那些与“雷达波长”，不得不说的关系！

点击图片放大可看清

频率与波长的关系

首先，与“雷达波长”不得不说的关系就是频率，这也是大家都知道的一个关系：波长越长，频率越低；波长越短，频率越高；波长与频率的乘积是固定值光速。

天线孔径和增益与波长的关系

我们知道天线的孔径大小和增益都会受到波长的制约，且看公式：

其中，G表示天线增益，Ae表示天线有效孔径。从上图公式可以直观的看出，在天线有效孔径大小相同的情况下，较短波长，可以获得较大的天线增益，成平方的反比关系；而要获得同样的天线增益值，天线有效孔径与波长的平方成正比关系，也就是波长越短，需要的天线有效孔径越小，所以想小型化需要利用更高的频率。

例如，同样都想达到40dB的天线增益，X波段需要的有效孔径不到1m2，而UHF波段的雷达需要数百平方米的天线孔径。所以，我们常见的机载火控雷达通常是X波段，而UHF反隐身雷达总是具有很大的块头。

雷达发射功率与波长的关系

由于波长对天线孔径尺寸的影响，也会间接影响到雷达的发射功率，因为雷达的发射功率会在很大程度上受到电压梯度和散热要求的限制。因此，毫不奇怪的是米波雷达可以发射数兆瓦的平均功率，而毫米波雷达仅可达到数百瓦。当然，雷达功率并不是说能多大就需要做到多大，而是综合考虑探测距离、重量、成本等因素。甚至是发射功率也可以自适应控制，在探测到目标后便减少到仅需的功率用以跟踪目标。

雷达波束宽度与波长的关系

从上述公式可以看出，获得较窄的波束宽度，需要较短的波长和较大的天线尺寸，这与天线增益的公式是对应的，因为窄的波束会带来高的增益。

空间拓展损耗与波长的关系

其中自由空间的损耗单位是dB，常数32.45是在距离单位是km和频率单位是MHz情况下计算出来的。波长越短，频率越高，空间拓展损耗越大。除了发射功率，空间拓展损耗大也是毫米波相比于米波雷达作用距离较近的一个原因。

大气损耗与波长的关系

大气损耗是指电磁波和大气中的水蒸气和氧气分子共振情况下产生的衰减，在10GHz以下一般忽略不计，但是随着更高频率的使用，其影响就不可忽略了，大气损耗与雷达频率(波长)的关系如下图：

从上图可以看出虽然有很大衰减， 但还是存在一些窗口可以利用，例如汽车雷达常用的24GHz/77GHz频段，另外还有35GHz以及94GHz频段附近的毫米波雷达。从上图还可以看出大气中的云和雨也会对电磁波产生较大影响。

那么，不同的雷达“波长”会对雷达系统产生哪些影响，雷达具备哪些特性？

波段划分

我们常说的S波段、X波段的波段划分方法源于二战时期，由历史演变而来，很不规范。后来，又有了规范的A/B/C...的划分方法。雷达波段代表的是发射的电磁波波长(频率)范围，一般情况下，长波(低频)的波段远程性能好，易获得大功率发射机和巨大尺寸的天线；短波长(高频)的波段一般能获得精确的距离和位置，但作用范围短。

P波段（A/B/C）

频率在1GHz频率以下，由于通信和电视等占用频道，频谱拥挤，一般雷达较少采用，只有少数大型的地面预警雷达和天波超视距雷达采用这一频段。使用这些较低的频率，更容易获得大功率的雷达发射功率，电磁波的空间拓展损耗也远低于使用较高频率；

但是，较低的频率需要具有非常大的物理尺寸的天线，限制了角度的分辨性能，并且带宽资源有限也限制了距离分辨力。目前，这些频段正在复苏，这是因为隐身技术在极低的频率下并不具有期望的隐身效果，因此具有反隐身的作用。另外，超宽带（UWB）雷达的新技术也在使用该波段。

L波段（D）

该频段经常传输具有高功率，宽带宽和脉冲内调制的脉冲，是远程地对空警戒雷达的首选；另外，空中交通管制（ATM）远程监控雷达工作在这一频段；这个频段对于远程探测卫星和洲际弹道导弹也是具有吸引力的。

我国的SLC-7雷达就是工作在L波段，采用多项最新雷达技术，作用距离远、测量精度高、抗干扰能力强，并兼具目标类型分辨和敌我识别能力。该雷达采用两维相扫、方位机扫体制，全数字有源相控阵体制，具备对常规空气动力目标，隐身飞机、巡航导弹、空地导弹以及临近空间等目标的探测能力。可为远程防空反导作战提供预警、目标指示、跟踪制导。还可对付目标无人机、火炮和火箭弹目标等。

S波段（E/F）

该频段的雷达系统需要比在较低频率范围内要高得多的发射功率，来达到大的作用距离，是远程探测和三坐标（距离/方位/俯仰）精确测量的折中，例如美军“宙斯盾”的AN/SPY-1系列舰载雷达等。另外，也可用于空中交通管制的机场监视雷达以及机载报警和控制系统。

C波段（G）

在该频带中有许多手持战场监视、导弹控制和地面监视雷达系统，具有中短距离。 天线的尺寸提供了极好的精度和分辨率，但是恶劣天气条件的影响将会非常大。虽然该波段兼具S和X波段的特性，但是一般优先选用S或者X。

X波段（I/J）

在该频带，所使用的波长和天线尺寸之间的关系明显优于较低的频带，这是军事应用中一个相对受欢迎的雷达频段，对于机动及轻量要求高而对作用距离的要求不高时是非常有意义的，例如AN/APG-77/81等机载雷达。

由于其可用带宽较宽，天线尺寸较小，因此该频段对于军事电子情报和基于合成孔径雷达（SAR）的空间或机载成像雷达也是很受欢迎的。

雷达对频段的选择依据主要有： 作用距离的需求、天线尺寸的限制、多维信息的分辨性能、传输衰减情况、可用的带宽资源、工艺和成本、当然还要重点考虑雷达的用途和使用场景等等。这些依据中有些是相关的，有些是相互制约的，雷达波段的选择是经过各项因素利弊权衡后的择优结果。

望远镜的分辨率：波长与直径

分辨率是指,分辨从不同角度射来的光的能力，所以望远镜的分辨率其实是角分辨率 。假如我们在地球观测天空中相近的两颗星星，如果用肉眼观察，也许只能看到一颗星星, 因为人眼角分辨率不足，但用合适的望远镜你可以观测到两个物体。简而言之，分辨率就是小视场角下分辨物体的能力，能观察到的分离角越小, 分辨率也就越高 。

过去的先贤已经总结了这个分离角以及观测时的光的波长还有望远镜直径之间的关系，可以用一条简单公式来描述这种关系： ，最小间隔角度 (θ) 等于一个常数乘以光的波长, 再除以望远镜直径。公式中的常数决定于能接受两个物体之间光照强度下降多少，一个广为接受的标准是瑞利极限。这个极限下，强度衰减约为26%。如果采用瑞利极限作标准, 常数K就等于1.22。我们尝试进行一个计算，如果望远镜直径 200mm，而且观测的是可见光谱, 波长就大概是0.5 μm，那么分离角大概是 3x10^-6 弧度，这真的非常小。

明白了这个理论，我们再来看看它的实际应用 ：接下来会比较几个星体在不同望远镜下的观测结果。第一台是1000mm直径的小观测站的望远镜，然后 200mm直径的业余爱好望远镜，第三个是24mm微型望远镜。它们都会看向距离2角秒的足够远的两个星体，1000mm望远镜下看起来就是两个小点，200mm望远镜也差不多，但是点变大了不少，最后24mm望远镜只能观测到一个模糊的大白点，根本没法看出来这其实是两颗星星。

观测太阳系中不同星球的表面也会受到同样的影响。比如，24mm微型望远镜下观测木星，木星的卫星已经消失而且木星的大红斑也不怎么看的清。土星也一样，不管放大多少倍小望远镜只能看到一团糊。如果不是知道土星有环，你大概还在猜测它到底是什么形状。总结一下, 对于望远镜来说，直径确实重要，大望远镜不仅通光量更足能看到暗物体，而且理论上角分辨率比小望远镜好的多 。

为什么会出现这种现象？一个通常解释是光是一种波，以惠更斯-菲涅耳原理 传播，就是解释衍射现象的那个原理。惠更斯原理指出，对于波的传播，波面上的每一点都是新的次级波面的波源。但惠更斯原理只描述了波的行为，却完全没有说明为什么会这样。

如果真的想明白根本原因，还得看能量交换 。仔细回想一下波出现的场景，你会发现总是有连续完整的从某种形式的能量到另一种形式能量的转移。比如说经典的单摆模型，它做简谐运动来源于它的动能和势能之间来回的转换。对于水面上的波也一样，可以用动能产生水波，这个动能会和表面张力进行来回的转换，这个过程发生在水面的每一个点上。

动能和表面张力 的天然特性表明，如果没有物理边界，我们就困不住波。的确，在一个通道中我们可以创造平直向前的波面，但是边界一旦消失，能量就会向波面以外的地方传播，因为表面张力会沿表面向四面八方传播。本质上，惠更斯原理不是指波面的每一个点会创造新的波，而是波面上每个点都会向它的临近处传播能量。

现在，如果我们用0.3mm直径的显微镜做个实验，我们会发现图像边缘有一圈圈涟漪，这是衍射 所造成的。所有这些涟漪都会造成焦平面上清晰度的下降。

现在，詹姆斯·韦布望远镜成为了科学界焦点 。它最大直径长达6.6m，比哈勃望远镜2.4米要大的多。但是有一点不同，韦布望远镜是分块的，每块之间的间隔比光的波长要大的多。刚开始我很担心这些间隔，因为每个间隔都会让能量向错误方向传播,，在波面上造成涟漪。但使用一些干涉特技, 很明显可以绕过这种现象，让分辨率仍然只决定于直径的总大小。综上，这让韦布望远镜的分辨率变成了哈勃的2.7倍 。

韦伯望远镜分辨率的主要挑战其实还是在于它的目标光谱 。再看一下上面分辨率的公式，波长也很重要。韦布望远镜将会观测红外光谱，也就是比可见光波长更长的光。由于宇宙膨胀，要想看得更远，所使用的波长就会越长 。而根据公式，这会造成分辨率下降 。

转载内容仅代表作者观点

不代表中科院物理所立场

如需转载请联系原公众号

来源：万象经验

编辑：十七

相关问答

【人的眼睛能看到那些区域波长的光线?】作业帮

[最佳回答]自然界存在着各种波长的光线,通过折射人眼能看到不同颜色的光线,这就是光线的波长不同所导致的.其实还有许多光线是人眼看不到的,人眼识别光线的波...

什么是颜色的波长?-184****3366的回答-懂得

我们看到的光就是由一个个很小的颗粒组成,光有波动性还有微粒性!我们看到的颜色就是一种光!所以有波长,波长的定义----波长:沿着波的传播方向,在波...

什么是超声的频率、声速和波长?

超声的声速与介质的密度(ρ)和弹性(E)有关。纵波的传播速度:C=√E/ρ,超声波在动物体内传播的速度平均为1500m/s。2、超声的波长是指在一个完整周期内所...

人眼能分辨的颜色只有三种?蝴蝶有四种?电磁波的波长和强度可...

[最佳回答]三基色调色按照上文的说法,正是“相当主观的”.调出来的颜色只有人类认为是这个颜色而已.比方调出来的是黄色,可能让蝴蝶去看,会发现自然的黄色与你...

为什么波长越长，衍射越明显，分辨能力越强?这要怎么理解?-...

波长越长,衍射现象的强度越强,这是因为衍射是由光波的波前相互干涉而形成的。当光通过一个孔或缝时,波前会发生弯曲,进而在周围形成一系列干涉条纹...

光的波长是连续的，那为什么一般人看到彩虹时都会分辨出至少五六种色带?

国古代人也观察过彩虹,认为彩虹是喝水的巨龙,会将江河湖海的水喝完,当出现彩虹时有人敲锣来赶走怪兽。不过第一个将彩虹定义为七种颜色的是英国大物理学家...

近红外光和远红外光的区别?

远红外光和近红外光的区别在于它们的波长范围和应用领域不同。远红外光和近红外光在波长范围和应用领域上有所区别。远红外光的波长范围通常在3-1000微米之间,...

扫描器的光源最好的波长?

扫描器的光源最佳波长取决于具体的应用场景和需求。不同波长的光源在扫描过程中具有不同的特性和优势。以下是一些常见的光源及其适用场景:可见光(400-700nm)...

怎样识别单模和多模光缆?

光缆的多模和单模可用以下方法区分:1、用型号区分,GYFTY、GYFTZY一般为多模;GYXTW、GYTS一般为单模。2、用颜色区分,室内多模光缆为橙色,室内单模光缆为...

光纤通信为什么只选三个波长段?

波长是代表频谱的一个数字,和频率有关联,一般来说,短波的辐射靠其波长来识别,而长波的辐射则依靠其频率来识别。一、光纤中常见的波长·9/125,单...二、为...