雷达在现代环境中的发展

雷达在现代环境中的发展

现代战争一直是以电子战争为主体的电子攻防作战。现代军用雷达面临着ARM、目标隐身技术、低空超低空突防和先进的综合性电子干扰的严峻挑战,雷达若要在日益复杂的电子攻防对抗环境中发挥作用,必须从基本原理和体制上找到出路,要有有效的电子抗干扰和电子防御措施。为此,陆续出现了稀布阵综合孔径雷达、无源反隐身雷达、毫米波雷达和激光雷达等新体制雷达,并将得到迅速发展。1型米波分布阵体制雷达许多研究结果表明:波长长的雷达,例如米波雷达,是对付隐身技术和ARM的直接有效的方法,但米波雷达的致命弱点是角分辨率差。稀布阵综合脉冲孔径雷达(简称SIAR)是一种新型米波分布阵体制雷达,主要用于远程警戒与跟踪。它保留了米波雷达的传统优点并克服了角分辨率低、测量精度差和抗干扰能力弱等主要缺点。SIAR的最主要的特点是天线采用了稀布阵,总体上的无方向性反射,其发射和接收方向图是在接收端通过数字信号处理而得到的,因此它可同时形成多个波束以同时观测多个方向由于它不使用传统的机械天线来进行空间波束扫描,它通过计算形成波束能够长时间不间断地盯住目标而进行长时间的相干积累,这样就提高了雷达的探测能力和雷达的“四抗”(即反隐身技术、抗反辐射导弹、综合电子抗干扰和反低空突防技术)能力。1.1波束旁瓣电导率低的原理米波雷达要获得高的角分辨率,雷达的天线孔径必须很大,一般以百米计,即使采用固定放置也是十分庞大的,因而常采用稀布阵天线,如图1所示。稀布阵用少数单元就能得到窄的波束,这是有代价的。它的旁瓣会提高和能量利用率会下降。以阵元为N的线阵为例,若以λ/2等间距稀布阵,天线增益不变,而波束宽度为(N-1)/2,如果将间隔加大K倍,则成为等距稀布阵,天线增益不变,而波束宽度压缩到1/K,同时会出现K个与主瓣同样高的栅瓣这是不容许的将阵元作不规则排列,可在主波束变化不大的情况下降低栅瓣,实际上是将栅瓣能量分散到旁瓣里去,而使旁瓣电平抬高。旁瓣高的问题可利用系统的多种性能综合地加以解决。1.2接收波束的确定SIAR的组成如图-2所示。SIAR的天线系统是由均匀分布在两个圆周上的Ne(=25)个发射天线阵元和Nr(=25)个接收天线阵元组成,其中激励信号e(t)是宽度为Te的脉冲,它经编码网络ck(t)(即采用离散傅氏变化的一组正交基作为多频发射的调制信号)后成为不同载频的信号,并分配给各个发射阵元,第k个阵元辐射的信号则为:式中,否则为零;fk为第k个阵元发射信号的频率,fk=f0+ckΔf,其中f0为中心载频,Δf为发射信号之间的频率间隔,ck为第k个阵元发射信号频率编码,则发射信号的总带宽B=NeΔf。当TeΔf为整数时,则各阵元所发射的信号彼此都正交,形成雷达天线的无方向性发射。各接收机将雷达回波信号变换成数字信号,送到中心处理站。中心处理站将来自各接收机的信号,分别形成相应的接收波束。在各接收波束形成的输出连接的MTI滤波,其目的是将地物杂波的大部分抑制掉。MTI的输出接综合发射波束的匹配处理器进行N个发射信号分离、相位调整以及求和处理。匹配处理后再作相干积累的多普勒滤波,以进一步提高信噪比,并确定目标的径向速度。1.3siar的特征稀布阵综合脉冲孔径雷达是一种具有较好的低截获概率性能的雷达。其主要的性能有以下4个特点。(1)SIAR采取全向发射方式,在空间没有主瓣和旁瓣之分,因此,雷达侦察接收机不能象普通雷达那样从主波束那里获取雷达信息并对雷达概略定位(2)SIAR能做长时间相干积累,这对于同样作用距离要求下,雷达的发射功率较小;若采用大时间带宽积信号,其平均辐射功率可以更小,故其隐蔽性较好,不易被侦察。(3)SIAR为有源阵列雷达,各阵元发射的频率编码和相位编码都不同且能随机变化,属于复杂波形,因此敌方无法利用信号处理的手段来获取发射波束,难以对雷达进行定位,难以获得较详细的雷达波形参数,从而无法对其实施有效的干扰。(4)SIAR工作在超宽带方式,带宽可以做得很大,在不同重复周期,可以实现1～2倍频程跳频工作,如中心频率从100MHz可跳到300MHz工作,从而使敌方雷达侦察设备难以侦察到雷达使用的频率。2反起源雷达2.1无源反隐私雷达普通雷达发现飞机等目标都是通过雷达接收机接收雷达发射信号遇到目标反射形成的回波信号来确认目标;而隐形飞机等就是通过采取各种措施减小目标雷达截面积,降低雷达所接收的信号,以达到目标隐身的目的。新型无源反隐身雷达采用了盲信号处理理论。利用盲信号处理技术,无须有源发射而直接搜集隐形飞机在飞行中引起的空气噪声作为观测量,再通过计算机处理来锁定目标,既可以不暴露侦察者身份,又能让隐形飞机无处藏身。2.2洛克希德产品了新型监视系统研究我国攀登计划首席科学家、东南大学信号与信息处理研究中心主任何振亚教授带领研究小组,经过10多年努力,在盲信号处理理论与应用方面开展了深入研究,取得了一系列创新成果。美国洛克希德·马丁公司花15年时间,研制成功“无声哨兵”新型监视系统。该系统是在要监视的区域建立起民用调频电台和波段电视信号的原始数据库,只要系统接收到目标反射的3个以上电视或广播信号,依据波的相干原理进行处理,就能准确探测和跟踪飞行中的飞机、直升机和火箭等目标。电视/广播电波在宇宙空间中无处不在,因此在世界任何地方都可利用。“无声哨兵”系统的典型配置包括高灵敏度接收机、处理器、可视化软件和分析软件,每套300～500万美元。2.3美国“抗反辐射”识别技术新型无源反隐身雷达本身不像雷达那样发射无线电波,它是利用民用电台和电视信号的连续波载波频率(50～800MHz),以及这些载波信号上的包络,正是这个稳定载波上的频率信号的包络,提供了用来测量直射信号与反射信号之间到达时间差的鉴别特征。因而具有很好的抗反辐射导弹攻击能力和生存能力。美国“无声哨兵”新型监视系统技术的关键是有大动态范围数字接收机、相控阵天线、“硅图”(SGI)公司的强功能商用计算机(每秒数千兆浮点运算次数的并行处理速度)、自动尖端产品(AEP)公司的创新软件和算法(含一个三维地形数据库,利用该数据库,操纵员可在感兴趣的地区内选择能够给出最佳地理覆盖、具有清晰视线的发射台站)。在处理算法中,利用信号的到达角、时间延迟和多普勒频移信息对目标定位。3低通道开发式雷达的应用毫米波段(1～10mm)相对应的频率为30～300GHz,既具有厘米波段全天候的特点,又具有红外波的高分辨力特点。常规毫米波雷达可以工作在35、94、120和220GHz等大气传播窗口的频率范围内。目前,大多工作在35和94GHz两个传播窗口内。毫米波雷达波束窄,角分辨力高,频带宽,隐蔽性好,抗干扰能力强,体积小,重量轻。与红外、激光设备相比较,它具有很好的穿透烟、尘、雨、雾的传播特性,所有这些特点加强了雷达的“四抗”能力,使毫米波雷达在军事方面具有广阔的应用前途。以前毫米波雷达的应用受到器件尤其是有源器件功率不高的限制使它难以在末制导以外的领域发挥作用。然而,美国80年代中期开始实施,90年代进入第二阶段的微波毫米波集成电路规划取得了重大突破后,新型高效的大功率毫米波功率源、介质天线、集成天线、低噪声接收机芯片等相继问世,使毫米波雷达发生了更新换代的变革,且大大拓宽了它的应用领域。毫米波雷达的应用范围包括目标捕获、近程火控、靶场测量、战地监视和导弹制导等。为了在严重干扰和杂波背景中对抗隐身目标、低空目标和反辐射导弹,毫米波雷达已成为作战系统的主要发展方向之一。3.1无线分瓣控制毫米波雷达的工作原理、采用的体制和技术与微波雷达基本相同。但是,由于毫米波雷达的工作波长很短,因而与微波雷达相比毫米波雷达具有下列特点:(1)天线波束窄,增益高;(2)分辨率高,一般距离分瓣率要小于3.75m;(3)可用频带宽,任一毫米波传播窗口的可用频率带宽都大于20GHz,大大超过了整个微波频段的绝对频带宽度;(4)体积小,重量轻。当然,毫米波雷达也有其固有的缺点:(1)作用距离近。由于元器件和大气条件的影响,毫米波雷达的作用距离受到了限制,一般小于20km。如果考虑到今后功率合成技术和脉冲压缩技术的突破和应用,其探测距离可望达到50km;(2)制造精度要求很高,成本也就增大;(3)太窄的波束宽度虽然能使雷达具有高分辨率,但不适合于大面积搜索用;(4)毫米波部件价格昂贵,可靠性还不高。3.2建设开发多频雷达系统为了扩大毫米波雷达的使用范围,应进一步开发毫米波器件和选择合适的大气窗口。想提高作战系统的“四抗”能力,需同时发展毫米波雷达、微波雷达以及红外、激光、电视等设备组成的多频系统。从提高毫米波雷达的功能考虑,必须采用先进的雷达技术如捷变频技术锁相技术宽带扩谱技术、脉冲压缩技术、脉冲多普勒技术和自适应技术等。为了提高从杂波背景中识别目标的能力。应发展毫米波信号处理技术,特别是自适应信息处理和多维信息处理技术。继续发展毫米波集成电路,有利于降低成本、缩小体积和减轻重量,研制更为先进的毫米波段多功能相控阵雷达和自适应雷达,对于提高雷达作战威力来说是很重要的。可以预计,毫米波雷达由于在“四抗”方面潜力很大,今后它必将在作战系统中得到广泛的应用。4低空飞机的应用激光雷达作为一种能够对抗电子干扰、反辐射导弹、超低空突防和隐身目标的高灵敏度雷达,不仅能探测和跟踪目标,获得目标方位、速度信息及普通雷达不能得到的其它信息,而且还能完成普通雷达不能完成的任务,如探测隐身飞机、潜艇、水雷、生化战剂等,因而其发展一直受到各国军方的高度关注。目前,激光雷达在低空飞行直升机障碍物回避、化学/生物战剂探测、水下目标探测等方面已经实用。其它的军事应用研究亦日趋成熟。4.1激光雷达组成激光雷达是以激光器为辐射源,以光电探测器为接收器件,以光学望远镜为天线的雷达。它和微波雷达一样,主要功能是探测目标的存在,测量目标的坐标位置、运动参数和几何参数。其组成如图3所示。激光雷达通过望远镜向目标发射一定形式的光信息,经过目标反射后,回波信号被接收望远镜汇聚到光电探测器上,根据回波信号的时延、强度、频率变化及光斑在探测器面上的位置来确定目标的距离、方位、速度和图像,并在显示器上显示出来。图激光雷达组成框图4.2气体激光器的优点最近几年来的美国国防关键技术计划,将激光雷达与先进的单基地雷达、多基地雷达、自动识别雷达及相控阵雷达并列为高灵敏度雷达,作为重点投资对象加以发展。激光雷达和微波雷达相比具有以下明显优点:(1)工作频率非常高,位于红外和可见光波谱。激光作为辐射源探测运动目标时的多普勒频率高,因而速度分辨率极高。工作频率处于电子干扰频谱和微波隐身有效频率之外,有利于对抗电子干扰和反隐身。(2)单色性和相干性好。气体激光器的谱线宽度十分窄,而且频率稳定度高,可实现高灵敏度外差接收。(3)能量高度集中。用很小的准直孔径(10cm左右)即可获得很高的天线增益和极窄的波束(1mrad左右),而且无副瓣,因而可实现高精度测角、单站定位、低仰角跟踪和高分辨率三维成像,且不易被敌方截获,自身隐蔽性强。4.3测向激光波长的探测(1)直升机的障碍物回避系统。美国诺斯罗普·格鲁曼公司与陆军通信电子司令部夜视和电子传感器局联合研制的直升机超低空飞行障碍回避系统,使用固体激光二极管发射机和旋转全息扫描器检测直升机前很宽的范围,在平视显示器或头盔显示器上显示障碍信息。该系统已在两种直升机上进行了试验。德国戴姆勒-奔驰宇航公司研制的Hellas障碍探测激光雷达是一种固体1.54μm成像激光雷达,视场为32°×32°,能探测300～500m距离内直径1cm以上的电线,将用于新型EC-135和EC-155直升机。法国达索电子公司和英国马可尼公司联合研制了吊舱CLARA激光雷达。(2)化学战剂探测。每种化学战剂仅吸收某些激光波长的光,对其它波长是透明的。这种吸收—透射图是每一种化学战剂特有的。被化学战剂污染的表面能以类似的方式按特有的途径反射不同的激光波长。根据原理,可利用激光雷达遥测和识别化学战剂。俄罗斯已开始装备-型远距离地面激光毒气报警系统。该系统可以实时地远距离探测化学战剂攻击,确定毒剂气溶胶云的斜距、气溶胶云中心部分的厚度、离地高度、中心的角坐标以及毒剂参数,并通过无线电通道或有线线路向部队自动控制系统发出报警信号。(3)机载海洋目标检测。激光雷达利用机载蓝绿激光发射和接收设备,通过发射大功率窄脉冲激光,可以探测海面上目标并进行分类。自60年代末第一个激光海水测深系统研制成功以来,技术先进国家已发展了三代机载海洋激光雷达系统。90年代研制的第三代系统增加了GPS定位和定高功能,系统与自动导航仪接口,可实现对航线和飞行高度的自动控制。为了提高测量精度,还特别增加了第三个光通道,利用647ns红光的喇曼后向散射进行海面检测及海面陆地的区分,采样频率提高至1GHz以上。目前,美国、澳大利亚和瑞典都推出了实用型海洋激光雷达。如美国诺斯罗普公司为美国防预研局研制和生产的ALARMS机载水雷探测系统,具有自动、实时检测功能,三维定位能力,定位分辨率高,可以24h工作,采用卵形扫描方式,扫描的前部显示扫描点