雷达技术简介及发展展望

摘要：文章简要介绍了雷达技术发展简史和雷达技术在现代国防中的地位和作用，简述了几种先进雷达的体制和技术的基本原理以及国外的先进雷达应用情况，提出了现代战争下雷达技术发展展望。0前言雷达（Radar）是英文“RadioDetectionandRanging，缩写的译音,意思是无线电检测和定位。近年来更广义的Radar的定义为:利用电磁波对目标检测/定位/跟踪/成像/识别。雷达是战争中关键的侦察系统之一,它提供的信息是决策的主要基础。雷达可用于战区侦察,也可用于战场侦察。装有雷达导引头的导弹、灵巧炸弹能精确地、有效地杀伤目标。在反洲际弹道导弹系统，反战术弹道导弹系统中，雷达是主要的探测器。雷达技术在导航、海洋、气象、环境、农业、森林、资源勘测、走私检查等方面都起到了重要作用。下面简要叙述雷达技术发展简史。雷达技术首先在美国应用成功。美国在1922年利用连续波干涉雷达检测到木船，1933年6月利用连续波干涉雷达首次检测到飞机。该种雷达不能测距。1934年美国海军开始发展脉冲雷达。英国于1935年开始研究脉冲雷达，1937年4月成功验证了CH（ChainHome）雷达站，1938年大量的CH雷达站投入运行。英国于1939年发展飞机截击雷达。1940年由英国设计的10cm波长的磁控管由美国生产。磁控管的发展是实现微波雷达的最重要的贡献。1940年11月，美国开发微波雷达，在二次世界大战末期生产出了10cm的SCR-584炮瞄雷达，使高射炮命中率提高了十倍。二战中，俄、法、德、意、日等国都独立发展了雷达技术。但除美国、英国外，雷达频率都不超过600MHz。二战中，由于雷达的很大作用，产生了对雷达的电子对抗。研制了大量的对雷达的电子侦察与干扰设备，并成立了反雷达特种部队。二战后，特别是五、六十年代，由于航空航天技术的飞速发展，用雷达探测飞机、导弹、卫星、以及反洲际弹道导弹的需要，对雷达提出了远距离、高精度、高分辨率及多目标测量的要求，雷达进入蓬勃发展阶段，解决了一系列关键性问题：脉冲压缩技术、单脉冲雷达技术、微波高功率管、脉冲多卜勒雷达、微波接收机低噪声放大器（低噪声行波管、量子、参量、隧首二极管放大器等）、相控阵雷达。七十至九十年代，由于发展反弹道导弹、空间卫星探测与监视、军用对地侦察、民用环境和资源勘测等的需要，推动了雷达的发展。出现了合成孔径雷达（SAR）,高频超视距雷达（OTHR）,双/多基地雷达，超宽带（UWB）雷达，逆合成孔径雷达（ISAR），干涉仪合成孔径雷达（InSAR），综合脉冲与孔径雷达等新技术新体制。现代国防离不开雷达雷达不仅用于探测目标，并且成为武器的重要组成部分（如精确制导导弹）。雷达的军事用途简述如下：1.1搜索雷达和警戒雷达：作用距离400-600km，用于发现飞机。预警雷达/超远程雷达:作用距离数千公里,用于发现战略轰炸机,洲际导弹。引导指挥雷达（监视雷达）,用于对歼击机的引导和指挥作战,机场调度。机载预警雷达是当前一种重要雷达。制导雷达：控制导弹去攻击飞机和/或导弹等目标。战场监视雷达:用于发现坦克\军用车辆\人和其它在战场上的运动目标.机载雷达：（截击、轰炸瞄准、护尾、导航雷达）：现代战斗机上的雷达具有搜索、截获目标，空对空制导导弹，空对地观察地形和引导轰炸，敌我识别、地形跟随和回避等多种功能。舰载雷达:搜索雷达、导航雷达、舰载多功能相控阵监视、预警雷达、侦察雷达、炮瞄雷达、导弹制导雷达等。炮瞄雷达:自动控制火炮跟踪攻击目标。炮兵雷达:炮兵部队使用的战场目标侦察雷达、战场炮位侦校雷达、对海侦校雷达、炮兵气象雷达、初速测量雷达、阵地标定雷达。靶场测量雷达:测距、测速、精密定位、安全控制等单功能雷达。。雷达导引头（寻的器）/雷达引信:装在导弹/炮弹上,末段制导导弹,精确命中目标。毫米波雷达导引头已应用于导弹制导中。虽然雷达面临隐身、电子对抗、反雷达导弹、低空/超低空的挑战，正处于重大变革时期。但雷达具有全天候，并且不依赖于威胁目标的辐射，因此雷达仍是一种重要的探测手段。现代战争中雷达具有非常重要的作用，现代国防离不开雷达技术。几种先进的雷达技术2.1相控阵雷达相控阵雷达的天线是电子扫描阵列天线。阵列天线由一定数量的单个辐射元适当的间距组成的。控制各个阵元信号间的相对幅度和相位，来得到全部阵元联合作用产生的所需辐射方向图。相控阵雷达的计算机控制：计算机是相控阵雷达的必要部分，它使雷达能灵活、多功地运行。应用计算机对移相器控制，控制波束扫描，形成多波束接收、发射功率管理，自适应波束形成，自适应抗干扰，目标跟踪，制导和火控等。2.2合成孔径雷达技术合成孔径雷达（SAR）是一种成像雷达，它对地球表面的成像提供类似地图的显示。合成孔径雷达的距离向分辨率是由采用的发射宽带信号得到。雷达方位（横距离向）分辨率是采用合成口径技术得到。合成孔径雷达有非聚焦式和聚焦式两种方式。非聚焦式时，同一目标对孔径中心和孔径边缘的距离差约束为三"8,使合成天线的有效长度Le=，所以非聚焦合成天线的横距离向分辨率为6=/2。聚焦方式是对每个合成孔径天线单元采用相位校正。聚焦合成孔径的有效长度Le=RX/D,横距离向分辨率6=D/2。式中D为实际的天线尺寸。利用合成孔径雷达可获得清晰的雷达图像。逆合成孔径雷达（ISAR）。合成孔径雷达是雷达相对于静止目标运动。而逆合成孔径雷达是雷达固定在地面，目标在空中相对于雷达运动，也可以产生目标的图像。逆合成孔径雷达是一种新技术，正在发展中。2.3高频超视距雷达（HF-OTHR）高频超视距雷达工作频率为3-30MHZ,与无线电短波通信的波段相同。它利用电离层对电波的折射，传播距离可超过视线距离，单次折射的雷达距离可控制在4000km。超视距雷达必须利用多卜勒处理技术从杂波中分离出所需目标。由于电离层白天与晚上变化较大，所以雷达工作频率也要作相应的改变。直到70年代，现代化计算机、数字信号处理能力的提高，超视距雷达才能实现并用于作战。高频超视距雷达可观测飞机、导弹、舰船等目标，它的作用距离大约1000-3500km。空间分辨率很粗，几十公里数量级。由于工作波长较长，天线必须很大，1000m或更长一些。美、俄、澳大利亚等国已部署了超视距雷达。在技术上，美国处于领先地位。2.4双/多基地雷达双基地雷达的发射和接收天线分开距离较大。双基地发射机的辐射信号经两条路径到达接收机。一条是直接到达路径，另一条路径是经目标散射后到达接收机。双基地雷达截面（RCS）与双基地角（散射角）ß有关。135°三ß三180。称为前向散射区。在该区间，双基雷达截面（RCS）通常显著地大，对探测目标非常有利。多基雷达与双基雷达的区别是采用多个分开的接收和发射天线。多基雷达除了可获得目标的位置数据外，还可获得目标的航速、航向信息。多基地雷达和双基地雷达具有反隐身目标潜力和抗反辐射导弹的能力。2.5毫米波（MMW）雷达毫米波波段被定义为40GHz到300GHz,Ka波段（35GHz）某些性质属于毫米波。毫米波的“传播窗口”的标称工作频率为：35、95、140、220GHz。四个主要窗口中，可利用带宽分别为：16、23、26、70GHz。其与微波相比的优点是：（1）可利用频率的带宽宽。（2）对于给定的天线尺寸，天线增益高，波束宽度窄，角分辨率高。（3）具有较大的多卜勒频移，有利于提高测速精度。毫米波分辨率不如红外光和激光，但具有穿透灰尘、烟和雾的能力，基本上可全天候工作。毫米波雷达的主要应用：毫米波精确制导—毫米波导引头；战场监视雷达；坦克用搜索和跟踪雷达；低空搜索、跟踪和火控雷达；飞机防撞；港口舰船导航防撞。因外层空间无大气吸收，是毫米波雷达最理想的应用场合。2.6超宽带雷达（UWBR）超宽带雷达的相对带宽大于50%，有助于探测隐身目标。隐身目标设计中必然存在频率薄弱环节，超宽带雷达能够覆盖这些频率。超宽带雷达工作于VHF/UHF波段，具有穿透叶簇和土壤的能力，能够探测树林中和掩体（土壤）中的军事目标。某机载超宽带雷达，对侦察地域成像，从SAR图像可检测出地表、以及叶簇和土壤覆盖下的军用车辆、坦克、飞机等。冲击脉冲超宽带雷达广泛用于地表下目标（武器、地雷、弹药）的探测。国外几种先进雷达简介美国的预警雷达3.1.1超视距（多基地）雷达--AN/FPS-11&作用距离900-3000km.覆盖面积超过1100万km2。能跟踪轰炸机、私人小飞机（长4.3）米。1987年10月成功地探测到在1690km飞行的两架苏图-142反潜飞机。3.1.2搜索雷达（AN/FPS-50）--作用距离4800km。可近视测出导弹轨道、弹着区。3.1.3跟踪雷达（AN/FPS-49）---作用距3200km。捕获目标，给出精确的弹道数据.3.1.4跟踪雷达（AN/FPS-80），可观测苏联向太平洋发射的洲际导弹再入段。3.1.5PAVEPAWS固态相控阵雷达---作用距5400km。搜索和跟踪来袭导弹。3.1.6丹麦眼镜蛇相控阵雷达（AN/FPS-108）--作用距离3200km，同时跟踪100个目标。俄罗斯的预警雷达超视距雷达—瞄准监视美国洲际导弹发射场，发出30分钟的警报。“猫窝”雷达一作用距离3000km。频率338-424MHz,距离分辨率500m。“鸡笼”相窝阵雷达（类似于美国AN/FPS-50）,--作用距离6000-7000公里。“狗窝”反导作战管理雷达一作用距离2800km。频率100MHz，峰值功率20兆瓦。俄罗斯实际上已拥有能进行实战的反弹道导弹系统。3.3美国机载战场侦察雷达系统（AN/APY3）它是装在E-8A飞机上的联合监视目标攻击系统（JSTARS）。是高分辨率电扫阵列天线雷达。工作于X波段，作用距离300公里，单机覆盖范围480X320km2，分辨率为1米。雷达为全相参体制。两种工作模式。用脉冲多卜勒/动目标显示工作（MTI）模式时，能对180X180km2的地区进行监视，可探测到汽车、坦克、飞机和机动导弹发射架等运动目标。用旁视合成孔径（SAR）工作模式时，能实时形成高分辨率的监视图像，用以探测各种固定军事目标。由三套VAX860计算机处理雷达信号和数据。雷达还具有固定目标光点显示状态和武器制导状态。是现今最先进的机载雷达系统。在海湾战争中使用很成功。1991年1月29日，JSTARS探测到一个伊军车队，随即把目标信息传送给战场空中指挥与控制中心，指挥战机实施攻击，摧毁了该车队61辆中的58辆。飞毛腿导弹发射架在导弹发射10分钟内，可转移到离阵地8公里远的任何地方。飞毛腿导弹发射架的搜索是多国部队比较头痛的问题。在实施多种侦察手段中，该系统效果明显，在开战后36小时内，11个移动导弹发射架被摧毁6个。美国空军参谋长甚至认为：“美国将来如果没有像JSTARS这样的系统是不会参战的”。3.4美国的PAC-3“爱国者”AN/MPQ-53制导雷达它是多功能相控阵雷达。用于搜索、探测、跟踪目标，以及指挥控制导弹。能同时处理90-125个目标，最多支持9枚受国者导弹拦截目标。没有卫星预警支持，雷达捕获来袭目标距离为50-60公里。有卫星预警支持，捕获目标距离可达100公里。爱国者导弹系统在海湾战争中成功应用，成为著名的在役装备。“爱国者”与“飞毛腿”的导弹战，促进了战术弹道导弹防御技术的发展。美国已将反战术弹道导弹（ATBM）放在优先位置，正有步骤地研制和部署ATBM系统。改进的“爱国者”系统一PAC-3系统将首先部署。3.5美国的多传感器综合战场侦察系统（ETAS）该系统主要由:AN/TPA-74毫米波战场侦察雷达、前视红外传感器、高分辨电视、激光测距仪、射频干涉仪等组成。ETAS多频谱系统装在M113型装甲运兵车的20米高的气动可伸缩的桅杆上。特别是在森林地带侦察时，通过桅杆把ETAS系统伸到树顶上进行侦察，而不暴露M113载车。ETAS系统的AN/TPA-74雷达是模块式Ku波段脉冲压缩雷达。可进行战场情报收集、火力支援、防空等需要大面积监视、目标捕获和跟踪，并可采用多种雷达平台（如三角架、桅杆、轻型飞机、遥空飞行器等）。改变模块和天线，雷达工作频率可改为X、S、和L波段。作用距离20km，距离分辨率15-75m。可探测跟踪雷达截面为10m2的目标。可对移动车辆、直升飞机进行分类，对人的作用距离至少8km,并且至少可同时跟踪和显示10个目标或目标群。该系统已在海湾战争中使用。雷达技术发展展望现代战争是陆、海、空、天的多维战场，信息战成为一种关键的作战样式。信息能力是衡量作战能力的关键因素，信息能力是被摧毁的首要目标。雷达是一种获取信息的重要装备。它面临电子侦察、电子干扰、隐身、反辐射导弹四大威胁。所以增进强雷达抗侦察、抗干扰、抗隐身（包括抗低空突防）、搞反辐射导弹的能力，是现代战争下雷达技术发展的主要方向。雷达在现代战争下担负：目标的精确、实时、全天候侦察监视；对弹道导弹、巡航导弹等大规模破坏性武器的探测与跟踪；各种隐身目标的探测与识别；战斗杀伤效果判别和目标识别等任务。雷达还担任导弹制导和武器火控等任务。雷达为实现上述任务的关键技术是：相控阵雷达（PAR），超视距雷达（OHTR）、合成孔径雷达（SAR）和干涉仪合成孔径雷达（InSAR）、毫米波雷达（MMW），双/多基地雷达；高速、实时信号/数据处理技术；雷达组网技术等。4.1相控阵雷达发展方向是:固态有源相相控阵,灵敏、宽带有源阵列，分布式有源相控阵，有源共形阵，自适应共形阵，超高频、低旁瓣相控阵天线，多波束相控阵天线，自适应波束形成技术，自适应抗干扰技术，采用光电子技术的有源相控阵技术，数字组件相控阵技术，毫米波空间监视相控阵雷达，反隐身相控阵雷达。4.2合成孔径雷达（SAR）是战场监视系统的发展方向。重点开发的内容是：宽带、超宽带SAR，探测叶簇、地表下的隐蔽目标，各种目标分类、识别；多功能、多模式，特别是将SAR与GMTI相结合。干涉仪合成孔径雷达（InSAR）可得到数字地形高程图；生成二维舰船目标图像，可用于船只分类；重点解决INSAR的雷达回波“实时”处理问题。高分辨、多波段、多极化、多模式卫星SAR/（INSAR）图像的解译技术。4.3超视距雷达（OHTR）发展重点是利用高频无线电波的电离层反射，扩大雷达的覆盖范围，提高分辨率；超视距雷达探测隐身飞机的机理和能力；电离层引起的相位畸变修正技术；非稳定性电离层条