刘永坦院士的成就

2019年1月8日，国家科学技术奖励大会在人民大会堂召开。刘永坦、钱七虎获得2018年度国家最高科学技术奖。这是中国科学技术奖励中最高的荣誉。82岁高龄的刘老获得此荣誉的背后，是数十年科研生涯中始终如一的辛勤耕耘。他的努力，让中国海空域的安全得到了极大保证。国士无双，此之谓也。

刘永坦，1936年12月出生于南京，祖籍湖北武汉。哈工大电子工程系教授，雷达与信号处理技术专家。1991年当选为中国科学院院士；1994年当选为中国工程院院士。

刘老的主要贡献是逆合成孔径雷达ISAR的研究和地波雷达的研制。90年代承担的国家“863”计划中“逆合成孔径实验雷达”（即ISAR）重大研究项目，刘老发展了运动补偿理论，使其系统达到了国际先进水平，因此获得了1997年的国家科学进步二等奖；而研制的高频地波雷达，做到了全天候，全天时，超视距探测能力，让我国在预警机数量不足的情况下，有效地掌握了对海中远程预警能力。

高频地波雷达的原理

下面就来简单介绍一下刘老研制的高频地波雷达的原理和作用机制。

电磁波按传播途径的不同，可以分为天波（电离层反射），地波（沿海浪传播）和微波（只能直线传播）几种。其中天波是利用大气电离层的反射，来完成超视距探测，通常可以达到数千公里；但由于电离层高度的关系，其存在一个最小探测距离，因此有盲区；微波则只能沿直线传播，无法实现超视距探测；地波是通过掠地射入海平面的HF（High Frequency）波段雷达波沿着海面行进传播从而实现超地平线探测目标的能力。此外还有一种非典型的传播方式，叫大气波导，是利用对流层中存在逆温或水汽随高度急剧变小的层次，在该层中电波形成超折射传播。苏联人利用这个原理制成了音乐台雷达，随现代级驱逐舰一同被引入中国，甚至还装到了较为新式的052D驱逐舰上。不过因为大气波导的存在条件并不稳定，工作稳定性有很大问题。

大气层内三种电磁波波传播方式

高频地波雷达利用的是垂直极化的HF频段电磁波，频率在2~30MHZ范围内。由于海水的高导电能力，使得这个频段的电磁波可以很小的衰减很远距离，实现超地平线探测；

由于海洋中的波浪是一个非常复杂的现象，形成海浪的原因有地震，引力，风力。可以认为海浪中存在着无数个波长，无数个方向的波浪。因此当HF波入射到海平面时，总可以找到一对波长等于电磁波长1/2，由重力引起的波浪，其中一个与电磁波传播方向相同，一个与电磁波传播方向相反。电磁波与波浪的作用过程中，波浪好比一个光栅，因此物理过程可以等效成一个布拉格散射( scattering)：

高频地波的Bragg散射

由于海浪波长等于1/2电磁波长，后向散射回去的电磁波可以想干叠加，从而得到稳定高增益的信号。由于波浪一个向前运动一个向后运动，后向散射的电磁波将产生多普勒频移，将产生两个一阶多普勒频移产生的新频率：f+fB,f-fB。fB为海浪因重力因素运动而产生的多普勒频移。由于重力加速度g是常数，fB的值是f的函数，可以很容易算出。

但除了重力因素的波浪，波浪本身还有其他因素导致的流动，比如风吹和地震等，而波浪相速度是这些因素之和。此时根据雷达回波偏离一阶多普勒频移波峰的程度，就可以推算出波浪的速度是多少。

要想知道整个监控区域海洋洋流速度场的分布，则需要多部雷达从不同方向发出电磁波，通过矢量合成得到结果。这也是地波雷达占地面积大，需要用多个天线组成收发阵列的原因。

得到了洋流速度分布后。由于舰船的速度与波浪不同，产生的多普勒频移与fB和△f都不同，通过对回波进行信号处理，雷达就可以很容易的筛选出舰船目标。

我国高频地波雷达的成果

刘永坦团队在威海设置的高频地波雷达站，实际运行获得了相当好的效果，可以说，400公里内的舰船都无所遁形，而且可以持续跟踪其航迹；

这种高频地波雷达甚至发现过发现超低空飞行的战斗机；由于其固有的运行原理，即使超低空飞行的隐形飞机也无法逃脱雷达的发现；这在一定程度上也弥补了米波反隐身雷达低空盲区。

正是刘老不懈的努力和耕耘让我国的地波雷达进入了实用化的战备值班，及时不上了天波雷达盲区的监测，为专属经济区利益维护和国防安全带了了极大保障。刘老在几十年的时间里，默默无闻做出着非凡的贡献，他是国家的英雄，值得我们铭记。