兵器之眼:雷达-雷达的应用
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    因为防御重型军用轰炸机的需要,在20世纪30年代发明了雷达。对雷达军事上的需要或许是雷达最重要的应用及其主要进展(包括民用雷达的进展)的来源。

    一、军事应用

    军用雷达的主要用途曾是地面、海面和机载空中防御。离开雷达,实施成功的空中防御是不切实际的。在空中防御中,雷达用来进行远程监视、低海拔“弹出”目标的短距探测、武器控制、导弹制导、非合作目标识别和战斗损伤评估。许多武器中的近炸引信也是雷达的一个例子。对军用防空雷达成功的一个极好度量是在反抗其有效性的方法上花费的大量金钱。这包括电子对抗措施和其他方面的电子战、寻的雷达信号的反辐射导弹及低截面积飞机和舰船。雷达在军事上也用在对地面、海面的侦察及海洋监视中。

    在战场上,要求雷达具有执行空中监视(包括对飞机、直升机、导弹和无人机的监视)、空中拦截武器控制、敌方武器定位(迫击炮、火炮和火箭)、入侵人员检测和空中交通管制等任务的功能。63

    自从20世纪50年代末出现弹道导弹的威胁后,使用雷达进行弹道导弹防御一直受到关注。远程、高超声速和弹道导弹的小目标尺寸使这个问题具有挑战性。在太空没有防御飞机时的自然杂波问题,但是弹道导弹会出现在大量的外部诱饵中,还伴有其他的由袭击者所发射的用来伴随载有战斗部的再入体的对抗措施。基本的弹道导弹防御问题变成更是目标识别问题,而不是探测和跟踪问题。弹道导弹迫近的预警需要,导致执行这种任务功能的一些不同类型雷达的出现。类似的,也部署了能探测和跟踪卫星的雷达。

    雷达的一个非军用的相关任务是探测和拦截毒品运输。有几种类型的雷达可满足这种需要,包括远程高频超视距雷达。

    二、环境遥感

    环境遥感的主要应用是气象观测雷达,如Nexrad系统,它的输出经常在电视天气预报上看到。也存在垂直方向风廓线雷达,判定作为海拔函数的风速和风向,它通过探测洁净空气中非常微弱的雷达回波完成以上任务。位于机场周围的是终端多普勒气象雷达(TDWR)系统,可以对危险风切变进行预警(风切变由所谓下爆气流气象效应导致,常伴有严重暴风雨)。在小型和大型飞机前端常有特殊设计的气象规避雷达,对飞行中的危险或不适航天气进行预警。

    另一种成功的遥感雷达是下视星载高度计雷达,它以非常高的精度测量全球范围的水准面(平均海面高度,在全球不尽相同)。过去曾尝试用雷达判定土壤湿度和评估农作物状况,但是没有能提供足够的精度。星载或机载成像雷达被用来帮助船只在覆盖冰层的北极海域进行有效导航,因为雷达能指示哪些类型的冰层船只容易穿透。6

    三、空中交通管制

    现代空中旅行的高度安全性部分是因为雷达对空中交通的有效、高效和安全的控制。大机场采用机场监视雷达(ASR)观测机场附近的空中交通情况。这类雷达也提供附近的气象信息,以便引导飞机绕开不适航的天气。大机场也有一部称为机场表面探测设备(ASDE)的雷达以观察并安全地控制地面上的飞机和机场车辆交通情况。为控制机场之间的航线上的空中交通,在全球范围部署了远程空中航线监视雷达(ARSR)。空中交通管制雷达信标系统(ATCRBS)不是雷达,而是用来识别飞行中飞机的合作系统。它使用类似于雷达的技术,最初基于军用的IFF(敌我识别)系统。67

    四、其他应用

    雷达一种很重大的应用(提供任何别的方法无法获得的信息)是使用一部能穿透永远遮蔽金星表面的云层的成像雷达对行星金星表面的探索。一种使用最广泛而且最便宜的雷达是民用海用雷达,在世界范围内用于对舰船的安全导航。我们经常遇到过高速公路警察使用CW多普勒雷达测量车辆的速度,探地雷达用来寻找埋于地下的公用管线,也被警察用来定位掩埋的物体和尸体。考古学家曾用它确定从何处开始寻找埋藏的文物。雷达对鸟类学家和昆虫学家更好地理解鸟类和昆虫的迁徙也有帮助。雷达也证明可以探测地下石油和天然气沉积下面的气体渗出。

    雷达发射机

    雷达是利用物体反射电磁波的特性来发现目标并确定目标的距离、方位、高度、速度等。因此,雷达工作时要求发射一种特定的大功率无线电信号,发射机在雷达中就是起这样的作用。发射机在雷达系统的成本、体积、重量、设计投入等方面都占有非常大的比重,也是对系统电源能量以及维护要求最多的部分。

    一、雷达发射机的基本功能

    雷达发射机是为雷达系统提供符合要求的射频发射信号,将低频交流能量(少数也可是直流电能)转换成射频能量,经馈线系统传输到天线并辐射到空间的设备。雷达发射机一般分为连续波发射机和脉冲发射机,最常用的是脉冲雷达发射机。

    雷达发射机伴随着第二次世界大战初出现的第一批搜索雷达而诞生。当时英国人采用的是电真空二极管发射机,工作频率仅限于VHF和UHF频段。随着雷达技术的迅猛发展,对发射机性能指标提出了越来越高的要求,其工作频率也向着微波频段扩展。发射机为雷达提供一个载波受到调制的大功率射频信号,并经过馈线和收发开关由天线辐射出去。82

    发射的电磁波信号第一个特点是载波受到调制,这种调制可以简单,也可以比较复杂。调制包括简单矩形脉冲、较复杂的线性调频矩形脉冲、相位编码矩形脉冲、各种脉冲内部和脉冲之间的调制信号,等等。发射的电磁波信号第二个特点是必须具备一定发射功率。为满足雷达作用距离的要求,发射机功率往往较大,远程警戒雷达的发射机峰值功率可以高达几百千瓦甚至几兆瓦。另外,对于不同体制、不同应用的雷达而言,发射机功率量级差别很大。例如,脉冲雷达的峰值功率可达到兆瓦级,而连续波雷达功率达到几十瓦就很高了。

    现代雷达发射机要想高效地将电能转换成符合要求的射频发射信号,就要尽可能地采用优良的微波功率器件、先进的开关转换器件、优质元器件,以及新材料、新工艺等综合技术,辅以最佳仿真技术进行设计,以最新的生产加工手段进行精心的加工,再以科学的组装、调试程序技术进行生产,最终获得性能、体积、重量、可靠性等指标都满足要求的雷达发射机。

    雷达发射机技术是对雷达频率源产生的小功率射频信号进行放大或直接自激振荡产生高功率雷达发射信号的一种综合技术,主要包括功率放大技术、电源和调制技术、控制保护和冷却技术。雷达发射机是雷达系统的重要组成部分,也是整个雷达系统中最昂贵的部分之一。发射机性能的好坏直接影响到雷达整机的性能和质量。

    二、雷达发射机的主要质量指标

    雷达的具体用途不同,对发射机的具体要求也就不同。下面对发射机的主要性能指标及其与发射机的关系做简单介绍。

    1.工作频率或波段

    雷达的工作频率或波段是按照雷达的用途确定的。为了提高雷达系统的工作性能和抗干扰能力,有时还要求它能在几个频率上跳变工作或同时工作。雷达频率的确定是极其重要的工作,一定要根据用途和实际需要,一旦确定,即成为整个系统之基础,不能轻易动摇。工作频率或波段的不同对发射机的设计影响很大,首先会影响发射管种类的选择,例如在1000兆赫以下主要采用微波三极管和微波四极管,在1000兆赫以上则采用多腔磁控管、大功率速调管、行波管以及前向波管等。83

    2.信号波形84

    根据雷达体制的不同,可以选用各种各样的信号形式。雷达有两大类型:连续波(CW)型和脉冲型。CW雷达连续发射无线电波,同时接收反射回波。与此相反,脉冲雷达是以窄脉冲形式间断地发射无线电波,而在两次发射的间隔期间内接收回波。脉冲雷达可分为两大类:一类能测量多普勒频率,称为脉冲多普勒雷达;一类不能测量多普勒频率,直接称为脉冲雷达。除了多普勒导航仪、高度计和变时近爆引信以外,大多雷达都采用脉冲工作方式。主要原因是,脉冲工作方式可以避免发射机干扰接收的问题。脉冲雷达辐射的无线电波波形(发射信号)称为发射波形。

    3.输出功率

    雷达发射机的输出功率直接影响雷达的威力和抗干扰能力。通常规定发射机送至天线输入端的功率为发射机的输出功率。通常用两种不同的度量来描绘脉冲雷达的输出功率、峰值功率和平均功率。

    4.总效率

    发射机的总效率是指发射机的输出功率与输入总功率的比值。因为发射机通常在整机中是最耗电和最需要冷却的部分,因此提高总效率不仅可以省电,而且可以降低整机的体积和重量。

    5.信号稳定度或频谱纯度

    信号的稳定度是指信号的各项参数,例如信号的振幅、频率(或相位)、脉冲宽度及脉冲重复频率等是否随时间发生了不应有的变化。雷达信号的任何不稳定都会给雷达整机性能带来不利影响。信号参数的不稳定分为规律性和随机性两类,规律性的不稳定往往是由于电源滤波不良、机械振动等原因引起的,而随机性的不稳定则是由发射管噪声等随机起伏引起的。

    可以在时间域内或在频率域内衡量信号的不稳定性。在时间域内可以用信号某项参数的方差表示。在频域的稳定度又称为信号的频谱纯度,是指雷达信号在应有的信号频谱之外的寄生输出功率与信号功率之比,一般用分贝表示,显然比值越小,信号频谱纯度越高。现代雷达对信号的频谱纯度提出了很高要求,例如对脉冲多普勒雷达的典型要求是-80分贝。

    三、固态雷达发射机

    雷达发射机采用的器件主要有两类:电真空器件和半导体器件。早期雷达基本都采用电真空器件。自1948年半导体二极管发明后,晶体管运用频率不断向VHF、UHF及微波频段推进,功率电平也不断地提高。从20世纪60年代末开始固态雷达发射机的设计,到70年代中期就有多种全固态雷达发射机开始使用,如美国的AN/TPS-59雷达发射机。86

    雷达接收机

    雷达接收机是雷达系统的重要组成部分,它的主要功能是对雷达天线接收到的微弱信号进行放大、变频、滤波及数字化处理,并以在有用回波和无用干扰之间获得最大鉴别率的方式对回波进行滤波。干扰(广义)不仅包含雷达接收机产生的噪声,还包含从银河系、邻近雷达、通信设备及可能的干扰机所接收到的能量,以及雷达本身辐射的能量被无用目标(诸如雨、雪、鸟群、昆虫、大气扰动和金属箔条等)所散射并被该雷达接收的部分。需要说明的是,对于不同用途的雷达,有用回波和干扰、杂波是相对的。

    一、概况

    一般来讲,雷达探测的飞机、船只、地面车辆和人员所以射的回波是有用信号,而海面、地面、云雨等反射的回波均为杂波;然而,对于气象雷达而言,云、雨则是有用信号。87

    雷达接收机一般是通过预选、放大、变频、滤波和解调等方法,使目标反射回的微弱射频回波信号变成有足够幅度的视频信号或数字信号,以满足后续信号处理机和数据处理机的要求。

    二、雷达接收机的基本组成与工作原理

    现代雷达接收机一般采用超外差结构,因为这种结构具有灵敏度高、增益高、选择性好和适用性广等优点,获得了广泛应用。

    超外差式雷达接收机在不断发展,但基本原理没变。以早期的典型非相参脉冲雷达接收机为例,超外差式雷达接收机将微弱回波适当放大之后,与本振(LO)混频变成中频(IF)。即使达到中频也可能需要一次以上的变频,中频频率一般在0.1~100兆赫之间。此后,所有的放大、滤波主要在固定的中频进行。最后,中频信号经过检波器和视频放大后送至终端处理设备。超外差接收机的本振频率可以随着发射机频率的改变而改变,但中频始终是固定的,发射信号频率的变化不影响中频处理。雷达接收机的主要技术参数:

    1.灵敏度

    灵敏度表示接收机接收微弱信号的能力。能接收到的信号越微弱,则接收机的灵敏度越高,雷达的作用距离就越远。当接收机的输入信号功率达到灵敏度时,接收机就能正常接收且在输出端检测出这一信号。如果信号功率低于此值,信号将被淹没在噪声干扰之中,不能被有效地检测出来。由于雷达接收机的灵敏度受噪声电平的限制,因此要想提高它的灵敏度,就必须尽量减小噪声电平,同时还应使接收机具有足够的增益。

    2.接收机的工作频带宽度

    接收机的工作频带宽度(又称为接收机带宽)表示接收机的瞬时工作频率范围。在复杂的电子对抗和干扰环境中,要求雷达发射机和接收机具有较宽的工作带宽。接收机的工作带宽主要取决于高频部件(馈线系统、高频放大器和本机振荡器)的性能。

    3.动态范围

    动态范围表示接收机能够正常工作所容许的输入信号强度变化的范围,最小输入信号强度通常取为最小可检测信号功率Simin,允许的最大输入信号强度则根据正常工作的要求而定。当输入信号太强时,接收机将发生饱和而失去放大作用,这种现象称为过载。使接收机刚开始出现过载时的输入信号功率与最小可检测功率之比,称作动态范围。为了保证对强弱信号均能正常接收,要求动态范围大,就需要采取一定措施,例如采用对数放大器、各种增益控制电路等抗干扰措施。

    4.中频的选择和滤波特性

    中频的选择和滤波特性是接收机的重要质量指标之一。中频的选择与发射波形的特性、接收机的工作带宽,以及所能提供的高频部件和中频部件的性能有关。中频可以在30兆赫~4吉赫范围内选择。当需要在中频增加某些信号处理部件,例如脉冲压缩器、对数放大器和限幅器的时候,从技术实现上,选择30~500兆赫比较合适。减小接收机噪声的关键参数是中频的滤波特性。在白噪声(即接收机热噪声)背景下,接收机的频率特性为“匹配滤波器”时,输出的信号噪声比最大。

    5.正交鉴相器的正交度

    为了保持和获得雷达信号回波的幅度信息和相位信息,正交相位检波器(或称“正交鉴相器”)将回波信号分解成I、Q两个分量。正交鉴相器的正交度表示鉴相器保持回波信号幅度和相位信息的准确程度,如果因鉴相器电路的不正交而产生了幅度和相位误差,信号则产生失真。在频域里,幅度和相位误差将产生镜像频率,影响系统动目标检测改善因子;在时域里,幅度和相位的失真也会对脉冲压缩的主副比产生负面影响。

    6.转换器的主要要求

    在现代雷达中,雷达接收机的视频信号常常要通过A/D转换器转换成数字信号。

    转换器与接收机相关的参数主要有位数(有时称比特数)、有效位、采样频率及输入信号的带宽等,与之相应的量化噪声、信噪比及动态范围也是A/D转换器的重要特征。此外,时钟孔径的抖动,与模拟信号的接口也是设计A/D转换器时常需考虑的因素。

    7.波形质量和发射激励性能

    在现代雷达中,一般都采用全相参体制。这样,雷达波形和发射激励往往由接收系统来完成,为了提高雷达的抗干扰性能和辨别能力,雷达的波形也会被设计成各种各样,有时一部雷达中还需要用多种波形捷变。这时波形和发射激励就需要在接收系统的研制中认真考虑并设计。88

    波形质量和发射激励的性能可以从频域和时域两个方面来检测。从频域的角度来判定,主要是观测波形和发射激励信号的频谱特性,例如,一个具有单载频的矩形脉冲,其频谱应该是标准的辛克函数;从时域的角度来判定,信号的质量主要包括调制信号包络的前后沿和顶部起伏,以及内部载频调制频率和相位特性,对于发射激励信号,还要经常用频谱仪测量其稳定性及其所对应的改善因子。

    8.抗干扰能力

    抗干扰能力也是现代雷达接收机的主要性能要求。干扰可能是因海浪、雨雪、地物反射引起的杂波干扰,或是友邻雷达无意造成的干扰以及敌方干扰机施放的干扰等。这些干扰会妨碍对目标的正常观测,从而造成判断错误,严重时甚至会完全破坏接收机的正常工作。因此,为使抗干扰性能良好,一方面要提高雷达接收机本身的抗干扰性能,如提高系统的频率和幅相稳定性,采用宽带自适应跳频体制等;另一方面还需加装各种抗干扰电路,如抗过载电路,抗噪声调制干扰电路等。

    雷达天线

    在雷达中,天线的作用是将发射机产生的波导场转换为空间辐射场,在电波传输的过程中完成从“波导”或“传输线”到“空间”的转换;然后接收目标反射的空间回波,将回波能量转换成导波场,完成电磁波从“空间”再到“波导”或“传输线”的环节,并馈送给雷达接收机。

    一、概况

    天线的前一个作用称为发射,后一个作用称为接收。有的雷达采用两部天线,分别用做发射和接收,但绝大多数雷达都采用一部收、发共用天线。雷达一般还要求天线实现以下主要功能:89

    发射时,像探照灯一样,将辐射能量集中照射目标方向;

    接收时,收集指定方向返回的目标微弱回波,在天线接收端产生可检测的电压信号,同时抑制其他方向来的杂波或干扰;

    分辨不同目标并测量目标的距离和回波的方向。与一般电子设备(通信、广播、导航、对抗)的天线相比,雷达天线一般要满足高功率和高分辨力两个要求,因而增加了天线设备的复杂性、难度和造价。

    天线将辐射能量集中照射在某个方向的能力用增益来表示。增益与天线的孔径面积成正比,与工作波长的平方成反比。在工作频率一定的情况下,天线的孔径尺寸越大,天线的增益越高;同样,在孔径尺寸一定时,工作频率越高增益越大。在雷达系统中,在其他条件不变的情况下,天线增益越高就意味着有更远的作用距离。雷达天线接收时,其收集目标回波的能力用天线的有效孔径面积表示。大的有效孔径面积等效于高的天线增益。在很多情况下,天线的接收能力也用增益表示。根据收、发天线的互易定理,一部天线如果不含非互易器件,那么它发射或接收具有相同的性能,因此,为了研究问题方便,同一部天线一般按照发射增益和接收增益相等来处理。

    一般来说,天线都具有方向性,即天线向不同方向辐射的功率密度(场的强度)不同,或接收时对不同方向入射电磁波的响应不同。雷达对目标进行角度测量必须依赖于天线的方向性。天线的方向性可以用天线方向图进行描述。天线的方向图由一些“花辦”似的包络组成,“花辦”的形状即是天线波束形状,天线波束的扫描使雷达在空间上形成覆盖。

    二、典型的雷达天线

    雷达天线分为光学天线和阵列天线,光学天线又可以分为反射面天线和透镜天线。雷达系统中最常用的是反射面天线和阵列天线,下面分别进行介绍。

    1.反射面天线

    反射面天线较早在雷达领域得到广泛应用。反射面天线结构简单,低成本,低能耗,应用广泛。

    (1)抛物柱面天线

    使抛物线沿垂直于焦轴的直线平行运动可得到抛物柱面,在焦轴上配置线阵馈源就构成抛物柱面

    天线。

    水平抛物柱面天线往往形成方位面窄、垂直面宽的扇形波束。例如,水平抛物柱面天线形成特别适合L波段到米波段的大型远程警戒和搜索雷达天线。90

    (2)圆孔径抛物面天线

    抛物线绕轴旋转,可以获得圆口径对称反射面,再配上合适的馈源,就得到圆孔径抛物面天线。它可以形成两维聚焦的高增益笔形波束,是最早采用的雷达天线形式之一,应用广泛。适用于各种频段的气象雷达以及要求不太高的火控、跟踪、监视雷达。91

    (3)卡赛格伦反射器天线

    卡赛格伦反射器天线是双反射器天线,它由旋转抛物面作为主反射面,旋转双曲面作为副反射面,形成针状波束。卡赛格伦天线常常应用于单脉冲精密跟踪测量雷达。

    (4)双弯曲反射面天线

    简单反射面天线只能产生针状波束或简单扇形波束。双弯曲反射面天线能形成余割平方等赋形波束。双弯曲反射面天线适应许多地面监视雷达,它形成的波束方位面窄,垂直面宽且为余割平方形。92

    (5)堆积多波束抛物面天线

    三坐标雷达需要通过俯仰面内相邻波束接收信号的幅度比较来测仰角。由此,可以利用一组沿着通过抛物面焦点的某一轨迹排列的喇叭照射抛物面(指向抛物面中心),产生一组相互错开且部分重叠的多个波束。这类波束被形象地称为堆积多波束,而相应的天线称为多波束天线。

    2.阵列天线

    阵列天线由数目相当多的辐射单元组成,单元(偶极波导喇叭或其他)按照一定的方式排列(线阵或面阵)。它们的振幅和相位分布服从一定规律,以得到所需要的方向图和波束指向。一个阵列最少要有两个辐射单元,最多可达几千辐射单元。93

    早期的阵列天线大多是矩形面阵,随着电控移相器或开关的出现,出现了相位控制阵列天线。采用控制阵列天线实现电扫描的雷达称为相控阵雷达。94

    雷达显示器

    雷达显示器用来显示雷达所获得的目标信息和情报,显示的内容包括目标的位置及其运动情况、目标的各种特征参数等。对于常规的警戒雷达和引导雷达的显示器,基本任务是发现和测定目标的坐标,有时还需要根据回波的特点及其变化规律来判别目标的性质(如飞机的机型、飞机的架数等),供指挥员全面掌握空情。

    一、概况

    在现代预警雷达和精密跟踪雷达中,通常采用数字式自动录取设备,雷达终端显示器的主要任务是在搜索状态截获目标,在跟踪状态监视目标运动规律和监视雷达系统的工作状态。

    在指挥控制系统中,雷达终端显示器除了显示情报之外,还有综合显示和指挥控制显示。综合显示是把多部雷达站网的情报综合在一起,经过坐标系的变换和归目标数据的融合等加工过程,在指挥员面前形成一幅敌我情况动态形势图像和数据。指挥控制显示还需要在综合显示的基础上加上我方的指挥命令显示。

    早期的雷达终端显示器主要采用模拟技术来显示雷达原始图像。随着数字技术的飞速发展,以及雷达系统功能的不断提高,现代雷达的终端显示器除了显示雷达的原始图像之外,还要显示经过计算机处理的雷达数据,例如目标的高度、航向、速度、轨迹、架数、机型、批号、敌我属性等,以及显示人工对雷达进行操作和控制的标志或数据,进行人机对话。

    雷达终端显示器主要包括:距离显示器、B型显示器、E型显示器(高度显示器)、平面位置显示器、情况显示器和综合显示器及其各种变形,等等。95

    二、距离显示器

    距离显示器主要显示目标距离,它可以描绘出接收机输出幅度与距离的关系曲线。

    距离显示器中最常见的为A型显示器。A型显示器为直线扫描,扫描线起点与发射脉冲同步,扫描线长度与雷达距离量程相对应,主波与回波之间的扫描线长度代表目标的斜距。A型显示器的画面包括发射脉冲(又称主波)、近区地物回波和目标回波,距离刻度可以是电子式的,也可以是机械式。A型显示器类似于常见的示波器。

    三、B型显示器

    平面显示器如果用直角坐标显示距离和方位,则称为B式显示器,它以横坐标表示方位,纵坐标表示距离。通常方位角不是取整个360°,而是取其中的某一段,这时的B式就叫做微B显示器。在观察某一波门范围以内的情况时可以用微B显示器。

    四、E型显示器

    高度显示器用于测高雷达和地形跟踪雷达系统中,统称为E式显示器,横坐标表示距离,纵坐标表示仰角或高度,表示高度者又称为RHI显示器。在测高雷达中主要用RHI显示器。在精密跟踪雷达中常采用E型显示器,并配合B显示器使用。

    五、平面位置显示器

    平面位置显示器显示目标的斜距和方位两个坐标,是二维显示器。它用平面上的亮点位置表示目标的坐标,亮点的强度表示目标回波的大小,属于亮度调制显示器。

    平面显示器是使用最广泛的雷达显示器。

    方位角以正北为基准(零方位角),顺时针方向计量;距离则沿半径计量;圆心是雷达站(零距离)。图的中心部分大片目标是近区的杂波所形成的,较远的小亮弧则是动目标,大的是固定目标,平面显示器提供了360°范围内的全部平面信息,所以也称为全景显示器或环视显示器,简称PPIq显示器或P显。人工录取目标坐标的时候,通常在P显上进行。P显的原点也可以远离雷达站,以便在给定方向上得到最大的扩展扫描,这种显示器称作偏心PPI显示器。

    六、雷达反隐身技术

    雷达是利用目标对电磁波的反射探测目标的,但随着隐身技术的发展,各种隐身装备不断出现,它们的雷达截面积可小到与鸟类、昆虫的雷达截面积相当,这便对雷达探测目标的有效性提出了严峻的挑战,使雷达不得不面临如何检测和跟踪隐身目标的难题。

    在1999年的科索沃战争中,南斯拉夫防空部队跟踪、定位并击落一架F-117A隐身飞机,打破了隐身飞机不可探测的神话,同时也以事实证明了雷达隐身技术有其自身的缺陷。以下先分析隐身目标的散射特征,在此基础上讨论雷达反隐身的技术措施。6

    采用隐身技术后,装备的雷达截面积散射强度可减小20分贝~30分贝,但是要注意,这个截面积,仅限于目标的后向散射所对应的截面积,其非后向散射则不然,这正是探测隐身目标时的可利用之处。通过分析各种隐身技术,便可掌握隐身目标的散射特性,为反隐身技术提供理论依据。

    隐身目标的散射特性随视角的不同而变化,对飞行器而言,在其迎头方向的一个小范围内,反射截面积很小,而在其它方向并非如此,其原因如下。

    外形隐身技术的主要措施之一,是变后向散射为非后向散射,因此,尽管目标的后向散射被减小,但非后向散射并非减弱,散射能量可能在某些方向上还有所加强。

    材料隐身技术中,吸波涂层对电磁波的吸收效果与电磁波的入射方向有关。例如,某种吸波材料,当电磁波从正向入射时,反射衰减可达25分贝,30入射时衰减为18分贝,70入射时衰减则降低到5分贝。

    此外,无源对消隐身技术、有源对消隐身技术也均是用来减小目标的后向散射截面积的,对非后向散射特性不起作用。

    总之,隐身目标的隐身特性只限于迎头方向的一定范围(方位±45°,垂直土30°),在其它方向不具有隐身特性。

    隐身目标的散射特性随雷达信号的极化特性而变化。

    我们知道,常规目标的极化特征很复杂,不同极化的入射波可以引起目标后向散射截面积的显著变化;散射波的极化方向还常与入射波的极化方向不同。隐身装备在外形设计上多采用棱边形,其后向散射强度与入射波极化是否平行于棱边有着密切的关系。因此隐身目标具有比常规目标更为突出的极化特征。

    隐身目标的散射特性除具有上述特征外,还具有其他特征,如其所携载的各种传感器的电磁信号泄露、产生的散射信号中包含谐波成分而使其不同于大地散射等。隐身目标的所有这些特征都可以加以利用,以实现对隐身目标的探测。

    雷达反隐身技术立足于上述的隐身目标散射特性。可分为工作频段反隐身、空间位置反隐身、极化反隐身和改善雷达探测能力反隐身等五类技术措施。

    1.频域反隐身

    由上述分析已知,隐身目标的散射特性随频率变化,在低频段和20吉赫以上的毫米波段隐身效果较差。

    (1)低频雷达探测技术

    VHF和UHF频段(50兆赫~1000兆赫)的雷达是最早使用的雷达,目前主要担负警戒任务。由于其工作波长较长,对应于隐身目标隐身效果几乎失效的波段,故对隐身目标仍然保持较好的探测能力,且造价低廉,因此正重新引起人们的普遍关注。97

    低频段雷达虽然可以保持对隐身目标的探测能力,但由于它精度低,抗干扰能力差,尽管近年来已大有改进,要能在战时担负起对空警戒的重任,还需要进一步提高下列各项技术性能。

    提高抗干扰能力。可采用空间滤波(旁辦对消、旁辦匿影或自适应天线阵列等)技术。隐身飞机一般不释放干扰,以免暴露自己,但它会得到远方专用电子战飞机的支援,即从雷达旁辦释放干扰进行掩护,以增强其隐身效果。采用空间滤波技术对回波进行处理可滤除干扰,检测目标回波。

    采用脉冲压缩技术,提高雷达在干扰中检测目标回波的能力。

    扩展雷达的瞬时带宽使其成为“超”宽带雷达,改善雷达抗有源干扰的能力,并保证对迎面隐身飞机的探测性能。

    (2)采用毫米波雷达探测技术

    毫米波雷达的工作频率超出了雷达隐身技术的有效范围,对隐身目标具有较强的探测能力。毫米波雷达一般工作在30吉赫~300吉赫范围内的几个“窗口”(30吉赫、94吉赫、140吉赫等)上。毫米波雷达工作波长短,绝对频带宽,能够达到极窄的天线波束(约为微波雷达波束的1/2-1/10)和脉冲宽度,可实现角度和距离高分辨率,获得目标细微的散射中心,可将其外形图像在雷达屏幕上直接显示出来,因此具有反隐身能力。由于运动目标回波的多普勒频率与雷达波长成反比,因此毫米波雷达对运动目标具有高速度分辨力。

    此外,毫米波雷达抗干扰能力强,体积小,机动性和隐蔽性强;不足之处是传播衰减大,探测距离小。

    由于毫米波雷达的特点使它适用于防空和雷达制导导弹的导引头,以对付隐身目标和其它目标。

    (3)超视距雷达

    超视距雷达是利用电离层对电磁波的反射(天波)或电磁波在地球表面的绕射(地波)对地平线视距以外的目标实施超视距探测或跟踪的。它不受地球曲率的限制,作用距离可达900千米~4000千米。

    超视距雷达可分为天波超视距雷达和地波超视距雷达两种。天波超视距雷达的工作频段为HP频段(5兆赫~30兆赫),工作波长为10米~60米,它依靠经电离层反射回来的目标回波即天波来探测距发射机900千米~4000千米处的运动目标。地波超视距雷达的工作频段为中波、长波或短波,它利用电磁波在地球表面的绕射效应探测视距以外的目标。

    天波超视距雷达利用目标回波中的多普勒信息探测和跟踪运动目标,因此它具有很好的抗杂波和抗低空或超低空突防的能力;它利用电离层反射来探测和跟踪目标,使侦察系统无法对其精确测向,因而,不能对其实施有效的干扰,所以具有抗 干扰能力;同理,反辐射武器不能对其实施精确打击,因此它还具有抗摧毁能力。

    天波超视距雷达的缺点是不能给出目标的精确位置,只能确定其存在的区域;探测性能随电离层的高度及参数随机变化,因此,必须要对电离层进行实时监控,这需要借助于现代计算能力强大的计算机。尽管如此,天波超视距雷达仍是反隐身的最有效手段之一。

    (4)超宽带脉冲雷达探测技术

    超宽带雷达是指带宽大于中心频率50%以上的雷达。冲击雷达或无载波雷达是其中的一种。因为超宽带脉冲雷达能发射毫微秒、千兆瓦级功率和含有数千个频率的脉冲,因此具有极高的距离分辨率,可形成目标图像识别和区分目标的能力强,可用于探测隐身目标。

    (5)雷达组网技术

    雷达组网技术是将不同频段、不同体制的多部雷达合理配置在不同地域或平台上,可以从不同频段、不同视角探测隐身目标,并把所接收的回波信号送数据处理中心进行相关处理,以便准确、及时地发现隐身目标。雷达组网探测技术具有频域、空域和能量分集的特点,不但可以反隐身,同时可以抗干扰、抗摧毁,是雷达技术的一种发展趋势。99

    2.空间位置反隐身

    众所周知,隐身目标只是在迎头方向的一定范围内隐身,其非后向散射与常规目标无异甚至更大;其次,隐身目标的散射特性具有方向性。空间反隐身即利用隐身目标的非后向散射进行探测(双/多基地雷达),或从隐身目标的俯视、侧视或仰视等方向进行探测(空基雷达、超视距雷达)。

    (1)双/多基地雷达

    双/多基地雷达将发射机和接收机分置两/多地,利用隐身目标的非后向散射能量从两/多个方向探测目标。其发射机可放置在远离战场的安全区域,如飞机、卫星或防空系统严密保护的地点;接收站是无源工作的,具有高度的隐蔽性,并具有抗侦察、抗干扰、抗反辐射摧毁的优势。因此,一般一部发射机可对应有多部接收机。

    双/多基地雷达的实现技术比较复杂。要求收发各站在空间、时间、信号相位上严格同步。当有几个目标时,需要消除假目标。因为只有发射波束和接收波束在空间重合时,才能对目标进行检测和定位。一般,发射波束采用一个扇形波束扫描或采用泛光波束覆盖所需探测的范围,而接收波束采用数字波束形成技术形成多个波束在发射和接收波束交叠的空域中同时观察不同位置的目标,以获得较高的数据率。

    双/多基地雷达的信号处理、数据传输等比较复杂,且探测精度、分辨力、数据率比较低,但效费比则比较高。尽管如此,它仍然得到各国的重视,将其作为反隐身和抗反辐射摧毁的有效手段。

    (2)空基雷达

    空基雷达是以飞机、卫星或气球为运载平台的雷达。因为大多数隐身装备在设计时,把隐身的重点放在迎头方向,且为了降低迎头方向的后向散射截面积,采用机身与机翼融合设计,甚至将一些不得不外置的部件,如发动机进气口等置于机翼上部以求遮挡,因此隐身目标的顶视截面积较常规目标大。空基雷达,便是从隐身目标的上空进行探测的。目前,典型的空基雷达是预警机载雷达。100

    因为隐身目标的后向散射截面积与雷达发射电磁波的极化特性有着密切的关系,若能改变雷达的极化特性,使之与隐身目标固有的极化特性相适应,使目标的截面积达到最大,就可提高雷达对隐身目标的探测能力。

    隐身技术可以大大降低目标的后向散射截面积,使目标的回波很弱,雷达难以检测到。但若能采取技术措施,提高常规雷达的各项技术性能,使之具有探测微弱回波的能力,也可以达到反隐身的目的。

    隐身设备在设计时已经采取了光电、热、声等隐身措施,但隐身程度很有限,因此可以采用红外探测、紫外探测、激光探测等各种光电探测手段探测隐身目标。

    隐身设备在飞行中不可避免地要产生热量,尽管在设计时已采用了一些定向屏蔽技术、有源冷却技术和无源表面处理技术等来降低红外辐射特征,但是,远没有达到对雷达信号的隐身程度,因此,利用隐身目标的热辐射,采用各种光电探测手段对其进行探测是近距离反隐身的一种有效措施,可有效地对抗导弹的威胁。但对远距离隐身飞机效果有限。

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