傅有光/文

雷達(dá)是探測(cè)裝備中的No.1

現(xiàn)代武器裝備中有多種探測(cè)手段，包括光學(xué)成像、熱成像、紅外探測(cè)、紫外光探測(cè)、激光探測(cè)及微波雷達(dá)等。雷達(dá)在上述設(shè)備中是佼佼者，具備全天候、全天時(shí)的優(yōu)點(diǎn)。白天黑夜均能探測(cè)遠(yuǎn)距離目標(biāo)，且不受霧、云、雨阻擋，并有一定的植被穿透能力，分辨率不會(huì)隨著距離增遠(yuǎn)下降，是戰(zhàn)場(chǎng)上的“火眼金睛”。

雷達(dá)，是英文Radar的音譯，源于radio detection and ranging的縮寫，意思為“無線電探測(cè)和測(cè)距”，在行業(yè)內(nèi)也被稱為“無線電定位”。雷達(dá)發(fā)射電磁波對(duì)目標(biāo)進(jìn)行照射，并接收其回波，由此獲得目標(biāo)至電磁波發(fā)射點(diǎn)的距離、距離變化率（徑向速度）、方位、高度等信息。

雷達(dá)的出現(xiàn)是由于戰(zhàn)爭(zhēng)需要。二戰(zhàn)期間德國(guó)對(duì)英國(guó)本土進(jìn)行轟炸，英國(guó)損失慘重急需實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離探測(cè)以便采取躲避措施，并引導(dǎo)地面炮火反擊，于是在英倫島周圍布置了長(zhǎng)波的探測(cè)裝置，終于有效抵消了德軍的轟炸機(jī)襲擊。

二戰(zhàn)后，雷達(dá)逐漸發(fā)展了地對(duì)空、空對(duì)地(搜索)轟炸、空對(duì)空(截?fù)?火控、單脈沖角度跟蹤、脈沖多普勒信號(hào)處理、合成孔徑和脈沖壓縮的高分辨率等多種雷達(dá)技術(shù)，以及結(jié)合計(jì)算機(jī)的自動(dòng)火控系統(tǒng)、地形回避和地形跟隨、無源或有源的相位陣列、頻率捷變、多目標(biāo)探測(cè)與跟蹤等新的雷達(dá)體制。

雷達(dá)工作的頻段與其任務(wù)要求有很大關(guān)系。在較低頻率波段如P波段主要是警戒，S波段是搜索跟蹤指示，X波段由于精度高用于火控，與打擊武器鉸鏈，更高的Ku和Ka是彈頭的導(dǎo)引頭雷達(dá)。

英軍雷達(dá)布戰(zhàn)圖

各種用途型號(hào)的雷達(dá)具體結(jié)構(gòu)大致相同，包括：天線、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、信號(hào)處理和數(shù)據(jù)處理及PI顯示器，以及電源設(shè)備、數(shù)據(jù)錄取設(shè)備、抗干擾設(shè)備等輔助設(shè)備。

雷達(dá)所起的作用與眼睛和耳朵相似，信息載體是電磁波?？梢姽饣蛭⒉ū举|(zhì)上都是電磁波，在真空中傳播速度都是光速C，差別在于頻率和波長(zhǎng)不同。雷達(dá)設(shè)備工作原理都是發(fā)射機(jī)通過天線把電磁波能量射向空間某一方向，處于該方向上的目標(biāo)反射電磁波，雷達(dá)天線接收此回波，送至接收設(shè)備進(jìn)行放大濾波處理，信號(hào)處理和數(shù)據(jù)處理提取有關(guān)該目標(biāo)的某些信息，比如目標(biāo)物體至雷達(dá)的距離，距離變化率或徑向速度、方位、高度和飛行航跡等。

測(cè)量距離原理是測(cè)量發(fā)射脈沖與回波脈沖之間的時(shí)間差，因電磁波以光速傳播，據(jù)此就能換算成雷達(dá)與目標(biāo)的精確距離；測(cè)量目標(biāo)方位原理是利用天線的尖銳方位波束，測(cè)量仰角靠窄的仰角波束，從而根據(jù)仰角和距離就能計(jì)算出目標(biāo)高度；測(cè)量速度原理是雷達(dá)根據(jù)自身和目標(biāo)之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的頻率多普勒效應(yīng)。雷達(dá)接收到的目標(biāo)回波頻率與雷達(dá)發(fā)射頻率不同，兩者的差值稱為多普勒頻率。根據(jù)多普勒頻率與工作波長(zhǎng)和光速C就能推算出目標(biāo)速度。

長(zhǎng)波雷達(dá)外形圖

雷達(dá)的五大看家絕活

脈沖壓縮技術(shù)、動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)（MTI）、恒虛警檢測(cè)（CFAR）、相控陣電掃及脈沖多普勒（PD）技術(shù)這五項(xiàng)技術(shù)的運(yùn)用使得雷達(dá)在地面、艦載、機(jī)載等各種武器平臺(tái)上運(yùn)用，環(huán)境適應(yīng)性和實(shí)戰(zhàn)能力大大提高。

脈沖壓縮技術(shù)。一般光學(xué)的測(cè)量距離依賴于能見度和物體的光照度，雷達(dá)測(cè)量要求發(fā)射出去的脈沖又高又瘦，高是能量大看得遠(yuǎn)，瘦是刻度細(xì)看得清,但這個(gè)要求受限于電子器件很難實(shí)現(xiàn)。脈沖壓縮技術(shù)采用大時(shí)寬和頻帶寬的脈沖波形，回波接收后采用信號(hào)處理的匹配濾波積累，把又寬又胖的波形變回又高又瘦的波形，完美地解決了遠(yuǎn)距離探測(cè)和高分辨率的難題。

動(dòng)目標(biāo)顯示（MTI）。雷達(dá)工作的地理環(huán)境中必定有高山建筑物，而如何檢測(cè)在大山前的飛機(jī)目標(biāo)是十分頭痛的問題，利用運(yùn)動(dòng)目標(biāo)和靜止地物間的多普勒差就是動(dòng)目標(biāo)顯示的基本依據(jù)，雷達(dá)發(fā)射幾個(gè)脈沖，對(duì)于靜止的地物多普勒為零，每個(gè)脈沖的回波沒有變化，而快速運(yùn)動(dòng)的飛機(jī)是每個(gè)脈沖間都會(huì)有位置的細(xì)微變化。3個(gè)或5個(gè)脈沖回波相互抵消就很容易把固定的地物去掉而保留運(yùn)動(dòng)飛機(jī)目標(biāo)。動(dòng)目標(biāo)顯示（MTI）后面發(fā)展成動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)（MTD）,利用不同的多普勒頻率，不但能消除零多普勒的大山建筑物，還能消除海浪、云雨具有多普勒頻率的運(yùn)動(dòng)雜波。

恒虛警檢測(cè)技術(shù)（CFAR）。要把目標(biāo)從回波里分辨檢測(cè)出來，自然會(huì)想到利用固定的檢測(cè)門限，高于某個(gè)門限（一般采用13dB）的小脈沖就認(rèn)為有個(gè)目標(biāo)了，這個(gè)門限設(shè)高了有些目標(biāo)檢測(cè)不到（漏警率），設(shè)低了虛假目標(biāo)就多了影響判斷（虛警率）。而雷達(dá)回波中的雜波幅度會(huì)隨著環(huán)境（地物海浪云雨等）的不同起伏不定，CFAR采用統(tǒng)計(jì)的方法計(jì)算出當(dāng)時(shí)雜波的平均身高作為檢測(cè)門限，從而“不冤枉好人不放過壞人”，達(dá)到恒定的檢測(cè)概率，就是恒虛警檢測(cè)技術(shù)（CFAR）基本思想。

相控陣電掃描技術(shù)。最初雷達(dá)看360度的目標(biāo)靠機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)天線，俯仰高度也叫“點(diǎn)頭工作”。但目標(biāo)數(shù)目多了，靠轉(zhuǎn)動(dòng)“身體”和“點(diǎn)頭”就來不及了，要求“眼球”能轉(zhuǎn)動(dòng)，于是相控陣?yán)走_(dá)出現(xiàn)了。相控陣?yán)走_(dá)是一種以改變雷達(dá)波相位來改變波束方向的雷達(dá)，控制每個(gè)天線單元的信號(hào)相位變化，從而使得整體天線的最大矢量合成方向改變，因?yàn)槭且噪娮臃绞娇刂撇ㄊ莻鹘y(tǒng)的機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)天線面方式，又稱電子掃描雷達(dá)。相控陣?yán)走_(dá)因?yàn)榧泻头植及l(fā)射結(jié)構(gòu)不同，又分為有源相控陣和無源相控陣。有源相控陣大大得益于全固態(tài)發(fā)射技術(shù)。相控陣?yán)走_(dá)大大提高了目標(biāo)檢測(cè)特性（波束捷變）和反干擾性能，也大大提高了裝備的可靠性（陣面單元有冗余度）。

脈沖多普勒（PD）技術(shù)。當(dāng)雷達(dá)裝在飛機(jī)空載武器平臺(tái)時(shí)，真的應(yīng)驗(yàn)了“站得高看得遠(yuǎn)”的諺語(yǔ)。因?yàn)榈厍蚯嬗绊?，雷達(dá)視距一直受到平臺(tái)高度的限制。但機(jī)載雷達(dá)面臨的雜波挑戰(zhàn)更大。飛機(jī)下面的廣闊地面就是一面巨大的微波反射鏡，由于飛機(jī)本體運(yùn)動(dòng)，固定地面回來的強(qiáng)大地雜波還有十分寬的多普勒頻譜，機(jī)載里特有的天線輔瓣和主瓣運(yùn)動(dòng)雜波能把目標(biāo)信號(hào)深深淹沒在30dB以下，MTI和脈壓積累根本無濟(jì)于事。只有靠幾百個(gè)甚至上千個(gè)脈沖的相參積累，利用高頻率的脈沖重復(fù)周期PRI，把運(yùn)動(dòng)雜波和目標(biāo)在多普勒頻域分開，因此PD的檢測(cè)是在多普勒速度維完成，有別于地面艦載雷達(dá)在距離時(shí)間維的檢測(cè)。

由于高重復(fù)頻率脈沖體制，目標(biāo)距離信息是直接得不到的（距離高度模糊），是靠脈沖組PRI的變化解算得到，諸如古代的剩余定理原理。脈沖多普勒（PD）技術(shù)后來結(jié)合天線空間區(qū)分變?yōu)榭諘r(shí)二維處理（STAP）技術(shù)，更好地區(qū)分出隱藏在運(yùn)動(dòng)雜波中的慢速目標(biāo)。

近代雷達(dá)的三大新技能

雷達(dá)進(jìn)入二十世紀(jì)后，實(shí)戰(zhàn)裝備又有新的運(yùn)用，那就是雷達(dá)微波成像（SAR）、目標(biāo)識(shí)別技術(shù)（ATR）和反干擾技術(shù)（ECCM）。

雷達(dá)SAR成像技術(shù)。雷達(dá)誕生之時(shí)起，人們就一直夢(mèng)想它能像光學(xué)照相機(jī)那樣呈現(xiàn)符合人類觀測(cè)習(xí)慣的二維圖像。二維圖像方位和距離的分辨率要對(duì)等，現(xiàn)代雷達(dá)有200MHz的瞬時(shí)帶寬，距離分辨率有0.75米且不隨距離變化，而相對(duì)水平分辨率主要依賴天線的口徑大小，若孔徑波束寬度0.2°，100公里處的分辨率為350米，距離越遠(yuǎn)越差，橫向和縱向的分辨率相差幾個(gè)數(shù)量級(jí)。而天線口徑尺寸限制很多，尤其是機(jī)載，會(huì)嚴(yán)重影響空氣動(dòng)力學(xué)的飛機(jī)機(jī)動(dòng)性能。機(jī)載SAR，巧妙利用飛機(jī)運(yùn)動(dòng)把飛行距離轉(zhuǎn)化為天線的虛擬口徑，大大突破天線實(shí)孔徑的限制，一下把水平方位的分辨率提高到米量級(jí)，結(jié)合SAR的成像算法實(shí)現(xiàn)了微波圖像的功能。

導(dǎo)彈目標(biāo)識(shí)別示意圖

類似于人的兩眼視距差原理，利用雙程高度差的接收天線，還能對(duì)地面生成三維立體的圖像。SAR成像運(yùn)用場(chǎng)景十分多，可以在SAR圖像基礎(chǔ)上檢測(cè)道路、河流、橋梁，機(jī)場(chǎng)和導(dǎo)彈發(fā)射井的戰(zhàn)略目標(biāo)，甚至用SAR-GMTI技術(shù)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)的戰(zhàn)車坦克目標(biāo)，利用電磁穿透效應(yīng)，檢測(cè)出偽裝過的戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)。在國(guó)家衛(wèi)星高分項(xiàng)目中可進(jìn)行大地測(cè)量，洪水監(jiān)測(cè)、海冰監(jiān)測(cè)、土壤濕度調(diào)查、森林資源清查、地質(zhì)調(diào)查等方面也顯示出了很好的應(yīng)用效果。

目標(biāo)識(shí)別技術(shù)（ATR）。雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)的最終任務(wù)是對(duì)檢測(cè)出的目標(biāo)分類識(shí)別，從而給武器打擊提供判決依據(jù)，于是目標(biāo)識(shí)別技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。目標(biāo)識(shí)別的判決依據(jù)分兩類，雷達(dá)回波的信號(hào)調(diào)制特征和雷達(dá)成像特征。目標(biāo)識(shí)別的任務(wù)主要分為空中目標(biāo)識(shí)別、地面目標(biāo)識(shí)別、海面目標(biāo)識(shí)別和彈道導(dǎo)彈識(shí)別。

空中目標(biāo)識(shí)別主要是對(duì)飛機(jī)機(jī)群編隊(duì)識(shí)別、飛機(jī)類型識(shí)別及機(jī)型的識(shí)別，主要依據(jù)是一維高分辨距離像和信號(hào)調(diào)制特征（螺旋槳多普勒調(diào)制）；海面目標(biāo)識(shí)別是對(duì)艦船大小、類型分類辨別，分類主要依據(jù)是對(duì)船的成像；地面目標(biāo)識(shí)別是對(duì)道路、河流、橋梁，以及機(jī)場(chǎng)和導(dǎo)彈發(fā)射井的戰(zhàn)略目標(biāo)和戰(zhàn)車坦克戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)的識(shí)別，識(shí)別的依據(jù)是SAR成像。

彈道導(dǎo)彈識(shí)別是反導(dǎo)任務(wù)中的急需任務(wù)和最大挑戰(zhàn)，大規(guī)模殺傷性核武器是對(duì)人類生存的最大威脅，其運(yùn)載工具就是火箭導(dǎo)彈。導(dǎo)彈飛行速度快，給攔截武器的反應(yīng)時(shí)間短，大氣層外飛行的寶貴中段時(shí)間內(nèi)探測(cè)手段只有雷達(dá)一項(xiàng)可選，而導(dǎo)彈再突防時(shí)會(huì)拋射誘餌和假?gòu)楊^，讓有限的攔截武器資源發(fā)揮最大效能，需要雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別，把真假?gòu)楊^、誘餌、彈艙、碎片都區(qū)分開，對(duì)真彈頭實(shí)施攔截。美國(guó)薩德導(dǎo)彈攔截武器系統(tǒng)就是比較成功的裝備。雷達(dá)在識(shí)別分類中主要依據(jù)是彈頭的反射截面積RCS系列統(tǒng)計(jì)變化，ISAR成像和彈頭旋轉(zhuǎn)翻滾的微多普勒特征。

反干擾技術(shù)（ECCM）。雷達(dá)是作戰(zhàn)裝備，和平時(shí)期它的技術(shù)性能與戰(zhàn)場(chǎng)的雙方較量中的作戰(zhàn)效能不同，針對(duì)雷達(dá)的電子干擾手段和形式也更為多樣。雷達(dá)用于反干擾的技術(shù)有旁瓣對(duì)消（SLC ）和旁瓣匿影（SLB），對(duì)付敵方的遠(yuǎn)程壓制式干擾，實(shí)際裝備使用效果十分穩(wěn)定出色。針對(duì)原來越多的伴飛支援式干擾和自衛(wèi)式干擾，更多采用先進(jìn)的信號(hào)處理算法來抑制，如盲源分離、干擾特征提取等。頻率捷變和低截獲波形設(shè)計(jì)也大大增大干擾機(jī)作戰(zhàn)難度。

雷達(dá)的發(fā)展有三大推動(dòng)力，一是復(fù)雜環(huán)境的變化，如地理環(huán)境和電磁環(huán)境；二是探測(cè)的目標(biāo)電磁特性變化，比如隱身飛機(jī)、高速飛行導(dǎo)彈和大于音速10倍的臨近空間飛行器；三是技術(shù)推動(dòng)，微波器件（如光電結(jié)合技術(shù)）發(fā)展和高速計(jì)算能力的提升（嵌入式FPGA，CPU等數(shù)字器件），先進(jìn)的算法理論（SAR成像人工智能深度學(xué)習(xí)等）。

現(xiàn)在，雷達(dá)已經(jīng)從只會(huì)探測(cè)單個(gè)目標(biāo)的娃娃長(zhǎng)大成為探測(cè)成像識(shí)別多功能的壯年。進(jìn)入后雷達(dá)時(shí)代后，會(huì)有更多的技術(shù)（如AI）和體制（MIMO分布式，頻控陣，無源雷達(dá)等）得到運(yùn)用，使雷達(dá)如虎添翅，發(fā)揮更大作用。（中國(guó)電科十四所）