劉昱

解放軍官方媒體《中國(guó)軍網(wǎng)》報(bào)道：中國(guó)研制成功了一種反隱身米波雷達(dá)，突破了傳統(tǒng)米波雷達(dá)的固有弱點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)隱身目標(biāo)的穩(wěn)定探測(cè)跟蹤，該網(wǎng)站還對(duì)主持研制該雷達(dá)的中電38所專家吳劍旗進(jìn)行了大力報(bào)道，那么該雷達(dá)到底是什么神器呢？

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

雷達(dá)如何反隱身？

雷達(dá)是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)空中作戰(zhàn)與對(duì)空作戰(zhàn)的主要傳感器，而隱身飛機(jī)為了避免被雷達(dá)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(jī)接收到很多相同特征的雷達(dá)信號(hào)，從而掩蓋了真正的目標(biāo)雷達(dá)回波。第二便是使用隱身技術(shù)。

隱身飛機(jī)用了隱身外形改造與隱身材料涂敷減少雷達(dá)回波面積與能量?jī)煞N方法。前者通過(guò)改變飛機(jī)外形使得入射到目標(biāo)上的雷達(dá)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(dá)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(gè)措施后，飛機(jī)本身的RCS大大減少?，F(xiàn)役隱身飛機(jī)F-22，其正面RCS極值很小。這使得現(xiàn)役各類雷達(dá)對(duì)其探測(cè)距離僅為十幾千米，而在發(fā)現(xiàn)它之前，F(xiàn)-22的機(jī)載彈藥就已經(jīng)對(duì)這些雷達(dá)平臺(tái)進(jìn)行了攻擊，從而實(shí)現(xiàn)了首先發(fā)現(xiàn)首先摧毀的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。

然而這種隱身方法也是有其固有弱點(diǎn)，目前的外型設(shè)計(jì)與材料涂敷的技術(shù)針對(duì)的主要雷達(dá)波段為空中預(yù)警機(jī)與空情雷達(dá)（L、S波段）、各類火控雷達(dá)工作的電磁波波段（C、X、Ku），這些波段類隱身飛機(jī)的隱身效果非常好，隱身飛機(jī)本身的RCS幾乎不會(huì)發(fā)生變化，但在這幾個(gè)波段之外，飛機(jī)想要做到隱身卻非常難，這里將波長(zhǎng)小于這幾個(gè)波段的電磁波波段稱為高頻段，大于這幾個(gè)波段的電磁波波段稱為低頻段。在高頻段，因飛機(jī)材料本身制作工藝問(wèn)題，在飛機(jī)的很多局部無(wú)法做到大角度傾斜，因此成為良好的反射體，但問(wèn)題是，這些高頻波本身傳播距離會(huì)因?yàn)榇髿獾奈招?yīng)變得非常短，因此對(duì)付隱形飛機(jī)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(dá)往往不能得到廣泛認(rèn)可。

而在低頻段，特別是在波長(zhǎng)為米級(jí)或更長(zhǎng)的波段，雖然理論上RCS會(huì)變小，但卻因?yàn)楝F(xiàn)役的各種飛機(jī)本身飛機(jī)部件都在米級(jí)（0.1米到10米）范圍內(nèi)，因此會(huì)讓電磁波照射時(shí)發(fā)生共振，大大增強(qiáng)飛機(jī)回波信號(hào)的能量，從而使得隱身失效，因此米波雷達(dá)就成了一種有可能突破反隱身技術(shù)的新型雷達(dá)。1999年南聯(lián)盟F-117被擊落事件中，據(jù)當(dāng)時(shí)指揮戰(zhàn)斗的營(yíng)長(zhǎng)在接受電視采訪時(shí)講，他們就是利用俄羅斯的米波雷達(dá)成功抓住了F-117的蹤跡，一舉擊落了它。

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

隱身飛機(jī)針對(duì)雷達(dá)進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計(jì)，使其雷達(dá)反射截面積相對(duì)較小。

米波雷達(dá)的固有弱點(diǎn)

與解決方法

米波雷達(dá)一直不被人所重視，主要是有5個(gè)技術(shù)難題難以解決。

一是無(wú)法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)跟蹤和目標(biāo)識(shí)別。

雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的跟蹤能力主要取決于雷達(dá)顯示屏上的目標(biāo)信號(hào)的刷新速度。在一定時(shí)間內(nèi)，反射回來(lái)的波形數(shù)量越多，刷新速度自然越快，對(duì)目標(biāo)的跟蹤就越好。米波雷達(dá)工作在米級(jí)波段，在發(fā)射能量一定的情況下，在一定時(shí)間內(nèi)，其發(fā)射的波形數(shù)量較少，這就使米波雷達(dá)的目標(biāo)更新速率非常慢。傳統(tǒng)米波雷達(dá)只能探測(cè)而不能用于跟蹤。

二是威力區(qū)不連續(xù)。

米波雷達(dá)的波長(zhǎng)較長(zhǎng)，地球表面反射現(xiàn)象十分嚴(yán)重，在實(shí)際運(yùn)用中，雷達(dá)波信號(hào)往往在向下掃描時(shí)照射到地面上產(chǎn)生漫反射，漫反射雷達(dá)波進(jìn)入空中照射在目標(biāo)上之后也會(huì)再反射回來(lái)被雷達(dá)接收機(jī)接收，就形成了多徑反射，這些信號(hào)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(jìn)入接收機(jī)的能量幾乎差不多，而這些雷達(dá)波因?yàn)槭且粋€(gè)發(fā)射機(jī)發(fā)射出去的，因此接收機(jī)在接收時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)他們的信號(hào)特征是一致的，所以就無(wú)法將他們從特征上區(qū)分開。

三是米波雷達(dá)無(wú)法測(cè)高。

米波雷達(dá)不能測(cè)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?yàn)槠浔旧聿ㄊ鴮?、波長(zhǎng)長(zhǎng)、角分辨率比較差導(dǎo)致的。另一方面也是因?yàn)榈孛娑鄰椒瓷湫?yīng)造成的。

米波雷達(dá)在俯仰掃描時(shí)不可避免地要打地。地面的反射會(huì)形成多徑效應(yīng)，導(dǎo)致波瓣分裂，使雷達(dá)本身的檢測(cè)和測(cè)量誤差急劇增大。俯仰掃描低空時(shí)，多徑反射波和直達(dá)波的夾角一般比較小，并且能夠從一個(gè)波束寬度內(nèi)進(jìn)入，雷達(dá)測(cè)高一般是波段旋轉(zhuǎn)天線尋找回波信號(hào)最強(qiáng)的方向得出目標(biāo)所在的角度位置，而多徑信號(hào)則讓這一方法完全失效。

測(cè)高方面的技術(shù)限制讓目前的米波雷達(dá)普遍都采用兩坐標(biāo)雷達(dá)體制，而沒有三坐標(biāo)體制。在具體的空情引導(dǎo)中，兩坐標(biāo)雷達(dá)只能告訴飛行員和地導(dǎo)火控雷達(dá)對(duì)手的大概方位，不能告訴高度，這讓引導(dǎo)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(dá)信號(hào)外，還存在大量的民用電臺(tái)、電視、廣播、通信等信號(hào)。這些信號(hào)功率較強(qiáng)且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，一旦進(jìn)入到米波雷達(dá)接收機(jī)內(nèi)，就會(huì)使得其信噪比降低，輕則減少探測(cè)距離，重則根本無(wú)法探測(cè)目標(biāo)。

五是機(jī)動(dòng)性堪憂。

米波雷達(dá)天線必須使用尺寸在米級(jí)的天線才能在發(fā)射和接收米波信號(hào)時(shí)與其產(chǎn)生共振，增加發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度和接收信號(hào)時(shí)的靈敏度。但這種雷達(dá)天線體積非常大，使用固定部署時(shí)生存率較低，而使用機(jī)動(dòng)式部署時(shí)難以保證車輛在各類地形上運(yùn)行時(shí)雷達(dá)自身的安全，因此往往難以獲得較高的機(jī)動(dòng)性。

吳劍旗團(tuán)隊(duì)提出了先進(jìn)米波雷達(dá)概念。為了解決雷達(dá)刷新率和米波跟蹤的問(wèn)題，先進(jìn)米波雷達(dá)采取了相控陣?yán)走_(dá)體制將機(jī)掃模式改為電掃，從而大大增加了波形在一定時(shí)間的發(fā)射量，增加了雷達(dá)的探測(cè)距離和分辨率和刷新率實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)跟蹤，在采用一定的算法對(duì)目標(biāo)回波的多普勒頻域、幅度、相位、極化進(jìn)行之后，還可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別。

為了解決米波雷達(dá)波束寬、打地折射嚴(yán)重又不能進(jìn)行良好區(qū)分的問(wèn)題，先進(jìn)米波雷達(dá)采取了獨(dú)立波束、分區(qū)保形的設(shè)計(jì)，還可以根據(jù)不同方位扇區(qū)的地形情況作出相應(yīng)的匹配優(yōu)化。這種設(shè)計(jì)實(shí)際上就是在空間內(nèi)使用多個(gè)獨(dú)立的掃描波束，對(duì)不同區(qū)域進(jìn)行掃描，因?yàn)檫@些波束是獨(dú)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(lái)的多徑信號(hào)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(wèn)題。

為了解決米波雷達(dá)測(cè)高的問(wèn)題。先進(jìn)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(gè)區(qū)域。在高仰角區(qū)域使用天線低副瓣或者“零陷”設(shè)計(jì)，讓多徑信號(hào)減到最小。雷達(dá)接收機(jī)在接收反射信號(hào)時(shí)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(dá)發(fā)射波束的主波束，但增益比較大，能夠探測(cè)較遠(yuǎn)的目標(biāo)，好比手電筒射出光線里最亮的那個(gè)小圈。第二是副瓣通道，這一通道角度較大，但增益較小。相當(dāng)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(hào)雜波是從副瓣進(jìn)入的，少部分是從主瓣進(jìn)入的，天線副瓣的“零陷設(shè)計(jì)”可以理解為使用主動(dòng)對(duì)消技術(shù)完全堵死副瓣通道，使用相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)時(shí)這比較容易實(shí)現(xiàn)，從而消除了多徑信號(hào)的影響。此時(shí)在高仰角區(qū)可以采取常規(guī)米波雷達(dá)的單脈沖測(cè)角、多波束比幅/比相測(cè)角等方法進(jìn)行高度測(cè)量就有效了。

先進(jìn)米波雷達(dá)抗干擾設(shè)計(jì)主要包括抗民用電臺(tái)干擾和軍用干擾機(jī)干擾兩個(gè)方面。對(duì)于前者，因?yàn)槊裼秒娕_(tái)往往采取連續(xù)信號(hào)，所以無(wú)法在時(shí)域上進(jìn)行抗干擾設(shè)計(jì)，因此先進(jìn)米波雷達(dá)將精力集中在了空域和頻域上，空域設(shè)計(jì)的主要思路是將對(duì)先進(jìn)米波雷達(dá)的副瓣進(jìn)行置零或者抵消，從而使得干擾信號(hào)無(wú)法從旁瓣進(jìn)入，而頻域設(shè)計(jì)的方法是則是在先進(jìn)米波雷達(dá)接收通道上預(yù)置一個(gè)濾波器將雜波濾除。

先進(jìn)米波雷達(dá)橫空出世

在解決了以上問(wèn)題后，先進(jìn)米波雷達(dá)的基本設(shè)計(jì)思路就出來(lái)了。

電磁波是電場(chǎng)和磁場(chǎng)兩種場(chǎng)不斷振動(dòng)形成的。電場(chǎng)的振動(dòng)方向?qū)Φ孛姹３炙绞撬綐O化，對(duì)于水平方向上面積較大的物體，反射回波較大，更簡(jiǎn)單來(lái)的來(lái)說(shuō)，就是雷達(dá)發(fā)射和接收天線與地面保持水平。對(duì)地面保持垂直則是垂直極化，對(duì)于垂直方向面積較大的物理反射的回波較多，就是雷達(dá)發(fā)射和接收天線與地面保持垂直。振動(dòng)方向不斷改變，但軌跡形成一個(gè)圓就是圓極化，就是雷達(dá)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(dá)天線保持90°夾角。顯然極化方式不同時(shí)對(duì)隱形目標(biāo)的探測(cè)能力是不同的。

考慮水平極化和垂直極化兩種情況下對(duì)隱身飛機(jī)的RCS大小對(duì)比，經(jīng)過(guò)構(gòu)建F-22與F-35的數(shù)字模型進(jìn)行仿真模擬顯示，水平極化的RCS明顯大于垂直極化。

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

從目標(biāo)回波的極化匹配考慮。電離層會(huì)對(duì)電磁波造成極化旋轉(zhuǎn)，造成回波信號(hào)極化模式難以判斷，因此也應(yīng)該采取雙極化。

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

從目標(biāo)識(shí)別來(lái)看，目標(biāo)極化特性也是雷達(dá)回波處理是判讀目標(biāo)類型的重要依據(jù)，而極化方式越多，經(jīng)過(guò)對(duì)比，檢測(cè)能力越強(qiáng)，因此也應(yīng)該采取極化捷變技術(shù)。綜上所述，經(jīng)過(guò)綜合平衡，先進(jìn)米波雷達(dá)應(yīng)當(dāng)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(dá)到最佳。

先進(jìn)米波雷達(dá)應(yīng)當(dāng)盡量避免外界無(wú)線電的干擾規(guī)劃其使用頻率，主要考慮：符合無(wú)線電委員會(huì)的頻率使用規(guī)定，避開電視、調(diào)配廣播和無(wú)線電尋呼頻段，有利于雷達(dá)綜合性能（反隱身、抗干擾、機(jī)動(dòng)、探測(cè)）等。

首選為了保證隱身性能，先進(jìn)米波雷達(dá)的頻段應(yīng)當(dāng)處于200兆赫以下，該頻段內(nèi)電磁波與隱形機(jī)的共振效應(yīng)最強(qiáng)，回波信號(hào)增長(zhǎng)最為明顯。

其次先進(jìn)米波雷達(dá)的頻段如果太小，溫度會(huì)對(duì)其造成巨大的雜波影響，且天線過(guò)大不利于機(jī)動(dòng)性，因此至少要在20兆赫以上，

經(jīng)過(guò)對(duì)我國(guó)電視信號(hào)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(wú)線電干擾，而在167兆赫～200兆赫之間也全部都有無(wú)線電干擾。因此先進(jìn)米波雷達(dá)的工作頻段應(yīng)當(dāng)選擇在92兆赫～167兆赫之間。

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

經(jīng)過(guò)綜合考慮，先進(jìn)米波雷達(dá)的工作波段應(yīng)當(dāng)選擇在108兆赫～152兆赫之間。

先進(jìn)米波雷達(dá)的主要任務(wù)是探測(cè)隱形飛機(jī)，因此其常用模式是對(duì)空監(jiān)視搜索模式，因?yàn)榫邆淞烁櫮芰?，雷達(dá)也就有邊搜索邊跟蹤模式。為了雷達(dá)能在高山陣地條件下正常工作，還專門設(shè)計(jì)了可以在低波位進(jìn)行不同頻點(diǎn)工作實(shí)現(xiàn)凹口互補(bǔ)的高山工作模式。為了探測(cè)彈道導(dǎo)彈，也有彈道導(dǎo)彈探測(cè)模式。為了抗干擾雷達(dá)有頻率捷變、極化捷邊等抗干擾工作模式。這些工作模式實(shí)際上已經(jīng)讓先進(jìn)米波雷達(dá)成為一臺(tái)防空反導(dǎo)兼用的空情雷達(dá)。

1991年，在經(jīng)歷過(guò)海灣戰(zhàn)爭(zhēng)的震撼之后，剛剛來(lái)到電子38所工作一年的吳劍旗把目光放在了反隱身雷達(dá)研制上。一年后，吳劍旗就獲得了一個(gè)旨在研究反隱身雷達(dá)的項(xiàng)目——稀布陣綜合脈沖孔徑雷達(dá)試驗(yàn)系統(tǒng)。在研究過(guò)程中，吳劍旗慢慢認(rèn)識(shí)到研制米波雷達(dá)是克制隱身飛機(jī)的利器，雖然米波雷達(dá)有許多固有的弱點(diǎn)，被大多數(shù)雷達(dá)專家所不認(rèn)同，但敏銳的吳劍旗發(fā)現(xiàn)新的數(shù)字陣列雷達(dá)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(wèn)題解決，2001年完成了課題研究，11年之后的2012年，首個(gè)實(shí)用系統(tǒng)被吳劍旗團(tuán)隊(duì)完成，達(dá)到了預(yù)定目標(biāo)，中國(guó)從此不再害怕隱形機(jī)！

2013年，在澳大利亞召開阿德萊德召開的國(guó)際雷達(dá)會(huì)議上，吳劍旗作為大會(huì)開幕式歷史上第一位特邀的亞洲雷達(dá)專家就先進(jìn)米波雷達(dá)做了專題報(bào)告，引起了熱烈反響和國(guó)際知名雷達(dá)專家的關(guān)注。對(duì)這些榮譽(yù)吳劍旗說(shuō)道“這不僅僅是科學(xué)家個(gè)人的成績(jī)和影響力，更代表著我國(guó)雷達(dá)研究的技術(shù)水平和國(guó)際地位。”

而他的目光已經(jīng)投向了遠(yuǎn)方——更先進(jìn)的全息感知雷達(dá)！

責(zé)任編輯：邢強(qiáng)