空气的空间

空气的空间

空气占据着看起来是空荡着的空间，可以把一张纸或一条毛巾放到水下，却使它不湿。

材料：一只透明的玻璃杯；纸（如砂纸，信纸）；大容器或盛满水的水槽；水桶——任选；比水桶直径略长的木棍；手巾；浴盆；池塘或装满水的大水槽。

步骤：

1.把一张纸揉皱后，塞入一只玻璃杯的底部。

2.把玻璃杯倒过来，垂直按入水底，纸会湿吗？为什么不湿呢？如果你把杯口朝上，把杯子放入水中，会出现什么情况？

3.变化：你能用一根小棍，把一条手巾卡入水桶里，然后做与上面相同的活动吗？

话题：空气

空气占据着空间，也就是说其他东西不能同时占据它的空间。许多气候现象就是由于两大团温度、压力和湿度不同的空气为争夺大气层中的同一空间而产生的。在这个活动里，空气占据了杯子中的空间，它的作用就像是水和纸之间一堵看不见的墙一样。

“雷达”（Radar）是二战以来用来描述在大气层中用无线电探测和搜索物体的技术和设备的词头缩写。就像从手电中发出的光束能够照出黑暗中的物体一样，雷达也是用来探测物体的。不过雷达不仅能在白天，而且还可以在夜晚透过厚厚的云层，以比光束远的多的距离进行探测。气象雷达被用于探测、定位和计量云中的雨量，气象雷达发射出一道微波穿过云雾，当它撞到凝结的蒸气微粒，如雨点、雪花或冰雹时，一些能量便会被向回散射，像“回音”一样被雷达或天线收到。

教你一招

雷达的概念形成于20世纪初。雷达是英文radar的音译，为Radio Detection And Ranging的缩写，意为无线电检测和测距的电子设备。它利用电磁波探测目标的电子设备。发射电磁波对目标进行照射并接收其回波，由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率（径向速度）、方位、高度等信息。

各种雷达的具体用途和结构不尽相同，但基本形式是一致的，包括：发射机、发射天线、接收机、接收天线，处理部分以及显示器。还有电源设备、数据录取设备、抗干扰设备等辅助设备。

雷达所起的作用和眼睛和耳朵相似，当然，它不再是大自然的杰作，同时，它的信息载体是无线电波。事实上，不论是可见光或是无线电波，在本质上是同一种东西，都是电磁波，传播的速度都是光速C，差别在于它们各自占据的频率和波长不同。其原理是雷达设备的发射机通过天线把电磁波能量射向空间某一方向，处在此方向上的物体反射碰到的电磁波；雷达天线接收此反射波，送至接收设备进行处理，提取有关该物体的某些信息（目标物体至雷达的距离，距离变化率或径向速度、方位、高度等）。

测量距离实际是测量发射脉冲与回波脉冲之间的时间差，因电磁波以光速传播，据此就能换算成目标的精确距离。

测量目标方位是利用天线的尖锐方位波束测量。测量仰角靠窄的仰角波束测量。根据仰角和距离就能计算出目标高度。

测量速度是雷达根据自身和目标之间有相对运动产生的频率多普勒效应原理。雷达接收到的目标回波频率与雷达发射频率不同，两者的差值称为多普勒频率。从多普勒频率中可提取的主要信息之一是雷达与目标之间的距离变化率。当目标与干扰杂波同时存在于雷达的同一空间分辨单元内时，雷达利用它们之间多普勒频率的不同能从干扰杂波中检测和跟踪目标。

最早用于搜索雷达的电磁波波长度为23cm，这一波段被定义为L波段（英语Long的字头），后来这一波段的中心波长度变为22cm。当波长为10cm的电磁波被使用后，其波段被定义为S波段（英语Short的字头，意为比原有波长短的电磁波）。

在主要使用3cm电磁波的火控雷达出现后，3cm波长的电磁波被称为X波段，因为X代表坐标上的某点。

为了结合X波段和S波段的优点，逐渐出现了使用中心波长为5cm的雷达，该波段被称为C波段（C即Comprom ise，英语“结合”一词的字头）。

在英国人之后，德国人也开始独立开发自己的雷达，他们选择1.5cm作为自己雷达的中心波长。这一波长的电磁波就被称为K波段（K= Kurtz，德语中“短”的字头）。

“不幸”的是，德国人以其日尔曼民族特有的“精确性”选择的波长可以被水蒸气强烈吸收。结果这一波段的雷达不能在雨中和有雾的天气使用。战后设计的雷达为了避免这一吸收峰，通常使用频率略高于K波段的Ka波段（Ka，即英语K－above的缩写，意为在K波段之上）和略低（Ku，即英语K－under的缩写，意为在K波段之下）的波段。

最后，由于最早的雷达使用的是米波，这一波段被称为P波段（P为Previous的缩写，即英语“以往”的字头）。

该系统十分繁琐、而且使用不便。终于被一个以实际波长划分的波分波段系统取代，这两个系统的换算如下：

原P波段=现A/B波段

原L波段=现C/D波段

原S波段=现E/F波段

原C波段=现G/H波段

原X波段=现I/J波段

原K波段=现K波段

雷达的优点是白天黑夜均能探测远距离的目标，且不受雾、云和雨的阻挡，具有全天候、全天时的特点，并有一定的穿透能力。因此，它不仅成为军事上必不可少的电子装备，而且广泛应用于社会经济发展（如气象预报、资源探测、环境监测等）和科学研究（天体研究、大气物理、电离层结构研究等）。星载和机载合成孔径雷达已经成为当今遥感中十分重要的传感器。以地面为目标的雷达可以探测地面的精确形状。其空间分辨力可达几米到几十米，且与距离无关。雷达在洪水监测、海冰监测、土壤湿度调查、森林资源清查、地质调查等方面显示了很好的应用潜力。

雷达的种类繁多，分类的方法也非常复杂。通常可以按照雷达的用途分类，如预警雷达、搜索警戒雷达、引导指挥雷达、炮瞄雷达、测高雷达、战场监视雷达、机载雷达、无线电测高雷达、雷达引信、气象雷达、航行管制雷达、导航雷达以及防撞和敌我识别雷达等。

按照雷达信号形式分类，有脉冲雷达、连续波雷达、脉部压缩雷达和频率捷变雷达等。

按照角跟踪方式分类，有单脉冲雷达、圆锥扫描雷达和隐蔽圆锥扫描雷达等。

按照目标测量的参数分类，有测高雷达、二坐标雷达、三坐标雷达和故我识对雷达、多站雷达等。

按照雷达采用的技术和信号处理的方式有相参积累和非相参积累、动目标显示、动目标检测、脉冲多普勒雷达、合成孔径雷达、边扫描边跟踪雷达。

按照天线扫描方式分类，分为机械扫描雷达、相控阵雷达等。

按雷达频段分，可分为超视距雷达、微波雷达、毫米波雷达以及激光雷达等。

雷达的历史：

1842年多普勒（Christian Andreas Doppler）率先提出利用多普勒效应的多普勒式雷达。

1864年马克斯威尔（James Clerk Maxwell）推导出可计算电磁波特性的公式。

1886年赫兹（Heinerich Hertz）展开研究无线电波的一系列实验。

1888年赫兹成功利用仪器产生无线电波。

1897年汤普森（JJThompson）展开对真空管内阴极射线的研究。

1906年德弗瑞斯特（De Forest Lee）发明真空三极管，是世界上第一种可放大信号的主动电子元件。

1916年马可尼（Marconi）和富兰克林（Franklin）开始研究短波信号反射。

1917年罗伯特·沃特森·瓦特（RobertW atson-Watt）成功设计雷暴定位装置，它宣告了雷达的诞生。

1922年马可尼在美国电气及无线电工程师学会（American Institutes of Electrical and Radio Engineers）发表演说，题目是可防止船只相撞的平面角雷达。

1922年美国泰勒和杨建议在两艘军舰上装备高频发射机和接收机以搜索敌舰。

1924年英国阿普利顿和巴尼特通过电离层反射无线电波测量赛层（Ionosphere）的高度。美国布莱尔和杜夫用脉冲波来测量亥维塞层。

1925年贝尔德（John L.Baird）发明机动式电视（现代电视的前身）。

1925年伯烈特（Gregory Breit）与杜武（Merle Antony Tuve）合作，第一次成功使用雷达，把从电离层反射回来的无线电短脉冲显示在阴极射线管上。

1931年美国海军研究实验室利用拍频原理研制雷达，开始让发射机发射连续波，三年后改用脉冲波。

1935年法国古顿研制出用磁控管产生16厘米波长的撜习窖捌鲾，可以在雾天或黑夜发现其他船只。这是雷达和平利用的开始。

1936年1月英国W.瓦特在索夫克海岸架起了英国第一个雷达站。英国空军又增设了五个，它们在第二次世界大战中发挥了重要作用。

1937年马可尼公司替英国加建20个链向雷达站。

1937年美国第一个军舰雷达XAF试验成功。

1937年瓦里安兄弟（Russelland Sigurd Varian）研制成高功率微波振荡器，又称速调管（klystron）。

1939年布特（Henry Boot）与兰特尔（John T.Randall）发明电子管，又称共振穴磁控管（resonant- cavitymagnetron）。

1941年苏联最早在飞机上装备预警雷达。

1943年美国麻省理工学院研制出机载雷达平面位置指示器，可将运动中的飞机柏摄下来，他发明了可同时分辨几十个目标的微波预警雷达。

1944年马可尼公司成功设计、开发并生产“布袋式”（Bagful）系统，以及“地毡式”（Carpet）雷达干扰系统。前者用来截取德国的无线电通讯，而后者则用来装备英国皇家空军（RAF）的轰炸机队。

1945年二次大战结束后，全凭装有特别设计的真空管——磁控管的雷达，盟军得以打败德国。

1947年美国贝尔电话实验室研制出线性调频脉冲雷达。

50年代中期美国装备了超距预警雷达系统，可以探寻超音速飞机。不久又研制出脉冲多普勒雷达。

1959年美国通用电器公司研制出弹道导弹预警雷达系统，可发跟踪3000英里外，600英里高的导弹，预警时间为20分钟。

1964年美国装置了第一个空间轨道监视雷达，用于监视人造地球卫星或空间飞行器。

1971年加拿大伊朱卡等3人发明全息矩阵雷达。与此同时，数字雷达技术在美国出现。

1993年美国曼彻斯特市德雷尔·麦吉尔发明了多塔查克超智能雷达。