反隱形神器中國先進米波雷達

劉昱

解放軍官方媒體《中國軍網(wǎng)》報道：中國研制成功了一種反隱身米波雷達，突破了傳統(tǒng)米波雷達的固有弱點，實現(xiàn)了對隱身目標的穩(wěn)定探測跟蹤，該網(wǎng)站還對主持研制該雷達的中電38所專家吳劍旗進行了大力報道，那么該雷達到底是什么神器呢？

中國在雷達技術(shù)方面的發(fā)展，已經(jīng)取得了舉世矚目的成果。

雷達如何反隱身？

雷達是現(xiàn)代戰(zhàn)爭空中作戰(zhàn)與對空作戰(zhàn)的主要傳感器，而隱身飛機為了避免被雷達發(fā)現(xiàn)則采取兩種措施，第一是使用電子干擾技術(shù)讓接收機接收到很多相同特征的雷達信號，從而掩蓋了真正的目標雷達回波。第二便是使用隱身技術(shù)。

隱身飛機用了隱身外形改造與隱身材料涂敷減少雷達回波面積與能量兩種方法。前者通過改變飛機外形使得入射到目標上的雷達波與反射面呈大角度傾斜狀態(tài)，從而折射到其他方向上去。而后者則是將雷達能量吸收掉（這種吸收效果可以換算成RCS的減少）。在采用了這兩個措施后，飛機本身的RCS大大減少?，F(xiàn)役隱身飛機F-22，其正面RCS極值很小。這使得現(xiàn)役各類雷達對其探測距離僅為十幾千米，而在發(fā)現(xiàn)它之前，F(xiàn)-22的機載彈藥就已經(jīng)對這些雷達平臺進行了攻擊，從而實現(xiàn)了首先發(fā)現(xiàn)首先摧毀的絕對優(yōu)勢。

然而這種隱身方法也是有其固有弱點，目前的外型設計與材料涂敷的技術(shù)針對的主要雷達波段為空中預警機與空情雷達（L、S波段）、各類火控雷達工作的電磁波波段（C、X、Ku），這些波段類隱身飛機的隱身效果非常好，隱身飛機本身的RCS幾乎不會發(fā)生變化，但在這幾個波段之外，飛機想要做到隱身卻非常難，這里將波長小于這幾個波段的電磁波波段稱為高頻段，大于這幾個波段的電磁波波段稱為低頻段。在高頻段，因飛機材料本身制作工藝問題，在飛機的很多局部無法做到大角度傾斜，因此成為良好的反射體，但問題是，這些高頻波本身傳播距離會因為大氣的吸收效應變得非常短，因此對付隱形飛機除非在高空良好天氣狀態(tài)下，否則不能起到很好的效果，所以高頻段反隱身雷達往往不能得到廣泛認可。

而在低頻段，特別是在波長為米級或更長的波段，雖然理論上RCS會變小，但卻因為現(xiàn)役的各種飛機本身飛機部件都在米級（0.1米到10米）范圍內(nèi)，因此會讓電磁波照射時發(fā)生共振，大大增強飛機回波信號的能量，從而使得隱身失效，因此米波雷達就成了一種有可能突破反隱身技術(shù)的新型雷達。1999年南聯(lián)盟F-117被擊落事件中，據(jù)當時指揮戰(zhàn)斗的營長在接受電視采訪時講，他們就是利用俄羅斯的米波雷達成功抓住了F-117的蹤跡，一舉擊落了它。

那么既然米波雷達可以反隱身，為什么一直以來不被人所重視呢？這就必須提到米波雷達本身具有的一些固有缺陷，而這些缺陷也正是吳劍旗團隊所致力于克服的！

隱身飛機針對雷達進行了相應的設計，使其雷達反射截面積相對較小。

米波雷達的固有弱點

與解決方法

米波雷達一直不被人所重視，主要是有5個技術(shù)難題難以解決。

一是無法實現(xiàn)目標跟蹤和目標識別。

雷達對目標的跟蹤能力主要取決于雷達顯示屏上的目標信號的刷新速度。在一定時間內(nèi)，反射回來的波形數(shù)量越多，刷新速度自然越快，對目標的跟蹤就越好。米波雷達工作在米級波段，在發(fā)射能量一定的情況下，在一定時間內(nèi)，其發(fā)射的波形數(shù)量較少，這就使米波雷達的目標更新速率非常慢。傳統(tǒng)米波雷達只能探測而不能用于跟蹤。

二是威力區(qū)不連續(xù)。

米波雷達的波長較長，地球表面反射現(xiàn)象十分嚴重，在實際運用中，雷達波信號往往在向下掃描時照射到地面上產(chǎn)生漫反射，漫反射雷達波進入空中照射在目標上之后也會再反射回來被雷達接收機接收，就形成了多徑反射，這些信號叫做多徑發(fā)射波，特別是在低仰角區(qū)，反射波和多徑反射波進入接收機的能量幾乎差不多，而這些雷達波因為是一個發(fā)射機發(fā)射出去的，因此接收機在接收時會發(fā)現(xiàn)他們的信號特征是一致的，所以就無法將他們從特征上區(qū)分開。

三是米波雷達無法測高。

米波雷達不能測高的現(xiàn)象主要存在于波束掃描的低仰角區(qū)，這一方面是因為其本身波束寬、波長長、角分辨率比較差導致的。另一方面也是因為地面多徑反射效應造成的。

米波雷達在俯仰掃描時不可避免地要打地。地面的反射會形成多徑效應，導致波瓣分裂，使雷達本身的檢測和測量誤差急劇增大。俯仰掃描低空時，多徑反射波和直達波的夾角一般比較小，并且能夠從一個波束寬度內(nèi)進入，雷達測高一般是波段旋轉(zhuǎn)天線尋找回波信號最強的方向得出目標所在的角度位置，而多徑信號則讓這一方法完全失效。

測高方面的技術(shù)限制讓目前的米波雷達普遍都采用兩坐標雷達體制，而沒有三坐標體制。在具體的空情引導中，兩坐標雷達只能告訴飛行員和地導火控雷達對手的大概方位，不能告訴高度，這讓引導作戰(zhàn)的效率大幅降低。

四是抗干擾能力差。

米波段頻帶內(nèi)，除了雷達信號外，還存在大量的民用電臺、電視、廣播、通信等信號。這些信號功率較強且持續(xù)時間較長，一旦進入到米波雷達接收機內(nèi)，就會使得其信噪比降低，輕則減少探測距離，重則根本無法探測目標。

五是機動性堪憂。

米波雷達天線必須使用尺寸在米級的天線才能在發(fā)射和接收米波信號時與其產(chǎn)生共振，增加發(fā)射信號強度和接收信號時的靈敏度。但這種雷達天線體積非常大，使用固定部署時生存率較低，而使用機動式部署時難以保證車輛在各類地形上運行時雷達自身的安全，因此往往難以獲得較高的機動性。

吳劍旗團隊提出了先進米波雷達概念。為了解決雷達刷新率和米波跟蹤的問題，先進米波雷達采取了相控陣雷達體制將機掃模式改為電掃，從而大大增加了波形在一定時間的發(fā)射量，增加了雷達的探測距離和分辨率和刷新率實現(xiàn)了目標跟蹤，在采用一定的算法對目標回波的多普勒頻域、幅度、相位、極化進行之后，還可以實現(xiàn)目標識別。

為了解決米波雷達波束寬、打地折射嚴重又不能進行良好區(qū)分的問題，先進米波雷達采取了獨立波束、分區(qū)保形的設計，還可以根據(jù)不同方位扇區(qū)的地形情況作出相應的匹配優(yōu)化。這種設計實際上就是在空間內(nèi)使用多個獨立的掃描波束，對不同區(qū)域進行掃描，因為這些波束是獨立的，在頻率、波形上和回波的方向上都完全不同，所以地面折射回來的多徑信號其特征很容易和其他波束分開，這就解決了空域覆蓋范圍小的問題。

為了解決米波雷達測高的問題。先進米波雷在俯仰范圍內(nèi)將波束分為高仰角區(qū)和低仰角區(qū)兩個區(qū)域。在高仰角區(qū)域使用天線低副瓣或者“零陷”設計，讓多徑信號減到最小。雷達接收機在接收反射信號時存在兩種通道，第一是主瓣通道，這一通道角度大小等于雷達發(fā)射波束的主波束，但增益比較大，能夠探測較遠的目標，好比手電筒射出光線里最亮的那個小圈。第二是副瓣通道，這一通道角度較大，但增益較小。相當于手電筒射出光線里較大但亮度較小的那些大圈，大多數(shù)多徑信號雜波是從副瓣進入的，少部分是從主瓣進入的，天線副瓣的“零陷設計”可以理解為使用主動對消技術(shù)完全堵死副瓣通道，使用相控陣雷達技術(shù)時這比較容易實現(xiàn)，從而消除了多徑信號的影響。此時在高仰角區(qū)可以采取常規(guī)米波雷達的單脈沖測角、多波束比幅/比相測角等方法進行高度測量就有效了。

先進米波雷達抗干擾設計主要包括抗民用電臺干擾和軍用干擾機干擾兩個方面。對于前者，因為民用電臺往往采取連續(xù)信號，所以無法在時域上進行抗干擾設計，因此先進米波雷達將精力集中在了空域和頻域上，空域設計的主要思路是將對先進米波雷達的副瓣進行置零或者抵消，從而使得干擾信號無法從旁瓣進入，而頻域設計的方法是則是在先進米波雷達接收通道上預置一個濾波器將雜波濾除。

先進米波雷達橫空出世

在解決了以上問題后，先進米波雷達的基本設計思路就出來了。

電磁波是電場和磁場兩種場不斷振動形成的。電場的振動方向?qū)Φ孛姹３炙绞撬綐O化，對于水平方向上面積較大的物體，反射回波較大，更簡單來的來說，就是雷達發(fā)射和接收天線與地面保持水平。對地面保持垂直則是垂直極化，對于垂直方向面積較大的物理反射的回波較多，就是雷達發(fā)射和接收天線與地面保持垂直。振動方向不斷改變，但軌跡形成一個圓就是圓極化，就是雷達發(fā)射和接收天線是螺旋形等。此外還有一種雙極化，就是兩幅雷達天線保持90°夾角。顯然極化方式不同時對隱形目標的探測能力是不同的。

考慮水平極化和垂直極化兩種情況下對隱身飛機的RCS大小對比，經(jīng)過構(gòu)建F-22與F-35的數(shù)字模型進行仿真模擬顯示，水平極化的RCS明顯大于垂直極化。

從目標探測的穩(wěn)定性考慮，雙極化結(jié)合目標回波的水平/垂直處理，可以大大減少目標回波信號的閃爍效應。從測高性能考慮，垂直極化的多徑效應要比水平極化小，所以應該采取垂直極化。

從目標回波的極化匹配考慮。電離層會對電磁波造成極化旋轉(zhuǎn)，造成回波信號極化模式難以判斷，因此也應該采取雙極化。

從抗干擾角度看，如果能夠使得雷達系統(tǒng)的極化方式與干擾信號極化方式正交，則可以大大削弱有源干擾的強度，因此應當采取極化捷變技術(shù)。如下圖所示紅色線為垂直極化波，當遭遇藍色的水平極化干擾波時，二者重合度非常小，這就讓干擾效果大大折扣。

從目標識別來看，目標極化特性也是雷達回波處理是判讀目標類型的重要依據(jù)，而極化方式越多，經(jīng)過對比，檢測能力越強，因此也應該采取極化捷變技術(shù)。綜上所述，經(jīng)過綜合平衡，先進米波雷達應當具備極化捷變的能力，在不同的情況下使用不同極化方式從而使其性能達到最佳。

先進米波雷達應當盡量避免外界無線電的干擾規(guī)劃其使用頻率，主要考慮：符合無線電委員會的頻率使用規(guī)定，避開電視、調(diào)配廣播和無線電尋呼頻段，有利于雷達綜合性能（反隱身、抗干擾、機動、探測）等。

首選為了保證隱身性能，先進米波雷達的頻段應當處于200兆赫以下，該頻段內(nèi)電磁波與隱形機的共振效應最強，回波信號增長最為明顯。

其次先進米波雷達的頻段如果太小，溫度會對其造成巨大的雜波影響，且天線過大不利于機動性，因此至少要在20兆赫以上，

經(jīng)過對我國電視信號頻段的考察發(fā)現(xiàn)， 20兆赫～92兆赫之間全部都有持續(xù)不斷的無線電干擾，而在167兆赫～200兆赫之間也全部都有無線電干擾。因此先進米波雷達的工作頻段應當選擇在92兆赫～167兆赫之間。

考察調(diào)頻廣播和無線電呼叫頻段，在88-108兆赫之間我國的廣播頻道十分密集，而在152兆赫以上，無線電尋呼系統(tǒng)則沒有空隙。

經(jīng)過綜合考慮，先進米波雷達的工作波段應當選擇在108兆赫～152兆赫之間。

先進米波雷達的主要任務是探測隱形飛機，因此其常用模式是對空監(jiān)視搜索模式，因為具備了跟蹤能力，雷達也就有邊搜索邊跟蹤模式。為了雷達能在高山陣地條件下正常工作，還專門設計了可以在低波位進行不同頻點工作實現(xiàn)凹口互補的高山工作模式。為了探測彈道導彈，也有彈道導彈探測模式。為了抗干擾雷達有頻率捷變、極化捷邊等抗干擾工作模式。這些工作模式實際上已經(jīng)讓先進米波雷達成為一臺防空反導兼用的空情雷達。

1991年，在經(jīng)歷過海灣戰(zhàn)爭的震撼之后，剛剛來到電子38所工作一年的吳劍旗把目光放在了反隱身雷達研制上。一年后，吳劍旗就獲得了一個旨在研究反隱身雷達的項目——稀布陣綜合脈沖孔徑雷達試驗系統(tǒng)。在研究過程中，吳劍旗慢慢認識到研制米波雷達是克制隱身飛機的利器，雖然米波雷達有許多固有的弱點，被大多數(shù)雷達專家所不認同，但敏銳的吳劍旗發(fā)現(xiàn)新的數(shù)字陣列雷達體制和超分辨處理技術(shù)正在蓬勃發(fā)展，有可能將這些傳統(tǒng)的問題解決，2001年完成了課題研究，11年之后的2012年，首個實用系統(tǒng)被吳劍旗團隊完成，達到了預定目標，中國從此不再害怕隱形機！

2013年，在澳大利亞召開阿德萊德召開的國際雷達會議上，吳劍旗作為大會開幕式歷史上第一位特邀的亞洲雷達專家就先進米波雷達做了專題報告，引起了熱烈反響和國際知名雷達專家的關(guān)注。對這些榮譽吳劍旗說道“這不僅僅是科學家個人的成績和影響力，更代表著我國雷達研究的技術(shù)水平和國際地位?！?/p>

而他的目光已經(jīng)投向了遠方——更先進的全息感知雷達！

責任編輯：邢強