新體制雷達及其關鍵技術

文/李剛

雷達作為偵察、探測、跟蹤、制導的主要手段，在海、陸、空、天等四維作戰領域發揮著重要的作用，堪稱作戰武器的“千里眼”。雷達在現代電子戰以及未來的信息戰中發揮著不可替代的作用，是取得戰爭勝利的關鍵因素。不僅僅因為雷達可以控制電磁頻譜，而且雷達是獲取信息和控制信息的重要手段。傳統雷達系統在面臨電子干擾、低空/超低空突防、高速反輻射導彈、高功率微波武器、隱身飛機等五大威脅的不足得以體現，并且在復雜的電磁環境和背景下，固定的工作模式和發射波形導致探測性能差。

新體制雷達相比于傳統雷達，主要是采用的波段及關鍵技術不同。從最初40年代的微波雷達，波長短、方向性好，遇到障礙物能及時反射回來，被廣泛應用于汽車防撞系統中；50年代的單脈沖雷達，從單個回波脈沖中獲得目標全部角坐標信息、實現對目標的測量和跟蹤，主要應用于火控、精密測量和氣象雷達中；60年代的相控陣雷達，通過相位可控的陣列天線進行電掃描，實現對目標的搜索、跟蹤和測量；伴隨著技術的進步及其獨特的優勢，廣泛用于地面遠程預警系統、機載和艦載系統，成為遠程防空導彈武器系統的重要標志；70年代與80年代以后機載脈沖多普勒雷達、高距離分辨雷達、合成孔徑雷達等相繼出現，在地基、艦載、機載等平臺上發現、探測、識別運動目標，極大的提升了雷達探測精度、跟蹤、識別的性能。

1 新體制雷達及其關鍵技術

圖1：F-22逆合成孔徑雷達成像圖

1.1 無源雷達

無源雷達在反隱身等方面有著舉足輕重的作用，并且隨著電視機、無線電發射機的推廣以及國際衛星通信等計劃的實施，越來越多的國家研究無源雷達：首先是美國洛克希德馬丁公司研制出了新型的“沉默哨兵”被動探測系統；英國著力研究 “蜂窩”雷達系統，如名為“手機雷達”的雷達系統，通過對被物體反射回的信號與直接從信號發射器接受到的信號進行比較，可以探測、跟蹤、識別陸地、海面和空中的目標；而捷克研制的“維拉”系列無源雷達，對空探測距離可達450千米。無源雷達未來的發展將朝著四個方面：

（1）增加更多的外部輻射源，包含移動通信、衛星信號等；

（2）構建目標的傅里葉圖像；

（3）多平臺多無源雷達組網；

（4）無源雷達與有源雷達的結合。

1.2 雙（多）基地雷達

雙基地雷達是指發射機和接收機位于相距較遠的兩個基地中。與單基地雷達不同，隱身目標會將單基地雷達發射的能量散射到各個方向，而雙基地雷達能夠提高對隱身目標的檢測，并且不易受到反輻射導彈等的攻擊，還可以降低目標閃爍，從而改善跟蹤雷達的性能。雙（多）基地雷達在反隱身、抗反輻射導彈、抗電子干擾、對付低空/超低空突防方面有著巨大的潛力，故有著廣泛的應用研究前景。典型的例子是美國雙基地防空雷達研制計劃中實現的“Sanctuary”，利用機載照明雷達輻射電磁波，在地面裝備接收器。然而雙（多）基地雷達也存在著一些問題：發射機和接收機必須是同步的；雷達結構復雜、收發分置，技術要求高；成本相對較高。未來的發展趨勢是：技術上將廣泛應用單基地雷達的頻率捷變等技術、抗干擾措施等，以及多站點的寬帶信號聯網融合技術；體制上的工作方式將會更加靈活多變，即可作為單基地雷達獨立工作，又能工作在照射或接收狀態；整個雷達系統布站將由地面向機載及星載等方向發展，未來將會構成海、陸、空、天四維一體化的雙/多基地雷達網。

1.3 ISAR雷達

逆合成孔徑雷達（ΙSAR）是一種利用目標和雷達的相對運動產生的多普勒信息進行成像的雷達系統；與合成孔徑雷達（SAR）的區別是：SAR是雷達運動而目標不動，只能對靜止目標成像；而ΙSAR則相反，目標動而雷達不動，對動目標或者非合作目標成像效果好。ΙSAR采取“敵動我不動”策略，對目標進行持續穩定的照射，后續對回波自動補償，并精確地估計目標運動參數，進而獲得目標多維形狀信息，自動識別目標。其優勢在于分辨率高、成像效果好，對隱身飛機等非合作目標的檢測能力強。

ΙSAR（逆合成孔徑雷達）的核心算法極為重要，目前除了中美俄三方掌握外，其他國家很少有報道。ΙSAR雷達是遠程戰略預警雷達，海面空中均可探測，美軍ΙSAR一般精度可達0.12米，最高可達3厘米級別，從太空衛星到海上飛機導彈都能探測，包括隱形飛機。美國研發的航空母艦，裝備了這種逆合成孔徑雷達，強化探測、識別能力，但對其原理和雷達外形都高度保密。美國利用ΙSAR系統分別對F-22、歐洲臺風戰斗機、米格-29、F-104戰斗機進行成像測試，取得了驚人的效果。美國最高保密的ΙSAR對F22成像如圖1所示，外觀清晰可認。根據官方報道，中國第一臺ΙSAR系統在山東進行試驗，成功探測到了飛機艦船，隨后國家立項開展技術研究，十余年后技術逐漸成熟，目前已裝備沿海一線，發展出了一種基于ΙSAR圖像神經網絡分類的飛機型號自動識別系統。

1.4 超視距雷達

傳統的陸基或海基雷達由于受到地球曲率的影響，對海平面高度的目標（包括水面艦艇和超低空飛行的飛機）的探測距離最大約為40公里。對空搜索雷達受曲率的影響，對于遠距離低空/超低空目標探測效果不佳，而對海雷達則會因此無法探測遠距離目標。針對遠距離目標，需要研制新體制雷達進行探測和識別。超視距雷達應運而生，目前主要有三種類型的超視距雷達系統，分別是高頻天波超視距雷達、高頻地波超視距雷達以及微波大氣波導超視距雷達，天波、地波、微波的形態如圖2所示。

高頻天波超視距雷達：主要原理是利用電磁波在電離層與地面之間的折射，向電離層發射電磁波，經過電離層折射后由上向下探測目標，目標信號再經過電離層反射回接收機。從而將電磁波投射到地平線以外的距離上，理想條件下可實現最遠5000公里的探測。天波雷達造價昂貴，但是探測距離最遠。近年來，國外裝備以美國TPS-71、澳大利亞“金達萊”為代表，可以探測彈道導彈發射、空中目標特別是隱身的以及海上目標等遠距離目標。

高頻地波超視距雷達：與天波超視距雷達不同，其主要是向海面發射高頻電磁波，利用該波在導電海洋表面傳播時衰減較小的特點。目前國外系統可實現400公里以內的海面及其上空目標的探測，可以大致彌補天波超視距雷達對海目標探測的近距盲區；且具有抗隱身、反輻射導彈的能力；另外，相比于預警機雷達，該型雷達的造價便宜的多，且可以全天時全天候的進行預警探測，故是一種高性價比的探測手段。

圖2：三種雷達波，天波、地波和微波

微波大氣波導超視距雷達：主要是利用海水和大氣之間超折射效應，目前早已應用于艦載，但其探測距離覆蓋范圍小，受天氣影響大，還需要進一步探索和研究，實現性能更佳的新體制雷達。典型的例子是蘇聯研制的多功能對海超視距探測雷達：“音樂臺”火控雷達，大量裝備于俄羅斯的各型水面艦艇上。

未來的發展則可利用天波超視距雷達、地波超視距雷達構成高頻雷達協同探測網，由地波雷達接收目標反射的合作或非合作高頻天波信號，實現寂靜探測；還可充分利用地波雷達，消除天波雷達探測盲區，實現對海面目標探測的全覆蓋探測，法國ΟNERA實驗室、澳大利亞DSTΟ、加拿大等開展了相關的實驗。

1.5 太赫茲雷達

近年來，隨著光子學和納米技術的不斷革新，太赫茲技術得到了飛速發展，被譽為“改變未來世界十大技術”之一。太赫茲波在雷達系統中的應用也越來越受到重視。隨著四/五代隱身戰機技術的逐漸成熟與應用，各個軍工強國開始了六代機的研發。

太赫茲雷達憑借其優勢在軍事領域有著良好的應用前景，對國防和國家安全有著重要的應用價值。如2006年美國Jet Propulsion Laboratory（JPL）成功研制了具有高分辨率測距能力的太赫茲雷達成像系統。當目標距離為4m時，一維測距分辨率大約為2cm。2008年，提出了改進的三維成像探測系統，成像分辨率小于0.6cm，4m距離上的測距分辨率為0.5cm。2010年的太赫茲頻段快速高分辨雷達，在5s內探測25m外的隱藏武器，成像速率大大提高，成像距離也由4m變為了25m，該系統有望在人體安檢和反恐維穩方面獲得廣泛的應用。此外，由航天科工二院23所主導研發的國產第一部太赫茲視頻合成孔徑雷達成功獲取國內首組太赫茲視頻影像成果。與我軍現役殲20隱身戰機應用的分布式合成孔徑雷達相比，“其具備更強的穿透力，不受日照條件影響，在復雜氣象條件下也能正常對地面目標成像”。

1.6 微波光子雷達

微波光子雷達是在微波雷達的基礎上發展而來的，將光生微波技術、微波光延時與移相技術、微波光子濾波技術和全光采樣量化技術等四種光學技術引入到雷達系統設計中，得到射頻前端由光技術組成的新體制雷達系統。微波光子雷達利用光子技術實現信號產生、處理、傳輸與控制等功能，重量輕、體積小、帶寬大的雷達系統，能夠有效提升雷達系統的分辨率、抗干擾能力、探測距離、響應速度等關鍵性能，有助于實現偵察、干擾、探測、通信的一體化。

微波光子技術被美、俄、歐認為是決定“未來戰場優勢”的關鍵技術；微波光子雷達的發展歷程如圖3，主要包括光纖波束合成陣列、泰勒斯公司的光控相控陣樣機、全光子數字雷達（PHΟDΙR）樣機、雙波段微波光子雷達樣機、以及俄羅斯射頻光子陣列（RΟFAR）開發項目。目前，美國、俄羅斯、歐盟等都在開展實用化微波光子雷達相關的研究。在我國，以中科院、南航為代表的研究所及高校均開展了一系列的關鍵技術攻關和探索，已經初步掌握了光子任意波形產生技術、超寬帶信號光子采集技術、超寬帶信號光子波束控制技術、超寬帶信號光子處理技術。2019全國微波光子雷達技術研討會上，潘時龍告訴記者，“我們已經研制出微波光子雷達成像芯片，像砂粒一樣小，比傳統雷達設備小一萬倍。它不僅可用于安全領域，在無人駕駛汽車等也可以大展身手。”我國在微波光子雷達部分技術領域已取得較大進展，成像雷達分辨率達1.3厘米，已領先其他國家。

2 新體制雷達展望

目前我國雷達已有了新的進展和突破，但在基礎研究和技術積累方面以及相應的關鍵技術和新的方向需要進一步的研究和探索；這樣才能從根本上提高我國新體制雷達的性能。新體制雷達在應對五大威脅上發揮著重要的作用，目前針對不同的作戰任務，至少可在單方面抑制威脅，探測能力也有所增強。但仍存在一些問題，如無源雷達不能自主控制、雙基地雷達結構復雜不易同步、ΙSAR雷達補償算法復雜、超視距雷達及微波光子雷達的關鍵技術實現、發射功率大，處理運算量大導致功耗大，實際裝備使用困難等，如何解決這些問題是今后發展的方向。

除了上述新體制雷達外，還有認知雷達、量子雷達、超寬帶雷達、雷達組網技術等，這些新體制雷達拓寬了雷達的應用領域。如智能化認知雷達系統能夠解決復雜背景下的目標探測問題，并通過知識輔助智能自適應處理大幅提升雷達性能，隨著人工智能等的發展有望進一步實現和發展。

3 結束語

未來信息化戰爭中雷達面臨的五大威脅，對雷達系統設計提出了巨大的挑戰，對雷達性能提出了更高的要求，如何提高雷達的反干擾、反隱身、反輻射導彈、反威脅能力，提高雷達的探測距離、距離分辨率、角分辨率、成像識別能力等是當下急需解決的重要難題。基于氮化鎵半導體的前端組件，基于高速數據轉換器的發射接技術基于先進FPGA的認知技術以及基于高帶寬數據總線的傳感器數據融合技術將在未來幾年對雷達技術產生顛覆性影響。未來將繼續探索多功能、多任務及組網雷達。