新体制雷达及其关键技术

文/李刚

雷达作为侦察、探测、跟踪、制导的主要手段，在海、陆、空、天等四维作战领域发挥着重要的作用，堪称作战武器的“千里眼”。雷达在现代电子战以及未来的信息战中发挥着不可替代的作用，是取得战争胜利的关键因素。不仅仅因为雷达可以控制电磁频谱，而且雷达是获取信息和控制信息的重要手段。传统雷达系统在面临电子干扰、低空/超低空突防、高速反辐射导弹、高功率微波武器、隐身飞机等五大威胁的不足得以体现，并且在复杂的电磁环境和背景下，固定的工作模式和发射波形导致探测性能差。

新体制雷达相比于传统雷达，主要是采用的波段及关键技术不同。从最初40年代的微波雷达，波长短、方向性好，遇到障碍物能及时反射回来，被广泛应用于汽车防撞系统中；50年代的单脉冲雷达，从单个回波脉冲中获得目标全部角坐标信息、实现对目标的测量和跟踪，主要应用于火控、精密测量和气象雷达中；60年代的相控阵雷达，通过相位可控的阵列天线进行电扫描，实现对目标的搜索、跟踪和测量；伴随着技术的进步及其独特的优势，广泛用于地面远程预警系统、机载和舰载系统，成为远程防空导弹武器系统的重要标志；70年代与80年代以后机载脉冲多普勒雷达、高距离分辨雷达、合成孔径雷达等相继出现，在地基、舰载、机载等平台上发现、探测、识别运动目标，极大的提升了雷达探测精度、跟踪、识别的性能。

1 新体制雷达及其关键技术

图1：F-22逆合成孔径雷达成像图

1.1 无源雷达

无源雷达在反隐身等方面有着举足轻重的作用，并且随着电视机、无线电发射机的推广以及国际卫星通信等计划的实施，越来越多的国家研究无源雷达：首先是美国洛克希德马丁公司研制出了新型的“沉默哨兵”被动探测系统；英国着力研究 “蜂窝”雷达系统，如名为“手机雷达”的雷达系统，通过对被物体反射回的信号与直接从信号发射器接受到的信号进行比较，可以探测、跟踪、识别陆地、海面和空中的目标；而捷克研制的“维拉”系列无源雷达，对空探测距离可达450千米。无源雷达未来的发展将朝着四个方面：

（1）增加更多的外部辐射源，包含移动通信、卫星信号等；

（2）构建目标的傅里叶图像；

（3）多平台多无源雷达组网；

（4）无源雷达与有源雷达的结合。

1.2 双（多）基地雷达

双基地雷达是指发射机和接收机位于相距较远的两个基地中。与单基地雷达不同，隐身目标会将单基地雷达发射的能量散射到各个方向，而双基地雷达能够提高对隐身目标的检测，并且不易受到反辐射导弹等的攻击，还可以降低目标闪烁，从而改善跟踪雷达的性能。双（多）基地雷达在反隐身、抗反辐射导弹、抗电子干扰、对付低空/超低空突防方面有着巨大的潜力，故有着广泛的应用研究前景。典型的例子是美国双基地防空雷达研制计划中实现的“Sanctuary”，利用机载照明雷达辐射电磁波，在地面装备接收器。然而双（多）基地雷达也存在着一些问题：发射机和接收机必须是同步的；雷达结构复杂、收发分置，技术要求高；成本相对较高。未来的发展趋势是：技术上将广泛应用单基地雷达的频率捷变等技术、抗干扰措施等，以及多站点的宽带信号联网融合技术；体制上的工作方式将会更加灵活多变，即可作为单基地雷达独立工作，又能工作在照射或接收状态；整个雷达系统布站将由地面向机载及星载等方向发展，未来将会构成海、陆、空、天四维一体化的双/多基地雷达网。

1.3 ISAR雷达

逆合成孔径雷达（ΙSAR）是一种利用目标和雷达的相对运动产生的多普勒信息进行成像的雷达系统；与合成孔径雷达（SAR）的区别是：SAR是雷达运动而目标不动，只能对静止目标成像；而ΙSAR则相反，目标动而雷达不动，对动目标或者非合作目标成像效果好。ΙSAR采取“敌动我不动”策略，对目标进行持续稳定的照射，后续对回波自动补偿，并精确地估计目标运动参数，进而获得目标多维形状信息，自动识别目标。其优势在于分辨率高、成像效果好，对隐身飞机等非合作目标的检测能力强。

ΙSAR（逆合成孔径雷达）的核心算法极为重要，目前除了中美俄三方掌握外，其他国家很少有报道。ΙSAR雷达是远程战略预警雷达，海面空中均可探测，美军ΙSAR一般精度可达0.12米，最高可达3厘米级别，从太空卫星到海上飞机导弹都能探测，包括隐形飞机。美国研发的航空母舰，装备了这种逆合成孔径雷达，强化探测、识别能力，但对其原理和雷达外形都高度保密。美国利用ΙSAR系统分别对F-22、欧洲台风战斗机、米格-29、F-104战斗机进行成像测试，取得了惊人的效果。美国最高保密的ΙSAR对F22成像如图1所示，外观清晰可认。根据官方报道，中国第一台ΙSAR系统在山东进行试验，成功探测到了飞机舰船，随后国家立项开展技术研究，十余年后技术逐渐成熟，目前已装备沿海一线，发展出了一种基于ΙSAR图像神经网络分类的飞机型号自动识别系统。

1.4 超视距雷达

传统的陆基或海基雷达由于受到地球曲率的影响，对海平面高度的目标（包括水面舰艇和超低空飞行的飞机）的探测距离最大约为40公里。对空搜索雷达受曲率的影响，对于远距离低空/超低空目标探测效果不佳，而对海雷达则会因此无法探测远距离目标。针对远距离目标，需要研制新体制雷达进行探测和识别。超视距雷达应运而生，目前主要有三种类型的超视距雷达系统，分别是高频天波超视距雷达、高频地波超视距雷达以及微波大气波导超视距雷达，天波、地波、微波的形态如图2所示。

高频天波超视距雷达：主要原理是利用电磁波在电离层与地面之间的折射，向电离层发射电磁波，经过电离层折射后由上向下探测目标，目标信号再经过电离层反射回接收机。从而将电磁波投射到地平线以外的距离上，理想条件下可实现最远5000公里的探测。天波雷达造价昂贵，但是探测距离最远。近年来，国外装备以美国TPS-71、澳大利亚“金达莱”为代表，可以探测弹道导弹发射、空中目标特别是隐身的以及海上目标等远距离目标。

高频地波超视距雷达：与天波超视距雷达不同，其主要是向海面发射高频电磁波，利用该波在导电海洋表面传播时衰减较小的特点。目前国外系统可实现400公里以内的海面及其上空目标的探测，可以大致弥补天波超视距雷达对海目标探测的近距盲区；且具有抗隐身、反辐射导弹的能力；另外，相比于预警机雷达，该型雷达的造价便宜的多，且可以全天时全天候的进行预警探测，故是一种高性价比的探测手段。

图2：三种雷达波，天波、地波和微波

微波大气波导超视距雷达：主要是利用海水和大气之间超折射效应，目前早已应用于舰载，但其探测距离覆盖范围小，受天气影响大，还需要进一步探索和研究，实现性能更佳的新体制雷达。典型的例子是苏联研制的多功能对海超视距探测雷达：“音乐台”火控雷达，大量装备于俄罗斯的各型水面舰艇上。

未来的发展则可利用天波超视距雷达、地波超视距雷达构成高频雷达协同探测网，由地波雷达接收目标反射的合作或非合作高频天波信号，实现寂静探测；还可充分利用地波雷达，消除天波雷达探测盲区，实现对海面目标探测的全覆盖探测，法国ΟNERA实验室、澳大利亚DSTΟ、加拿大等开展了相关的实验。

1.5 太赫兹雷达

近年来，随着光子学和纳米技术的不断革新，太赫兹技术得到了飞速发展，被誉为“改变未来世界十大技术”之一。太赫兹波在雷达系统中的应用也越来越受到重视。随着四/五代隐身战机技术的逐渐成熟与应用，各个军工强国开始了六代机的研发。

太赫兹雷达凭借其优势在军事领域有着良好的应用前景，对国防和国家安全有着重要的应用价值。如2006年美国Jet Propulsion Laboratory（JPL）成功研制了具有高分辨率测距能力的太赫兹雷达成像系统。当目标距离为4m时，一维测距分辨率大约为2cm。2008年，提出了改进的三维成像探测系统，成像分辨率小于0.6cm，4m距离上的测距分辨率为0.5cm。2010年的太赫兹频段快速高分辨雷达，在5s内探测25m外的隐藏武器，成像速率大大提高，成像距离也由4m变为了25m，该系统有望在人体安检和反恐维稳方面获得广泛的应用。此外，由航天科工二院23所主导研发的国产第一部太赫兹视频合成孔径雷达成功获取国内首组太赫兹视频影像成果。与我军现役歼20隐身战机应用的分布式合成孔径雷达相比，“其具备更强的穿透力，不受日照条件影响，在复杂气象条件下也能正常对地面目标成像”。

1.6 微波光子雷达

微波光子雷达是在微波雷达的基础上发展而来的，将光生微波技术、微波光延时与移相技术、微波光子滤波技术和全光采样量化技术等四种光学技术引入到雷达系统设计中，得到射频前端由光技术组成的新体制雷达系统。微波光子雷达利用光子技术实现信号产生、处理、传输与控制等功能，重量轻、体积小、带宽大的雷达系统，能够有效提升雷达系统的分辨率、抗干扰能力、探测距离、响应速度等关键性能，有助于实现侦察、干扰、探测、通信的一体化。

微波光子技术被美、俄、欧认为是决定“未来战场优势”的关键技术；微波光子雷达的发展历程如图3，主要包括光纤波束合成阵列、泰勒斯公司的光控相控阵样机、全光子数字雷达（PHΟDΙR）样机、双波段微波光子雷达样机、以及俄罗斯射频光子阵列（RΟFAR）开发项目。目前，美国、俄罗斯、欧盟等都在开展实用化微波光子雷达相关的研究。在我国，以中科院、南航为代表的研究所及高校均开展了一系列的关键技术攻关和探索，已经初步掌握了光子任意波形产生技术、超宽带信号光子采集技术、超宽带信号光子波束控制技术、超宽带信号光子处理技术。2019全国微波光子雷达技术研讨会上，潘时龙告诉记者，“我们已经研制出微波光子雷达成像芯片，像砂粒一样小，比传统雷达设备小一万倍。它不仅可用于安全领域，在无人驾驶汽车等也可以大展身手。”我国在微波光子雷达部分技术领域已取得较大进展，成像雷达分辨率达1.3厘米，已领先其他国家。

2 新体制雷达展望

目前我国雷达已有了新的进展和突破，但在基础研究和技术积累方面以及相应的关键技术和新的方向需要进一步的研究和探索；这样才能从根本上提高我国新体制雷达的性能。新体制雷达在应对五大威胁上发挥着重要的作用，目前针对不同的作战任务，至少可在单方面抑制威胁，探测能力也有所增强。但仍存在一些问题，如无源雷达不能自主控制、双基地雷达结构复杂不易同步、ΙSAR雷达补偿算法复杂、超视距雷达及微波光子雷达的关键技术实现、发射功率大，处理运算量大导致功耗大，实际装备使用困难等，如何解决这些问题是今后发展的方向。

除了上述新体制雷达外，还有认知雷达、量子雷达、超宽带雷达、雷达组网技术等，这些新体制雷达拓宽了雷达的应用领域。如智能化认知雷达系统能够解决复杂背景下的目标探测问题，并通过知识辅助智能自适应处理大幅提升雷达性能，随着人工智能等的发展有望进一步实现和发展。

3 结束语

未来信息化战争中雷达面临的五大威胁，对雷达系统设计提出了巨大的挑战，对雷达性能提出了更高的要求，如何提高雷达的反干扰、反隐身、反辐射导弹、反威胁能力，提高雷达的探测距离、距离分辨率、角分辨率、成像识别能力等是当下急需解决的重要难题。基于氮化镓半导体的前端组件，基于高速数据转换器的发射接技术基于先进FPGA的认知技术以及基于高带宽数据总线的传感器数据融合技术将在未来几年对雷达技术产生颠覆性影响。未来将继续探索多功能、多任务及组网雷达。