反隐身雷达的工作机制

反隐身雷达的工作机制摘要：隐身飞机的巨大作用极大地促进了反隐身雷达技术的研制与开发,现代雷达在研制上皆将反隐身探测功能作为其主要性能之一。本文主要阐述国外若干典型的具有反隐身功能的雷达型号与技术。这些型号与技术皆属于美国、俄罗斯及法国正在装备或研制开发的反隐身雷达,反映出当今反隐身的技术水平及21世纪初反隐身雷达发展的技术方向，以便给我国研制开发该类雷达提供有益的借鉴。关键词:反隐身;反隐身雷达;雷达探测设备引言随着社会发展与技术的进步,军事作战的技术装备与作战方法也不断地发生变革,每经过一次战争实践，各国都要研讨其中的经验,以便改进和发展本国的军事装备,提高国防能力，使之更适应当代战争的新环境。海湾战争中体现出许多先进的军事技术、武器系统和作战方式上的新特点。与电子技术应用较密切相关的有电子战,卫星侦察、定位与战区C(I指挥、控制、通信和情报)系统,空中预警指挥机,爱国者防空导弹系统与隐身飞机的应用等。就隐身飞机而言,它是初次应用就取得极大成功的新兵器。在海湾战争中,美国先用F-117A隐身飞机打头阵,偷袭伊拉克的防空雷达网和指挥要地，随后用大量的其它战斗机展开全面攻击,取得了创记录的战果。在全部空袭过程中,隐身飞机出动的架次只占所有飞机出动架次的2%,而它所攻击的战略目标占40%。在出动的1296架次隐身飞机中,竟无一架被敌方的火力所击落或破坏。可见,在电子战与精确制导武器配合下,用隐身飞机从空中攻击,急聚地改变了空袭与防空力量的对比关系,使原有的防空雷达网面临严重的挑战。美国把隐身飞机的推出比作像当年他们打出的原子弹王牌一样,又一次打出了一张军事新技术王牌。这张王牌确实使原有的防空体系和它的雷达难以应战和生存。因此,研究探讨雷达反隐身技术已经成为现代国防建设中十分紧迫的课题。1.反隐身雷达的发展虽然隐身技术没有使用过雷达,但在某种程度上,雷达性能随电子技术进步而改进的趋势因隐身技术而减缓,也可能已经停止不前,甚至可能倒退了。现已推出许多种反隐身基本方法,这使电子战开始了一个新阶段。至少其中的一种方法已危及雷达吸波材料(RAM)—隐身技术的活跃因素—的隐身效果。众所周知的反隐身措施是增长雷达的波长,据一些消息说,苏联部队服役的长波早期预警雷达,将很容易探测到美国空军/诺斯罗普先进轰炸机ATB,其中许多雷达还是五十年代的产品。这是最简单的反隐身措施。飞机采用隐身技术虽未使雷达完全淘汰,但无疑会减缓或阻止雷达依靠改进电子设备来提高性能的趋势,甚至可能降低雷达性能。现在人们已研究出一些基本的抗隐身技术,从而使电子战进入了一个新阶段,其中至少有一种技术可能使雷达吸波材料(RAM)这一类关键的隐身技术失去作用。目前最著名的反隐身措施是增加雷达波长。据说苏联的长波预警雷达能容易地探测到美国空军的先进技术轰炸机(ATB)。长波长可对抗两种隐身技术:外形技术和RAM。隐身外形给人最深刻的印象是飞机各表面倾斜有一定角度,以便将雷达波折射至发射源方位和俯仰角的方向,这与反射可见光很相似,但这种相似性并不很全面,因为雷达波可经其他途径反射。而当波长接近于被照射物体的任一部位尺寸时,在由物体直接反射的波和物体周围爬行波之间就会产生共振.从而引起很强的反射。飞机的某一部件或整架飞机都可产生共振。甚至当X波段的3厘米波战斗机载雷达照射到炮口时,也会使之发生共振。格鲁曼公司的E-2飞机装有一部UHF波段的400兆赫雷达,工作波长为75厘米波,因此很大的部件,如垂直尾翼或机翼端,甚至整枚导弹都有可能落在此共振范围内。苏联老式的预警雷达都在VHF波段工作。有些雷达是机动式,如SA-4和SA-2的“匙架”雷达。其他雷达,如庞大的“高王”雷达都是固定式的,用于战略防空军和反导。“高王”雷达频率可变,但基本上工作在180兆赫(波长165~190厘米)。在此波长下,大型飞机的主要部件,如机翼和垂直尾翼都会产生共振。超视距雷达(OTH)总是工作在10兆赫左右(波长30米)的HF波段,因为OTH雷达必须能有效地作大气层反射。在30米波照射下,任何目标都会产生某种共振,目前外形基本上与目标雷达图像无关。隐身技术的研究者们认为,避免共振的办法是取消外表面上的较小的部件,进开有可能产生共振的波长。最终能实现这一愿望的也许是大型全机翼飞机ATB,其最小的尺寸也有好几米。从理论上说,ATB可避开除OTH雷达以外的任何雷达的共振波长范围。另一种技术是将外表面做成尽可能实现各向同性散射,如圆形或球形,以减少产生峰值辐射的可能性。2.反隐身雷达的工作机制使雷达吸波材料失效，UHF以上的较长的波长可降低RAM的有效性。大多数RAM都有其活性波长,它对应于分子结构中电子重新排列的电磁波。雷达的高频波使电子以很快的速度,先从一个方向再反向进行排列。但这个过程并非百分之百奏效,振荡分子由于其惰性吸收了一部分进来的能量。对长波长和低频来说。由于振荡较小,吸收机理并不十分有效。许多吸收剂都采用共振机理,此时,吸收剂前面反射的波刚好被后面反射的波所抵消。由于吸收剂必须具有一定的厚度(波长的几分之一),所以即使在材料中波长减小,要想产生对付长波雷达的共振效应也变得相当困难,除非使RAM的厚度做得不切实际。对雷达设计来说,增加波长的代价是,天线须与波长成比例地增大,以保持很窄的波束和足够的分辨力。苏制机动VHF雷达都非常笨重,如“高王”电子战雷达等都是很庞大的固定结构,只能提供扇形覆盖面。OTH雷达也很庞大,实际上要在地面绵延好几英里。鉴于以上原因,隐身技术的一个效果也许是促使人们重新评价地面雷达的重要性,这在以前由于出现了空中预警雷达而逐渐为人们所忽视。应用现有的技术,在机载雷达中将长波长同有效的分辨力结合是不切实际的。尽管美国海军正在全力研制能安装大天线的飞艇,美国空军电子系统部也正研究能安装在AWACS飞机后继型号的整个机身下的保形阵列天线,但在2000年之前,这两种方案看来都不会投入使用。采用VHF和某些UHF雷达带来的问题是,这些波段已被民用通信所占据。在实际环境中,这会产生许多噪音,导致降低雷达探测物体包括隐身飞机的能力。这就是为什么这种雷达都用作预警、警戒空旷区域,而不作战术之用。然而,长波雷达受到的最大限制是,不管其天线尺寸如何,都不能足够精确地完成整个拦截过程。它们是预警装置,必须将目标传递给更精确、但反隐身功能不太强的短波雷达。3.实际的反隐身雷达在过去几个月中,电子工程报就第三种反隐身技术作了讨论,令人惊奇的是外界却一无所知。尽管这种技术目前还处于基于实验室数据的理论方案阶段,但至少在美国,有一些文章已把它称作“反隐身雷达”了。照过去的说法,RAM在高频雷达波环境中,通过使电子重新排列而消耗雷达能量。但如果雷达脉冲没有主要的载波频率,而是近似于雷达能量的方波脉冲,那末这种吸波机理就不存在。“无载波”雷达已广泛用于工业中。它用来显示密封混凝土的内部结构以检查孔隙和构造裂纹,检查钢筋,还可测量贮水池内冰的厚度。已发表的有关这种雷达的经验数据表明,在公开文献中讨论的两种主要RAM,即介电吸收制和磁吸收剂,对无载波脉冲没有明显的吸收作用。据通晓这项技术的电子工程师说,研制反隐身监视雷达的关键技术问题是设计发射机和接收机。在过去几年里,人们光研制正弦波雷达就已花费了巨额资金。尽管目前市场上的无载波雷达平均功率电平都很低(其中有些使用车用蓄电池),探测距离也最多只有几十米,但没有根本的理由说发射机的功率就不能增加到可探测飞机的能级。从本质上说,这种发射机能产生频率范围很宽的脉冲。例如,这种脉冲可覆盖整个L、S和C波段,近似于理想的方波能量脉冲。无载波雷达接收机与普通雷达接收机大不相同,后者利用特征波长来辨别自己发射的能量的反射波和背景噪声;而无载波雷达需要某种信号编码来识别天线接收的能量。此时不会采用多普勒处理,至少在目前是如此,因为它从返回信号的频率中提取信息,但雷达可根据脉冲的开始和结束来提取基本信息,如距离和距离门。无载波雷达可以同样的方法完成同样的任务。在美国,有关无载波雷达的文献所见甚少,这主要因为直至1985年,人们才认识到其对付隐身目标的潜力,在此方面无甚论著,看来还处于保密阶段,也未见有研制全尺寸雷达的计划。但无载波雷达并不是没有希望。苏联和中国都对这一课题极为关注,中国发表的技术论文表明,中国的工程师们已生产出了实验性的无载波雷达发射机和接收机。如果无载波雷达的潜力得以发挥,也许将有助于雷达重新夺回已失去的优势,迫使人们重新评价隐身原理。但它对付正常目标将不如普通雷达有效。且至少在许多年之内,它的发展还要受隐身外形技术的影响和受制于目前未知的某种干扰。无载波雷达的研制和部署不会进展很快,但在军事领域内,没有其他技术能取代它。为了防止在长距离的传输线中出现干扰脉冲,多信息传输装置的收发两端采用了HTL集成电路的信号进行传输,由于该电路输出低电平《1.SV,输入低电平《6,SV,输出高电平》n.SV,输入高电平,因此可抑制传输线中幅值SV的正脉冲和幅值2.5V的负脉冲的干扰。发控设备的多信息传输装置做过了-40℃的低温、+50℃的高温和电源电压变化士10%的试验,工作都正常,信号传输正确。双站留达反隐身的另一技术方向是采用发射机和接收机配置于不同地点的双站雷达。如果隐身飞机的外形设计成能使散射回波辐射方向偏离其照射源的来向,则它仍然在另一方向上存在主瓣回波,可被双站雷达以最大强度接收。双站雷达本身的设计不是没有问题的。单站雷达波束扫过空域达到最大距离接收,而双站雷达仅能探测发射机波束与接收机接收空域相交空域中的目标,对一个复杂的扫描天线方向图来说,扫过同一空域的时间,双站雷达肯定要比单站系统慢。另外,还必须采取一些措施保证发射机和接收机同步工作。关于双站雷达的情况公开报道不多,可能与隐身计划保密有关。但国际电话与电报公司的Gilifnan曾透露过一个试验型的被动双站雷达系统的部分情况。它的地面机动雷达安装在一部正在工作的、但非合作的民用监视雷达(例如机场监视雷达)的视线范围内。监视雷达提供目标照射,旁瓣辐射能被机动雷达接收,并用来同步接收机。灵敏的相控阵天线用来从原始回波中提取尽可能多的信息。被动系统的优点,.除了能对付隐身目标外,还能使监视接收机不受电子侦察和反辐射导弹的攻击。接收系统具有内装式同步系统时,目标精确定位所需要的数据仅是照射器的位置和接收机的位置。照射器的位置可以预先测量或用地图表示,接收机可以装备全球定位系统终端。双站雷达的另一个可以想到的间题是需要采用原子钟将多部接收机与单部发射机同步。但是这种双站雷达体制对付隐身技术的有效性还只是一种想像,因为设计者没有为解决双站雷达威胁提供必要的措施,因此,最终可能会证明这一方案是不成立的。例如,一架既采用RAM材料又具有隐身外形的飞机可能在许多不同方向均产生反射和折射的雷达能量,结果,双站雷达峰值散射截面将变得微不足道。综合上述情况,可得出如下结论:a多信息传输装置突出的优点是减少了传输线,特别在导弹地面设备中可减少电缆和汇流器环数,从而使设备结构简单,体积减少,重量减轻,使用方便,提高了武器机动性能。b在接收信号的串并变换器中采用选通脉冲,可以防止信号脉冲前后沿波形失真对信号接收的影响。c在信息转换信号及信号转换信息电路中采用了光电管和继电器,将信号和信息两个电路分开,可以提高抗干扰能力。d收发两端采用HTL集成电路的信号进行传输,可以抑制传输线中的脉冲干扰e采用置“0”电路,可以防止传输线空载(无信号传输),缩短信息传输的取样间隔时间,提高了信号传递的正确度。f采用单向信号传输和收发两端共用一套定时控制电路,可以防止信号传输失步。近期可行的雷达反隐身措施在雷达出现以来的几十年中,每次出现新的威胁之后,尽管时常会有人对雷达的继续有效性和生存提出疑问,但最终总是进一步推动了雷达技术的新发展。当前,在雷达又面临隐身技术的严重威胁之下,经过国内外专家的多方探讨,到目前为止,还找不到可以完全取代雷达传感器的其它探测手段,最终结论还是要把主要精力放在发展和改善雷达技术上。其它探测手段在目前仅可作为雷达探测