1934年，一批英国科学家在沃森·瓦特领导下用无线电对地球大气层进行了广泛且深入的研究。有一天，他惊奇地发现荧光屏上出现了一连串明亮的奇怪的光点，但要从亮度和距离上进行分析，这些光点根本不是那些被电离层反射回来的无线电回波信号。又经过了反复实验，他才终于弄明白，原来这些明亮的光点显示的正是被实验室附近一座大楼所反射回来的无线电回波信号。沃森·瓦特马上举一反三地想到，在荧光屏上既然可以如此清楚地显示出被高大的建筑物反射的无线电信号，那么一些活动的目标（例如那些在空中飞行着的飞机）是不是也可以在荧光屏上得到反映呢？根据这一想法，沃森·瓦特和英国电机工程师很快就在1935年研制成功世界上第一部能用来探测天空中飞行的飞机的雷达。后来，雷达的探测的目标又被扩展到每一只船舶、每一片海岸、每一个岛屿、每一座山峰、每一块礁石、每一座冰山，以及一切能够反射电磁波的物体上。
当时人们如此废寝忘食地研制雷达，纯粹是为了满足军事上的特殊需要，他们是在执行一项秘密的军事任务，因此全都是在十分保密的状态下悄悄地进行研制工作。无数科学家都在各自的国家里，在严格保密的条件下独立地进行着紧张的研究工作，并且他们都各自独立地取得了巨大的成就，涌现出了无数杰出的代表人物。而沃森·瓦特只是在这方面更为大家所知晓的其中一个代表人物而已。
到1939年为止，这些国家秘密发展起来的雷达技术已经达到了完全实用的地步。就在这一年，第二次世界大战爆发，这项新发明在其中崭露头角、屡建奇功，向全世界显示了它的巨大威力。
当时人们在雷达领域里各自独立地取得的研究成果层出不穷，但根本无法明确判断到底哪一部才是世界上第一部真正意义上的雷达。
美国在1936年1月研制出一部可以探测40千米外目标的飞机专用的脉冲雷达；德国在1935年9月制造出一部可以探测到19千米之外海岸目标和8千米外舰船的船用雷达；而法国在1936年已经把早期的雷达装上了“诺曼底”大邮船，以防在航行中碰到危险的冰山。
但人们一致公认的最早投入使用的军用雷达则是由英国研制的，英国科学家沃森·瓦特在其中起了至关重要的作用。沃森·瓦特当时光荣地担任了英国国家物理实验室无线电研究室的主任，早在20世纪30年代初他就曾领导过一项利用无线电波探测电离层方面的研究，成功使用了阴极射线管来接收和显示无线电回波，并计测出电波从发射到反射回来所花的精确时间，从而确定电离层离地面的具体高度。1935年1月，当他接受英军委托开始着手研究和利用一种电波探测空中飞机的设备的时候，就充分利用了已经取得的研究成果，无比迅速地研制出了一部对空警戒雷达的试验装置。2月26日，沃森·瓦特带着这部试验装置为军事部门领导人进行了一次引人入胜的雷达表演，雷达轻易地探测到了16千米外出现在天空中的飞机。后来又经过一番彻底地改进，到1936年1月，沃森·瓦特已经把雷达探测距离一下延伸到了120千米。
到1938年，英国正式开始全面启动了沃森·瓦特设计的雷达，组建了非常壮观的世界上最早的防空雷达网。1939年9月，就在第二次世界大战爆发的时候，英国早已在它的东海岸上建立起了一个由20个地面雷达站组成的千里绵延的“本土链”雷达网。这张雷达网在举世震惊的“不列颠战役”中为粉碎纳粹德国对英国疯狂的空袭立下了汗马功劳。每当德国人偷偷来空袭的时候，英国就靠着这条至关重要的“本土链”一次次地赢得了20分钟宝贵的预警时间，出动900架战斗机前后一共抵挡住了德国2600余架飞机的疯狂进攻，沃森·瓦特研制的雷达在扞卫英国独立与尊严、抗击德国侵略的战争中功不可没。
至此，雷达在世界各国悄悄地流行起来，而且它的性能也越来越先进了。
第六节“捕风捉影”——气象雷达
1.走近气象雷达
瞬息万变的天气对人类生产和生活的方方面面产生着极为重大的影响，如何观测高空大气的微妙变化，准确迅速地预测出将要发生的灾害天气，是人类征服大自然首先要面对的一个巨大难题。于是人类发明了天气雷达，用它来探测大气中气象千变万化，它是人类智慧结晶出来的“千里眼、顺风耳”。气象站的天气雷达间歇性地向着风起云涌的空中发射一定频率的电磁波（脉冲），然后再把被气象目标散射回来的电磁波（回波）用特殊的接收设备进行接收处理，之后方圆400多千米半径范围内一切气象目标的空间位置和特性就会一览无余地展现在人们面前。这样，一切灾害天气就难逃天气雷达的监测预警。多普勒雷达就是这样一种天气雷达，所有龙卷风在它的探测视野范围内都将无处遁形。
气象雷达就是这种专门用于大气探测的特殊雷达，属于一种主动式微波大气遥感设备。而那种与无线电探空仪配套使用的小型高空测风雷达只是一种对在天空中位移的气球定位的一种专门设备，一般不能算做是气象雷达。
气象雷达就是用来时刻警戒和及时预报中、小尺度天气系统（如台风和暴雨云系）不可缺少的探测工具之一。常规的气象雷达装置大体上由以下几个部分的构件组成：定向天线、发射机、接收机、天线控制器、显示器和照相装置、电子计算机和图象传输等。
气象雷达使用的无线电波长范围很宽，从1～1000厘米。它们常被划分成不同的波段，以区别这些雷达的不同功能。气象雷达常用1、3、5、10和20厘米波长，这些波长各自对应着以下几个不同的波段：K波段（波长0.75～2.4厘米）、X波段（波长2.4～3.75厘米）、C波段（波长3.75～7.5厘米）、S波段（波长7.5～15厘米）和L波段（波长15～30厘米），还有频率略低的超高频和甚高频雷达的波长范围分别为10～100厘米和100～1000厘米。
雷达之所以能探测到周围不同的大气目标的不同性能，这和雷达不同工作波长密切有关。要把云雨粒子对不同波长的无线电波的散射和吸收结合起来综合考虑，各种波段就只剩下一小段狭窄的适用范围。人们常用K波段雷达来探测天空中各种不产生降水的云，而用X、C和S波段雷达探测那些会降水的云，其中S波段最适用于探测暴雨和冰雹，若用高灵敏度的超高频和甚高频雷达还可以探测出对流层-平流层的高空气流流动情况。
2.气象雷达发展简史
在第二次世界大战之前，雷达已经被首先用于各种军事目的。当时云、雨等气象目标的回波还被人们作为一种干扰看待。1941年英国率先开始使用雷达探测远处到来的风暴。
1942～1943年，美国麻省理工学院专门设计了一种为气象目的使用的雷达。在气象雷达发展初期，它一般要靠手工操作才能对回波资料作一些定性分析。直到20世纪60年代人们采用了多普勒技术装备雷达，研制成功了气象多普勒雷达，这种雷达具有非常强的对大气流场结构的定量探测能力。后来，常规雷达的数字显示和彩色显示功能跟着相继出现。
到了20世纪70年代，人们除联合使用多部多普勒雷达外，又相继发展出了许多先进雷达，它们是大功率高灵敏度的甚高频和超高频多普勒雷达和具有多普勒性能的高分辨率调频连续波雷达；而且还在原来简单的雷达结构上，广泛采用了集成电路，配备上了小型或微型电子计算机，使气象雷达一举升级，拥有对探测资料进行实时数字处理和数字化远距离传输特殊本领；还有的天气雷达已经能按照人们预先给它编好的程序，在电子计算机的操纵下自动进行气象观测，并逐步向全自动化观测网的方向飞速发展。
3.气象雷达的工作原理
气象雷达通过它灵巧的天线向又宽又广的天空发射一系列脉冲无线电波，让这些脉冲电波在传播过程中和大气发生各种复杂的相互作用。这些作用有以下情况：大气中水汽凝结物（云、雾和降水）对雷达发射的某种频率的波的散射和吸收作用；某种非球形粒子对雷达发射的圆极化波散射后产生的退极化作用，无线电波的空气折射作用的不均匀结构和因为闪电放电形成的一些电离介质对电波的散射作用，稳定层结大气对入射波的部分反射作用；散射体积内的散射目标产生的相对运动对入射波产生的一系列多普勒效应；等等。
气象雷达回波不仅可以确定出任何探测目标具体的空间位置、形状、尺度、移动和发展变化等宏观特性，还可以根据回波信号特殊的振幅、相位、频率和偏振度等确定每一个目标物的各种物理特性，例如天边的云的含水量、降水强度、风场、铅直气流速度、大气湍流以及闪电等。此外，对流层大气温度和湿度随高度的变化会引起电磁波折射率的变化特性，根据气象雷达探测到的对流层中温度和湿度的垂直分布数据，求出大气对电磁波的折射率的垂直梯度，并可以通过分析无线电波特殊的传播条件，预报雷达的探测距离；也可根据雷达探测距离出现的一些异常现象（如超折射现象）推断大气温度和湿度的层结。
4.气象雷达的种类划分
目前世界上使用的气象雷达主要有以下几个种类：
（1）测云雷达。它是用来探测那些高高地挂在天空的未形成降水的云层高度、厚度以及云内物理特性的雷达。它常用的波长有1.25厘米或0.86厘米两种。
（2）降水雷达。它是用来探测那些降水云层的发生、发展和移动，并以此来随时警戒和跟踪降水天气系统的一种雷达。
（3）冰雹雷达。一般的气象雷达会发射出一种水平极化波或垂直极化波，而圆极化雷达则会发射出圆极化波。雷达发射圆极化波时，球形雨滴的回波将是一种方向和原极化波相反方向旋转的圆极化波，而那些非球形大粒子（如冰雹）对圆极化波不会产生方向相反的极化回波，而是会引起另一种退极化作用，利用非球形冰雹这种退极化性质的回波特征，圆极化雷达可用来识别出即将到来的风暴中有无冰雹存在。
（4）调频连续波雷达。
它是一种探测边界层大气的雷达，有极高的距离分辨率和灵敏度，主要用来测定边界层晴空大气的波动、风和湍流（大气边界层）。
（5）气象多普勒雷达。
它是利用多普勒效应来测量云和降水粒子相对于雷达的径向运动速度的一种雷达，径向运动就是沿半径方向的运动。
（6）甚高频和超高频多普勒雷达。这种雷达是利用对流层、平流层大气对电磁波折射率的不均匀结构和中层大气自由电子的散射，探测1～100千米高度晴空大气中的水平风廓线、垂直气流廓线、大气湍流参数、大气稳定层结和大气波动等的雷达。
还有那些现在还处于研究试验中的双波长雷达和机载多普勒雷达。20世纪70年代以来，新发展出来的合成孔径雷达已经不断加速机载多普勒雷达今后的发展进程。新型的机载多普勒雷达具有很强的机动性，可以用它来取得分辨率很高的对流风暴的速度分布图。
第七节纷至沓来——脉冲多普勒雷达
1.从多普勒效应到多普勒雷达
在日常生活中，我们会注意到，一辆发出尖锐警报声的警车从远处迎面驶来的时候，当警车离你越近时，它的汽笛声的音调就会越高。当警车开始远离你的时候，你所听到的音调就越来越低，这种现象就称为多普勒效应。
