影响世界的专利-雷达

第二次世界大战期间，英、德于1940年深夏两国空军在英伦上空进行了二战史上历时最长、规模最大的空战，史称“不列颠之战”。空战首日，德军投入1485架次飞机空袭英国，英军出动727架次应战。德军被击落47 架，被击伤80余架，英军损失13架。直至9月17日，德国见战况不利，而且英国空军不但未被击败，还更显活跃，不得不暂停动不动一天出动一千多架次，三、四波的空袭行动。10月1日，德军改变战术，利用夜色掩护，出动大规模轰炸机偷袭轰炸伦敦。英机升空迎战，德军不堪一击，损失惨重。“不列颠之战”既粉碎了德国欲在英国登陆的计划，也使逼迫英国媾和企图泡汤。英国空军战机在此期间以少胜多、战绩辉煌的一个重要原因是发明并在空战中率先使用了雷达。

　　雷达是英文radar的音译。Radar是作为radio detection and ranging的缩写，意为无线电检测和测距。这个词是1940年由美国海军创造的。英国于1943年正式使用该词代替早期使用的RDF（radio direction finding）无线电测向。据此定义，雷达的发明可追索到1935年9月17日申请的名称为《无线电系统的改进》的英国专利申请，其申请号为25770/35，授权的专利号为GB593017。发明人是罗伯特·亚历山大·沃森-瓦特（Robert Alexander Watson-Watt）（以下简称沃森-瓦特）。
　　沃森-瓦特（1892.4.13-1973.12.5），英国物理学家，雷达技术专家。曾就读于敦提的圣·安德鲁斯大学，后在邓迪大学学院任教。随后担任公职，先后从事探索雷暴雨气象工作，对电磁辐射的研究，利用无线电波探测电离层高度的研究，研制大气现象的阴极射线探向器等。1935年任英国国家物理实验室无线电研究室主任。当时，英国军方曾希望能否以无线电波作为“死光”（death-ray）作为杀伤性射线，使驾驶员失去行为能力而摧毁敌机；1935年2月25日，沃森-瓦特作出书面答复，认为这么大的能量是不可能的，而利用无线电返回波检测飞机是可行的，并且测量响应时间，同时可测量算出方向和距离。1935年2月26日，在达文BBC广播站发射的惯例无线电波进行试验，在事先装在货车上的阴极射线示波器的接收设备上显示了13公里外的轰炸机，实验成功为雷达诞生进一步奠定了基础。事实上，德国从1933年开始了类似英国那样的研究，并在1934年3月20日在基尔港湾对舰艇而不是飞机进行实验，1935年9月采用脉冲发射仅测量了距离。英国此技术的超前对德国是致命的。
　
　 上述英国专利既包括了无线电电磁波发射和接收方法，也包括了用于实施该方法的装置。它揭示了一种利用将发射的电磁波至欲探的物体，例如飞机、舰船或其他物体产生回波，从而确定被测物体的位置和距离的方法和装置；该电磁波是以合适频率的脉冲发射，同时不断的分隔极化，并在一个有指示标记的接收机中接收由被测物体反射的电磁脉冲。其具有以下特征，所述的脉冲之间的间隙比单个脉冲时间要长；发射电磁波始终以大立体空间角发射，并且接收回波的无线电磁波阵列能接收到所用的大主立体空间角的能量，以便不需借助于机械或电气摆动接收轴搜索最大回波就能进行定位处理；所使用的立体空间角的大小要便于减少干扰和减少在不需要方向所消耗的能量而设计发射天线和接收电线阵列；被探物体的方位是由对回波能量的测向确定的，通过带有同时出现的时间坐标的阴极射线示波器分别对被探物体反射回波方向进行测量、确定；测量被探物体的仰角角度是由测量接收回波能量的射入角确定的，通过同时出现的时间坐标的阴极射线示波器分别对被探物体的反射回波进行高度测量、确定；对发射回波的被探物体重要尺度的测量是可通过发射波长的变化得到最大响应实现的。专利说明书中还列举了多个实施例，其一是每个脉冲持续时间约为5-25微秒，而脉冲的重复频率为每秒25和1000次，以便对被探飞机翼展或机身长度进行探测。图6为一完整的发射天线阵列透视图，图8为接收天线阵列的平面图。在申请专利后，首先在萨福克郡的Orford Ness设立了雷达装置，它能发现64公里外的飞机。1935年12月英国政府决定建覆盖伦敦到泰晤士河港湾的5个雷达站。至1939年初，自怀特岛起的英国东海岸建成了超过20个雷达站，形成了链向雷达网，虽然由于要实现大功率的广角发射天线，都是由超过百米的高大而明显的塔架，但没有其他国家意识到它的巨大作用，该链向防空雷达网在实战中为英国赢得约20分钟的预警时间，能灵活精确地调动英国空军力量，从而出现本文开头出现的“不列颠之战”的战况。
　　雷达是20世纪人类在电子工程领域的一项重大发明，具有全气候、全天时的特点，军事上具有重大用途。发明之初，该发明一直处于绝对保密状态。上述专利说明书到1947年7月17日才公布于众。沃森-瓦特因雷达的发明和积极实施、改进用于实战而赢得荣誉，在1942年被封为爵士。

专利资料:雷达.pdf

　　参见资料:
　　1. 美国BARNES&NOBLE出版的《INVENTING THE 20TH CENTURY》第100页-第101页
　　2. Wikipedia/Robert Watson-Watt