劉永坦院士的成就

2019年1月8日，國家科學技術獎勵大會在人民大會堂召開。劉永坦、錢七虎獲得2018年度國家最高科學技術獎。這是中國科學技術獎勵中最高的榮譽。82歲高齡的劉老獲得此榮譽的背後，是數十年科研生涯中始終如一的辛勤耕耘。他的努力，讓中國海空域的安全得到了極大保證。國士無雙，此之謂也。

劉永坦，1936年12月出生於南京，祖籍湖北武漢。哈工大電子工程系教授，雷達與信號處理技術專家。1991年當選為中國科學院院士；1994年當選為中國工程院院士。

劉老的主要貢獻是逆合成孔徑雷達ISAR的研究和地波雷達的研製。90年代承擔的國家“863”計劃中“逆合成孔徑實驗雷達”（即ISAR）重大研究項目，劉老發展了運動補償理論，使其系統達到了國際先進水平，因此獲得了1997年的國家科學進步二等獎；而研製的高頻地波雷達，做到了全天候，全天時，超視距探測能力，讓我國在預警機數量不足的情況下，有效地掌握了對海中遠程預警能力。

高頻地波雷達的原理

下面就來簡單介紹一下劉老研製的高頻地波雷達的原理和作用機制。

電磁波按傳播途徑的不同，可以分為天波（電離層反射），地波（沿海浪傳播）和微波（只能直線傳播）幾種。其中天波是利用大氣電離層的反射，來完成超視距探測，通常可以達到數千公里；但由於電離層高度的關係，其存在一個最小探測距離，因此有盲區；微波則只能沿直線傳播，無法實現超視距探測；地波是通過掠地射入海平面的HF（High Frequency）波段雷達波沿著海面行進傳播從而實現超地平線探測目標的能力。此外還有一種非典型的傳播方式，叫大氣波導，是利用對流層中存在逆溫或水汽隨高度急劇變小的層次，在該層中電波形成超折射傳播。蘇聯人利用這個原理製成了音樂臺雷達，隨現代級驅逐艦一同被引入中國，甚至還裝到了較為新式的052D驅逐艦上。不過因為大氣波導的存在條件並不穩定，工作穩定性有很大問題。

大氣層內三種電磁波波傳播方式

高頻地波雷達利用的是垂直極化的HF頻段電磁波，頻率在2~30MHZ範圍內。由於海水的高導電能力，使得這個頻段的電磁波可以很小的衰減很遠距離，實現超地平線探測；

由於海洋中的波浪是一個非常複雜的現象，形成海浪的原因有地震，引力，風力。可以認為海浪中存在著無數個波長，無數個方向的波浪。因此當HF波入射到海平面時，總可以找到一對波長等於電磁波長1/2，由重力引起的波浪，其中一個與電磁波傳播方向相同，一個與電磁波傳播方向相反。電磁波與波浪的作用過程中，波浪好比一個光柵，因此物理過程可以等效成一個布拉格散射( scattering)：

高頻地波的Bragg散射

由於海浪波長等於1/2電磁波長，後向散射回去的電磁波可以想幹疊加，從而得到穩定高增益的信號。由於波浪一個向前運動一個向後運動，後向散射的電磁波將產生多普勒頻移，將產生兩個一階多普勒頻移產生的新頻率：f+fB,f-fB。fB為海浪因重力因素運動而產生的多普勒頻移。由於重力加速度g是常數，fB的值是f的函數，可以很容易算出。

但除了重力因素的波浪，波浪本身還有其他因素導致的流動，比如風吹和地震等，而波浪相速度是這些因素之和。此時根據雷達回波偏離一階多普勒頻移波峰的程度，就可以推算出波浪的速度是多少。

要想知道整個監控區域海洋洋流速度場的分佈，則需要多部雷達從不同方向發出電磁波，通過矢量合成得到結果。這也是地波雷達佔地面積大，需要用多個天線組成收發陣列的原因。

得到了洋流速度分佈後。由於艦船的速度與波浪不同，產生的多普勒頻移與fB和△f都不同，通過對回波進行信號處理，雷達就可以很容易的篩選出艦船目標。

我國高頻地波雷達的成果

劉永坦團隊在威海設置的高頻地波雷達站，實際運行獲得了相當好的效果，可以說，400公里內的艦船都無所遁形，而且可以持續跟蹤其航跡；

這種高頻地波雷達甚至發現過發現超低空飛行的戰鬥機；由於其固有的運行原理，即使超低空飛行的隱形飛機也無法逃脫雷達的發現；這在一定程度上也彌補了米波反隱身雷達低空盲區。

正是劉老不懈的努力和耕耘讓我國的地波雷達進入了實用化的戰備值班，及時不上了天波雷達盲區的監測，為專屬經濟區利益維護和國防安全帶了了極大保障。劉老在幾十年的時間裡，默默無聞做出著非凡的貢獻，他是國家的英雄，值得我們銘記。