新體制雷達的發展及應用

張亞婷

(西安電子工程研究所 西安 710100)

1 引言

隨著各種高新技術的快速發展，雷達在探測、制導、預警、導航、氣象、遙感等方面發揮著越來越重要的作用。雷達的發展主要取決于戰爭的需求及雷達技術自身的發展，其它相關領域技術的不斷發展與創新，也會對雷達的發展產生深遠的影響。但隨著雷達面臨的五大威脅如電子干擾、低空/超低空突防、高速反輻射導彈、隱身飛機和高功率微波武器的增強，電磁環境變得越來越復雜，對雷達的要求則是多功能與多用途，因為一部單一任務雷達由于不能適應現代多種環境因素的變化，將不再被稱為現代雷達［4］。而在現代雷達應用中，由于作戰空間和時間的限制，加之快速反應能力的要求和系統綜合性的要求，雷達必須具備多功能和綜合利用的能力。例如，要求一部雷達能同時對多目標實施搜索、截獲、跟蹤、識別及武器制導或火控等功能，要求雷達集成有通信、指揮控制、電子戰等功能。系統級的研發則朝著“系統之系統”的方向發展，這極大地刺激了雷達的發展。新概念、新體制雷達不斷涌現，如多任務多功能雷達、低截獲概率雷達、滾動雷達、泛探雷達、納米雷達、激光雷達、沖擊雷達、無源雷達、雙多基地雷達、MIMO數字陣列雷達(含稀布陣雷達)、噪聲雷達、諧波雷達、微波成像雷達、武器一體化雷達等。這些雷達有的是體制上的創新，如MIMO數字陣雷達，有的是結構上的創新，如滾動雷達，有的是概念上的創新，如壓縮感知雷達，納米雷達［5］。下面對上述部分新體制雷達做較為詳細的探討。

2 雷達的新概念

市場、需求、任務和技術的變化推動著未來雷達系統的發展［4］。從功能需求的發展可以看出，雷達新概念應運而生，包括a.多基地組網雷達及其相關的信息處理，這種雷達具有較強的抗摧毀、抗干擾、抗低空突防以及抗隱身能力。b.分布式多傳感器系統，同單傳感器系統相比，其系統性能、可靠性、抗損性以及生存能力都有很大提高。c.新的波形(如寬帶、LPI)，具有較長的照射目標時間和較高的數據率，較高的精度而且反應時間較短;d.多波束雷達，利用并行波束叢，具有較強的重疊掃描、后視能力，功能更強大，且能更好地利用先進信息處理技術來進行目標識別。

3 雷達的新技術

現代雷達系統的發展以技術的發展為主要特征，如有源電掃描陣列天線和合成孔徑雷達(SAR)。具體技術如無源或者認知雷達將使電磁波具有新的觀察環境的能力。廣義來說，雷達快速增長的應用領域就是安全方面的應用。新的需求沖擊著雷達傳感器的設計和研發，關鍵的驅動即為系統的低造價及其應用［6］。對環境條件的自適應也必須實現。

雷達在軍用和民用方面重要性不斷增強，這促使著雷達系統技術不斷發展，對其發展有促進作用的技術趨勢包括:

·相控陣以及為某些應用而使用的發射前端天線，天線從機械掃描向有源電掃相控陣方向發展。有源電掃天線(AESA)在空時性能管理方面靈活自如，多功能使用時可以較好地集成;薄形/寬帶有源天線是實現雷達多功能必須的設備，它能為優化監視、截獲和識別模式提供所需要的完全自適應的各種波形;

·產生射頻功率的器件從真空管向固態器件發展，改進射頻功率源(包括效率、平均功率、穩定性、可靠性、占空比和低成本);

·模擬RF處理向數字RF處理發展，數字處理的進步主宰著雷達的發展;

·從平面天線向共形天線發展;

·共形寬帶天線和數字波束成形技術，不懈拓展新的通信服務，不但要求頻譜在時間和空間上共享，還要開發出更穩健的探測模式;

·從單傳感器向多傳感器發展;

·信息管理和處理算法(如雜波中提取目標、空時自適應處理、檢測前跟蹤、波形和掃描智能管理等)將成為雷達性能發展的關鍵因素。數據處理是雷達系統的心臟，而對處理能力的要求永無止境;

·信息處理機還需要不斷提高處理能力，以對抗不斷增長的環境限制，同時也需要提供高效費比的開發工具和方法，并保證雷達先進功能的開發;

·開發利用非線性決策理論的雷達分類算法(如神經網絡、貝葉斯網絡等)，高技術作戰條件下，需要高性能雷達測量和合成數據以確立和構建豐足的特征數據庫;

·波形產生和編碼，要在雜波背景下探測隱身目標需要高純度的本地振蕩器，對雷達這個主要器件來說，超導體和光學器件是最好的選擇;

·發射/接收方面，對大多數雷達系統來說，要有寬帶、多通道發射/接收從雜波回波中提取目標(如空時自適應處理、交錯或同時多波束掃描);

·固態功率放大器(SSPA)是未來多功能雷達研發的關鍵，射頻光電子是多通道系統信號分布唯一可用的技術。

4 新體制雷達簡介

4.1 多功能、多任務雷達

隨著計算機和現代數字化處理技術在雷達領域的廣泛應用，加之作戰空間和時間的限制，以及快速反應能力和系統綜合性的要求，雷達必須具備多功能和綜合應用的能力。多功能是指集搜索、跟蹤、數據傳遞、武器控制等于一體［7］。

在國際上多功能、多任務雷達不斷取得新進展，從美國洛克希德·馬丁公司研制的多功能、多任務雷達采用全固態相控陣天線，實現既可用于防空、火控和炮位偵察等場合，到諾斯羅普·格魯曼的G/ATOR雷達，該雷達可以替代并增強5種不同的地基雷達，包括火力對抗、目標捕獲、防空武器引導、空中交通管制等，再到意大利Alenia公司研制的多功能先進雷達(EMPAR)，采用相空陣天線，具有多種任務能力。通過完善雷達總體設計，以及增強其機動性和智能化等措施，能夠大幅提高雷達對任務的適應能力，這種總體設計已經成為現代雷達發展的新方向。

4.2 雷達-通信一體化

目前，雷達搜索到的情報數據大部分是通過人工的方法錄取后經有線或無線網絡通知后方，這樣就存在著情報傳遞速度慢，保密性差和誤報等缺陷。如果能對雷達各系統進行改裝使之具有實時通信功能，集“雷達-通信”于一體實現多功能化，就可能克服上述缺陷，大大地提高系統的作戰能力，進一步實現雷達-通信-控制一體化［12］［20］。

雷達系統和通信系統在原理上都是發射和接收電磁波，在系統的結構上表現為兩者子系統有相當大的重疊。例如:天線、發射機、接收機、信號處理器等。所不同的只是在信號的頻率和信號的形式上，只要增加某些頻率轉換系統和信號變換電路等就可使雷達資源為通信所共用，使雷達和通信合為一體。

雷達增加通信功能后，其主要優點如下:a.實現雷達多功能化，提高設備利用率，同時使雷達的某些優良性能為通信所共用;b.通信質量大大提高，雷達天線的強方向性、發射機的大發射功率及接收機的高靈敏度，使通信信息的保密性和抗干擾能力大大提高;c.實現雷達和通信系統的自動化和網絡化，整個“雷達——通信”系統借助于計算機形成了“雷達計算機通信網”，避免了人工參與所帶來的誤差，使得雷達搜索到的目標信息能通過計算機實現數據錄取、處理和傳遞的自動化和網絡化。

4.3 雷達武器一體化雷達(NOT-ONLY-A-RADAR)

超越傳統雷達的特征，未來的需求將驅使所研發的雷達系統必須具有多功能，“共享孔徑”(shared aperture)和“不只是雷達”(not-only-a-radar)是共識［6］［17］［21］。該設備不僅僅是雷達，而且是實施干擾任務提供持久高功率干擾的最佳選擇。

雷達武器一體化雷達也稱為雷達武器(或高功率微波武器，超寬譜射頻武器)，它既有雷達探測和跟蹤目標的功能，又有殺傷或破壞的武器功能。AESA雷達技術的成熟使雷達的武器功能潛力更加引人注目，AESA雷達可以把T/R組件的能量集中起來，在短時間內產生很高的平均功率，進而干擾敵方的電子設備，甚至形成高能脈沖直接燒毀敵方飛機或導彈的電子系統，使之喪失工作能力，這就是所謂的雷達的“武器效應”。但是武器效應或干擾效應將根據目標的靈敏度各有不同，在攻擊一個目標后雷達可以迅速轉向其它目標，并決定在每個目標上所需的時間。這反映了雷達是與通信和電子戰任務共享的多功能傳感器，它是利用成千上萬個AESA微型傳輸接收器，可同時完成多種任務。這些功能包括偵察較小的甚至隱形的目標以及跟蹤目標并實現通信。除了具有高平均功率以外，還具有帶寬方面的優勢，并且AESA具有靈活的波形。它們還可用于“電子干擾”。技術上還可能攻擊敵方雷達的AESA包括破壞目標雷達的天線副瓣或目標裝置的其它功能。它的發射裝置還可以針對其它目標，向敵軍導彈、飛機或計算機等系統的薄弱區域發射能量。遭受這樣的襲擊后，計算機就會陷入混亂，導彈也將失去對目標的“興趣”。

隨著各種新型高功率微波源的出現，雷達必將向著高功率微波雷達的方向發展。隨著高功率微波雷達的出現，雷達將集探測防御與主動進攻于一身，成為名副其實的攻防兼備的武器系統。在未來的反空襲作戰中，雷達不僅會擺脫目前面臨的各種威脅，而且會成為反空襲行動中的攻擊性武器，在反空襲行動中發揮至關重要的作用。

4.4 機會數字陣列雷達系統

機會數字陣列雷達是以平臺隱身性設計為核心，以數字陣列雷達為基礎，兼具多功能、多模式的“一體化”新概念雷達系統，是一種收發全數字波束形成的全數字化相控陣雷達，而機會陣列是一個高度集成的數字相控陣［17］。單元或收發組件任意分布，單元的工作狀態、雷達的戰術功能、雷達的工作模式是“機會性”以及雷達的空-時-能管理均為“機會性”的，雷達自身必須具有對戰場環境的感知、評估能力，結合雷達的戰術要求，自適應地選擇最佳的工作方式，并形成有效作戰模式。

4.5 多輸入多輸出(MIMO)數字陣列雷達

多輸入多輸出數字陣列雷達是近年來雷達在技術上的創新［16］。與常規雷達相反，它并不利用信號之間的相關性，而是利用陣列單元信號間的不相關性，利用目標間的閃爍起伏改善雷達性能。以MIMO方式工作的數字陣列技術能使雷達系統通過獨特的時間-能量管理技術實現多個獨立寬波束同時照射目標，可以在降低系統硬件指標要求的同時獲得更好的處理性能，使雷達系統具有同時執行多任務的能力。該技術由美國麻省理工學院林肯實驗室率先將無線移動通信領域的MIMO技術引入到雷達領域，在傳統DBF技術的基礎上發展出的多天線發射分集與多天線接收DBF相結合的新興雷達陣列處理技術。多信號之間可以是時域、空域或極化域分離的，具有處理維數更高、收發孔徑利用更充分、角分辨率更高的優點。通過利用多輸入輸出體制的系統，用戶可以降低峰值功率，同時延長了積累時間

數字陣列雷達在發射和接收時都采用數字波束形成。發射時，波形在每個陣以保持系統性能。這種時間能量管理技術不僅降低了雷達對設備技術指標要求，而且還能改善系統性能。

4.6 無源雷達

無源雷達探測目標時可用發射源如調頻廣播、數字廣播或者數字電視發射臺作為目標照射器［12］。此技術關鍵的好處在于低成本、分散且隱蔽，具有對低空飛行的目標探測能力和通過多角度觀察目標提高對隱形目標的探測能力。

英國科學家正在開發一種叫做“手機雷達”的雷達系統，利用移動電話無線電發射的信號可像雷達一樣跟蹤飛機、監視交通流量和發現超速車輛。“手機雷達”采用了“無源雷達”技術，該雷達并不發送信號，而是監控周圍環境中的無線電信號，根據這些信號反射波的改變情況來計算物體的運動方式。“手機雷達”系統就是通過對被物體反射回的信號與直接從信號發射器接收到的信號進行比較，計算出物體的位置。根據信號的“多普勒頻移”原理，計算出物體的速度。

“手機雷達”系統具有更高的精確度，因為手機信號發射天線的分布范圍比收音機和電視機要廣得多;比起傳統雷達有很多優點。在多數雷達系統中，最昂貴的部分是發射器，因為它需要有很高的能量，由于手機雷達裝置自身沒有發射器，所以它們的造價更低、體積更小巧、使用也更輕便。

4.7 擴頻(譜)雷達和噪聲雷達

擴展頻譜雷達由于擴譜信號的瞬時頻帶極寬，再加上擴譜信號采用復雜的調制形式，如偽隨機編碼、非線性調頻、瞬時跳頻等，使反輻射導彈難以偵察、探測、截獲、跟蹤和摧毀雷達。

噪聲雷達是一種采用噪聲波形作為發射信號并使用雷達回波的相干處理的隨機信號雷達。因其信號的隨機性，雷達預警接收機難以探測到此類雷達。噪聲雷達的帶寬較寬，具有成像能力，因此比較容易把超低空飛行的巡航導彈與雜波區別開。由于發射信號是真正意義上的隨機信號，與傳統雷達相比，噪聲雷達具有很多優點，如模糊函數理想、距離和多普勒評測性準確、抗擾性強、截獲概率低、電磁兼容性好、電子反干擾能力好、反電子支援措施能力好等。此外，隨機噪聲波形具有理想的能分別控制天線掃描縱向和橫向分辨率的模糊函數，高的電磁兼容性(EMC)和增強的頻譜效率。

4.8 瞬態極化雷達

瞬態極化雷達是一種具有兩路正交極化通道獨立收發能力的新體制雷達，可實現目標極化散射矩陣的瞬時測量［18］。

瞬態極化新體制雷達，能利用雷達目標單個脈沖回波獲得瞬時極化散射矩陣來提取目標特征信息，能克服分時極化測量雷達的固有缺陷，準確測量運動目標的散射矩陣，進而提高雷達系統在復雜電磁環境中的探測、抗干擾和反隱身等能力。

瞬態極化雷達由發射機同時發射兩路正交極化電磁波脈沖，再由接收機的兩路通道同時接收目標極化回波信號，如此經過一個脈沖的收發處理就能得到完整的目標極化散射矩陣，完成目標特征識別。國外比較典型的極化雷達系統有:美國的Millstone Hill雷達、SIR2C/X多波段/多極化合成孔徑雷達、彈道導彈靶場測量雷達AN/MPS236、Ka波段機載極化SAR系統等;日本的星載合成孔徑相控陣雷達PALSAR、加拿大的RADARSAT22合成孔徑雷達等。

4.9 片上雷達(Radar-on-a-chip，ROACH)

這是一種低功率、低成本的在單片CMOS上高度集成的毫米波收發組件，形成一個簡單的片上 雷 達 系 統 (Radar-on-a-chip)［1］，所 提 出 的ROACH系統工作載頻約為77GHz，發射功率、振蕩器相噪、低噪聲放大器的動態范圍和噪聲系數都適度。這樣對雷達硬件和信號處理都提出了挑戰。但是有了創新的波形設計和使用復雜信號處理，就可以得到高性能的單片雷達系統，用它可以探測幾百米處慢速運動的截面積為0.5平方米的目標，可以以合理的精度估計目標的距離，多普勒檢波器的SNR為10dB。ROACH的其它應用還包括汽車雷達，生命感知雷達、醫療儀器、本地入侵探測、邊界防御、遠程爆炸物和武器探測等。

數字下變頻(DDC)和數字脈沖壓縮(DPC)是此種雷達信號處理的核心算法，其運算特點非常適合用FPGA實現。把這兩種算法設計為具有標準總線接口的IP，對實現ROACH具有重要意義。

4.1 0 泛探雷達(UBIQUITOUS RADAR)

泛探雷達有時也稱為全向全時雷達、同時多波束DBF雷達、泛照燈雷達(floodlight radar)或者機會雷達，1998年 IEEE雷達會議上由 Merrill Skolnik提出，1999年IEEE雷達會議報道的一種能隨時探測任何地方的雷達［9］［10］［11］。即在任意時刻探測空間任意方位的目標，這種模式的強大之處在于搜索的同時可以不間斷地跟蹤，具有同時獲取空間多方位目標探測的能力，另外一個優越性體現在其低截獲性能方面，該雷達發射時采用全向波束，接收采用DBF技術，在空間形成多個波束，覆蓋整個空域。只要這種雷達開機，就可看清其覆蓋范圍內的任何目標，而且是時時處處看到。每個波束都有一個或多個數字信號處理器用于瞬間同時完成多個雷達功能。與傳統的相控陣雷達相比，該雷達具有傳統雷達所不具備的很多重要優點，傳統相控陣雷達的時分意味著目標集中時，一些功能不得不延時，結果就是整個系統效能的損耗。而Ubiquitous雷達沒有此種限制，它的成功取決于所要求的數字處理能力。

4.1 1 滾動雷達(ROLLING RADAR)

滾動雷達是為了代替大型旋轉三坐標雷達或大型多面陣固定三坐標雷達而提出的一項新概念。于2005年9月在美國國際雷達會議上由IEEE 高級會員 B.M.Tietjen 提出［8］［12］。這種新的設計概念將雷達陣列置于一個大的輪子中(與軸相連)，一個小輪與軸的另一段相連，當兩個輪沿帶電同心導軌同時旋轉時可實現360°方位掃描。

陣列輪通過一個簡單的由磁架構成的重力驅動器推進，該電磁裝置跨在電磁軌道上，沿著大的陣列輪的內軸轉動。陣列輪自身重量的轉移使得輪子(以及整個輪軸)無需外部可視驅動就可繞著軌道滾動。

圖1 滾動雷達合成孔徑圖

滾動式雷達可以提高機械可靠性，因為陣列輪是自支撐式，免去了大型的支撐結構和軸承，同時不再需要傳統的電動滑環、旋轉液體連接軸、電動機和變速箱。該雷達繞著軸承滾動，邊旋轉邊掃描的面積比陣列口徑大得多，其結果類似于聚束合成孔徑雷達技術。

圖2 單平臺上，雙雷達配置

與傳統的旋轉式雷達相比，此種滾動式雷達只需少量傳動部件，其優點有以下5點:1)提高了機械可靠性;2)具有較高分辨率的目標成像;3)具有多頻段能力(即單個平臺、雙雷達結構)，同一平臺上用一部超高頻段搜索雷達和一部X波段雷達同時進行掃描;4)它的電子回轉能力可以實現更高的空間分辨率;5)易于部署，可應用于較小移動的場合。

4.1 2 自適應和認知(COGNITIVE)雷達

自適應雷達能根據周圍環境進行識別和鑒定，并能根據需要調整其工作狀態或自動改變參數，適應環境。它具有多種功能，以提高其適應能力和抗干擾能力［7］。

自適應雷達能夠監視環境并將雷達自適應設置到準智能以優化本地條件。這些特征基于雷達與環境的交互知識處理技術，以及為雷達分系統反饋收集的信息并按常規更新這些信息。

認知雷達是基于知識的自適應雷達，具有識別能力，即在感知周圍環境及外部世界的基礎上，利用先驗知識并通過與環境的交互作用進行學習，接收機和發射機均能實時地與環境同級變量自適應，從而可以有效可靠地達到特定的偵察探測目的。

4.1 3 激光成像雷達(LADAR)

激光成像雷達是以激光器為輻射源，以光電探測器為接收器件，以光學望遠鏡為天線，來探測目標的存在，測量目標參數。激光技術的發展為雷達提供了一種較為理想的輻射源，激光雷達將極高的工作頻率(較微波雷達的工作頻率約高4個數量級)和成熟的雷達技術相結合，將光、機、電融合于一體，形成具有獨特性能的嶄新雷達體制。正是激光的良好相干性和其工作頻率的量變，使得雷達的分辨率(空間分辨率、時間分辨率和頻率分辨率)和“五抗”能力(抗電子戰能力、抗反輻射導彈攻擊能力、抗低空/超低空突防能力、抗隱身目標和高功率微波武器能力)產生質的飛躍，在低可觀測性目標探測、高分辨率目標識別、高精度跟蹤/測量等方面表現出明顯的技術優勢。2006年2月，美國國防預研項目局(DARPA)已經成功得到了第一組機載合成孔徑激光成像雷達圖像數據。

目標識別是軍用激光雷達的重要戰術功能，高空間分辨率、高幀頻、多維成像和適裝性是激光成像雷達的發展方向。

4.1 4 納米光電探測(NODAR)

NODAR(Nanotechnology Optical Detection and Ranging納米技術光電探測和測距):這是國外研究學者在雷達“概念”誕生百年之際，站在雷達、系統以及“系統之系統”發展變革的前沿提出的概念［5］。旨在將光電技術和納米技術融為一體，實現多功能、多任務、多領域以及自適應、靈活的基于知識的雷達傳感器。它的主要創新點為:(1)納米真空管放大器，該器件能夠高效放大頻率在太赫茲的信號;(2)大帶寬收發波束形成網絡:利用光調制器、合成器以及模擬光接收機、可編程實時延遲實現，用于直接時間波束形成和控制;(3)寬帶光電A/D轉換器;(4)納米器件:基于知識管理的信號處理，用于網絡傳感器的信號融合。在未來最優發展前景的納米量子處理問世之前不失為一種可行的解決方案;(5)用于熱管理和互連的碳納米管(CNT);(6)完美的光-納米技術化學傳感器。

4.1 5壓縮感知(CS)雷達

隨著電磁環境越來越復雜，信號處理技術的進步，雷達系統獲取數據的能力不斷地增強，需要處理的數據量也不斷增多，而傳統的奈奎斯特采樣定理要求信號的采樣率不得低于信號帶寬的2倍，才能不失真地恢復原始信號，這無疑給信號處理的能力提出了更高的要求，也給相應的硬件設備帶來了極大的挑戰。為了應對此種挑戰，2004年，Donoho等人提出了壓縮感知(compressed sensing，CS)理論［14］。該理論是一個利用信號的稀疏性或者可壓縮性的全新信號采集、編解碼理論，已經用于信號/圖像處理、雷達成像、天文學、醫學圖像、無線通訊等各個領域。CS在雷達領域的應用也得以迅速展開，形成一個相當新的雷達體制——壓縮感知雷達。文獻［15］首次提出了隨機濾波的信號處理方法，實現了基于CS的SAR成像;文獻［13］采用Alltop sequence作為雷達發射信號，構造了一個冗余庫，并在模糊域實現了高分辨率雷達成像，突破了最大不模糊距離的限制。在單基地簡化型的單脈沖雷達系統中，采用壓縮感知，僅通過幾次測量就可使用不連貫的線性投影法來獲得可壓縮信號的有效表示。壓縮感知雷達有三點必須明確:(1)發射信號必須足夠“不連貫”，我們的結果取決于確定性信號(置頂序列)的使用，然而，發射白噪聲也可以產生同樣的結果，(2)該方法不使用匹配濾波器，(3)使用稀疏度限定恢復目標視景。

5 結束語

在未來信息化戰爭中，作為感知戰場態勢主要信息源的雷達如何應對才能在包括高功率微波武器在內的“五大威脅”中生存下來并保持戰斗力，是當今需要加緊研究的重要課題。從對付電磁威脅研究雷達技術的發展，只要找到對方的弱點，尋找各種威脅之間相互矛盾和薄弱環節，研究代價小、效果好的對抗技術;全面徹底地檢查雷達自身的電子弱點，堵塞漏洞提高雷達反威脅的能力;再就是深入分析目標回波所包含的信息內容，充分加以利用，增強雷達抗威脅的性能，采取積極對策，就能夠掌握雷達對抗各種威脅的主動權，因為世界上沒有攻不破的盾，也沒有無堅不克的矛。最后注重新體制雷達的三化((模塊化、通用化、系列化)研究，未來雷達的前景必將光明。

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