“本土链”雷达主要性能分析及启示

刘育才 马晓静 雷 红

(1.中国电子科技集团公司第三十八研究所 合肥 230088；2.国防科技大学 合肥 230031；3.中国人民解放军63861部队 辽宁锦州 121000)

0 引言

1935年6月，瓦特领导的团队研制出了世界上的第一部雷达，称为“本土链”(Chain Home)，1936年5月，英国空军决定在本土大规模部署这种雷达，1937年4月，“本土链”雷达工作状态趋于稳定，1939年初投入使用的雷达站增加到20个，形成贯通英国南北的无线电波防线。1939年二战爆发后，英德之间的不列颠空战成为雷达大显身手的舞台。“本土链”雷达网多次探测到德军的空袭，并为己方拦截机提供引导信息，为赢得战争发挥了关键作用。

“本土链”雷达室外设备由多座高塔组成，高塔之间挂列着平行放置的发射、接收天线。外部特征显著。由于当时雷达技术、雷达装备属于新生事物，尚未获得广泛应用，其装备形态、主要功能、战术指标等掌握在极少数国家，因而具有极强的隐蔽性，虽然外部特征明显，却在相当长的时间内未能引起德国人重视并对“本土链”雷达装备进行轰炸或干扰。该雷达成为一种威力巨大的秘密武器，有效探测到德国对英国的轰炸行动，使英国的防空截击行动变得极其高效，德空军损失惨重。

目前，虽然雷达技术已经获得长足的发展，在军事、民用等众多领域获得了非常广泛的应用，雷达装备形态也有了很大的不同，但是面对日趋复杂的对抗环境，在反干扰、抗摧毁等方面仍然存在短板弱项。了解世界上第一部投入实用的雷达的设计思想，对雷达装备技术追根溯源，分析其主要性能，对未来雷达装备发展仍具有一定的启示意义。本文主要根据相关公开资料阐述“本土链”雷达基本方案，分析其探测距离、空域覆盖范围等主要性能，并提出其对未来雷达装备发展的启示。

图1 “本土链”雷达室外设备及架设阵地示意图

1 基本组成及主要指标

“本土链”雷达工作频率在20MHz～30MHz之间，波长15m～10m，因此天线尺寸比较大，是一种双基地体制的远程预警雷达，之所以采用这种技术体制，一是当时大功率收发开关尚未发明出来；二是借鉴了无线电通信台的接收站、发射站分置体制。

发射天线采用3座或4座高度约为110m的钢塔作为支架，发射天线架设在钢塔之间，塔与塔之间的距离约为55m，即塔高的一半[5]。发射天线有两组，分别称为主发射天线组和补盲用发射天线组，由两部相同的发射机分别馈电。主发射天线组由8个从高到低排列的端馈式半波长水平极化偶极子组成，相邻的偶极子间距为5m～7.5m，即波长的1/2。主发射天线组的中心点离地约65.6m，在偶极子的后方装有反射体，从而在双塔间连线的垂直线上，也就是来袭敌机方位上形成一个方位波束宽度约为100°的水平发射波瓣。由于受地/海面反射影响，主发射天线组的垂直发射波瓣呈花瓣状，形成多个发射盲区，通过补盲发射天线组解决该问题，两个天线组通过相位中心高度错开，使两个天线组发射波瓣受地面反射影响后的波峰、凹口互补。补盲发射天线组由4个从高到低排列的端馈式半波长水平极化偶极子组成，相邻的偶极子间距为5m～7.5m，即波长的1/2，补盲发射天线组的中心点离地约29m，在偶极子的后方装有反射体。

图2 “本土链”雷达发射天线系统示意图

接收天线采用4座高度为73.2m的木质塔作为支架，接收天线直接架设在木塔之上，与发射塔距离几百米，收发分置，接收偶极子天线分为3组，从高到低排列，分别称为A接收组、B接收组和C接收组，中心离地高度分别为65.6m、29m和13.7m。从结构上看，A组接收天线和B组接收天线相同，各有上下两个中心馈电的十字形半波水平偶极子，偶极子的间距也为5m～7.5m，即波长的1/2。C组接收天线比较简单，只有两个简单的半波水平偶极子，偶极子的间距为1/2波长。A接收组、B接收组相互补盲，C接收组用于辅助测高。

图3 “本土链”雷达接收天线系统示意图

天线相关参数具体见表1所示。

表1 “本土链”雷达发射、接收天线系统参数表

其他主要参数如下：

工作频段：短波波段，20MHz～30MHz；

威力：目标为第二次世界大战初期德军中型轰炸机(Heinkel-111型)时，有效探测距离约为250km；

脉冲宽度：6μs、20Ms；

脉冲重复频率：12.5Hz、25Hz；

峰值功率：早期为350kW，后期为750kW。

2 俯仰维方向图覆盖性能分析

下面结合“本土链”雷达部署位置、工作环境，分析“本土链”雷达空域覆盖性能，“本土链”雷达主要部署在沿海地区，其反射区域主要为海面，由于“本土链”雷达波长长，因此其反射特性可近似为理想的镜面反射模型。

由表面反射引起的干涉方向图传播因子见式(1)。

Fi=|f(θt)+f(-ψ)ρexp(-jα)|

(1)

其中f(θ)为天线的电压方向图，相对于轴向增益；ρ为反射系数的幅值；θt为目标仰角，在平坦地面条件为

(2)

ψ为掠射角，在平坦地面条件下为

(3)

α为反射波的相位，由式(4)可得

(4)

一般情况下，为了不用一个特定天线方向图描述传播效应，假设直达波和反射波路径上f(θ)基本相等，传播因子可以简化为

Fi=|1+ρexp(-jα)|

(5)

Fi2=|1+ρexp(-jα)|2=|1+ρcos(α)-jsin(α)|2=(1+ρcos(α))2+(ρsin(α))2=1+(ρcos(α))2+2ρcos(α)+(ρsin(α))2=1+2ρcos(α)+(ρcos(α))2+(ρsin(α))2=1+ρ2+2ρcos(α)

(6)

将式(2)、式(4)带入式(6)可得

(7)

根据第1节发射天线阵列排布方式、单元个数、工作频率、架设高度等相关参数，对海面反射条件下发射、接收方向图进行仿真，工作频率取30MHz，单元间距取5m，仿真结果如下。

图4 主发射、补盲发射天线俯仰方向图

图5 主发射、补盲发射天线俯仰方向图外包络

图6 A、B接收天线组俯仰方向图

图7 A、B接收组天线俯仰方向图外包络

将俯仰方向发射、接收方向图外包络相乘，得到俯仰方向综合方向图，如下图所示。

图8 俯仰方向综合方向图

3 探测距离分析

根据相关资料显示，目标为第二次世界大战初期德军中型轰炸机(Heinkel-111型)时，该雷达有效探测距离约为250km。按照下列雷达方程估算雷达最大探测距离[2]。

(8)

根据第一节相关工作参数，并对该雷达工作方式进行适当推测，该雷达相当于工作在凝视探测模式，方位上用一个固定宽波束覆盖约100°方位扇区，假设其单个波位驻留时间按照1s计算，脉冲重复频率25Hz，每个波位25个脉冲之间视频积累，发射脉冲宽度20μs，根据发射、接收天线规模、频段分别计算其发射天线、接收天线增益，根据工作频率估算天线噪声温度[8]。

Heinkel-111型目标RCS按照20m2估算，对雷达探测距离计算如下。Pt为发射峰值功率，取350kW；τ为发射脉冲宽度，取20μs；Gt为发射天线增益，取20dB(考虑地面反射影响)；Gr为接收天线增益，取14dB(考虑地面反射影响)；σ为目标截面积，取20m2；f为工作频率，取30MHz；Ts为等效噪声温度，取53034.45；D0为检测力因子，取2.57dB(Pfa=10-6，Pd=0.5，SW-I，25脉冲)；CB为带宽校正因子，取0.5dB；LΣ为系统损耗，取4.7dB。按照上述参数计算得到，最大探测距离为252km。

根据海面反射条件下的垂直方向图，结合上述最大距离计算，绘制“本土链”雷达威力图，如图9所示。

图9 “本土链”雷达俯仰方向威力覆盖图

由威力图可知，该分析结果和相关资料显示的最大探测距离基本吻合，最大探测距离可达250km以上，通过天线阵列架设高度上的分集，15000m以下高度覆盖基本连续，有部分凹口，该问题可以通过多站之间相互补盲解决，基本可以满足二战期间对主要作战对象的监视需求。

4 对未来雷达装备发展的启示

“本土链”雷达作为世界上第一部真正意义上的投入实用的雷达，从诞生至今已经过去80多年，在这80多年里，在不断增长的军事需求牵引以及相关技术持续发展的推动下，雷达技术获得了蓬勃的发展，在防空预警、武器制导、靶场测量、战略预警、战场监视等领域获得了广泛的应用，在使用平台上也从地面走向机载、舰载、星载、弹载等各类平台，同时也面临着同样快速发展的反辐射导弹、电子干扰等反雷达利器的严重威胁，实战条件下战场生存能力存在明显短板。

反辐射导弹作为现代战争中防空压制和突防不可缺少的进攻和自卫性武器，已经成为防空武器系统所面临的最致命的威胁之一 ，因而也就成为世界各军事强国导弹武器系统研制和发展的一个重要方面。从60 年代初美国研制出第一代反辐射导弹“百舌鸟”至今，反辐射导弹已经发展了三代[6]。据报道，新一代的反辐射导弹也正处于工程研制之中。随着导弹及其相关技术的发展, 可以预计在不久的将来，反辐射导弹技术将会迈上一个新的台阶。

有源电子干扰技术的干扰频率范围已达到0.5～20GHz，电子干扰已由作战保障手段上升为重要的作战手段，可贯穿战争全过程[7]。电子干扰的方式、手段趋于多样化。星载、机载、舰载和车载电子设备应有尽有， 有源和无源相结合， 压制性干扰和欺骗性干扰并举，作战中灵活应用。电子干扰的范围也不断扩大，干扰功率不断增强。总的来说，现代电子干扰设备干扰的频带宽、干扰功率大、干扰反应速度快、干扰决策智能化，并形成了全频域、全时域、全空域、大功率干扰。

如引言部分所述，“本土链”雷达之所以在在相当长的时间内未能引起德国人重视并对“本土链”雷达装备进行轰炸或干扰，主要得益于当时雷达技术、雷达装备属于新生事物，尚未获得广泛应用，具有极强的隐蔽性。另外，从技术体制、工作频率方面来看，该雷达也具有较强的隐蔽性，在技术体制方面，“本土链”雷达受限于当时的技术水平，采用了收、发分置的双基地体制，在工作频率方面，其工作在短波频段，和短波通信频段接近。也就是说，“本土链”雷达能够在实战中生存并发挥重要的预警引导作用，主要得益于其隐蔽性，否则将被敌方重点轰炸，难以生存。

5 结束语

在新的战场环境条件下，面临先进的反辐射、电子侦察、电子干扰设备，如何实现雷达装备的隐蔽性值得我们深入思考，这关系到雷达设备能否在实战条件下能够生存并发挥作用的现实问题。

无论是反辐射武器，还是电子战设备，都依赖于对雷达辐射信号的侦察，其攻击对象本质上为辐射源，因此，面对上述两类威胁，雷达装备的隐蔽，关键是雷达辐射信号的隐蔽。常规预警雷达系统一般包括发射、接收设备，其覆盖范围和功率孔径积(即发射平均功率和接收天线孔径面积的乘积)成正比，可以考虑将发射、接收设备分开放置，形成双、多基地雷达，同时合理分配平均发射功率和接收天线孔径资源，采用分布式、小规模的发射设备以及较大规模的接收天线孔径，分布式多点发射，实现发射站冗余设计，降低实战中损毁概率，同时由于单站规模小，有利于提高损毁后恢复或修复的速度；而接收站不发射信号，具有天然的电磁隐蔽性，可通过伪装等方式进一步提高其外形隐蔽性。

目前正在发展的外辐射源雷达、双多基地雷达、MIMO雷达等具备典型的收、发分置特征，在反侦察、抗干扰、抗摧毁等方面具有明显优势，值得进一步深入发展。