了雷达的探测距离。

显示技术的进步同样具有重要意义。沃特森-瓦特和他的团队很巧妙地在实验室现有示波器基础上发明了雷达显示器。当信号从发射器发出时,显示器会出现一条水平轨迹,当信号返回时,轨迹线会垂直突起,形成“尖峰信号”。水平轨迹的起点至“尖峰”的距离即为目标的距离。这种显示器是可行的,但从“杂草”(噪声)中不断观察尖峰信号很快就使雷达操作员疲于应付,增加了犯错的风险。

冷战期间,美国和加拿大政府建立了远程预警雷达网:在两国的北极地区由63座雷达站串联的预警线。这套雷达网的目的是探测来袭的苏联轰炸机,争取时间发起报复性打击。如果漏掉任何信号或者错报信号,后果将是灾难性的。为此,设计人员开发了自动尖峰探测系统,支持雷达操作员的工作。日后的应用,如飞机的防撞系统和车辆的自动刹车系统越来越依赖自动探测。

由于应用了多普勒效应,无线电定位的范围大幅扩张。因为目标不断接近时,返回的电磁波比发射时的频率高,当目标远离时,返回的电磁波比发射时的频率低。发射和接收的频率差别能够反映目标和雷达之间的相对速度。一般而言,这种频率的差别很小。例如,以每小时100公里的速度接近的目标仅能使接收频率提高不到500万分之一。幸运的是,工程师很早就知道如何制作能够精确比较相似频率的电路。

早期多普勒雷达的应用能够测量大致的速度,和20世纪50年代抓拍沃特森•瓦特的警用雷达相似。直到20年后数字微处理器的出现才为雷达的发展带来新的变革。例如,多普勒效应可以用来在合成孔径雷达中增强角分辨率。合成孔径雷达将飞机或飞行器等移动平台上的多个雷达扫描数据结合,得到类似红外成像的图像。作为军事侦察的理想技术,合成孔径雷达能够在黑暗中探测敌军设施,还能穿透云层和植被。这种雷达技术的非军事用途包括监测湖冰和河冰、冰川、农作物、滥砍滥伐以及海岸侵蚀,还能跟踪森林火灾、洪水、火山爆发和石油泄漏。

电视观众和互联网气象爱好者所熟悉的多普勒气象雷达能够测量雨雪下落颗粒的距离与横向速度,使预报员能够绘制风暴和风暴中旋风的位置变化。这种系统甚至能够穿过一个风暴探测另外一个风暴。还有一些系统能够比较垂直和水平极化信号的图像,鉴别雨水、冰雹、雪花和冰丸。这些雷达还能从空气中的碎片含量探测龙卷风,并实时绘制龙卷风的位置和速度。政府官员可以利用这些信息向民众预报龙卷风的轨迹。经过改造后,这种雷达能够在机场跟踪空中的细小颗粒,从而判断风切变。风切变能在飞机起飞和降落时引发失速和坠机,导致致命事故。

警察和其他第一响应人员是多普勒雷达的首批使用者。这种多普勒雷达能够穿透墙壁,锁定人质或绑匪,甚至能够探测意识丧失、呼吸尚存的受害人。经过配置后,这种雷达还能帮助搜救人员搜寻困在建筑废墟中的人员。在矿区使用的多普勒雷达能够鉴别地下岩层,监测地层的不稳定性,预测可能发生的塌方。

这些仅仅是目前已有的应用。未来的应用将包括探测风电场附近的鸟群。当鸟群接近时,可以让涡轮叶片停转,避免伤害鸟群。类似的雷达安装在机场后可以防止类似2009年哈德逊河的迫降事故。当时一架从纽约起飞的航班被一群加拿大大雁撞击,迫降哈德逊河后才化险为夷。不久还将出现监测骑车人的后视雷达。

电磁波频谱有些类似潜水艇的空间:总是不够用。因此,无线电频谱的用户通常不得不共用频谱。现在的问题是,无线电定位在这方面做得并不好。长距离操作需要大功率发射器和灵敏的接收器,因为能量在传输路径上会扩散,并在遇到目标反射时发生分散。只有很小一部分能量能返回接收器,在这一过程中还会发生扩散。总体而言,接收信号衰减率是目标距离的4次方。

从共用角度而言,无线电定位的情况最为棘手:发射信号功率太高会影响其他用户,返回信号太弱则极易受到干扰——尽管接收器的数字处理能够消除部分干扰信号。更麻烦的是,包括国防、空中交通管制、航海安全和天气预报在内的雷达应用与人类的生命安全息息相关,因此无线电干扰会导致灾难性的后果。

鉴于上述担忧,人们也许希望为无线电定位建立强有力的监管机制,规定明确的操作限制,同时要求新安装的设施保护已经使用的电波。但是,包括美国在内的一些国家并没有这种机制。美国联邦通信委员会(FCC)与其他国家的监管机构一样,除了规定雷达可以使用的频率外,鲜有作为。FCC以个案为基础批准无线电定位的功率和带宽,并能在“令人满意的需求”的基础上以相同方式批准任何种类的调制,但对批准后的影响并没有具体指导。事实上,FCC称:“没有预防性规定;你提出申请,我们来决定申请是否能通过。”

加拿大和中国台湾在管理无线电定位设备方面采取了类似的政策。也许这种政策的目的是减少新技术的监管障碍。这种想法是值得赞赏的。但是,模糊的规则更可能成为障碍。因为当一家公司提出新的无线电产品理念时,由于无法预知能否获得批准,就可能不愿意投资开发该产品。

但是,这种宽松的方式并不具有普适性。例如,在特批已有设备或为新产品提供批准程序时,欧洲监管机构规定了详细的技术标准。在其他地区,包括非洲部分地区,监管机构采用欧洲的标准和程序。其他一些非西方国家采取一刀切的方式,禁止私人使用大功率无线电定位设备,只有政府和军队才能使用。

美国并没有采用这种方式。相反,政府将70千赫至81千兆赫之间的14个频段分配给民用无线电定位服务。除一个频段外,所有这些频段都与其他应用共用。2900兆赫以上的最有用的频率还与联邦无线电定位用户共用。

但是,美国民间雷达用户如何共用频谱呢?一些满足多个用户的无线电服务采用了无线电协调程序。协调的细节各有不同,但目的是向新用户分配频率时将现有频率的干扰或对现有频率的干扰降至最低。在美国,需要频率协调的频谱类型包括无线电对讲系统、部分卫星地面站,以及用于连接蜂窝基站的大部分固定微波无线电链路。但是无线电定位属于例外。想要安装新型无线电定位装置的公司可以在无线电定位频率中随意选择工作频率。联邦频谱主管部门研究了每个应用领域对联邦系统的干扰风险,但是还没有人研究如何在这些频率上保护非联邦政府的用户。

在美国和其他允许私人使用无线电定位设备的国家,虽然不会被广泛认可,但一些设备需要许可要求似乎是普遍适用的。FCC的数据库显示,全美有近2000份活跃的无线电许可,其中尚未包括在美国水域运行的船舶设备——人们认为这些设备持有许可,实际上并未有人申请过。

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无线电定位并非雷达的唯一用途。其后发展的另一大应用类型的发射功率很低(通常低于1毫瓦),范围很小,一般为几米或更短的距离。使用无线电带宽更宽,通常为数十至数百兆赫。

这些仪器发射的脉冲更短更清晰,使设备能更加精确地测量返回时间。另一大优点是,此类波形能在许多无线电频谱上传输能量——有时还包括千兆赫或更高的频率。

这种信号对大多数接收器几乎没有干扰,由于这些接收器的灵敏度仅限于很窄的频率范围,因此雷达的总发射功率中只有极小的一部分会产生干扰,几乎可以忽略不计。反之,由于大多数无线电只占用很窄的频谱,因此几乎不会对宽带雷达的性能造成影响。

宽频谱范围还具有监管方面的优势。通常,各国政府在每兆赫基础上设定功率限制,使用宽带宽的雷达能够发射相对较高的功率,同时仍可符合政府的规定。

20世纪70年代问世的探地雷达就是这类技术的早期应用。这种设备帮助挖掘人员寻找地下管道和缆线,发现高速公路和机场跑道表面下隐藏的瑕疵。有次甚至发现了西伯利亚永久冻土下的猛犸象。数十年来,美国并没有批准探地雷达,因此这种设备的销售其实并不合法。由于探地雷达满足了社会重要的需求,改善了公共安全,也没有造成干扰问题,因此,在近30年时间里,监管部门并没有为难这种设备的生产制造。

2002年,作为超宽带程序的一部分,FCC最终批准了探地雷达和多个雷达成像系统。批准程序如此旷日持久,原因在于此类宽带传输合法化会招致包括主要美国政府机构在内的所有监管频谱用户群的强烈反对,他们称此类设备会严重干扰其系统。FCC回应将为所有超宽带设备设定很低的功率限制,保证这些设备的能量传输仅占用很小一部分频谱。为此,FCC规定超宽带设备的功率不得超过每兆赫75毫微瓦。FCC还规定了最低带宽,相当于中心频率的20%或500兆赫,以两者中的最低数据为准。

随着时间的推移,反对者的期望始终未能实现,其他国家开始实施相同的规定。美国和欧洲的一些国家开始允许使用低带宽的雷达。在某些情况下,实际功率会高出最初批准的数值。这种名为宽带雷达的设备使用超宽带脉冲序列或调频连续波信号,带动了车辆、采矿、工业、公共安全和新型机场应用的兴起。

与大功率无线电定位相比,允许使用低功率宽带雷达的国家制定了详细的技术规定。一些国家效仿另一些国家的规则,不过世界上大多数超宽带规则是沿袭美国的规定。与之相反,FCC最近批准工业级探测雷达(用于测量液体以及建筑内外干燥原料的水平)时采用的是欧洲的技术规则。制造商欢迎全球统一的标准,这使他们能在多个国家销售产品。

全球宽带雷达的许可政策还缺乏统一性。美国对此类设备放行,无需许可,但部分设备仅限于急救人员等特殊用户群体。在加拿大具有技术规定的雷达设备在美国同样无须许可。但是包括欧洲国家在内的一些国家对部分种类的设备要求许可,其中包括探地雷达和一些工业雷达。

目前,低功率雷达在汽车行业应用最普遍。越来越多的轿车和卡车装配了具有雷达功能的巡航控制、防撞报警、自动刹车、盲区探测、变道辅助和辅助报警系统(见2014年8月刊《让贝莎睁开双眼》)。就我所知,这些车辆雷达都不需要许可。但是车辆在路网中穿梭时,也把车载的电磁波带到了各个角落。这使一些频谱用户感到担忧,特别是射电天文学家。射电天文望远镜极为敏锐,但在许多国家,车载雷达使用的频率却和射电天文望远镜的频率相同。监管部门并不重视天文学家的担忧,而是支持汽车制造商维护驾驶人安全的承诺。

汽车雷达优先于射电天文学的呼吁似乎很容易接受。但是当水平探测雷达产业提出保护射电天文观测,不在望远镜附近安装干扰源时,FCC却拒绝执行这一要求。监管部门认为,繁多的规定会限制雷达产业的发展。在许多情况中,这种考虑是合情合理的,但过度灵活的监管政策会造成不确定性,反而影响创新,威胁其他服务。

沃特森•瓦特和拦下他的警察开玩笑说,如果知道雷达会用来探测超速,他决不会发明这玩意儿。但若得知他的发明不仅能在战时保护不列颠人民,还能使我们在工业场地、空中旅行和高速路上更加安全,他也许会改变想法——甚至感到非常高兴。


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