什麼是雷達？
雷達是我們周圍隨處可見的技術，儘管它通常是無形的。雷達的全稱是radio detection and ranging（無線電檢測與測距）。空中交通管制使用雷達來追蹤地面和空中的飛機。警方使用雷達技術來檢測過往車輛的速度。
NASA使用雷達來繪製地球和其他行星的地圖，追蹤衛星和空間碎片，並協助對接和機動等工作。軍事部門使用無線電檢測與測距技術來通過短無線電波脈衝檢測敵機。
然後，氣象學家在追蹤風暴、颶風和龍捲風等天氣系統時使用都卜勒天氣雷達，因為雷達能在各種天氣條件下正常工作。例如，都卜勒雷達可以檢測降水。
甚至在商店裡當自動門開啟時，你也能看到一種形式的雷達技術，這要歸功於雷達傳感器。顯然，雷達是一種非常有用的技術。理解雷達如何運作涉及了解雷達能幫助我們實現的功能。
雷達系統基礎
當人們使用雷達時，他們通常試圖完成以下三件事之一：
- 檢測物體：通常，這個物體是移動的，例如被空中交通管制員檢測到的飛機，但雷達也可以用來檢測埋在地下的靜止物體。在某些情況下，雷達的目標檢測可以識別諸如飛機類型等細節。
- 檢測物體的速度：這是警方使用雷達技術來進行速度檢測的原因。
- 繪製地圖：航天飛機和環繞衛星使用所謂的合成孔徑雷達來創建行星和衛星表面的詳細地形圖。
所有這些活動都可以通過日常生活中熟悉的兩個概念來完成——回聲和都卜勒效應（也稱為都卜勒頻移）。這兩個概念在聲音的領域中很容易理解，因為你的耳朵每天都能聽到回聲和都卜勒效應。雷達系統利用相同的技巧來使用無線電波。
在這篇文章中，我們將揭示雷達的秘密。讓我們先來看看聲音的例子，因為你可能已經熟悉這個概念。
回聲
回聲是你經常體驗到的東西。如果你對著井或峽谷大喊，回聲會在片刻之後回來。回聲發生是因為你喊叫的一些聲波反射到一個表面（無論是井底的水面還是遠處的峽谷壁），然後又傳回你的耳朵。簡而言之，回聲是反射回來的無線電波。從你喊叫的瞬間到你聽到回聲之間的時間長度由你與回聲產生的表面之間的距離決定。
用回聲計算深度
當你對著井大喊，喊叫的聲音會向下傳到井底並從水面反射回來。如果你測量回聲返回所需的時間並且知道聲音的速度，你就可以相當準確地計算出井的深度。
都卜勒雷達
都卜勒效應：車後的人聽到的音調比駕駛員更低，因為車在遠離。車前的人聽到的音調比駕駛員更高，因為車在接近。
這是理解都卜勒效應的方法。假設有一輛以每小時60英裡（mph）的速度向你駛來的車輛，車的喇叭正在鳴響。當車接近時，你會以一種音調聽到喇叭聲，但當車經過你時，喇叭的音調會突然下降。整個時間喇叭發出的聲音是一樣的。你聽到的變化是由於都卜勒效應引起的。
這是發生了什麼。聲音在停車場中的傳播速度是固定的。為簡化計算，假設它是每小時600英裡（實際速度由空氣的壓力、溫度和濕度決定）。想像一下，當車輛靜止不動時，它距離你正好一英裡，並鳴響喇叭整整一分鐘。喇叭聲波會以600英裡的速度從車輛向你傳播。你會聽到六秒延遲（聲音以600英裡每小時的速度傳播一英裡）隨後是整整一分鐘的聲音。
現在，假設車輛正在以每小時60英裡的速度向你駛來。它從一英裡外開始並鳴響喇叭整整一分鐘。你仍然會聽到六秒的延遲。然而，聲音只會播放54秒。那是因為在一分鐘後，車將在你身邊，該分鐘結束時的聲音會即時到達你這裡。
都卜勒頻移
從駕駛員的視角看，車輛在整整一分鐘內仍在鳴響喇叭。然而，由於車輛在移動，從你的角度看，一分鐘的聲音被壓縮成54秒。相同數量的聲波在較短的時間內被壓縮。因此，它們的頻率增加了，喇叭聲音調對你來說聽起來更高。當車輛經過你並遠離時，過程會反向進行，聲音會擴展以填充更多時間。因此，音調會更低。
你可以將回聲和都卜勒效應結合起來。例如，你向一輛向你駛來的車輛發出一個響亮的聲音。一些聲波會從車上反射回來（回聲）。然而，由於車輛向你移動，聲波會被壓縮。因此，回聲的音調會比你發出的原始聲音更高。如果你測量回聲的音調，你可以確定車輛的速度。
音爆
既然我們討論到了聲音和運動，我們也可以了解音爆。假設車輛以正好音速前進——大約每小時700英裡的速度。車輛鳴響喇叭。喇叭產生的聲波不能超過音速，因此車輛和喇叭都以每小時700英裡的速度向你駛來。來自車輛的所有聲音會 “堆積” 在一起。你什麼都聽不到，但可以看到車輛接近。在車輛到達你的那一刻，所有的聲音也同時到達，非常響亮！這就是音爆。
了解無線電波和雷達技術
左邊：金石深空通信複合體的天線（NASA深空網絡的一部分）幫助提供NASA星際太空飛行器的無線電通信。右邊：導彈驅逐艦前桅杆上的表面搜索雷達和空中搜索雷達。圖片由NASA（左）和國防部（右）提供。
我們已經見識到，聲音的回聲可以用來確定某物的距離，我們也已經看到我們可以利用回聲的都卜勒效應來確定某物的速度。因此，有可能創建一個 “聲音雷達”，這正是聲納所做的。潛艇和船隻經常使用聲納。你可以在空氣中使用相同的原理，但聲音在空氣中有幾個問題：
- 聲音傳播距離很短——最多也許一英裡。
- 幾乎每個人都能聽到聲音，所以 “聲音雷達” 肯定會打擾鄰居（你可以通過使用超聲波而不是可聽見的聲音來消除大部分問題）。
- 由於聲音的回聲非常微弱，可能很難檢測到。
因此，雷達使用無線電波而不是聲音。無線電波傳播距離很遠，對人類而言是無形的，即使是微弱的信號也很容易檢測到。
空基雷達
讓我們來看看一個典型的設計用於檢測飛行中飛機的雷達裝置。雷達裝置打開其發射器並發射一個短而高強度的高頻無線電波脈衝。這個脈衝可能持續一微秒。然後，雷達裝置關閉其發射器，打開其接收器並聆聽回聲。雷達裝置測量回聲到達的時間以及回聲的都卜勒效應。
無線電波以光速傳播，大約每微秒1,000英尺；所以，如果雷達裝備有精確的高速時鐘，它可以獲得飛機的精確距離測量。使用特殊的信號處理設備，雷達裝置還可以非常準確地測量都卜勒效應並確定飛機的速度。
地基雷達
在地基雷達中，相較於空基雷達，有更多潛在的其他雷達信號幹擾。當警察雷達發出一個雷達脈衝時，它會從各種物體反射——如圍欄、橋梁、山脈、建築物。從實際目標中去除所有這些雜訊並提高雷達性能的最簡單方法是通過識別哪些信號沒被都卜勒移動而將其過濾掉。警察使用只尋找都卜勒移動信號的雷達，並且由於雷達波束是一個窄波束，因此雷達檢測只會集中在一輛車上。
一些警察現在使用雷射技術來測量車速。這種技術稱為雷射雷達（lidar），它使用短光脈衝而不是短無線電波脈衝。請參見《雷達探測器如何工作》了解雷射雷達技術。
CW雷達 vs. 脈衝雷達
雖然我們重點介紹了脈衝雷達，但還有CW雷達（連續波雷達）。CW雷達使用不間斷的電磁波而不是脈衝。兩者都使用雷達天線和電子元件，但這兩種類型的雷達在能耗上有所不同。由於CW雷達持續信號，它始終在運作。