雷达成像

雷达可以区分一种目标和另一种目标（例如鸟类与飞机），并且某些系统能够识别特定类别的目标（例如，商用客机，而不是军用喷气式战斗机）。目标识别是通过测量目标的大小和速度，并在一个或多个维度上以高分辨率观察目标来实现的。螺旋桨和喷气发动机修改来自飞机的雷达回波，并可以协助目标识别。飞行中鸟的翅膀拍打会产生一种特征调制，可用于识别鸟的存在，甚至用于区分一种类型的鸟和另一种鸟。

从多普勒频率获得的跨距离分辨率以及距离分辨率是合成孔径雷达 （SAR） 的基础。SAR 生成的场景图像与光学照片相似但不完全相同。人们不应该期望雷达“眼”看到的图像与肉眼观察到的图像相同。每个都提供不同的信息。由于所涉及的频率差异很大，雷达和光学图像不同;光学频率大约是雷达频率的 100,000 倍。

SAR 可以从远距离运行，也可以通过云或其他限制光学和红外成像传感器的大气效应进行操作。SAR 图像的分辨率可以独立于距离，这与被动光学成像相比具有优势，因为被动光学成像的分辨率会随着距离的增加而恶化。合成孔径雷达以几米的分辨率绘制地球表面区域，可以提供有关地形性质和表面情况的信息。

SAR 在移动的车辆（例如飞机或航天器）上运行，以对静止物体或行星表面进行成像。由于相对运动是多普勒分辨率的基础，因此如果雷达处于静止状态且目标正在移动，也可以实现高分辨率（在交叉距离内）。这称为逆合成孔径雷达 （ISAR）。目标和雷达都可以通过 ISAR 进行运动。

天线

一种广泛使用的雷达天线形式是抛物面反射器，其原理如图 A 部分的横截面所示。喇叭天线（未显示）或其他小天线放置在抛物线的焦点处，以照亮反射器的抛物面。电磁能被该表面反射后，以窄光束的形式辐射。通过绕其轴旋转抛物线生成的抛物面形成对称光束，称为笔形光束。扇形光束，即方位角窄波束宽度和仰角波束宽度宽的波束，可以通过照亮抛物面的不对称部分来获得。照片中显示了产生扇形波束的天线示例。

半波偶极子（见图的 B 部分）的尺寸是雷达波长的一半，是典型的电磁天线类型。单个偶极子对雷达没有多大用处，因为它产生的波束宽度对于大多数应用来说太宽了。雷达需要窄波束（波束宽度只有几度），以便将其能量集中在目标上并准确确定目标位置。这种窄波束可以通过组合许多单独的偶极子天线来形成，这样每个元素偶极子辐射或接收的信号是一致的，或者是同步的。（雷达工程师会说信号彼此“同相”，或者它们相加在一起。这称为相控阵天线，其基本原理如图 C 部分所示。

每个辐射天线元件的移相器会改变（或偏移）信号的相位，以便从特定方向接收到的所有信号彼此同步。因此，在元件处接收到的信号相加而不会产生理论损失。同样，天线的各个元件辐射的所有信号将在某个特定方向上彼此同步。改变每个元件的相移会改变天线波束的方向。这种天线称为电子控制相控阵天线。它允许在不移动大型机械结构的情况下快速改变梁的位置。在某些系统中，光束可以在微秒内从一个方向变为另一个方向。

相控阵天线的单个辐射元件不一定是偶极子;也可以使用各种其他类型的天线元件。例如，在波导侧面切割的槽很常见，尤其是在较高的微波频率下。在需要 1 度笔形波束天线的雷达中，可能有大约 5,000 个单独的辐射元件（实际数量取决于特定设计）。相控阵雷达比使用反射器天线的雷达系统更复杂，但它提供了其他方式无法获得的功能。

由于相控阵中有许多控制点（每个单独的天线元件），因此可以对辐射波束进行整形，以便为波束提供所需的方向图。当光束必须照亮发现飞机的空域，但不能照亮地面时，控制辐射光束的形状非常重要，因为地面会产生杂波回波。另一个例子是当天线方向图的主波束外的杂散辐射（称为天线旁瓣）必须最小化时。

电子控制相控阵非常适合需要大型天线或波束必须从一个方向快速切换到另一个方向的应用。卫星监视雷达和远程弹道导弹探测雷达是通常需要相控阵的例子。美国陆军的爱国者战场防空系统和美国海军的舰船防空宙斯盾系统也依赖于电子转向相控阵天线。

相控阵天线也用于一些没有图中 C 部分所示的移相器的应用。波束由整个天线的机械运动控制。在机载应用（见照片）、需要多个波束的陆基空中监视雷达（如所谓的 3D 雷达中，除了测量方位角和距离外，还测量仰角）以及需要超低天线旁瓣辐射的应用中，这种天线优于抛物面反射器。

发射机

雷达系统的发射器必须高效、可靠、尺寸和重量不太大、易于维护，并具有雷达应用特有的宽带宽和高功率。通常，发射机必须产生低噪声、稳定的传输，以便来自发射机的外来（不需要的）信号不会干扰对微弱移动目标产生的小多普勒频移的检测。

在雷达历史一节中观察到，1930 年代后期磁控发射器的发明导致雷达系统可以在称为微波的更高频率下工作。磁控管发射器有一定的局限性，但它仍在继续使用，例如，用于低平均功率应用，如船舶导航雷达和机载避风雷达。磁控管是一种功率振荡器，因为它在施加电压时会自振荡（即产生微波能量）。其他雷达发射器通常是功率放大器，因为它们在输入端接收低功率信号，并在输出端将其放大为高功率。这提供了稳定的高功率信号，因为可以在低功率下精确地生成要辐射的信号。

速调管放大器能够实现雷达中使用的一些最高功率水平（数百千瓦的平均功率）。它具有良好的效率和良好的稳定性。速调管的缺点是它通常很大，并且需要高电压（例如，1 兆瓦的峰值功率约为 90 千伏）。在低功率下，速调管的瞬时带宽很小，但速调管能够在几兆瓦的高峰值功率下获得大带宽。

行波管 （TWT） 与速调管有关。它在低峰值功率下具有非常宽的带宽，但是，随着峰值功率水平提高到脉冲雷达所需的带宽，其带宽会降低。随着峰值功率的增加，TWT 和速调管的带宽相互接近。

固态发射器（如晶体管）之所以具有吸引力，是因为它们具有使用寿命长、易于维护和相对较宽的带宽等特点。单个固态设备产生的功率相对较低，并且只有在雷达应用可以用低功率完成时才能使用（如在短距离应用或雷达高度计中）。然而，通过组合许多单个固态器件的输出，可以实现高功率。

虽然固态发射器易于维护并且能够进行宽带操作，但它也有一些缺点。它更适合长脉冲 （毫秒） 而不是短脉冲 （微秒）。长脉冲会使雷达操作复杂化，因为需要信号处理（例如脉冲压缩）才能获得所需的距离分辨率。此外，长脉冲雷达通常需要几种不同的脉冲宽度：一个用于长距离的长脉冲和一个或多个较短的高能量脉冲，用于观察长脉冲发射时被掩盖的范围内的目标。（例如，1 毫秒的脉冲会掩盖 0 到大约 80 海里或 150 公里的回波。

每种发射器都有其缺点和优点。在任何特定应用中，雷达工程师都必须不断寻找折衷方案，以提供所需的结果，而不会产生太多无法充分适应的负面影响。

接收机

与大多数其他接收器一样，雷达接收器是典型的超外差接收器。它必须从干扰检测的杂波和接收器噪声中过滤出所需的回波信号。它还必须将微弱的接收信号放大到接收器输出足够大以驱动显示器或计算机的水平。雷达接收器的技术已经成熟，很少对雷达性能设置限制。

在存在非常大的杂波回波的情况下，需要通过识别所需移动目标的多普勒频移来检测微弱信号的情况下，接收器必须具有较大的动态范围。动态范围可以粗略地描述为接收器可以处理而不会产生明显失真的最强信号与最弱信号的比率。可能需要雷达接收器来检测功率变化 100 万比 1 的信号，有时甚至更多。

在大多数情况下，雷达接收器的灵敏度取决于其输入端内部产生的噪声。因为它本身不会产生太多的噪声，所以晶体管通常用作接收器的第一级。

信号和数据处理器

信号处理器是接收器的一部分，可从不需要的杂波中提取所需的目标信号。这些不需要的反射比所需的目标回波大得多，在某些情况下甚至大一百万倍以上，这并不罕见。通过注意移动目标产生的多普勒频移，可以将来自静止物体的大杂波回波与小的移动目标回波区分开来。大多数信号处理是通过计算机技术以数字方式执行的。数字处理在信号处理方面具有重要的功能，以前是模拟方法所不具备的。

脉冲压缩有时包含在信号处理下。它也受益于数字技术，但是当脉冲压缩必须达到几英尺或更小的分辨率时，使用模拟处理器（例如，表面声波延迟线）而不是数字方法。

显示

尽管阴极射线管 （CRT） 有其局限性，但自雷达早期以来，阴极射线管 （CRT） 一直是显示信息的首选技术。然而，由于计算机和电视的需求，平板显示器已经有了相当大的改进。与 CRT 相比，平板显示器占用的体积更小，需要的功率也更少，但它们也有其局限性。雷达利用了平板显示器的优势，作为显示器变得越来越重要。

在雷达的早期，操作员根据显示的原始数据来决定是否存在目标。然而，现代雷达将处理后的信息呈现给操作员。无需操作员参与，即可在接收器中自动进行检测，然后在显示屏上显示给操作员进行进一步操作。

常用的雷达显示是平面位置指示器 （PPI），它在范围和角度的极坐标中提供类似地图的表示。显示屏是 “暗的” ，除非存在回波信号。

所有实际的雷达显示器都是二维的，但许多雷达提供的信息比在平面屏幕的两个坐标上显示的信息要多。PPI 上指示的信号的颜色编码有时用于提供有关回波信号的其他信息。例如，已使用颜色来表示回声的强度。多普勒天气雷达充分利用颜色编码，在二维显示屏上显示与显示的每个回波相关的降雨强度水平。它们还使用颜色来表示风的径向速度、风切变和其他与强风暴相关的信息。

发射机功率和天线尺寸

雷达系统的最大射程在很大程度上取决于其发射器的平均功率和天线的物理尺寸。（用技术术语来说，这称为 power-aperture 乘积。每个都有实际限制。如前所述，一些雷达系统的平均功率约为 1 兆瓦。直径约 100 英尺（30 米）的相控阵雷达并不少见;有些要大得多。有带有（固定）天线的专用雷达，例如一些 HF 超视距雷达和美国太空监视系统 （SPASUR），其长度超过 1 英里（1.6 公里）。

接收器噪声

雷达接收器的灵敏度取决于其输入端不可避免的噪声。在微波雷达频率下，限制可探测性的噪声通常由接收器本身产生（即，由接收器输入端的电子随机运动产生），而不是由通过天线进入接收器的外部噪声产生。雷达工程师通常使用晶体管放大器作为接收器的第一级，尽管使用更复杂（和更复杂）的设备可以获得更低的噪声。这是应用基本工程原则的一个示例，即可以获得的 “最佳” 性能不一定是最能满足用户需求的解决方案。

接收器旨在增强所需信号并减少干扰检测的噪声和其他不需要的信号。设计人员试图通过使用雷达工程师所说的“匹配滤波器”来最大限度地提高微弱信号的可检测性，该滤波器可最大限度地提高接收器输出端的信噪比。匹配的滤波器具有精确的数学公式，该公式取决于输入信号的形状和接收器噪声的特性。然而，对于普通脉冲雷达，匹配滤波器的合适近似值是其带宽（以赫兹为单位）是脉冲宽度（以秒为单位）的倒数。

目标大小

雷达“看到”的目标大小并不总是与物体的物理大小有关。雷达观测到的目标大小的量度称为雷达散射截面，以面积（平方米）为单位。具有相同物理横截面积的两个目标在雷达尺寸或雷达横截面上可能会有很大差异。例如，当垂直于表面观察时，面积为 1 平方米的平板将在 3 GHz 的频率下产生约 1,000 平方米的雷达横截面。当从圆锥体而不是球体的方向观察时，锥体球体（类似于冰淇淋蛋筒的物体）的雷达横截面约为 0.001 平方米，即使其投影面积也是 1 平方米。理论上，雷达散射截面与锥体的大小或锥体角关系不大。因此，平板和锥球的雷达横截面可以相差 100 万比 1，即使它们的物理投影面积相同。

球体是一个不寻常的目标，因为它的雷达横截面与其物理横截面积相同（当它的圆周与雷达波长相比较大时）。也就是说，投影面积为 1 平方米的球体的雷达横截面为 1 平方米。

商用飞机的雷达横截面可能约为 10 到 100 平方米，但从侧面观察时除外，其横截面要大得多。大多数空中交通管制雷达都需要探测雷达横截面低至 2 平方米的飞机，因为一些小型通用航空飞机可能具有这个值。作为比较，在微波频率下测量的男子的雷达横截面约为 1 平方米。一只鸟的横截面可以为 0.01 到 0.001 平方米。虽然这是一个很小的值，但远程雷达可以很容易地在几十公里的范围内检测到一只鸟。一般来说，雷达可以检测到许多鸟类，因此通常必须采取特殊措施来确保它们的回波不会干扰对所需目标的探测。

飞机的雷达截面和大多数其他实际目标的雷达截面会随着目标相对于雷达单元的变化而迅速波动。纵横比的微小变化导致雷达横截面变化 10 到 1,000 倍并不罕见。

杂乱

来自陆地、海洋、雨、雪、冰雹、鸟类、昆虫、极光和流星的回波对于观察和研究环境的人来说是有趣的，但对于那些想要检测飞机、船只、导弹或其他类似目标的人来说，它们会很麻烦。杂波回波会严重限制雷达系统的能力;因此，雷达设计的一个重要部分致力于在不减少来自所需目标的回波的情况下最大限度地减少杂波的影响。多普勒频移是将移动目标与静止物体杂波区分开来的常用方法。在较低频率下，在雨中检测目标的问题较小，因为来自雨水的雷达回波随着频率的降低而迅速减少，并且飞机的平均横截面与微波区域的频率相对无关。由于雨滴或多或少是球形（对称）的，而飞机是不对称的，因此使用圆极化可以增强对飞机在雨中的探测能力。圆极化时，电场以雷达频率旋转。正因为如此，雨水和飞机反射的电磁能会受到不同的影响，从而更容易区分两者。（在晴朗的天气里，大多数雷达使用线性极化;即电场的方向是固定的。

大气效果

如前所述，降雨和其他形式的降水会导致回波信号掩盖所需的目标回波。还有其他大气现象也会影响雷达性能。地球大气层密度随着高度的增加而降低，导致雷达波在穿过大气层时发生弯曲。这通常会在一定程度上略微增加低角度的检测范围。大气层可以形成“管道”，将雷达能量捕获并引导到地球曲率周围，并允许在超出正常水平线的范围内进行探测。热带气候比寒冷地区更容易发生水上管道。管道有时可以扩展机载雷达的覆盖范围，但在其他情况下，它们可能会导致雷达能量转移，而不是照亮管道下方的区域。这导致在覆盖范围中形成所谓的雷达空洞。由于管道不可预测或不可靠，因此在某些情况下，管道可能更令人讨厌而不是帮助。

当传播穿过晴朗的大气或雨水时，由于大气吸收而造成的雷达能量损失对于大多数以微波频率运行的系统来说通常很小。

干扰

来自附近雷达和其他发射器的信号可能足够强，足以进入雷达接收器并产生杂散响应。训练有素的操作员通常不会扰所欺骗，尽管他们可能会觉得这很麻烦。然而，自动检测和跟踪系统并不容易忽略干扰，因此通常需要一些方法来在干扰脉冲进入雷达的自动检测器和跟踪器之前识别和消除干扰脉冲。

电子对抗措施（电子战）

敌对电子对抗 （ECM） 的目的是故意降低军用雷达的有效性。ECM 可能包括 （1） 通过天线进入接收器并增加接收器输入端的噪声水平的噪声干扰，（2） 错误目标生成或中继器干扰，敌方干扰者将额外信号引入雷达接收器，试图混淆接收器，使其认为它们是真实的目标回波， （3） 谷壳，这是一种由大量微小金属反射条组成的人造云，可在大面积上产生强烈的回波，以掩盖真实目标回波的存在或造成混淆，以及 （4） 诱饵，这是一种小型、廉价的飞行器或其他物体，旨在让雷达看起来好像它们是真正的目标。军用雷达还受到常规武器或反辐射导弹 （ARM） 的直接攻击，这些导弹使用雷达传输来查找目标并追踪目标。衡量军用雷达有效性的一个指标是在电子战措施、ARM 和低横截面（隐形）飞机上花费的大量资金。

军事雷达工程师已经开发出各种方法来对抗敌对的 ECM 并保持雷达系统执行任务的能力。需要注意的是，军用雷达系统通常可以令人满意地完成其任务，即使它在 ECM 存在下的性能不如在没有此类措施的情况下。

机场监视雷达

机场监视雷达系统能够可靠地检测和跟踪海拔低于 25,000 英尺（7,620 米）和机场 40 至 60 海里（75 至 110 公里）范围内的飞机。这种类型的系统已安装在美国的 100 多个主要机场。ASR-9 就是这样一种系统，它被设计为至少在 99.9% 的时间内可以运行，这意味着该系统每年的停机时间不到 10 小时。这种高可用性归功于可靠的电子元件、用于搜索故障的“内置测试”、远程监控和冗余（即，系统有两个完整的通道，除了天线;当一个通道必须关闭进行维修时，另一个通道继续运行）。ASR-9 设计为无人值守运行，雷达站点无需维护人员。可以从一个位置监控和控制多个雷达单元。发生故障时，发现故障并派遣维修人员进行维修。

通过使用多普勒滤波和其他技术来减少掩盖飞机探测的雨水回波，这些技术旨在将移动的飞机与不需要的杂波分开。然而，空中交通管制员必须识别恶劣天气区域，以便他们能够安全地引导飞机绕过而不是穿越恶劣或危险的条件。ASR-9 有一个单独的接收频道，用于识别天气回波并将其位置提供给空中交通管制员。可以显示六种不同级别的降水强度，无论是否叠加飞机目标。

ASR-9 系统的工作频率为 2.7 至 2.9 GHz（在 S 频段内）。其速调管发射器的峰值功率为 1.3 兆瓦，脉冲宽度为 1 微秒，天线水平波束宽度为 1.4 度，以每分钟 12.5 转（4.8 秒旋转周期）的速度旋转。

照片中所示的反射器天线是抛物面的一部分。它宽 16.5 英尺（5 米），高 9 英尺（2.75 米）。雷达天线（背负式）顶部是一个轻型平面阵列天线，用于空中交通管制雷达信标系统 （ATCRBS）。它的尺寸为 26 英尺（8 米）x 5.2 英尺（1.6 米）。ATCRBS 是检测和识别配备应答器的飞机的主要手段，该应答器可以响应 ATCRBS 询问。ATCRBS 发射器独立于雷达系统，以不同的频率运行，辐射编码的询问信号。配备合适应答器的飞机可以识别审讯，并以不同于审讯频率的频率发送编码回复。然后，询问器可能会通过其他编码信号要求飞机自动识别自身并报告其高度。ATCRBS 仅适用于合作目标（即具有操作应答器的目标）。

ASR-11 和 ASR-12 是机场监视雷达，使用固态（晶体管）发射器和长脉冲，而不是速调管发射器和短脉冲。

探地雷达

雷达波通常被认为是从地面反射的。然而，在较低频率（低于几百兆赫兹）下，雷达能量可以穿透地面并从埋藏的物体反射。在这些频率下，在地面中传播的损耗非常高，但足够低，允许的范围约为 3.3 至 33 英尺（1 至 10 米）或更高。这足以探测地下土壤，以检测地下隧道和公用管道和电缆，协助考古挖掘，并监测高速公路和桥梁道路的地下状况。短距离要求雷达系统能够分辨近距离的物体，这意味着必须辐射宽带宽信号。通常，宽带宽在较低频率下不可用（尤其是当 1 英尺 （30 厘米） 范围分辨率需要 500 MHz 带宽时）。然而，由于能量被引导到地面而不是辐射到太空中，因此可以获得高分辨率所需的大频段，而不会对无线电频谱的其他用户造成严重干扰。

对地探测雷达可以在 5 到 500 MHz 的频率范围内进行辐射，以获得良好的穿透力（需要低频）和高分辨率（需要宽带宽）。天线可以直接放置在地面上。对地探测雷达装置通常足够小，便于携带。

超视距雷达

低于约 100 MHz 的频率通常不适用于雷达应用。较低频率可以提供独特而重要能力的一个例子是在无线电频段的短波或高频 （HF） 部分（从 3 到 30 MHz）。HF 频段的优点是这些频率的无线电波被电离层折射（弯曲），因此波在超出地平线的很长距离内返回地球表面，如图所示。这允许在大约 500 到 2,000 海里（900 到 3,700 公里）的距离内进行目标检测。因此，HF 超视距 （OTH） 雷达可以探测到飞机的距离，其距离是地基微波空中监视雷达的 10 倍，而地面微波空气监视雷达的范围受地球曲率的限制。除了远距离探测和跟踪飞机外，HF OTH 雷达还可以设计用于检测弹道导弹（特别是弹道导弹在穿过电离层时造成的干扰）、船只和海洋上的天气影响。海洋上的风会在水面上产生波浪，HF OTH 雷达可以识别这些波浪。从水波回波产生的多普勒频谱中，可以确定风产生的波的方向，从而确定风本身的方向。海浪的强度（表明海况或粗糙度）也可以确定。HF OTH 可以及时获得有关在大片海洋上驱动波浪的风的信息——只有通过其他方式才能非常困难地获得——事实证明，这对于天气预报很有价值。

HF OTH 雷达的平均功率约为 1 MW，并且具有有时延伸数千英尺的相控阵天线。这种类型的雷达最初是为军事目的而开发的，特别是用于在大片水域监视飞机和船只，而传统的微波雷达很难提供大面积的覆盖。例如，HF OTH 的一个重要应用是对涉嫌非法运毒飞机运营的区域提供广域监控。HF OTH 雷达可以监视的区域非常大，以至于飞机很难通过绕着或在其覆盖范围内飞行来避免被发现。此外，这些缉毒雷达在许多情况下可以在飞机从遥远的机场起飞时检测到飞机，有时可以一直跟踪它们到达目的地。在某些情况下，还可以根据起飞和降落期间对飞机的雷达观测来识别特定的飞机类型。美国海军的高频 OTH 雷达被称为 r可雄辩超视距雷达 （ROTHR） 或 AN/TPS-71，已被重新定向用于毒品拦截。此类雷达位于弗吉尼亚州、德克萨斯州和波多黎各，可覆盖中美洲和南美洲北部的毒品贩运地区。ROTHR 可以覆盖 64 至 500 海里（900 至 3,000 公里）的楔形区域。其接收天线是一个电子控制相控阵，由 372 对单极天线组成。天线长度为 1.4 海里（2.5 公里）。发射器的工作频率为 5 至 28 MHz，平均功率为 210 千瓦。每个雷达可以提供大约 130 万平方海里（450 万平方公里）的监视。这远是传统地基远程微波空气监视雷达覆盖面积的 10 倍以上。

早期实验

雷达的严肃开发工作始于 1930 年代，但雷达的基本概念起源于德国物理学家海因里希·赫兹 （Heinrich Hertz） 在 1880 年代后期进行的经典电磁辐射实验。赫兹着手通过实验验证苏格兰物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦 （James Clerk Maxwell） 的早期理论工作。麦克斯韦制定了电磁场的一般方程，确定光和无线电波都是电磁波的例子，它们受相同的基本定律支配，但频率却大不相同。麦克斯韦的工作得出结论，无线电波可以从金属物体反射并被介电介质折射，就像光波一样。赫兹在 1888 年使用波长为 66 厘米（相当于约 455 MHz 的频率）的无线电波证明了这些特性。

赫兹的工作作为检测实际兴趣目标的基础的潜在效用在当时并没有被忽视。1904 年，根据 Hertz 演示的原理，“障碍物探测器和船舶导航装置”的专利在多个国家颁发给了德国工程师 Christian Hülsmeyer。Hülsmeyer 制造了他的发明并向德国海军展示了它，但未能引起任何兴趣。直到 1930 年代初，能够携带大量有效载荷的远程军用轰炸机被开发出来，才对雷达在经济、社会或军事上没有任何需求。这促使世界主要国家寻找一种方法来检测敌方飞机的接近。

大多数在二战前开发雷达的国家首先尝试了其他飞机检测方法。这些测试包括监听飞机发动机的噪声和检测其点火产生的电噪声。研究人员还对红外传感器进行了实验。然而，这些都没有被证明是有效的。

第一台军用雷达

在 1930 年代，八个国家几乎同时独立地开始了使用无线电回波进行飞机探测的努力，这些国家关注当前的军事形势并且已经拥有无线电技术的实际经验。美国、英国、德国、法国、苏联、意大利、荷兰和日本都在大约两年内相继开始试验雷达，并以不同程度的动机和成功开始了雷达的军事开发。其中一些国家在二战开始时拥有某种形式的作战雷达设备。

1922 年，位于华盛顿特区的美国海军研究实验室 （NRL） 首次观测到雷达效应。NRL 研究人员在波托马克河的一侧放置了一个无线电发射器，在另一侧放置了一个接收器。一艘在河上航行的船只在通过发射器和接收器之间时，意外地引起了接收信号强度的波动。（今天，这种配置被称为双基地雷达。尽管这项实验取得了可喜的结果，但美国海军官员不愿意赞助进一步的工作。

1930 年，当 LA Hyland 观察到飞机飞过发射天线的波束会导致接收信号的波动时，雷达的原理在 NRL 被“重新发现”。尽管 Hyland 和他在 NRL 的同事对通过无线电手段探测目标的前景充满热情，并渴望认真发展它，但海军的上级当局并没有表现出什么兴趣。直到学会了如何使用单个天线进行发射和接收（现在称为单基地雷达），雷达在检测和跟踪飞机和船舶方面的价值才得到充分认可。1939 年初，这种系统在 USS New York 战列舰上进行了海上演示。

美国陆军开发的第一台雷达是用于控制高射炮火的 SCR-268（频率为 205 MHz）和用于探测飞机的 SCR-270（频率为 100 MHz）。这两种雷达在二战开始时就已经可用，海军的 CXAM 舰载监视雷达（频率为 200 MHz）也是如此。1941 年 12 月 7 日，一架 SCR-270 是当时夏威夷可用的六架 SCR-270 之一，它检测到日本战机接近檀香山附近的珍珠港;然而，直到炸弹开始落下，雷达观测的重要性才得到重视。

英国于 1935 年开始用于飞机探测的雷达研究。英国政府鼓励工程师迅速行动，因为它非常担心战争的可能性越来越大。到 1938 年 9 月，英国第一台雷达系统 Chain Home 已开始 24 小时运行，并在整个战争期间一直运行。Chain Home 雷达使英国能够成功部署其有限的防空系统，以应对德国在战争初期进行的猛烈空袭。它们以大约 30 MHz 的频率工作，即所谓的短波 （HF） 频段，这实际上对于雷达来说是一个相当低的频率。这可能不是最佳解决方案，但英国雷达的发明者罗伯特·沃森-瓦特爵士 （Sir Robert Watson-Watt） 认为，有效且可用的东西比只是一个承诺或可能来得太晚的理想解决方案要好。

苏联也在 1930 年代开始研究雷达。在 1941 年 6 月德国进攻他们的国家时，苏联已经开发了几种不同类型的雷达，并生产了一种工作频率为 75 MHz（在超高频 [VHF] 频段）的飞机探测雷达。他们的雷达设备的开发和制造因德国入侵而中断，工作不得不搬迁。

在第二次世界大战开始时，德国在雷达的发展方面比其他任何国家都走得更远。德国人在地面和空中使用雷达来防御盟军轰炸机。雷达早在 1936 年就安装在一艘德国袖珍战列舰上。1940 年底，德国人停止了雷达的开发，因为他们认为战争即将结束。然而，美国和英国加快了他们的努力。当德国人意识到他们的错误时，已经来不及追赶了。

除了一些工作频率为 375 和 560 MHz 的德国雷达外，二战开始前开发的所有成功雷达系统都在 VHF 频段，低于约 200 MHz。VHF 的使用带来了几个问题。首先，VHF 波束宽度很宽。（窄波束宽度产生更高的精度、更好的分辨率，并排除来自地面或其他杂波的不需要的回波。其次，电磁频谱的 VHF 部分不允许短脉冲所需的宽带宽，而短脉冲允许更准确地确定距离。第三，VHF 受大气噪声的影响，这限制了接收器的灵敏度。尽管存在这些缺点，但 VHF 代表了 1930 年代无线电技术的前沿，该频率范围内的雷达开发构成了真正的开创性成就。雷达的早期开发人员很清楚，在更高的频率下工作是可取的，特别是因为可以在没有过大天线的情况下实现窄波束宽度。

第二次世界大战期间的进步

1939 年底，伯明翰大学的英国物理学家发明了腔式磁控管振荡器，为雷达开放了更高的频率（微波区域的频率）及其随之而来的优势。1940 年，英国慷慨地向美国披露了磁控管的概念，这随后成为剑桥新成立的麻省理工学院 （MIT） 辐射实验室所开展工作的基础。正是磁控管使微波雷达在第二次世界大战中成为现实。

麻省理工学院辐射实验室成功开发创新和重要的微波雷达，这归因于满足新军事能力的紧迫性，以及实验室的开明和有效管理以及招募有才华、敬业的科学家。在实验室成立的五年（1940-45 年）期间，由于实验室的计划，开发了 100 多种不同的雷达系统。

麻省理工学院辐射实验室开发的最著名的微波雷达之一是 SCR-584，这是一种广泛使用的枪控系统。它采用锥形扫描跟踪，其中单个偏移（斜视）雷达波束围绕雷达天线的中心轴连续旋转，并且具有四度波束宽度，具有足够的角度精度，无需探照灯或光学元件即可将高射炮放置在目标上，而具有更宽波束宽度的旧雷达（如 SCR-268）则需要。SCR-584 在 2.7 至 2.9 GHz（称为 S 波段）的频率范围内工作，并具有直径近 6.6 英尺（2 米）的抛物面反射天线。它于 1944 年初首次用于意大利安齐奥滩头阵地的战斗。它的推出很及时，因为当时德国人已经学会了如何干扰其前身 SCR-268。SCR-584 微波雷达的推出让德国人措手不及。

战后进展

战后，雷达技术的进步大大放缓。1940 年代后半期主要致力于战争期间开始的发展。其中两个是单脉冲跟踪雷达和移动目标指示 （MTI） 雷达（在多普勒频率和目标速度部分中讨论）。需要多年的开发才能使这两种雷达技术充分发挥功能。

1950 年代出现了新的和更好的雷达系统。其中之一是名为 AN/FPS-16 的高精度单脉冲跟踪雷达，其角度精度约为 0.1 毫弧度（约 0.006 度）。还出现了设计为在 220 MHz （VHF） 和 450 MHz （UHF） 下工作的大型高功率雷达。这些系统配备了大型机械旋转天线（水平尺寸超过 120 英尺 [37 米]），可以在非常远的距离可靠地探测飞机。另一个值得注意的发展是速调管放大器，它为超远程雷达提供了稳定的高功率来源。合成孔径雷达最早出现在 1950 年代初期，但随着数字处理和其他进步的引入，又花了近 30 年的时间才达到高度发展状态。机载脉冲多普勒雷达也在 1950 年代后期引入 Bomarc 空对空导弹中。

1950 年代的十年还见证了重要理论概念的发布，这些概念有助于将雷达设计建立在更定量的基础上。这些包括噪声中信号检测的统计理论;所谓的匹配滤波器理论，它展示了如何配置雷达接收器以最大限度地检测微弱信号;伍德沃德模糊图，它清楚地说明了波形设计中为了获得良好的距离和径向速度测量和分辨率的权衡;以及 MTI 雷达中多普勒滤波的基本方法，后来当数字技术使理论概念成为实际现实时，这些方法变得非常重要。

多普勒频移及其在雷达中的用途在二战之前就已为人所知，但需要多年的开发才能获得大规模采用所需的技术。多普勒原理在 1950 年代开始认真应用于雷达，如今该原理在许多雷达系统的运行中变得至关重要。如前所述，反射信号的多普勒频移是目标和雷达之间的相对运动的结果。在连续波、MTI 和脉冲多普勒雷达中，多普勒频率的使用是必不可少的，它们必须在存在大杂波回波的情况下检测移动目标。多普勒频移是警用雷达枪的基础。SAR 和 ISAR 成像雷达利用多普勒频率生成地形和目标的高分辨率图像。多普勒频移也已用于多普勒导航雷达，以测量携带雷达系统的飞机的速度。此外，在气象雷达中提取多普勒频移可以识别其他技术无法识别的强风暴和危险的风切变。

第一台大型电子操控相控阵雷达于 1960 年代投入使用。用于飞机探测的机载 MTI 雷达是当时为美国海军的格鲁曼 E-2 机载预警 （AEW） 飞机开发的。HF 超视距雷达的许多特性在 1960 年代得到了证明，第一台设计用于探测弹道导弹和卫星的雷达也是如此。

数字时代的雷达

在 1970 年代，数字技术取得了巨大的进步，这使得现代雷达所需的信号和数据处理变得实用。机载脉冲多普勒雷达也取得了重大进展，大大增强了其在严重地面杂波中探测飞机的能力。美国空军的机载预警与控制系统 （AWACS） 雷达和军用机载拦截雷达依赖于脉冲多普勒原理。可能还值得注意的是，雷达在 1970 年代开始在航天器中用于环境遥感。

在接下来的十年中，雷达方法发展到雷达能够区分一种类型的目标和另一种类型的目标。用于防空的相控阵雷达（爱国者和宙斯盾系统）、机载轰炸机雷达（B-1B 飞机）和弹道导弹探测（铺路爪）的批量生产在 1980 年代也变得可行。遥感技术的进步使得测量吹过海洋的风、大地水准面（或平均海平面）、海洋粗糙度、冰况和其他环境影响成为可能。固态技术和集成微波电路允许新的雷达功能出现，而这些功能在一二十年前还只是学术上的好奇心。

1990 年代计算机技术的持续进步使得从雷达回波中获得有关目标性质和环境的更多信息。多普勒天气雷达系统（例如 Nexrad）的引入提供了新的危险天气预警能力，该系统可以测量风速的径向分量和降水速率。主要机场或附近安装了终端多普勒天气雷达 （TDWR），以警告起飞和降落过程中的危险风切变。对于空中交通管制等应用，制造商要求雷达无人值守运行，停机时间短，以便进行维修。多个国家/地区都在使用 HF 超视距雷达系统，主要用于探测超远距离（2,000 海里 [3,700 公里]）的飞机。天基雷达继续在全球范围内收集有关地球陆地和海洋表面的信息。太空探测器携带了改进的成像雷达系统，以获得金星表面的更高分辨率三维图像，首次穿透了其一直存在的不透明云层。

第一台弹道导弹防御雷达是在 1950 年代中期和 1960 年代构思和开发的。然而，随着 1972 年苏联和美国签署反弹道导弹 （ABM） 条约，美国的发展停止了。在波斯湾战争（1990-91 年）期间战术弹道导弹的使用使对雷达防御此类导弹的需求重新出现。俄罗斯（以及在此之前的苏联）不断增强其强大的基于雷达的防空系统，以对抗战术弹道导弹。以色列人部署了 Arrow 相控阵雷达作为 ABM 系统的一部分来保卫他们的家园。美国开发了一种移动式有源孔径（全固态）相控阵，称为战区高空区域防御地基雷达 （THAAD GBR），用于战区范围的反导系统。

21 世纪头十年数字技术的进步激发了信号和数据处理的进一步改进，目标是开发（几乎）全数字相控阵雷达。高功率发射机可用于频谱毫米波部分（通常为 94 GHz）的雷达应用，平均功率比以前高 100 到 1,000 倍。