20世紀30年代，戰(zhàn)爭陰云籠罩歐洲，英國政府急切需要能夠探測敵機的技術(shù)。盡管工程師羅伯特?沃特森?瓦特（Robert Watson-Watt）一副書呆子模樣，卻在1935年成功為英國發(fā)明并測試了最初的雷達系統(tǒng)。在1940年的不列顛之戰(zhàn)中，英國東部和南部的海岸已經(jīng)建成了一系列雷達站。當納粹德國的空軍來襲時，這些雷達站能夠提供足夠的預(yù)警時間讓平民尋找地下掩體，皇家空軍的飛行員也可以駕駛戰(zhàn)機升空迎敵。1942年，為表彰沃特森-瓦特的功績，喬治五世授予了他爵士爵位。一些歷史學家認為，如果沒有沃特森-瓦特，英國也許會輸?shù)暨@場殘酷的戰(zhàn)爭。

15年后，60歲的沃特森-瓦特到訪加拿大，并在我所在的高中演講，那時我才十幾歲。演講中最精彩的部分是說他被超速雷達拍到停車的故事。在等待處理的時候，他寫了一首詩：

可憐的沃特森?瓦特爵士，成了雷達追蹤的目標，

只能和大家說，我被自己的發(fā)明逮了個正著。

它神奇的眼睛洞穿一切，引導(dǎo)飛機沖出云霄。

但諷刺的是，它抓住了騎摩托的超速老頭。

在法律面前，雷達的創(chuàng)造人也要乖乖就范。 當問起除了探測飛機雷達還有哪些用途，大多數(shù)人的反應(yīng)就是配有雷達測速槍的警察。事實上，雖然雷達用途廣泛，在車輛、天氣監(jiān)測、空中偵察中都能大顯身手，甚至可以穿透墻壁，但是隨著應(yīng)用領(lǐng)域的快速發(fā)展，包括美國在內(nèi)的政府監(jiān)管部門越來越難以跟上步伐。政府部門有必要跟上雷達應(yīng)用的發(fā)展，否則將會拖累技術(shù)創(chuàng)新的步伐。如果你覺得言過其實，不妨接著往下讀，看看雷達是如何根植于現(xiàn)代工業(yè)社會的，雖然監(jiān)管環(huán)境依然存在一些問題。這是一個有警示性的故事。盡管我在這里關(guān)注的是雷達，但對其他很多技術(shù)來說也有警示意義，包括但不限于遙控飛機、基于軟件應(yīng)用的駕乘分享系統(tǒng)、密碼貨幣等。

第二次世界大戰(zhàn)的雷達技術(shù)基于沃特森?瓦特的工作，主要由電子研究實驗室的前身MIT輻射實驗室負責開發(fā)。由于美國的貢獻，雷達設(shè)備才變得更加高效、可靠和精巧。一部鞋盒大小的電子集成設(shè)備就可提醒戰(zhàn)斗機駕駛員注意后方來襲的敵機。后來人們發(fā)現(xiàn)了這種設(shè)備在戰(zhàn)時的另一種用途：在廣島和長崎投放的原子彈各自攜帶了4臺這種雷達設(shè)備，用于在設(shè)定高度引爆核彈。

戰(zhàn)后雷達技術(shù)的發(fā)展依然保持活躍勢頭。伴隨著軍事系統(tǒng)進步，兩種民用途徑迅速涌現(xiàn)：空中交通管制和海上碰撞事故預(yù)防。在其后幾十年中，數(shù)十項應(yīng)用陸續(xù)出現(xiàn)。當前的雷達技術(shù)分為兩大類。一類直接繼承了戰(zhàn)時的雷達技術(shù)，在相對較窄的帶寬上集中發(fā)射大功率無線電波，能夠探測數(shù)百公里的范圍。監(jiān)管部門將這種形式的技術(shù)稱為雷達無線電定位。另一類雷達技術(shù)的操作頻率很低，探測距離也很短?，F(xiàn)在讓我們來談?wù)劺走_無線電定位。它的原理很簡單：在目標反射雷達波后測量雷達波返回的時間，就可以獲知目標的距離。發(fā)射雷達波天線的指向則說明了目標的方向。

當然，具體測量的精確程度取決于使用的電子設(shè)備。在第二次世界大戰(zhàn)中，雷達設(shè)計人員不得不受制于真空管的限制。戰(zhàn)后，晶體管的發(fā)明以及更高的操作頻率促進了雷達技術(shù)的發(fā)展，使小型天線能夠發(fā)射更密集的雷達波，提高了探測距離和方向的準確性。更加精密的接收器進一步增加了雷達的探測距離。顯示技術(shù)的進步同樣具有重要意義。沃特森-瓦特和他的團隊很巧妙地在實驗室現(xiàn)有示波器基礎(chǔ)上發(fā)明了雷達顯示器。當信號從發(fā)射器發(fā)出時，顯示器會出現(xiàn)一條水平軌跡，當信號返回時，軌跡線會垂直突起，形成“尖峰信號”。水平軌跡的起點至“尖峰”的距離即為目標的距離。

這種顯示器是可行的，但從“雜草”（噪聲）中不斷觀察尖峰信號很快就使雷達操作員疲于應(yīng)付，增加了犯錯的風險。冷戰(zhàn)期間，美國和加拿大政府建立了遠程預(yù)警雷達網(wǎng)：在兩國的北極地區(qū)由63座雷達站串聯(lián)的預(yù)警線。這套雷達網(wǎng)的目的是探測來襲的蘇聯(lián)轟炸機，爭取時間發(fā)起報復(fù)性打擊。如果漏掉任何信號或者錯報信號，后果將是災(zāi)難性的。為此，設(shè)計人員開發(fā)了自動尖峰探測系統(tǒng)，支持雷達操作員的工作。日后的應(yīng)用，如飛機的防撞系統(tǒng)和車輛的自動剎車系統(tǒng)越來越依賴自動探測。由于應(yīng)用了多普勒效應(yīng)，無線電定位的范圍大幅擴張。因為目標不斷接近時，返回的電磁波比發(fā)射時的頻率高，當目標遠離時，返回的電磁波比發(fā)射時的頻率低。發(fā)射和接收的頻率差別能夠反映目標和雷達之間的相對速度。一般而言，這種頻率的差別很小。例如，以每小時100公里的速度接近的目標僅能使接收頻率提高不到500萬分之一。

幸運的是，工程師很早就知道如何制作能夠精確比較相似頻率的電路。早期多普勒雷達的應(yīng)用能夠測量大致的速度，和20世紀50年代抓拍沃特森?瓦特的警用雷達相似。直到20年后數(shù)字微處理器的出現(xiàn)才為雷達的發(fā)展帶來新的變革。例如，多普勒效應(yīng)可以用來在合成孔徑雷達中增強角分辨率。合成孔徑雷達將飛機或飛行器等移動平臺上的多個雷達掃描數(shù)據(jù)結(jié)合，得到類似紅外成像的圖像。作為軍事偵察的理想技術(shù)，合成孔徑雷達能夠在黑暗中探測敵軍設(shè)施，還能穿透云層和植被。這種雷達技術(shù)的非軍事用途包括監(jiān)測湖冰和河冰、冰川、農(nóng)作物、濫砍濫伐以及海岸侵蝕，還能跟蹤森林火災(zāi)、洪水、火山爆發(fā)和石油泄漏。

電視觀眾和互聯(lián)網(wǎng)氣象愛好者所熟悉的多普勒氣象雷達能夠測量雨雪下落顆粒的距離與橫向速度，使預(yù)報員能夠繪制風暴和風暴中旋風的位置變化。這種系統(tǒng)甚至能夠穿過一個風暴探測另外一個風暴。還有一些系統(tǒng)能夠比較垂直和水平極化信號的圖像，鑒別雨水、冰雹、雪花和冰丸。這些雷達還能從空氣中的碎片含量探測龍卷風，并實時繪制龍卷風的位置和速度。政府官員可以利用這些信息向民眾預(yù)報龍卷風的軌跡。經(jīng)過改造后，這種雷達能夠在機場跟蹤空中的細小顆粒，從而判斷風切變。風切變能在飛機起飛和降落時引發(fā)失速和墜機，導(dǎo)致致命事故。警察和其他第一響應(yīng)人員是多普勒雷達的首批使用者。這種多普勒雷達能夠穿透墻壁，鎖定人質(zhì)或綁匪，甚至能夠探測意識喪失、呼吸尚存的受害人。

經(jīng)過配置后，這種雷達還能幫助搜救人員搜尋困在建筑廢墟中的人員。在礦區(qū)使用的多普勒雷達能夠鑒別地下巖層，監(jiān)測地層的不穩(wěn)定性，預(yù)測可能發(fā)生的塌方。這些僅僅是目前已有的應(yīng)用。未來的應(yīng)用將包括探測風電場附近的鳥群。當鳥群接近時，可以讓渦輪葉片停轉(zhuǎn)，避免傷害鳥群。類似的雷達安裝在機場后可以防止類似2009年哈德遜河的迫降事故。當時一架從紐約起飛的航班被一群加拿大大雁撞擊，迫降哈德遜河后才化險為夷。不久還將出現(xiàn)監(jiān)測騎車人的后視雷達。

電磁波頻譜有些類似潛水艇的空間：總是不夠用。因此，無線電頻譜的用戶通常不得不共用頻譜。現(xiàn)在的問題是，無線電定位在這方面做得并不好。長距離操作需要大功率發(fā)射器和靈敏的接收器，因為能量在傳輸路徑上會擴散，并在遇到目標反射時發(fā)生分散。只有很小一部分能量能返回接收器，在這一過程中還會發(fā)生擴散?？傮w而言，接收信號衰減率是目標距離的4次方。從共用角度而言，無線電定位的情況最為棘手：發(fā)射信號功率太高會影響其他用戶，返回信號太弱則極易受到干擾——盡管接收器的數(shù)字處理能夠消除部分干擾信號。

更麻煩的是，包括國防、空中交通管制、航海安全和天氣預(yù)報在內(nèi)的雷達應(yīng)用與人類的生命安全息息相關(guān)，因此無線電干擾會導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。鑒于上述擔憂，人們也許希望為無線電定位建立強有力的監(jiān)管機制，規(guī)定明確的操作限制，同時要求新安裝的設(shè)施保護已經(jīng)使用的電波。但是，包括美國在內(nèi)的一些國家并沒有這種機制。美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）與其他國家的監(jiān)管機構(gòu)一樣，除了規(guī)定雷達可以使用的頻率外，鮮有作為。FCC以個案為基礎(chǔ)批準無線電定位的功率和帶寬，并能在“令人滿意的需求”的基礎(chǔ)上以相同方式批準任何種類的調(diào)制，但對批準后的影響并沒有具體指導(dǎo)。事實上，F(xiàn)CC稱：“沒有預(yù)防性規(guī)定；你提出申請，我們來決定申請是否能通過?！奔幽么蠛椭袊_灣在管理無線電定位設(shè)備方面采取了類似的政策。也許這種政策的目的是減少新技術(shù)的監(jiān)管障礙。這種想法是值得贊賞的。

但是，模糊的規(guī)則更可能成為障礙。因為當一家公司提出新的無線電產(chǎn)品理念時，由于無法預(yù)知能否獲得批準，就可能不愿意投資開發(fā)該產(chǎn)品。但是，這種寬松的方式并不具有普適性。例如，在特批已有設(shè)備或為新產(chǎn)品提供批準程序時，歐洲監(jiān)管機構(gòu)規(guī)定了詳細的技術(shù)標準。在其他地區(qū)，包括非洲部分地區(qū)，監(jiān)管機構(gòu)采用歐洲的標準和程序。其他一些非西方國家采取一刀切的方式，禁止私人使用大功率無線電定位設(shè)備，只有政府和軍隊才能使用。美國并沒有采用這種方式。相反，政府將70千赫至81千兆赫之間的14個頻段分配給民用無線電定位服務(wù)。除一個頻段外，所有這些頻段都與其他應(yīng)用共用。2900兆赫以上的最有用的頻率還與聯(lián)邦無線電定位用戶共用。

但是，美國民間雷達用戶如何共用頻譜呢？一些滿足多個用戶的無線電服務(wù)采用了無線電協(xié)調(diào)程序。協(xié)調(diào)的細節(jié)各有不同，但目的是向新用戶分配頻率時將現(xiàn)有頻率的干擾或?qū)ΜF(xiàn)有頻率的干擾降至最低。在美國，需要頻率協(xié)調(diào)的頻譜類型包括無線電對講系統(tǒng)、部分衛(wèi)星地面站，以及用于連接蜂窩基站的大部分固定微波無線電鏈路。但是無線電定位屬于例外。想要安裝新型無線電定位裝置的公司可以在無線電定位頻率中隨意選擇工作頻率。聯(lián)邦頻譜主管部門研究了每個應(yīng)用領(lǐng)域?qū)β?lián)邦系統(tǒng)的干擾風險，但是還沒有人研究如何在這些頻率上保護非聯(lián)邦政府的用戶。在美國和其他允許私人使用無線電定位設(shè)備的國家，雖然不會被廣泛認可，但一些設(shè)備需要許可要求似乎是普遍適用的。FCC的數(shù)據(jù)庫顯示，全美有近2000份活躍的無線電許可，其中尚未包括在美國水域運行的船舶設(shè)備——人們認為這些設(shè)備持有許可，實際上并未有人申請過。

無線電定位并非雷達的唯一用途。其后發(fā)展的另一大應(yīng)用類型的發(fā)射功率很低（通常低于1毫瓦），范圍很小，一般為幾米或更短的距離。使用無線電帶寬更寬，通常為數(shù)十至數(shù)百兆赫。這些儀器發(fā)射的脈沖更短更清晰，使設(shè)備能更加精確地測量返回時間。另一大優(yōu)點是，此類波形能在許多無線電頻譜上傳輸能量——有時還包括千兆赫或更高的頻率。這種信號對大多數(shù)接收器幾乎沒有干擾，由于這些接收器的靈敏度僅限于很窄的頻率范圍，因此雷達的總發(fā)射功率中只有極小的一部分會產(chǎn)生干擾，幾乎可以忽略不計。反之，由于大多數(shù)無線電只占用很窄的頻譜，因此幾乎不會對寬帶雷達的性能造成影響。寬頻譜范圍還具有監(jiān)管方面的優(yōu)勢。通常，各國政府在每兆赫基礎(chǔ)上設(shè)定功率限制，使用寬帶寬的雷達能夠發(fā)射相對較高的功率，同時仍可符合政府的規(guī)定。20世紀70年代問世的探地雷達就是這類技術(shù)的早期應(yīng)用。

這種設(shè)備幫助挖掘人員尋找地下管道和纜線，發(fā)現(xiàn)高速公路和機場跑道表面下隱藏的瑕疵。有次甚至發(fā)現(xiàn)了西伯利亞永久凍土下的猛犸象。數(shù)十年來，美國并沒有批準探地雷達，因此這種設(shè)備的銷售其實并不合法。由于探地雷達滿足了社會重要的需求，改善了公共安全，也沒有造成干擾問題，因此，在近30年時間里，監(jiān)管部門并沒有為難這種設(shè)備的生產(chǎn)制造。2002年，作為超寬帶程序的一部分，F(xiàn)CC最終批準了探地雷達和多個雷達成像系統(tǒng)。批準程序如此曠日持久，原因在于此類寬帶傳輸合法化會招致包括主要美國政府機構(gòu)在內(nèi)的所有監(jiān)管頻譜用戶群的強烈反對，他們稱此類設(shè)備會嚴重干擾其系統(tǒng)。

FCC回應(yīng)將為所有超寬帶設(shè)備設(shè)定很低的功率限制，保證這些設(shè)備的能量傳輸僅占用很小一部分頻譜。為此，F(xiàn)CC規(guī)定超寬帶設(shè)備的功率不得超過每兆赫75毫微瓦。FCC還規(guī)定了最低帶寬，相當于中心頻率的20%或500兆赫，以兩者中的最低數(shù)據(jù)為準。隨著時間的推移，反對者的期望始終未能實現(xiàn)，其他國家開始實施相同的規(guī)定。美國和歐洲的一些國家開始允許使用低帶寬的雷達。在某些情況下，實際功率會高出最初批準的數(shù)值。這種名為寬帶雷達的設(shè)備使用超寬帶脈沖序列或調(diào)頻連續(xù)波信號，帶動了車輛、采礦、工業(yè)、公共安全和新型機場應(yīng)用的興起。與大功率無線電定位相比，允許使用低功率寬帶雷達的國家制定了詳細的技術(shù)規(guī)定。一些國家效仿另一些國家的規(guī)則，不過世界上大多數(shù)超寬帶規(guī)則是沿襲美國的規(guī)定。

與之相反，F(xiàn)CC最近批準工業(yè)級探測雷達（用于測量液體以及建筑內(nèi)外干燥原料的水平）時采用的是歐洲的技術(shù)規(guī)則。制造商歡迎全球統(tǒng)一的標準，這使他們能在多個國家銷售產(chǎn)品。全球?qū)拵Ю走_的許可政策還缺乏統(tǒng)一性。美國對此類設(shè)備放行，無需許可，但部分設(shè)備僅限于急救人員等特殊用戶群體。在加拿大具有技術(shù)規(guī)定的雷達設(shè)備在美國同樣無須許可。但是包括歐洲國家在內(nèi)的一些國家對部分種類的設(shè)備要求許可，其中包括探地雷達和一些工業(yè)雷達。目前，低功率雷達在汽車行業(yè)應(yīng)用最普遍。

越來越多的轎車和卡車裝配了具有雷達功能的巡航控制、防撞報警、自動剎車、盲區(qū)探測、變道輔助和輔助報警系統(tǒng)。就我所知，這些車輛雷達都不需要許可。但是車輛在路網(wǎng)中穿梭時，也把車載的電磁波帶到了各個角落。這使一些頻譜用戶感到擔憂，特別是射電天文學家。射電天文望遠鏡極為敏銳，但在許多國家，車載雷達使用的頻率卻和射電天文望遠鏡的頻率相同。監(jiān)管部門并不重視天文學家的擔憂，而是支持汽車制造商維護駕駛?cè)税踩某兄Z。汽車雷達優(yōu)先于射電天文學的呼吁似乎很容易接受。但是當水平探測雷達產(chǎn)業(yè)提出保護射電天文觀測，不在望遠鏡附近安裝干擾源時，F(xiàn)CC卻拒絕執(zhí)行這一要求。監(jiān)管部門認為，繁多的規(guī)定會限制雷達產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在許多情況中，這種考慮是合情合理的，但過度靈活的監(jiān)管政策會造成不確定性，反而影響創(chuàng)新，威脅其他服務(wù)。

沃特森?瓦特和攔下他的警察開玩笑說，如果知道雷達會用來探測超速，他決不會發(fā)明這玩意兒。但若得知他的發(fā)明不僅能在戰(zhàn)時保護不列顛人民，還能使我們在工業(yè)場地、空中旅行和高速路上更加安全，他也許會改變想法——甚至感到非常高興。

原文標題：無處不在的雷達：盡管監(jiān)管技術(shù)往往使新技術(shù)的開發(fā)充滿風險，但雷達應(yīng)用還是在激增

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責任編輯：haq