雷達探測與毀傷一體化設計

潘栓龍 季 帥

（西安導航技術研究所，陜西 西安 710068）

0 引言

現代高科技戰爭中，信息已成為作戰的核心和關鍵，戰場軍事通信系統一旦遭到破壞，將嚴重威脅整個作戰體系的生存情況，故安全穩定的通信網絡和電子系統已成為戰場命脈，電磁戰已成為現代戰爭的新型戰場。欲在戰爭中取得主動權，必須取得制電磁權，一方面要避免己方受到電磁干擾；另一方面要積極干擾敵方電子設備。電磁攻擊與抗干擾已成為現代戰場重要手段[1]。

雷達是現代戰場的信息探測中樞，高功率微波武器（HPMW）是一種用于目標電磁攻擊的新概念武器，二者的共同點使一體化兼容性設計成為可能。完成雷達和HPMW 一體化設計，可以為裝備的更新換代提供參考，為國土防御體系提供新的思路。將雷達探測與毀傷實現一體化設計，雷達在實現目標探測的同時，利用高功率微波武器實現對敵方作戰平臺的電磁打擊，從而使我部雷達系統在完成探測的同時取得電磁戰場的控制權，進而在現代信息化戰場取得主動權。實現雷達探測與毀傷實現一體化設計，可以充分利用雷達探測的工作效能和高功率微波武器的威力，在現代信息化戰場立于不敗之地[2-3]。

1 高功率微波武器的概念

HPMW 與傳統常規武器在工作原理、作戰方式和殺傷破壞機理上顯著不同，是一種可以大幅度提高作戰效能的新概念定向能武器。HPMW 利用定向發射大功率電磁波束以光速對攻擊目標產生電效應、熱效應等，從而完成干擾、殺傷或摧毀等任務；可用于攻擊軍事衛星，洲際導彈，巡航導彈，空中、地（海）面上的作戰平臺、雷達、通信系統、C4ISR 系統等，尤其對指揮通信樞紐、作戰聯絡網等重要的信息戰節點威脅極大，對目標進行物理性破壞，使其喪失作戰效能。HPM 的特征在于[4]；

（1）發出的射頻波束可照射整個目標，故對目標的瞄準和跟蹤精度要求比常規武器低得多，擊中概率高出一個數量級，可實現多目標同時攻擊；

（2）微波射束以光速傳送，攻擊速度快，可實現全天候作戰，適應不同大氣條件；

（3）微波射束的殺傷機理是破壞其作戰平臺；針對各作戰平臺火力與指揮控制系統的電子設備，或導彈導引頭的電子系統，使它們喪失控制和作戰能力，或在空中引爆導引頭以達到摧毀的目的；

（4）HPMW 具有雷達武器化的潛能，在對目標實施探測、跟蹤后增大發射功率，進而完成電磁干擾和定向摧毀，成為一種具備雷達探測功能并兼顧超級干擾機、定向能武器功能的多功能作戰平臺。

美國空軍已開始對可實現電子攻擊的有源相控雷達的研制，通過對現役有源相控陣雷達的T/R 組件上加裝微型傳輸接收器，可同時完成多任務，實現對敵方電子設備的電磁攻擊。改裝的AESA 雷達可針對不同目標完成不同功能，目前F-22、F-35、EA-18G 等戰斗機都裝備了該型遠程主動AESA 雷達，其缺點在于發射微波能量較強，難以隱身，易成為被攻擊目標，預計美國正發展相應技術以改善這一缺陷。

在美國國防部HPM 武器發展的總規劃中，其工作年度計劃里主要研究工作在于開發緊湊型寬帶源、天線系統及相關應用，旨在于為機載電子攻擊項目方案選擇一種適用型G 瓦級HPM 源。在近兩年公布的定向能技術計劃中看，任務重點在于繼續發展彈載目標識別應用系統，適用于機載電子攻擊和反臨時湊合爆炸裝置的HPM/RF 武器，內容包括[5-7]；

（1）開發緊湊型重復脈沖的G 瓦級HPM 源及相關脈沖功率部件、機載蒙皮共形相控陣天線技術，利用納米技術控制HPM 源的體積和重量；

（2）改進超寬帶天線及高壓開關；

（3）設計緊湊、高效磁通量壓縮發生器，改進其相關絕緣特性及構件功能；

（4）演示重頻G 瓦級HPM 源與天線的集成系統平臺，控制該系統對機載平臺的影響，改善波束控制組件以滿足機載平臺小型化的要求。

2 HPMW 的實現方法和作用機理

目前HPMW 主要分兩類；一類是微波炸彈，另一類是電磁脈沖炮。

2.1 微波炸彈（E 彈）

E 彈的主要作用機理是在常規火藥炸彈的前級加裝電磁發射設備形成微波炸彈。作戰時，將E 彈由火炮或導彈投射至指定區域，利用爆炸產生的化學能轉化成高能電磁波輻射出去，對指定地區實現干擾和電子摧毀。其工作機理如圖1 所示，利用電源將電磁能量注入同軸電容內，以產生高壓；再將這一高壓瞬間與流量產生器內的螺旋狀導線導通，并在導通電流最大的瞬間，起爆在螺旋狀導線內的炸藥，以壓縮磁通量的方式提升螺旋狀導線上的電流；接著將此電流導入虛陰極管，以諧振方式產生高頻電磁波；最后由微波天線對指定方向進行發射。

高能微波武器有兩級磁通量壓縮發射器。第一級產生爆炸的啟動電流，當爆炸啟動后，爆炸將使電樞管膨脹變形，使之與線圈形成短路，將會壓縮電磁場并減少線圈的電感，使線圈中的電流直線上升，直到發射器崩潰為止，電流上升時間為數納秒。峰值電流幾百兆安，于是產生巨大的電流脈沖，激勵虛陰極管產生電磁脈沖。

2.2 電磁脈沖炮

電磁脈沖炮的主要作用機理是通過高功率微波器件產生兆瓦乃至G 瓦級的輸出功率，通過高增益定向天線發射出去。電磁脈沖炮一般由能源系統、高功率重頻強流電子加速器、高功率微波源和定向天線構成，其基本結構如圖1 所示。

圖1 微波炸彈內部組成框圖

2.2.1 能源系統

高功率微波炮的能源系統一般由初級能源、高功率恒流充電裝置、重頻脈沖高功率開關和重頻控制系統組成，其關鍵技術是重頻脈沖高功率開關。

現階段重頻脈沖高功率開關一般采用氣體火花開關，但當其在有限空間內以某頻率工作時，特別是在大電流、高電壓、大電荷轉換等情況下，前脈沖放電過程產生的等離子產生的高溫、高電離狀態將影響下次脈沖放電前電路的充電過程。克服該這問題最有效的措施就是使氣體流動，清除帶電粒子。

2.2.2 高功率重頻強流電子加速器

高功率重頻強流電子加速器的作用是將能量進行壓縮，形成脈寬約100ns 左右，數百千伏、數十千安的強流電子束流，該部分體積將直接決定微波脈沖炮的體積。一種典型的高功率重頻強流電子加速器如圖2 所示。

圖2 微波虛陰極管及天線框圖

圖3 電磁脈沖炮框圖

圖4 Tesla 變壓器型相對論電子加速器系統結構

2.2.3 高功率微波源

高功率微波源的功率值是電磁脈沖炮的關鍵性能指標。目前，適合于高阻抗高功率重頻微波源主要基于O 型器件；返波管和相對論速調管。目前，X 波段返波管單次工作最高功率為1.7G 瓦；相對論速調管功率達1.5G 瓦，頻率500MHz-5GHz。

2.2.4 天線

對于電磁脈沖炮而言，天線一般采用尖銳波束天線，天線形式主要采用陣列天線或喇叭天線等。

2.2.5 應用方式

電磁脈沖炮可安裝在無人機、預警機等機載平臺中，飛行過程中進行電磁殺傷或干擾；也可放置在低軌道衛星站（約500～916m 高）中，對地可干擾敵方電子設備，空間中可干擾軌道衛星，進而徹底摧毀敵方的網絡通訊。

3 UWBR 和HPMW 一體化設計

3.1 無源探測雷達與E 彈協同作戰

利用巡航導彈將E 彈發射至敵部防區（空間、領空、領海），利用爆炸產生窄帶微波脈沖，燒毀敵方雷達接收機或防空系統中的靈敏部件，完成電磁戰攻擊；上述窄帶微波脈沖信號經敵方作戰平臺反射，經我方同頻段無源被動探測雷達接收，通過對直達波和目標回波相干處理，得到敵方作戰平臺目標特性（包括方位、距離、俯仰等），由我方常規武器系統對敵方作戰平臺進行精確摧毀性打擊。該種作戰方式主要關鍵技術包括[8]；

3.1.1 頻率特性可控的高功率微波彈頭設計

E 彈是將常規炸藥的爆炸能由微波器件轉換為高功率微波輻射能的新型炸彈，所產生的電磁脈沖現象與雷電類似，該脈沖的電場強度急劇上升至峰值后急劇下降，故具有寬頻譜范圍和高幅值，其頻率范圍包含了l0kHz 至l00GHz 的超寬帶頻率成分，幅值比普通無線電波強百萬倍。

但該方式產生的電磁頻譜范圍太廣，具有相當大的隨機性，不利于雷達利用其目標散射回波進行探測，故需開展對E 彈爆炸時所產生的微波頻譜特性進行深入研究，找到利于雷達探測的頻率分量，并對E 彈的諧振腔體進行設計，進而控制其爆炸時所產生微波的頻譜特性，針對不同作戰場景，應對不同作戰任務，可采用不同頻譜特性的E 彈，一方面可以高效完成作戰任務，另一方面可以利用不同頻段的無源雷達實現目標特性探測。

3.1.2 探測信號同步技術

為了發揮無源探測系統優的越探測性能，需完成系統與照射源信號特征的同步匹配，本系統的信號同步情況變得十分復雜，在系統設計時，只能得到發射波形的部分參數，并由此估計其他未知參數。實際應用中，由E 彈起爆裝置控制實現時間同步，利用空域濾波和頻率搜索獲得發射信號信息，根據其頻率信息完成頻率同步，最后通過天線波束形成完成空域同步。

3.1.3 直達波信號的提取技術

該探測系統中設置有參考通道，其接收天線指向E 彈起爆位置（炸點由系統控制）。參考通道的直達波信號主要完成以下兩個方面功能：（1）直達波信號作為自適應對消算法的參考信號，用于偵察通道中目標回波信號的對消去雜波過程；（2）直達波信號為空時二維相關檢測提供參考信號。

參考通道所獲取直達波中必然會混入傳輸過程中的多徑雜波，故需有效抑制多徑干擾。目前采用的方法主要有空間投影法和盲均衡法。其中，空間投影法主要通過將接收信號投影到與多徑雜波相正交的子空間上，以達到抑制多徑的目的，該方法計算量較大，不易實現；盲均衡算法主要依據照射源波形所具有的恒模特性實現直達波提取，該方法簡單易實現，但性能有待進一步提高。

3.2 跟蹤雷達與電磁脈沖炮共平臺一體化設計

將電磁脈沖炮與雷達共平臺設計構成一體化系統，在對目標實施探測、跟蹤后增大發射功率，進而完成電磁干擾和定向摧毀，對目標實施硬殺傷或對目標的電子設備實施破壞，使作戰人員喪失戰斗能力。一體化平臺示意圖如圖5 所示。實現一體化設計的主要關鍵技術包括[9]；

圖5 雷達電磁脈沖炮一體化平臺示意圖

3.2.1 脈沖功率微波源技術

脈沖功率源是電磁脈沖炮的主要功能部件，主要利用常規化學能或電能產生高功率脈沖為后端微波系統供能。目前最常用的加速器有Marx 發生器、Tesla 變壓器、磁流體發電機、磁通壓縮發生器等，需根據不同設計需要進行選擇和參數調整。

脈沖功率源的作用機理是利用高功率電脈沖產生高能電子束流，在特殊設計的結構內與電磁場相互作用，產生高功率微波脈沖。目前主要發展的高功率微波源有：回旋管振蕩器、自由電子激光器、相對論磁控管振蕩器、虛陰極振蕩器、返波振蕩器、速調管振蕩器、固體功率源等。

此外，新近出現的等離子體脈沖功率源有PASTRON 高功率脈沖功率源、耦合腔鏈(CCC)-TWT 和直流射頻轉換源(DARC)。隨著對等離子體性能深入理解，此類新興脈沖功率源必將在未來扮演更加重要的角色。

3.2.2 高功率脈沖開關技術

脈沖功率源產生的脈沖的各項參數一般不適合高功率微波源的正常運作，通常不能直接用于激勵高功率微波源，需通過脈沖開關來調整脈沖峰值、上升前沿和脈寬，完成激勵作用，并實現整鏈路的阻抗匹配，提高能量轉換效率。

3.2.3 高增益超低副瓣天線技術

用于高功率電磁脈沖炮的天線既要實現高增益，提高作戰殺傷性，又需要盡量抑制副瓣，避免對己方人員和設備造成不良影響；同時，由于脈沖功率的高峰值，天線還必須具有較強的耐壓特性，避免發生電擊穿。此外，天線結構不能過大，需控制其重量以保證其靈活性。

3.2.4 高精度跟蹤瞄準技術

電磁脈沖炮屬于高定向性電磁武器，其作戰效能取決于系統的瞄準精度，瞄準精度主要由以下兩方面決定；高精角跟蹤雷達技術和精密控制伺服轉臺技術。雷達跟蹤掃描與電磁脈沖炮共用發射天線，利用高增益超低副瓣天線可提升高精角跟蹤雷達的探測精度。

3.2.5 跟蹤雷達與電磁脈沖炮協同技術

由于電磁脈沖炮超大功率的特性，若不加以保護處理，會對本部電子設備造成不可估量的嚴重后果。為實現對敵方的電磁摧毀任務而不對本部電子設備造成危害，需采用智能中央處理器，對電磁攻擊任務進行評估，對本部相關電子設備進行必要的斷電保護。除此之外，智能中央處理器還擔負著切換跟蹤雷達與電磁脈沖炮一體化平臺工作狀態的任務。跟蹤雷達與電磁脈沖炮一體化設計平臺實施低功率探測，在對目標實施探測、高精度跟蹤后增大發射功率，進而完成電磁干擾和定向摧毀，成為一種具備雷達探測功能并兼顧超級干擾機、定向能武器功能的多功能作戰平臺。

4 結束語

作為極具潛力的新型武器，將對未來戰爭產生重大影響，HPMW具有無限的發展前景。對于雷達而言，HPMW 既是生存挑戰，又是發展機遇。通過分析HPMW 的作用機理，進而提出了雷達探測與毀傷一體化設計的可行性，構想出雷達與HPMW 協同作戰的平臺系統，可為“雷達武器”由概念提出到實施方案提供思路和參考。目前，雷達探測與毀傷一體化設計還面臨著許多技術難題，故亟須開展對相關關鍵技術的研究。

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