20世紀(jì)30年代，戰(zhàn)爭(zhēng)陰云籠罩歐洲，英國政府急切需要能夠探測(cè)敵機(jī)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(cè)試了最初的雷達(dá)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(dá)站。當(dāng)納粹德國的空軍來襲時(shí)，這些雷達(dá)站能夠提供足夠的預(yù)警時(shí)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(jī)升空迎敵。1942年，為表彰沃特森-瓦特的功績(jī)，喬治五世授予了他爵士爵位。一些歷史學(xué)家認(rèn)為，如果沒有沃特森-瓦特，英國也許會(huì)輸?shù)暨@場(chǎng)殘酷的戰(zhàn)爭(zhēng)。

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(shí)我才十幾歲。演講中最精彩的部分是說他被超速雷達(dá)拍到停車的故事。在等待處理的時(shí)候，他寫了一首詩：

可憐的沃特森?瓦特爵士，成了雷達(dá)追蹤的目標(biāo)，

只能和大家說，我被自己的發(fā)明逮了個(gè)正著。

它神奇的眼睛洞穿一切，引導(dǎo)飛機(jī)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(dá)的創(chuàng)造人也要乖乖就范。 當(dāng)問起除了探測(cè)飛機(jī)雷達(dá)還有哪些用途，大多數(shù)人的反應(yīng)就是配有雷達(dá)測(cè)速槍的警察。事實(shí)上，雖然雷達(dá)用途廣泛，在車輛、天氣監(jiān)測(cè)、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(dá)應(yīng)用的發(fā)展，否則將會(huì)拖累技術(shù)創(chuàng)新的步伐。如果你覺得言過其實(shí)，不妨接著往下讀，看看雷達(dá)是如何根植于現(xiàn)代工業(yè)社會(huì)的，雖然監(jiān)管環(huán)境依然存在一些問題。這是一個(gè)有警示性的故事。盡管我在這里關(guān)注的是雷達(dá)，但對(duì)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(jī)、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(dá)技術(shù)基于沃特森?瓦特的工作，主要由電子研究實(shí)驗(yàn)室的前身MIT輻射實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)開發(fā)。由于美國的貢獻(xiàn)，雷達(dá)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(jī)駕駛員注意后方來襲的敵機(jī)。后來人們發(fā)現(xiàn)了這種設(shè)備在戰(zhàn)時(shí)的另一種用途：在廣島和長(zhǎng)崎投放的原子彈各自攜帶了4臺(tái)這種雷達(dá)設(shè)備，用于在設(shè)定高度引爆核彈。

戰(zhàn)后雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展依然保持活躍勢(shì)頭。伴隨著軍事系統(tǒng)進(jìn)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(xiàng)應(yīng)用陸續(xù)出現(xiàn)。當(dāng)前的雷達(dá)技術(shù)分為兩大類。一類直接繼承了戰(zhàn)時(shí)的雷達(dá)技術(shù)，在相對(duì)較窄的帶寬上集中發(fā)射大功率無線電波，能夠探測(cè)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(dá)無線電定位。另一類雷達(dá)技術(shù)的操作頻率很低，探測(cè)距離也很短。現(xiàn)在讓我們來談?wù)劺走_(dá)無線電定位。它的原理很簡(jiǎn)單：在目標(biāo)反射雷達(dá)波后測(cè)量雷達(dá)波返回的時(shí)間，就可以獲知目標(biāo)的距離。發(fā)射雷達(dá)波天線的指向則說明了目標(biāo)的方向。

當(dāng)然，具體測(cè)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(dá)設(shè)計(jì)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(jìn)了雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，使小型天線能夠發(fā)射更密集的雷達(dá)波，提高了探測(cè)距離和方向的準(zhǔn)確性。更加精密的接收器進(jìn)一步增加了雷達(dá)的探測(cè)距離。顯示技術(shù)的進(jìn)步同樣具有重要意義。沃特森-瓦特和他的團(tuán)隊(duì)很巧妙地在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有示波器基礎(chǔ)上發(fā)明了雷達(dá)顯示器。當(dāng)信號(hào)從發(fā)射器發(fā)出時(shí)，顯示器會(huì)出現(xiàn)一條水平軌跡，當(dāng)信號(hào)返回時(shí)，軌跡線會(huì)垂直突起，形成“尖峰信號(hào)”。水平軌跡的起點(diǎn)至“尖峰”的距離即為目標(biāo)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(hào)很快就使雷達(dá)操作員疲于應(yīng)付，增加了犯錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)。冷戰(zhàn)期間，美國和加拿大政府建立了遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)網(wǎng)：在兩國的北極地區(qū)由63座雷達(dá)站串聯(lián)的預(yù)警線。這套雷達(dá)網(wǎng)的目的是探測(cè)來襲的蘇聯(lián)轟炸機(jī)，爭(zhēng)取時(shí)間發(fā)起報(bào)復(fù)性打擊。如果漏掉任何信號(hào)或者錯(cuò)報(bào)信號(hào)，后果將是災(zāi)難性的。為此，設(shè)計(jì)人員開發(fā)了自動(dòng)尖峰探測(cè)系統(tǒng)，支持雷達(dá)操作員的工作。日后的應(yīng)用，如飛機(jī)的防撞系統(tǒng)和車輛的自動(dòng)剎車系統(tǒng)越來越依賴自動(dòng)探測(cè)。由于應(yīng)用了多普勒效應(yīng)，無線電定位的范圍大幅擴(kuò)張。因?yàn)槟繕?biāo)不斷接近時(shí)，返回的電磁波比發(fā)射時(shí)的頻率高，當(dāng)目標(biāo)遠(yuǎn)離時(shí)，返回的電磁波比發(fā)射時(shí)的頻率低。發(fā)射和接收的頻率差別能夠反映目標(biāo)和雷達(dá)之間的相對(duì)速度。一般而言，這種頻率的差別很小。例如，以每小時(shí)100公里的速度接近的目標(biāo)僅能使接收頻率提高不到500萬分之一。

幸運(yùn)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(dá)的應(yīng)用能夠測(cè)量大致的速度，和20世紀(jì)50年代抓拍沃特森?瓦特的警用雷達(dá)相似。直到20年后數(shù)字微處理器的出現(xiàn)才為雷達(dá)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(dá)中增強(qiáng)角分辨率。合成孔徑雷達(dá)將飛機(jī)或飛行器等移動(dòng)平臺(tái)上的多個(gè)雷達(dá)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(dá)能夠在黑暗中探測(cè)敵軍設(shè)施，還能穿透云層和植被。這種雷達(dá)技術(shù)的非軍事用途包括監(jiān)測(cè)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(dá)能夠測(cè)量雨雪下落顆粒的距離與橫向速度，使預(yù)報(bào)員能夠繪制風(fēng)暴和風(fēng)暴中旋風(fēng)的位置變化。這種系統(tǒng)甚至能夠穿過一個(gè)風(fēng)暴探測(cè)另外一個(gè)風(fēng)暴。還有一些系統(tǒng)能夠比較垂直和水平極化信號(hào)的圖像，鑒別雨水、冰雹、雪花和冰丸。這些雷達(dá)還能從空氣中的碎片含量探測(cè)龍卷風(fēng)，并實(shí)時(shí)繪制龍卷風(fēng)的位置和速度。政府官員可以利用這些信息向民眾預(yù)報(bào)龍卷風(fēng)的軌跡。經(jīng)過改造后，這種雷達(dá)能夠在機(jī)場(chǎng)跟蹤空中的細(xì)小顆粒，從而判斷風(fēng)切變。風(fēng)切變能在飛機(jī)起飛和降落時(shí)引發(fā)失速和墜機(jī)，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(dá)的首批使用者。這種多普勒雷達(dá)能夠穿透墻壁，鎖定人質(zhì)或綁匪，甚至能夠探測(cè)意識(shí)喪失、呼吸尚存的受害人。

經(jīng)過配置后，這種雷達(dá)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(dá)能夠鑒別地下巖層，監(jiān)測(cè)地層的不穩(wěn)定性，預(yù)測(cè)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(cè)風(fēng)電場(chǎng)附近的鳥群。當(dāng)鳥群接近時(shí)，可以讓渦輪葉片停轉(zhuǎn)，避免傷害鳥群。類似的雷達(dá)安裝在機(jī)場(chǎng)后可以防止類似2009年哈德遜河的迫降事故。當(dāng)時(shí)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(xiǎn)為夷。不久還將出現(xiàn)監(jiān)測(cè)騎車人的后視雷達(dá)。

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(zhǎng)距離操作需要大功率發(fā)射器和靈敏的接收器，因?yàn)槟芰吭趥鬏斅窂缴蠒?huì)擴(kuò)散，并在遇到目標(biāo)反射時(shí)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(huì)發(fā)生擴(kuò)散。總體而言，接收信號(hào)衰減率是目標(biāo)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(hào)功率太高會(huì)影響其他用戶，返回信號(hào)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(hào)。

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(bào)在內(nèi)的雷達(dá)應(yīng)用與人類的生命安全息息相關(guān)，因此無線電干擾會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。鑒于上述擔(dān)憂，人們也許希望為無線電定位建立強(qiáng)有力的監(jiān)管機(jī)制，規(guī)定明確的操作限制，同時(shí)要求新安裝的設(shè)施保護(hù)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(jī)制。美國聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）與其他國家的監(jiān)管機(jī)構(gòu)一樣，除了規(guī)定雷達(dá)可以使用的頻率外，鮮有作為。FCC以個(gè)案為基礎(chǔ)批準(zhǔn)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(zhǔn)任何種類的調(diào)制，但對(duì)批準(zhǔn)后的影響并沒有具體指導(dǎo)。事實(shí)上，F(xiàn)CC稱：“沒有預(yù)防性規(guī)定；你提出申請(qǐng)，我們來決定申請(qǐng)是否能通過。”加拿大和中國臺(tái)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?yàn)楫?dāng)一家公司提出新的無線電產(chǎn)品理念時(shí)，由于無法預(yù)知能否獲得批準(zhǔn)，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?yàn)樾庐a(chǎn)品提供批準(zhǔn)程序時(shí)，歐洲監(jiān)管機(jī)構(gòu)規(guī)定了詳細(xì)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。在其他地區(qū)，包括非洲部分地區(qū)，監(jiān)管機(jī)構(gòu)采用歐洲的標(biāo)準(zhǔn)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(duì)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(gè)頻段分配給民用無線電定位服務(wù)。除一個(gè)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(dá)用戶如何共用頻譜呢？一些滿足多個(gè)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(xì)節(jié)各有不同，但目的是向新用戶分配頻率時(shí)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(duì)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(gè)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)β?lián)邦系統(tǒng)的干擾風(fēng)險(xiǎn)，但是還沒有人研究如何在這些頻率上保護(hù)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(huì)被廣泛認(rèn)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(yùn)行的船舶設(shè)備——人們認(rèn)為這些設(shè)備持有許可，實(shí)際上并未有人申請(qǐng)過。

無線電定位并非雷達(dá)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(cè)量返回時(shí)間。另一大優(yōu)點(diǎn)是，此類波形能在許多無線電頻譜上傳輸能量——有時(shí)還包括千兆赫或更高的頻率。這種信號(hào)對(duì)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(dá)的總發(fā)射功率中只有極小的一部分會(huì)產(chǎn)生干擾，幾乎可以忽略不計(jì)。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(huì)對(duì)寬帶雷達(dá)的性能造成影響。寬頻譜范圍還具有監(jiān)管方面的優(yōu)勢(shì)。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(dá)能夠發(fā)射相對(duì)較高的功率，同時(shí)仍可符合政府的規(guī)定。20世紀(jì)70年代問世的探地雷達(dá)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(jī)場(chǎng)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(zhǔn)探地雷達(dá)，因此這種設(shè)備的銷售其實(shí)并不合法。由于探地雷達(dá)滿足了社會(huì)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(shí)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(zhǔn)了探地雷達(dá)和多個(gè)雷達(dá)成像系統(tǒng)。批準(zhǔn)程序如此曠日持久，原因在于此類寬帶傳輸合法化會(huì)招致包括主要美國政府機(jī)構(gòu)在內(nèi)的所有監(jiān)管頻譜用戶群的強(qiáng)烈反對(duì)，他們稱此類設(shè)備會(huì)嚴(yán)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(dāng)于中心頻率的20%或500兆赫，以兩者中的最低數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。隨著時(shí)間的推移，反對(duì)者的期望始終未能實(shí)現(xiàn)，其他國家開始實(shí)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(dá)。在某些情況下，實(shí)際功率會(huì)高出最初批準(zhǔn)的數(shù)值。這種名為寬帶雷達(dá)的設(shè)備使用超寬帶脈沖序列或調(diào)頻連續(xù)波信號(hào)，帶動(dòng)了車輛、采礦、工業(yè)、公共安全和新型機(jī)場(chǎng)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(dá)的國家制定了詳細(xì)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(zhǔn)工業(yè)級(jí)探測(cè)雷達(dá)（用于測(cè)量液體以及建筑內(nèi)外干燥原料的水平）時(shí)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(biāo)準(zhǔn)，這使他們能在多個(gè)國家銷售產(chǎn)品。全球?qū)拵Ю走_(dá)的許可政策還缺乏統(tǒng)一性。美國對(duì)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(dá)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(duì)部分種類的設(shè)備要求許可，其中包括探地雷達(dá)和一些工業(yè)雷達(dá)。目前，低功率雷達(dá)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(dá)功能的巡航控制、防撞報(bào)警、自動(dòng)剎車、盲區(qū)探測(cè)、變道輔助和輔助報(bào)警系統(tǒng)。就我所知，這些車輛雷達(dá)都不需要許可。但是車輛在路網(wǎng)中穿梭時(shí)，也把車載的電磁波帶到了各個(gè)角落。這使一些頻譜用戶感到擔(dān)憂，特別是射電天文學(xué)家。射電天文望遠(yuǎn)鏡極為敏銳，但在許多國家，車載雷達(dá)使用的頻率卻和射電天文望遠(yuǎn)鏡的頻率相同。監(jiān)管部門并不重視天文學(xué)家的擔(dān)憂，而是支持汽車制造商維護(hù)駕駛?cè)税踩某兄Z。汽車?yán)走_(dá)優(yōu)先于射電天文學(xué)的呼吁似乎很容易接受。但是當(dāng)水平探測(cè)雷達(dá)產(chǎn)業(yè)提出保護(hù)射電天文觀測(cè)，不在望遠(yuǎn)鏡附近安裝干擾源時(shí)，F(xiàn)CC卻拒絕執(zhí)行這一要求。監(jiān)管部門認(rèn)為，繁多的規(guī)定會(huì)限制雷達(dá)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(huì)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(dá)會(huì)用來探測(cè)超速，他決不會(huì)發(fā)明這玩意兒。但若得知他的發(fā)明不僅能在戰(zhàn)時(shí)保護(hù)不列顛人民，還能使我們?cè)诠I(yè)場(chǎng)地、空中旅行和高速路上更加安全，他也許會(huì)改變想法——甚至感到非常高興。

原文標(biāo)題：無處不在的雷達(dá)：盡管監(jiān)管技術(shù)往往使新技術(shù)的開發(fā)充滿風(fēng)險(xiǎn)，但雷達(dá)應(yīng)用還是在激增

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