战列舰

标题: [转]二战美国雷达的发展 [打印本页]

作者: nhlknzy 时间: 2013-2-20 11:47
标题: [转]二战美国雷达的发展
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作者: nhlknzy 时间: 2013-2-20 11:48
本帖最后由 mathewwu 于 2013-2-20 15:18 编辑

Morgan McMahon于1942年加入美国海军，曾分配到Oklahoma A&M海军电子学校，Treasure Island，和MIT’s Radiation Laboratory。后被委派到珍珠港基地教授导航系统，却是在U.S.S. Stephen Potter, DD-538上。从1944四月到1946一月该舰退役，他负责管理舰上所有电子设备。U.S.S. Stephen Potter, DD-538参与了第三，第五舰队在太平洋上的所有主要行动。

Morgan McMahon对船用雷达电子对抗设备的研究很感兴趣。曾因“使重要装备在对敌作战中发挥更大作用”而获得指挥官，驱逐舰及太平洋舰队的嘉奖。战后Morgan McMahon到了U.C. Berkeley从事晶体管方面的研究工作，并参与编写了《早期雷达系列丛书》。

这是一篇由雷达发展的见证者从使用者的角度出发所编写的关于雷达的有益的文章。Morgan McMahon的描写综合了基础知识，技术理论以及个人经验。

Edward A. Sharpe –编辑

简介

电子学在二次世界大战中度过了它狂野的青春期，展示了科学与艺术的结合，这过程来源于神奇的工具——雷达。

雷达！这个由你嘴里吐出的字眼，它是新世界的碰撞，是未来的冒险！事实上雷达甚至比生命更重大。虽然它的原理很简单，但它的极限远在任何人的想象能力之外。不同学科逐一参与，从制作锡皮玩具到生产出雷达。第二次世界大战雷达的产生，犹如马赛克镶嵌般，使电子技术最终变为了电子工业。

雷达的发展证明了需求确实是发明的母亲。它表明，技术一旦用于战场，真正的英雄能顶住压力，科学家与工程师证明了像磁控管，速调管，收发开关，半导体检波器以及其他缺少的部件在难以想象的短时间内就可以发明出来，改进出来和生产出来。

雷达（无线电探测器字首的缩写）掀起了黑夜的面纱，在夜晚，在恶劣的天气下，在光学仪器的作用范围外，雷达可以精确的探测和跟踪敌方舰船和飞机的运动。它可以全天候地控制火炮，鱼雷和炸彈实施准确打击。

雷达是盟军赢得二战的关键。它使很多战斗变得对我方有利。它大大增强了我方武器的效用：在不列颠之战中，它成功引导数以千计的战机作为拦截机，而早期同样的任务需要万架飞机不停巡逻。

请注意本文所涉及的有关雷达的成就仅到1945年二战结束为止，而至今已经历了两代人以及数代的改进型雷达。

雷达系统

雷达如何工作？它发射无线电波，电波遇到任何物体能反射。由目标所反射的无线电波回迹的方向能确认其方位角，电波发射和折返的时间可以确认其距离，每英里需时1.24*10-6 S，目标的仰角可被用以确认其高度。

图一显示了雷达如何探测并在示波器显示目标。雷达示波器不断扫描，同时距离校准。

图一：脉冲离开天线，目标反射，回波返回，雷达示波器显示光斑。

图二显示了单波瓣指向天线通过转动得出最大回波信号来探测目标的方位角。在示意图中，天线在左方，气球形线表示波束集中区域——天线方向。当需要精确的方位角，如指挥火炮时采用双波瓣发射（图三），两波瓣回迹强度相等时便可获得精确的目标方位角，这被成为“波瓣法”。这个办法同样可以用于测量目标仰角。

图二：单波瓣天线，搜索时波轴处的目标回波最强。

图三：用以精确跟踪的双波瓣天线方向图，回波信号强度相等时便能精确的显示出目标c的位置。

雷达装置

看起来雷达装置只是一堆里头布满各种先进线路的金属盒子，一台显示雷达图象的显示器，外加一个通常不停旋转或以某中方式扫描的天线。

图四显示了典型的雷达装置的几个功能块。这些方框里的功能块不一定对应雷达装置里具体的某只盒子。通常控制台安在显示器组件上。计时器则通常包含在舰艇的“主机”里，发射机，接收器，动力供应以及收发双工功能位于天线系统。

图四：雷达的基本功能块，下文有进一步的描述。

计时器：与相关线路合作，为发射器和示波器发送同步信号
发射器：由激励器，调节器和射频震荡器组成，用以生成强大的短脉冲能量。
天线系统：将发射机发出的无线电射频会聚成无线电射束，接收回波并传送到接收机。在单天线系统中设置了收发开关以控制电波的发射与接收。
接收机：将目标返回的无线电回波放大并转化为示波器上可见的脉冲信号。
示波器：根据需要显示可见的回波信号。常整合在雷达操控台上。（图8~11显示了常用的雷达示波影象）

图五：叠层偶极平面（弹簧床）天线。

图六：抛物线“碟”形偶极天线，象手电筒后面的反光面一样会聚雷达波束。

图七：带塑料辐射体的定相阵列天线。电波沿杆顶端方向发射，技术上称为“顶端发射”。

图八：“A”模式用以测量距离和目标分析。

图九：PPI模式为地图式显示。

图十：“B”模式用于侦察与导航。

图十一：“C”模式用于截击，在应当开火时目标回波会发亮。

雷达的使用

二战中雷达担负起很多工作，不同的系统有不同的要求。雷达的制.造者们不得不考虑各种东西：理想的雷达系统该是怎么样的？现实又是怎么样的？可利用的部件，紧迫的时间，设计技巧，可生产性，操作技巧，宽度，尺寸，可靠性，弱点，检测能力，抗干扰性，物理强度以及在实际环境中的表现。众多优秀的设备在以月而不是以年为单位的时间表下构思出来，研制出来和生产出来，着实让人惊叹。

总的来说，早期预警雷达需要高脉冲能量，有效的天线系统和灵敏的接受系统。然而，对早期的雷达侦测能力来说，锐利的分析能力，精确的方位和距离精度有时候需要做出取舍。在实践中，最适合的防空预警频率在100MHz以下，而对海的搜索频率在10000MHz左右。更高的频率对发现较小的目标如潜艇的潜望镜更有利。

机载雷达需要低至144MHz频率来搜索和攻击水面舰船，但低频率天线系统对飞机来说大而笨拙，且增大了风阻。磁控管的发展使机载雷达可以使用3000和10000HMz的频率，这将大大减少雷达的重量和体积。这类雷达专门用于远程搜索，侦察，导航和精确轰炸。某些雷达，如AN/APS-3可担当多种任务。值得注意的是，更高的频率意味着更高的精度和更清晰的目标确认能力。

技术

关于雷达系统的种种构思就象鸡和蛋的关系一样螺旋式发展，不断需要新技术和新的认知。例如对微波雷达的需求导致了多腔磁控管的发明，而这又带来了对收发双工机与接收器的需要，反过来又需求更高频率的磁控管…就这样转来转去，雷达因此获益良多。

重要的革新包括磁控管脉冲发生器，速调管振荡器，“灯塔”管以及半导体微波混频二极管…清单可以一直开列下去。顺带提一下，关于半导体微波装置的深入研究诞生了新一代的晶体管科学家，他们将发起半导体革Ｍ，为将来电子计算机革Ｍ作硬件的基础工作。

美国海军雷达的发展

早期海军雷达的研究与发展于1930年代的中后期由海军研究实验室（NRL）开始。1940年NRL改名为海军电磁波实验室（Navy Radiation Laboratory）并搬迁到MIT与贝尔电话实验室。一些工业实验室如RCA（Radio Corporation of America）给予了早期的支持。

1937年NPL早期雷达研制工作的成果安装在U.S.S. Leary号驱逐舰上进行测试。经过对这架“试验电路”的测试，一种更正式的原型雷达XAF于1938年安装在U.S.S. New York号战列舰上。这台雷达发射功率15KW，频率200MHz，脉冲宽度5usec.。它有一面比“飞行床垫”（另一种雷达的戏称）大两倍平板状天线。由于表现理想，另外20套被称为CXAM的雷达便被安装在战列舰，巡洋舰，航空母舰和一艘水上飞机母舰上。作为出色的搜索雷达，这些雷达装置在战争的整个过程中都有使用。

从XAF后，海军计划研制转移到输出功率330KW，工作频率200MHz，具有灵敏的接收机和“弹簧床”天线的对空搜索雷达上。它们能前所未闻地发现150英里以外的飞机。这批雷达的生产型样机分别是GE制.造的SC和SK型雷达以及RCA制.造的SA型雷达。SC用于驱逐舰，与之一样的SK则配有双倍大的天线，用于巡洋舰，战列舰和航空母舰，部分后期的SK安装了大型碟形天线。SA则用于护航驱逐舰之类的护航舰只。这些雷达同样装备到了盟军的舰艇上。

工作在400到600MHz的高频XAF的后继型号如强大SR系列也生产出来了。

海军XAF“试验电路”的另一个后代是XAS潜艇用防空预警雷达。1941年6月由U.S.S. Gar号装艇测试，成为潜艇用可靠的SD系列对空搜索雷达。它的输出功率为140KW，工作频率114MHz。

磁控管

高能磁控管“Maggie”是二战中对雷达影响最大的新型装置。它使雷达能以更大的脉冲强度在微波波段工作。它使目标综合分辨精度（锐利度），方位精度和距离精度有了数量级的提高，使天线体积更小而性能更高，使海面和地形干扰杂波能更好地检测出来，使脉冲宽度达到微秒级，使最小探测距离从半英里缩短到几百码，使拦截机的枪炮可以完全由雷达控制，使笨重的天线可缩小到能放进机翼里或炸彈大小的荚舱里。

1940年9月Sir Henry Tizard被委派将磁控管从英国带到美国。这是盟军互相公开，联手以电子技术以击败轴心国力量策略的一部分。作为样本的磁控管能以10KW的功率发射3000MHz的微波。为了走捷径，美军决定只进行必要的修改便把英国人设计出来的这种非凡的磁控管立即投入生产。对双方来讲都有一个共同的问题，如何避免磁控管的模变，也就是电波经常会跳到无意义的频率。然后英国人发明了“多腔磁控管空腔间的异体耦合”技术，把磁控管的交变齿捆绑在一起来约束它稳定。结果获得在3000MHz下50KW的输出功率。对微波雷达来说这已经足够功率了。

磁控管于1921年就有了，但多腔高能磁控管直到1939年才由英国伯明翰大学的蓝德尔和布特发明出来。Tizard行动泄露给美国之前一直是个机密。几个月内这种装置迅速投入生产。NRL，MIT电子实验室与贝尔电话实验室是美国最早发展本国版本的磁控管并将其应用于雷达的三个领导者。主要的微波雷达策略指引由国家防务研究委员会（NDRC）发出。

图十二：多腔高能磁控管（已剖开）。

磁控管（图12）基本构成是两支大而漂亮的真空二极管。阳极是大铜环，上面开有许多槽和空腔，所需频率的微波即在此振荡。极强的磁场被施加在射电阴极轴向的两块平板上。当施加上20000V左右电压的阳极环靠近，使电子从阴极飞向阳极，而磁场迫使电子作弯曲运动。当阳极电压与磁场刚好时，电子与振动频率同步，获得能量并贮存到空腔里。在空腔上的回路便能将这些微波能量发送出去。

微波水面搜索雷达

当贝尔实验室着手设计美国的磁控管时，Western Electric已开始生产了。NRL和MIT电子实验室开发出3000MHz的水面搜索雷达原型并于1941春天年在U.S. Semmes号上进行试验。然后他们与Raytheon公司紧密合作生产出美国第一套水面搜索雷达——SG型雷达。这种雷达功率为50KW，脉冲宽度1.3～2usec.，工作频率3000MHz。它在1942～43年间总共制.造了近1000套，非常成功。以至于20年后很多仍然在使用（SG雷达稍后将被介绍）。

海军其他的3000MHz雷达很快陆续生产出来，包括SE, SF, SH, SJ, SL, SM, SN, SO, SP, SQ,和SV。

火控雷达

早期对XAF的研究显示了雷达火控的光明前景。它们在任何气候条件下，在白天和黑夜里，它的表现都非常稳定。光学测距那些众所周知的误差，它的测距几乎丝毫不差。第一次齐射炮弹便能轻而易举地落在敌舰周围。

NRL研制了一种仅测距的雷达CXAS-1，这便是后来的FA或MK-1。它的发射机频率500MHz,功率仅为2KW，使用老式的真空管，不太够格。但仍立即采购了125套用以装备大型的军舰。

使用F系列雷达担任防空火力指挥任务是个明显的契机。令雷达天线能在垂直方向扫描以获得精确的仰角数据仰已变成当务之急。防空雷达FD或MK-1的研制计划与FC同行，并于1941年9月驱逐舰U.S.S. Roe号搭载测试。全面生产在1941年底开始共生产了375套供给海军。这些装备在严酷的战斗中一直使用到战争结束。（MK-4本文稍后将会论述。）

FD唯一的真正问题是对付象鱼雷轰炸机一类的低空目标时，海面的杂波干扰太大。为了改进这点，研制了专门对水平面扫描的FM（MK-12）。它与一种半园形的10000MHz频率的仰角雷达MK-22安装在一起。这对卓越的组合从1943年起共生产了700套。

MK-8是MK-3的继承者，是一种精确的水面火控雷达。工作频率3000HMz，功率100KW，使用定相阵列天线（如图7）。使用3行高*14行宽的聚苯乙烯棒阵列，具有非常尖锐的波瓣束。1942年起共生产了197套。它的后继型号是MK-14（译注：原文如此，其实有误，应为MK-13），工作频率8800MHz，使用水平摇摆天线。1945年开始生产了107套。

上述的雷达用于频繁用于指挥防空作战的5英寸38倍口径（16英尺）以上火炮。此外数以千计的圆锥扫描微波雷达用于指挥40mm博福斯炮。这些火炮指挥仪被迅速安装在单独的炮位附近。这些火控雷达使用的都是磁控管，工作频率3000或9000MHz。FJ (Mark-9) 和 FL (Mark-10) 是首批产品。随后还有Mark-28, 29, 34, 35, 37 和 39, 加上 AN/SPG 48, 49 和 50。

机载雷达

战争中部分机载雷达的工作频率低至144MHz（如日军的MK-VI）。英国人的空-海对舰雷达ASV MK-II则工作在176MHz，被广泛用于探测潜艇及水面舰艇，效果很好。经过重大改进后，它变成了英军的ASE和美军的SCR-521。ASE上最重大的改进的使用了天线双工机（收发开关），使得可以只使用一个收发天线而不是两个，这使飞行时的风阻明显减少，飞行性能得到显著的提高。

ASE的后继者是ASB，盟军最后一种非磁控管的空用雷达。ASB的表现使其成为战争中最为广泛使用的机载雷达；总共生产了26000台。它可发射功率为200KW脉冲宽度为2 usec频率为515MHz的电波。每架飞机装备两个八木指向天线（有点象小型电视所用的天线），每边一个。指向侧方时天线使用侧视搜索模式，指向前方时使用前视搜索模式。在前视模式中两个天线指向稍微差几度，形成轻微的“斜视”。这样飞行员便可通过比较两天线的回迹来导向他的目标，如同前面介绍过的“波瓣法”，当两回迹大小相等时，目标就在前面。

磁控管的出现使机载雷达的能力产生了飞跃，微波（常为3000~1000MHz）大大减少了系统的体积和重量。相反即使增加新的功能也不会增大系统的体积。美国海军改进了3000MHz的ASG，使其成为能探测60英里外舰船的AN/APS-2。共有5000台这样的空-海雷达装备到了大型的巡逻机，攻击机和飞艇上。他们以此击沉了数以千吨计的轴心国船只与潜艇。

接下来，10000MHz的频率可以使用原来AN/APS-2的尺寸1/3大小的天线。可以将收/发天线部分安在翼下吊舱里或机翼的整流罩之中。1943年，由MIT Rad Lab, NRL 和 Sperry研制，Philco负责生产的海军新型ASD——AN/APS-3投入生产。它可探测远至300英里处的船只和15英里处露出水面的潜艇，可由中型巡逻机或象TBF鱼雷轰炸机那样的作战飞机携带。这种雷达非常适用于夜盲轰炸，甚至在天气恶劣的北极圈也能大量使用。而它的轻量化版本AN/APS-4于1944年由Western Electric公司生产。

AN/APS-4非常适用于轻型航母上装备的作战飞机，从TRM鱼雷轰炸机到F6F的夜间型。这些飞机所执行的任务包括侦察，轰炸，投雷和导航。（下文将论述更多关于AN/APS-3的情况）

AIA是另一种由NRL的Sperry研制的小尺寸高性能雷达。1944年由Western Electric公司负责改进和生产。它是二战期间唯一可用于单引擎夜间战斗机的全功能雷达。

陆军与空军雷达

在传统的陆战中，雷达并非至关重要的。但当敌人的攻击飞机出现后，雷达开始变得非常重要了。同时早期的空军隶属于陆军，先是侦察部队，后来成为陆军航空部队，再变成陆军航空军，最后成为独立的空军。陆军雷达的研制由位于新泽西蒙默思堡的侦察部队实验室领导。

无论用于早期预警还是火力控制，陆军对地对空雷达的研制都非常坚决。陆军可充分使用现有的先进技术，因为体积对他们来说不是问题。他们集中研究以传统的真空管发射200MHz频带的高功率电波。同时为搜索远距离的飞行物使用了大型天线阵列。反之海军的对空雷达系统则受到舰上空间和重量的两方面限制。

图十三：二战中使用的SCR-268对空搜索雷达。

SCR-268（图13）和它的近亲SCR-270是美国陆军发展和制.造的第一代雷达。SCR-268的原型机于1937年6月进行测试。1938年它取代了声音定位装置，并在1939年为引导探照灯和防空火炮进行了进一步的改良。它发射功率50KW，脉冲宽度7-15usec.，频率200MHz，脉冲重复频率4098pps.。方位及高度精确度在使用“波瓣法”时为+/- 1度，相片中左边天线阵列为发射机，使用4*4偶极矩阵天线；右边左面的阵列是方位角天线，使用6*4偶极矩阵天线；右面是2*6的仰角天线。最大设计探测距离为40000码。

虽然样子粗陋，但SCR-268是整个二战期间陆军的主要雷达系统。它是“在二战的所有战场中，我们海岸线和攻岛作战早期预警系统的脊梁”，战后National Defense Research Committee的最终报告写道。它同样被英军用于英伦三岛的防御。作为技术上重大的进步，SCR-268也是第一种与火炮射击计算器直接连接的雷达。

SCR-270是一种有效的早期预警雷达，它最著名的一次预警是在1941年12月7日侦测到了偷袭珍珠港的日军战机，不幸地预警没有得到重视。

微波磁控管发射机的出现产生了另一种高性能的雷达——SCR-584。这种3000HMz的雷达机动性很好，能从拖车上直接弹出微波碟形天线。无论是有效的对空搜索或是精确地担当防空炮的火力控制，SCR-584都拥有非微波雷所无可比拟的表现。雷达专家们称它是磁控管技术在陆基雷达应用上“最多用途和成功的装备”。SC-R584被频繁的用于不列颠之战和美军的所有陆上部队。大部分飞越英吉利海峡的德国V-1导弹，就是被它所探测到的。

相比起防空雷达，陆军航空队与海军的机载雷达有更多相似之处。例如航空队用于导航与轰炸的SCR-717 3000MHz雷达与海军的ASG (AN/APS-2)非常相似，除了陆军以B模式显示代替了海军的PPI 模式显示。
有一点需要注意，军种间的竞争和缺乏通信频道限制了陆-海军的合作。陆-海频道（用于陆军-海军的内部通信用）只是愿望多于实际了。

关于合作性的另一个例子是皇家空军的MK-IV行机载拦截装备。陆军航空队接收到非常相似的装备——SCR-540。两种雷达有共通的问题：由于较低的工作在频率（200MHz）使地形回波非常强，因此受飞机的高度影响探测距离大为缩短。鞋子不合脚那就换一双。西蒙默思堡研制出陆军航空队适用的微波雷达（SCR-720），能大幅度减少地形回波并扩大三倍的搜索范围。当然皇家空军也换装了。

另一种值得提及雷达的是AN/APS-15，工作在1000MHz，可以进行扇形扫描和PPI显示的精确轰炸雷达。它特有的"余割方形"天线，就是这样也可以让投弹手更安全些。

轴心国的雷达

在本文我们不打算详细阐述轴心国的雷达力量。但在后面的表1和表2有德国和日本的雷达数据表。他们的劣势在于他们没有磁控管，因此他们的雷达无法工作在微波波段以获得优异的性能。但我们有！(注：此处不完全正确，日本在1943年开发了工作频率为300MHz的磁控管，功率仅为2KW，装机型号为22型对空电探。而盟军相同频率的磁控管功率则可达到50KW，因此性能与美军有相比有很大差距。)

敌我识别装备

敌我识别装备(IFF)对于要确认雷达上的亮点是朋友还是不明飞行物是必要的。不明飞行物意味着在确认前最好把它视为敌军。对战争的双方来说这都是生死攸关的事情。起初每个国家发展各自的IFF系统。1940年，美英两国决定使用统一的IFF系统以防止互相误击。顺带一提，德国人也有他们自己的IFF装备，但远不如我们的完善。

举个例子，DD-538上舰载雷达的操作员正在监视SC-2雷达的PPI显示器。一个亮点出现了，快速接近中，是友军，还是来袭敌机？他按下操控台上的一个按钮，他的IFF询问器发射一段编码信号。如果是友军，机上的IFF应答器发回一段信号，并能在显示器上反映为亮点后面的尾巴。假如那个飞行员打开了应答器，并且调到正确的编码，他就不会被误击。

电子对抗（RCM）

电子对抗（RCM）很可能是军用电子领域最优雅最令人着迷的秘密游戏。二战中主要表现为对反雷达方面。常用的手段有干扰，欺骗以及截取并分析敌方的雷达信号。干扰主要指迷盲对方的雷达，使其无法探测，追踪或攻击好人（你）。

其中一种干扰技术是向对方的雷达接收器发送噪音，光栅或其他形式的杂波使其瞎掉。使PPI显示器上的大片扇形面积洗白。有时有经验的操作员能通过转换到A模式显示器，从一片杂乱中分辨出几个目标。这种手段可由攻击飞机，或防御设施实施。当然也可以用在水面舰只间的作战。

另一种重要的空中干扰称为“雪花”，“金属箔条”或“窗口”。方法是撒布数以百万计长度可与防御雷达的波长频率产生共振的金属箔条。结果防御方的雷达操作员在显示器上只能看到大片的回波云，完全将攻击飞机的回波淹没。

欺骗也能做得很漂亮。举例来说，在一架飞机上安装特别应答机，它能发出连串虚假回波，这让一架用来转移注意力的飞机看起来象是整个飞行编队。当把敌方的拦截机诱骗去攻击这个“编队”的时候，另一个低飞的编队便会来收拾他们了。

还有一个技巧是打开IFF应答机伪装成德国飞机，然后瞄准并击落他们。

还有一个重要的手段是制.造导弹将敌军的雷达瞄准并摧毁。二战期间这种武器还没有广泛地发展，但从那以后已经频繁地用于作战。

伪装IFF应答机信号的办法日本飞机在执行渗透攻击航母的任务时也用过，但他们的信号太烂了，大概没人会上当。

RCM接收机能远在我方雷达发现敌舰之前就侦测到他们的雷达信号。这时因为我们能从非常远的距离上侦测到敌方雷达发出的电波，在这样的距离从我们反射的回波他们根本无法收到。优秀的RCM操作员能分辨出对手什么时候在搜索，什么时候发现了我们，以及什么时候要向我们冲过来。干扰敌方的雷达接收机只需要发射毫瓦级的电波，因此进行RCM的发射机发射功率很小(10～100W)。

定频雷达应答机

利用雷达应答机向询问雷达发送电波也可用来进行轰炸，登陆及其他攻击行动。办法是把应答机安放在敌人的地区。幸运地不必直接放到目标，可以的话当然最好。一旦这样的应答机设置好，它就能成为攻击方的地标。

盟军在太平洋战场广泛用于登陆作战的是AN/APN-13。另一种则是YH。稍后出现的YJ可配合到处都有装备的ASB机载雷达使用。YJ-2型与它的后继型号AN/CPN-6，既可用于精确轰炸也能用于夜间引导战机返回航母。YL则设计成可设置式灯塔，安装在登陆船只上以带领其他登陆装备到达正确的滩头。而另一些勇敢的人会先一步将YN放置在滩头以引导YL。

沿海岸线的导航也广泛地使用定频雷达应答器。你从圣迭戈直飞阿图岛的全程都不离开这种应答器的范围。港口和海峡也会用于夜晚和雾天的导航。

雷达世界的风险

二战中，雷达对操作者和技术人员来说是如此令人着迷。由于雷达设备非常复杂，它可以连续几天都正常工作，突然又会变得象头暴躁的骆驼。平时可能一切正常，但危急时刻的炮火和冲击又有可能使它发生奇怪的状况。雷达操作员必须非常机警，同时又必须熟悉雷达的古怪脾气，电波传播规律以及敌人的战术。

任何一个雷达技术员都可以发誓，雷达装置都有它自己的脾气。一个好的雷达技术员必须称职，确保他的雷达宝宝在任何危险时刻都保持最佳状态。他应该知道当雷达的某个装置遇到情况时的处理。平时他应当雷达室出现以便随时发现问题并迅速解决掉。

雷达技术员还得负责摆弄那些“古怪”的装置，比如雷达干扰装置。某些使我最感兴趣的时刻便消耗在猜透那一头的想法上。
个人经历的观点将在以下“具体雷达装备”的章节中出现。它们都源自作者本人在全盛时期的第三和第五分舰队驱逐舰U.S.S. Stephen Potter (DD-538)上的亲身使用经验。包括马绍尔群岛，新几内亚，塞班岛，天宁岛，关岛，硫磺岛和菲律宾，中国海，冲绳，福摩萨（现在的Ｔ灣）和日本。最有趣的是1944年7月作为诱饵部队引诱日本帝国海军的那段日子。大家都猜得到，雷达是确保我们平安度过那些日子的关键。

有个雷达技术人员（那就是我）说过：“我了解雷达吗？该死，差不多两年的时间里我跟它结了三次婚呢！”

具体雷达装备

虽然基本情况已经了解，但还是要具体探讨一下才能弄懂这些家伙。以下是五种比较重要的雷达及其设备。

SC与SK舰载雷达

1938年海军发展出自己的第一种实用化对空搜索雷达XAF。这种雷达发射功率15KW，脉冲宽度5usec.，频率200MHz。它的天线尺寸很大达20.5*23.5英尺，被戏称为“飞行床垫”。战争中仅用于大型舰只。

然而海军需要更小型的高效雷达装置。NRL研制出了新雷达XAR，比XAF提高了22倍的脉冲强度和11倍的接收器敏感度。如此大的成就很可能得益于Eitel-Mc Cullough (Eimac)所研制的127A环形振荡发射管及GE所研制的planar "lighthouse" tubes。XAR于1941年首次搭载在海军Semmes号驱逐舰上。

XAR雷达是SC，SK雷达的原形。SC和SK雷达除了后者的天线较大外是一样的。发射机功率为330KW，脉冲宽度5usec.，频率为200MHz。最大对空搜索能力分别为SC80英里和SK150英里。从1942年到1945年，大量（超过1000台）的这两种雷达被制.造出来。SC主要用于驱逐舰，而SK用于大型舰只，少量用于其他小型护航舰只。

图十四：SC-SK对空搜索雷达是第一批量产的海军雷达。

图14（还有图4）显示了SC和SK雷达的各个模块。装有4个特殊的Eimac 127A管的环形振荡发射机柜在房子左面的远处。看起来象汽车消声器的是收发开关，它能自动将天线转换为发射和接受状态。有趣的是这些收发开关里头使用的旧式火花隙会生成臭氧并发出轻微的爆裂声。主控台有接收机（前置放大器在上面）A显示器及相关控制键在左，天线控制组件在右，直径15英寸的PPI显示器在下方。为调制器提供高电压的一台自耦变压器和一台变压器在右边远处。在SC和SK中，调制器输入60Hz的电流，为发射机提供线间电压峰值。

图5显示了SC雷达的“弹簧床”平板天线。相对长而窄（5*15英尺，2偶极*6偶极）是为了获取水平方向更锐利的分辨能力。在天线顶端还有4组IFF偶极天线。在驱逐舰上，雷达天线位于离海面高80英尺的主桅顶端。这些天线已经比雷达刚出现的时候坚固得多了，只有在卷进台风掀起的大浪里或战斗中才会损坏。SK的天线要更大（15*15英尺，6偶极*6偶极），能产生更窄的波束发射到更远的距离而且精度更高。SK天线上同样有IFF偶极天线。战争后期部分SK雷达更换了抛物面形天线。

我本人对SC-2的体验非常满意。那是在U.S.S. Stephen Potter-DD-538上，它的调整简单：打开发射机，边观察火花隙边调整双工机（接收器是分离设计的，因此前置放大器特别容易烧掉）。接着调整接收器，通常都是随便找个附近的目标。下来是调整收发开关以便发射机发出大功率脉冲后接收机能迅速打开。

更换得最多的是127A发射管，一天24小时的工作让它热得发红了。同步放大天线也会来掺一脚，尤其是同步组件和配线。出现这样的故障对技术员来讲糟糕透顶，因为他必须爬到离翻涌的海面上空80英尺高的桅杆顶，颠来晃去地检查天线设备。

SC-2的操控席设置不太符合人机工程学。旋钮都是方形的，没有友好的感觉。PPI显示器确实是朝下看了，可观察上面的A显示器则得伸长脖子，而且天线方位指示器得往右再伸一点才看得清。不过操作员有95％的时间都盯在PPI显示器上，这些也就算了。火花隙和收发开关发出的友善的嗡嗡声对下半夜值班来说简直就象是催眠曲。

二战时Potter号上的雷达操作手Ray Lantz曾跟我提起，有时我们可以探测到200英里以外的飞机和350英里处的陆地。这是由于一种叫“沟道效应”的奇怪大气现象引起的。有一次我们还清晰地探测到香港附近的中国海岸呢。

很多时候，尤其是对孤零零地执行警戒任务的锡皮罐（驱逐舰）来说，SC-2能在坏消息来到前拯救你。总之，对SC-2是有一点抱怨，但它还是个可靠的朋友。

神奇的微波装置

接下来的三种雷达（SG-1, FD/Mark-4, and SCR-584）都与一个非凡的电子管家族有关。这些能发出高能微波脉冲的雷达很可能就是我们在二战中击败轴心国基础技术工具之一（有人认为是最重要的）。介绍一下这些装置的故事是很有意义的。

四种新型的微波装置掀起了雷达发展的革Ｍ：英国磁控管（为贝尔电话实验室和Western Electric所改良并发展成为一个大家族），美国的气态双工收发转换开关（BTL/WE），美国的先进半导体二极管混频器(MIT 电子实验室和 BTL/WE)和美国的可调速本机振荡管。加上杰出的设计，使雷达技术达到了一个高峰。此外，还有一批非常重要的管件（大都是已存在的）有力地支持了革Ｍ：GE的“灯塔”管，BTL/Western Electric的“门把手”和它们的亲戚，还有RCA的“橡子”管，廖举数例。

研究和发展微波雷达设备与线路的突出贡献者属于贝尔电话实验室（请参阅本文关于微波管的章节），MIT电子实验室，NPL，Sperry（请参阅本文关于Russ 和 Sig Varian 以及 Bill Hansen的章节），在蒙默思堡的陆军信号兵团实验室，还有工业技术设备的制.造者。英国人，当然，提供了最关键的磁控管。

SG-1海军水面搜索雷达

SG是美军第一种实用化的微波雷达。它有漫长而卓越的服役经历：从二战到朝鲜，甚至在越南。这种雷达发射功率50KW，脉冲宽度1.3～2.0usec.，工作频率3000MHz。

这种微波水面搜索雷达装备了右N PL,MIT新电子实验室和贝尔电话实验室共同开发的新型磁控管。1941年，SG雷达在四烟囱驱逐舰U.S.S. Semmes进行了成功的试验。生产型雷达由Raytheon进行改进和制造。1942～43年间，海军接收了近1000套SG雷达。它们被安装在驱逐舰和更大型的舰只上，很多甚至差不多20年后还在服役。

虽然是水面搜索雷达，但SG同样能捕获低频雷达所遗漏的海面上低飞的敌机。它能捕获10000码（5英里）处的潜艇潜望镜和30000码处的大型舰只。作者还曾见过由于大气层的沟道效应（沟道效应大概就是雷达的海市蜃楼效应）而探测到70000码处的观测目标。分辨精度远远抛离非微波雷达，完全适用于搜索和水道领航。SG带有A型及PPI（平面位置显示）显示器，但还安装了B型遥测显示器以提高在狭窄水道的领航性能。后来10000MHz的雷达有了更高的分辨精度，但假如早期没有SG，我们不知道会怎样。

图十五：位于舰艇战斗信息中心的SG-1的显控台。

图15显示了SG-1的显控台组件。左侧的是A型显示器。显示器的阶梯状线可通过手摇变动，以保持目标出现时信号的一致。距离可从一个机械计算器上直接读取。右侧是提供雷达天线为中心的平面视角地图的PPI显示器。显示器上方设定为正北。而中间的显示器显示目标基于正北的方位（外环），和相对本舰的方位（内环）

图16：位于雷达装备室的SG-1主机。

如图16所示，主机包括发射机，接收机，供电设备，计时器和双工（收发）机。柜子上方是便利的诊断示波器。

图十七：甲板边上的SG-1天线，通常这种天线安装在主桅上。

天线（图17）通常安装在主桅高处，对驱逐舰来讲约75英尺。无线电能量经由一根方形中空的波导管从主机传到桅上的抛物面天线汇聚成狭窄的波束发射出去；天线再将返回的波束汇聚到波导管末端的主机上。结果是以SG-1较小的天线获得了良好的分辨精度，方向精度和高灵敏性。

我个人的印象中U.S.S. Stephen Potter号上的SG-1B是极好的装备，大部分按照海军标准来制.造。除开那些大型管子的部件，它非常可靠而且维修简易。对那一代的大多数微波雷达来说，发射机和接收器总是能得到特殊照顾。确实如此，因为硬件的失效和经常性大费周章的调整都来自相似的征兆：频率错误，灵敏度下降，跳频。天线的配线在意外发生时给我们制.造了不少麻烦。视情况的糟糕程度，天线控制显示器有可能120，180或240度地失效。操控台只好集中注意力长时间面对无法转动到位的PPI显示器，十分不便。

SG-1B感觉质量很好，用起来也很愉快，跟它打交道就向跟一辆设计精良的汽车一样。
FD（MK-4）海军火力控制雷达

700MHz，40KW的磁控管为海军新一代火炮控制（火力控制）雷达带来重大影响。不单在磁控管的研究与制.造方面，BTL/Western Electric与NRL在舰载火控雷达上有非常紧密的合作。

准确地测距是计划中的首要改进部分。1941年7月，FA型（MK-1）测距雷达投入使用。它沿用老式的真空管发射机，功率只有勉强能用的2KW。FB型（MK-2）没有投入生产，因为磁控管的出现立即使它落伍了。接下来是FC型（MK-3），水平扫描天线使它获得较高的方位精度。由于使用了磁控管，实现了远于火力控制的雷达有效距离。技术上最激动人心的是FD型（MK-4）雷达。由于增加了垂直方向扫描，它能提供仰角数据。直此，防空雷达在测距，方位角和仰角方面都足以对Ｋ日渐增加的空中威胁。

1941年9月FD在U.S.S. Roe号上进行了成功的试验。1941年起共生产了375套，在整个二战期间战斗表现十分优异。

FD发射机输出功率40KW频率700MHz脉冲宽度非常短（2usec.）。最大作用距离100000码，但通常在敌机接近到10000码时才开火。FD能自动将数据传送到甲板下的防空火炮指挥计算机。常用的5英寸口径16英尺长炮身的防空炮能发射配有近炸引信的炮弹。当炮弹距离目标约100英尺的时候就爆炸。FD加上近炸引信是高杀伤率的有效保证。

在夜晚和恶劣天气下，光学火控无法操作时FD的优势便显现出来了。然而FD的测距精度远远高于光学测距仪，所以就算是白天也会使用。它的测距精度为10000码处误差23码。

图十八：位于MK-37火控上的FD（MK-4）天线。

如图18所示，FD通常与MK-37指挥仪安装在一起，它没有设置漂亮的单独操控台。在拥挤的指挥仪里数据被分别传送给方向瞄准手，仰角瞄准手和测距手。图19展示了测距手岗位及其所使用的显示器和测距位置，两套装置紧密相连，测距员能轻易地从可视与雷达中选择合适的跟踪方式而不浪费任何机会。在甲板下的主机里还有另一台显示器，雷达技术员作为核心但不出现的队员，下文便会介绍到。

图十九：MK-37指挥仪里的FD距离操作器。

FD的操作直接明了，火炮指挥仪从搜索雷达得到目标装定仰角的方位角。指挥仪快速回转直到测距手捕获目标的反射回波。测距手摇动测距装置直到目标点的射程凹槽出现在显示器里。亮点同时也出现在方向瞄准手及仰角瞄准手的显示器里。方向瞄准手那里显示的时两个亮点，代表左右回波。当左右回波相等，上下回波也相等时，FD便把目标套住了。目标移动，操作手也会随之调整。

图二十：FD主机和相关组件。

FD的主机（图20）包含除天线与显示器外的主要功能。高性能的关键是它的微波系统：700MHz磁控管，气态收发转换开关，带三极管的接收器前置放大器，象“门把”一样的混频器与本机振荡管。这就是使雷达可以在UHF和微波频段工作的超级组件。我们已经讨论过磁控管。气态收发开关在磁控管发射出高能微波后打开接收器以接收近至几百码距离目标的回波。当突然发现敌机正向你猛冲过来时，这点就显得非常重要了。

个人观点：安装了GL-446A“灯塔”管（因为他们看起来象灯塔）的收发开关前置放大器非常灵敏且低噪声，信噪比非常高。这是好消息。坏消息是同轴放大器的设计人员低估了战斗中甲板上5英寸大炮发射时的强烈机械振动。就在我们最需要FD雷达的精度的时候，前置放大器却在狂振不已。敌机来袭时，技术员得待在主机旁边，盯住显示器并迅速修正前置放大器以保证信号的强度。因此我们需要使用前置放大器（尤其是远程跟踪时），但决不是在这种生死关头。

贝尔电话公司为海军制.造的这批FD正象你所希望的一样可靠。类似其他早期的高科技雷达，收发系统必须精心地保养和维护。它唯一的真正局限是在低仰角，比如低空突破的鱼雷轰炸机。海面产生的回波会错误引导雷达射击海面而不是上头的飞机。这时从跳动的回波里发现目标便是火炮指挥仪小组展示身价的机会了。

陆军SCR-584搜索及火控雷达

工作频率在100~200MHz的雷达在担当预警方面非常出色。然而在担当防空火力控制时精度显得不足。随磁控管到来而出现的高能微波震荡器诞生了新一代的精确瞄准火力控制雷达。虽然设计用于火控，但SCR-584完美地担当了火控与搜索的任务，成为战争期间最广泛使用的防空搜索/火控雷达。工作频率2900HMz,在70000码距离内有极高的综合精度。同时使用了自动跟踪和半自动距离控制技术。

图二十一：天线展开时的SCR-584雷达拖车。

图21展示了SCR-584雷达系统的剖视图，它能自动地向指挥官传送目标的方位，仰角，距离和高度等计算射击诸元和开火的重要信息。系统转移的时候只需收合弹出天线，解开一些电缆，收起支架，机动性非常高。

SCR-584的磁控管发射机发射功率210KW，脉冲宽度0.8usec.工作频率在2700~2900MHz。雷达天线可进行螺旋扫描和圆锥形扫描以进行精确跟踪。该雷达可探测距离达到70000码，并能自动跟踪32000码的目标距离精度+/-25码，高度精度+/-10码，方位及仰角精度为1英里（0.06度）。

SCR-584生产了数千套，在北非，在安齐奥，在意大利直到欧洲，并在不列颠之战担当重任。应当被记上一笔的是，它引导击落了大部分飞越英吉利海峡的德国V-1导弹。在亚洲和美洲战场，它同样是不可或替的装备。有雷达专家们认为它是“最广泛使用和成功的雷达装备”

AN/APS-3机载雷达

在SG的研制工作结束后，MIT电子实验室和NPL着手开发工作频率同样在3000MHz的机载对地雷达（ASG）。于是有了AN/APS-2，由Philco生产的这种雷达体积很大，限制了它只能装在大型飞机上。

1000MHz磁控管的实用性在于能减少天线与磁控管组件的三维尺寸。这意味着雷达的发射-交换天线可以安装在机翼下的吊舱内。第一种采用这种形式的雷达，是MIT电子实验室，NPL和Sperry共同研制的ASD。1943年由Philco 生产，称为AN/APS-3。新概念是成功的：方位搜索角度150度，转为寻的模式为60度，对船只搜索能力为300英里，潜艇15英里，飞机8英里。这种装备有B型显示器的多功能雷达被用于搜索，制导和导航。制导任务包括轰炸，投雷和防空拦截（但不包括火控）。AN/APS-3在气候恶劣的阿留申群岛担当重任，尤其是用于夜盲轰炸日本的千岛群岛。

AN/APS-3的组件可分别放置于飞机结构的几个地方，通常是将收发交换天线安装在引擎舱或机翼吊舱里，还有的直接装在机身上。图23清楚的展示了它的操控面板，浏览一下能帮助我们了解这种雷达。

左边，TILT开关是控制碟形天线的仰俯，从开关上方的仪表可知道天线的姿态。扫描仪控制着每分钟35转的碟形天线是左右摆动。搜索信标，手动调节和增益都是接收机的控制。距离开关可以选择显示距离的比例，最大为300英里。预热开关使系统无须预热便可立即开机使用。扩展搜索使瞄准目标时有更高的精度，也有助于从地形回波中分辨出目标群。主开关控制整个雷达系统的开关。清晰度开关是个神秘的开关，操作手册上只是说“说明书稍后发布”。实际上，这个开关与其他雷达上的抗干扰和抗地形回波开关没什么两样。

直到二战结束，这种标准的雷达还用于海军中型飞机上。一种更小更轻的雷达ASH，生产型号AN/APS-4于1944年由Western Electric制.造出来，适用于更小的飞机。

AN/APS-3在飞机引擎舱和吊舱的安装方式在后来的机载雷达上一直沿用下去。

图二十二：AN/APS-3机载雷达的组件。

图二十三：APS-3A的控制面板单元

德国和日本二战期间雷达性能数据

（原文著者按：这些只是手振拍下的pagemaker文件，一旦找到原图就会更换）

后记

雷达装置只是雷达的故事的一部分（当然是主要的部分）。有很多支持技术，有些甚至制压的系统，如雷达信标，IFF和电子对抗。将来我们可能还会研究这些主题。同样，早期的雷达是个令人着迷的主题，还有磁控管，也许它才是故事中的故事！

作者: mathewwu 时间: 2013-2-20 12:05
本帖最后由 mathewwu 于 2013-2-20 15:54 编辑

nhlknzy 发表于 2013-2-20 11:48
Morgan McMahon于1942年加入美国海军，曾分配到Oklahoma A&M海军电子学校，Treasure Island，和MIT’s Radi ...

本文虽一再被转载，但仍值得一读，只是附图不见了，没有对照，希望楼主补上。

原文网址：www.smecc.org/mcmahon's_radars!.htm

P.S. 复制网址或打字输入，直接点击打不开。

作者: magicfire 时间: 2013-2-20 12:14

mathewwu 发表于 2013-2-20 12:05
本文虽一再被转载，但仍值得一读，只是附图不见了，没有对照，希望楼主补上。

原文网址：http://www.sme ...

老大貌似链接打不开啊

作者: mathewwu 时间: 2013-2-20 13:45

magicfire 发表于 2013-2-20 12:14
老大貌似链接打不开啊

复制网址或打字输入。

作者: 御用文人 时间: 2013-2-20 13:53
已帮助楼主将本帖做出完善化编辑。

2013/2/20 13:51

作者: mathewwu 时间: 2013-2-20 15:12
本帖最后由 mathewwu 于 2017-9-8 21:11 编辑

总舵主功德无量，我也来补贴几张较清楚的图。

[attach]12331[/attach]
图二：单波瓣天线，搜索时波轴处的目标回波最强。

[attach]12320[/attach]
图三：用以精确跟踪的双波瓣天线方向图，A,B回波信号强度相等时便能精确的显示出目标C的位置。

[attach]12321[/attach]
图八：“A”显示模式用以测量距离和目标分析。

[attach]12322[/attach]
图九：PPI显示模式为地图式显示。

[attach]12323[/attach]
图十：“B”显示模式用于侦察与导航。

[attach]12324[/attach]
图十二：多腔高能磁控管。

[attach]12325[/attach]
图十三：二战中使用的路基SCR-268对空搜索雷达。

[attach]12326[/attach]
图十四：SC-SK对空搜索雷达是第一批量产的海军雷达。

[attach]12327[/attach]
图十五：位于舰艇战斗信息中心CIC的SG-1的显控台。

[attach]12328[/attach]
图十七：甲板边上的SG-1天线，通常这种天线安装在主桅上。

[attach]12329[/attach]
图十八：位于MK-37指挥仪顶上的FD（MK-4）天线。

[attach]12330[/attach]
图十九：MK-37指挥仪里的FD距离操作器。

作者: nhlknzy 时间: 2013-2-26 11:43
呵呵，我抛砖引玉了

作者: 约瑟夫大叔 时间: 2015-5-15 13:25
搜夜间战斗机搜到这好文，按文好像AN/APS-4貌似是全能雷达，对空，对海全能了，有没有海军夜航作战的流程，战列方面的资料

作者: mathewwu 时间: 2015-5-15 14:34

约瑟夫大叔发表于 2015-5-15 13:25
搜夜间战斗机搜到这好文，按文好像AN/APS-4貌似是全能雷达，对空，对海全能了，有没有海军夜航作战的流程， ...

着你要问问 genie854 ，平阳公主等几位对海航有研究的版主。

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