“薩德之眼”到底能看多遠

張亦馳

美國在韓國部署“薩德”反導系統可謂“一石激起千層浪”。各界普遍認為，“薩德”系統對中國的最大威脅，并非其攔截彈，而是那部號稱“薩德之眼”的AN/TPY-2雷達。

AN/TPY-2雷達是一部X波段（波長3厘米，大約10GHz）有源相控陣雷達，它有兩種工作模式或者說構型，分別是“終端模式”（TM）和“前沿部署模式”（FBM）。前者通常作為“薩德”導彈連的火控雷達使用。后者主要部署在前沿，用于向遠方的導彈防御系統，例如美國的“地基中段攔截”（GMD）系統提供數據。美國聲稱部署在韓國的TPY-2雷達將以探測距離較近的TM構型部署，而TM模式探測距離為600千米，支持在韓國部署“薩德”系統的一方說這個探測距離只覆蓋朝鮮，不能深入中國大陸。而批評者指出FBM模式的雷達探測距離遠得多，而且從TM模式向FBM模式轉換只需要8小時或者更少。

那么，“薩德”的雷達以不同工作模式對不同屬性的目標到底能看多遠？相應高度的目標需要飛多高？“終端模式”和“前沿部署模式”探測距離的不同，是哪些原因造成的？除了RCS、目標高度以外，影響探測距離還有那些因素，關于“薩德”雷達的一些傳說是真是假？我們將一起給出答案。

關于探測距離的各種報道

美軍雖然很開放，但是對于武器裝備的核心參數其實捂得是很嚴的，包括“薩德”的AN/TPY-2雷達的探測距離。當然，首先說明，談雷達的探測距離一定要對應著雷達散射截面積（RCS），不說目標的RCS或者基本屬性而大談探測距離的意義不大。這就好比人的眼睛能夠觀察到物體的遠近取決于物體的大小和與背景的反差一樣。人能看到幾十萬千米外的月球，但是看不到幾十米外的螞蟻，雷達探測距離也是一個道理。迄今為止，無論是美軍還是雷錫恩公司實際上都沒有公開過確切的、對應著目標RCS的距離參數。那我們先看看美國官方、各種媒體靠譜的報道中提到的數據吧。由于國內媒體數據大多數源自國外，所以這里只羅列來自國外的數據。

第一種，數百英里。這是目前筆者看到的有關TPY-2雷達探測距離的最短的公開報道。它來自于雷達的研制方“雷神”公司，該公司曾在一部視頻中說，TPY-2雷達能夠“追蹤數百英里以外棒球場上的本壘打。”當然，這個本壘打必須打的足夠高——超過44 000英尺，這才能超過地平線被探測到（關于飛行高度和探測距離的關系，我們后面會詳細說明）。

第二種，600千米。這是韓國媒體報到的TPY-2雷達以末端模式部署時的探測距離。2015年2月，韓國《朝鮮日報》的一篇報道引用政府官員的話說，末端構型TPY-2雷達有效探測距離為600千米。2015年4月，《首爾新聞》引用一份美國技術報告同樣給出了這個距離。

如果我們認為第一種中的數百英里為300英里，那么這個探測距離是大約480千米。一個棒球的RCS大約是0.004平方米。根據雷達方程計算，對于RCS為0.01平方米的目標，雷達探測距離大約是600千米。這與韓國媒體報道的采用末端模式部署的“薩德”探測距離是相符的。

第三種，超過1 000千米。這個說法是美國陸軍部出版的《“薩德”反導系統雷達前沿部署操作手冊》里談到的。原文稱，“AN/TPY-2（“前沿部署模式”）……用于在超過1 000千米的距離上探測、跟蹤、分類并識別處于助推段和中段早期的彈道導彈。”當然，這個說法過于模糊了。

第四種，1 500千米。2013年美國國家科學院（NAS）報告中的示意圖顯示，TPY-2雷達的探半徑約為1 500千米。NAS委員會認為這個1 500千米的探測距離是相對保守的。

第五種，1 800～2 000千米。韓國媒體為“前沿部署模式”TPY-2雷達給出的探測距離，信息來源與上面第二項相同。這個2 000千米也是目前國內媒體引用最多的數據。

第六種，大于2 900千米。2008年，美國陸軍少將帕特里克·奧賴利（Patrick OReilly，后來成為導彈防御局局長）聲稱，TPY-2的探測距離“超過1 800英里”（2 900千米）。

從以上公開報道的數據看，TPY-2雷達的探測距離相差5倍。對于雷達，這是一個巨大的差異。這意味著雷達功率相差5的4次方，也就是625倍！如果只是不同目標的雷達散射截面積（RCS）不同，那需要這些目標的RCS也要差625倍。那么，上述說法是不是靠譜？他們的探測距離對應的是多大的目標呢？

專家的計算

從上面的報道來看，既沒有說雷達采取那種模式，也沒有說針對的目標RCS，所以，雖然告訴你探測距離了，其實大眾也不明白這個雷達的厲害程度。

而兩位愛較真的學者——喬治·劉易斯和西奧多·波斯托爾，在2012年9月21日的一篇博客中利用雷達方程進行了簡單的計算。這兩位可不是普通的愛好者，前者是康奈爾大學高級研究員，后者則是馬薩諸塞工學院教授，但是具體專業不詳。我們可以看一看他們的計算過程，也算是對雷達知識增加一些了解。

他們用于計算的公式就是下面這個雷達方程，但是如何確定每個參數，卻是門學問。

這其中Pav是雷達平均功率，單位是瓦。TPY-2的天線使用了第三代T/R收發模塊，據估計其峰值功率為16瓦，平均功率3.2瓦，雷達共有25 344個模塊，因此其平均功率為81千瓦。

ρ表示天線孔徑效率，設定為0.8，兩位專家認為這是一個偏高的值。

A表示雷達天線面積，單位是平方米。這個數好查，TPY-2的天線面積9.2平方米。

G為雷達增益，按照G=ρ（4πA/λ2）公式計算，為103 000。n為駐留脈沖個數，設定為20個。

σ為目標的雷達散射截面積（RSC），按照0.01平方米計算。FN為噪聲系數，專家的估計值為1.4。

fp為脈沖重復頻率，即雷達以怎樣的頻率發射探測脈沖。專家認為其為200Hz，也就是一秒鐘發送200個脈沖。而駐留脈沖為20，也就是說波束在一個波位要收發20個脈沖，波束駐留時間為100毫秒。

LS為系統損失，評估為6.3。

S/N為信噪比，作者分為兩種情況，跟蹤模式下S/N= 20；識別模式下S/N=100。

將上述數值帶入公式則得到以下結果：R=870千米跟蹤（S/N=20）

R=580千米識別（S/N=100）

在這個基礎上，NAS委員會的一份聲明稱，將S/N從20減少到12.4，而波束駐留時間從0.1秒增加到1.0秒，其它參數不變的話，將獲得1 732千米的探測范圍。

上述計算的關鍵假設和參數是：彈頭的RCS為0.01平方米；對每個目標0.1秒的雷達波束駐留時間；用于檢測的信噪比S/N=20，噪聲系數為1.4。這個結果表明，雷達可以每秒在870千米的范圍內跟蹤10個來襲目標，或者進行10個波位的搜索，或者每10秒對100個目標進行一次檢測。

我們先科普一下波束駐留時間，它實際上就是雷達波束在一個波位/目標停留的時間。在一個波位上停留的時間越長，可能接收的目標反射脈沖就更多，進行相關運算后就能探測更遠的目標或者可以探測到目標更多細節，但是代價是掃描的周期增加了。

不過筆者認為，波束駐留時間的0.1秒（100毫秒）的假設偏大。很多火控雷達的波束駐留時間不到10毫秒。100毫秒的駐留時間意味著極差的搜索能力。例如，對于一個10度×64度的空間，如果波束寬度為1度的話（X波段火控雷達的波束通常是很窄的針狀波束），掃描下來需要64秒，也就是1分多鐘。這將導致其搜索速度、數據更新率下降。對于X波段的火控雷達來說，其波束寬度本來就小，如果搜索速度降低，那將極大降低其搜索能力，可能是無法忍受的。因此，至少在“終端模式”中，駐留時間應該更短。當然，如果是依靠外部目標指示的雷達來說，100毫秒仍然是可以忍受的。另外，這個探測距離要超出筆者的預期，畢竟0.01平方米是一個非常小的目標了。

為此，筆者專門咨詢了中國電子科技集團的一位知名雷達專家。這位專家認為，上述公式中各個變量大致可信，但是噪聲系數和系統損失取值過低。噪聲系數選為1.4（即1.2分貝），系統損失總共才8分貝，不太合理。其中，噪聲系數應至少增加1分貝，系統損失更應增加至少3分貝（主要是遠距離下X波段大氣衰減很大）。即使不考慮由于大氣衰減引起的額外系統損失，僅按噪聲系數2.5分貝計算，他的團隊得到的結果是，對RCS為1平方米的目標探測距離約1 800千米，對0.01平米目標的探測距離大約為570千米。這位專家強調，即便如此，其中帶入的噪聲系數和系統損失值仍然是根據“料敵從寬”的原則取得比較小的數值，實際中的系統損失可能更大，最終的實際探測距離可能更低。

總的來看，中國專家的計算值比較接近韓國媒體公布的數據，但是要比美國專家估計的870千米更小。按照雷達方程計算，美國專家的算法對1平方米目標探測距離應該是2 700千米多一些。

這位中國專家稱，根據雷達天線尺寸算出的水平波束寬度0.37度，俯仰方向為0.84度，如果按照20個駐留脈沖、100毫秒駐留時間來算，覆蓋120平方度空域大約30余秒。

根據計算我們看到，上面談到的數百英里和600千米的參數明顯是與雷達的“終端模式”匹配的，應該針對的是RCS為0.01平方米甚至更大一些的但是符合再入彈頭特征的目標。從這個角度看，600千米這個數值以及中國專家的計算還是比較可信的。

現在再來看看“大于1 000千米”、1 500千米和1 732千米的距離的說法。大于1 000千米是美國陸軍部的出版物對“前沿部署型”TPY-2探測距離的明確說法，這個數值雖然過于籠統，但由此判斷，1 500千米、1 732千米的說法，也應該是其“前沿部署型”的探測距離。美國陸軍部和NAS報告中使用的雷達和目標參數屬于機密，但這可以理解為針對的是較大的、處于上升段的目標，這個階段的目標大致是多大呢？2003年美國物理學會助推段研究報告引用的超出地平線、進入TPY-2雷達探測范圍的固體燃料導彈的雷達截面為0.094平方米（液體燃料導彈為0.45平方米）。如果根據這個兩個數值計算，按照美國專家的算法其探測距離分別為1 523千米和2 253千米；如果按照中國專家的算法為998千米和1 476千米。顯然，中國專家的算法分別與大于1 000千米和1 500千米的報道接近。

而1 732千米這個數值，相對于870千米探測距離的主要差異是由于較長的波束駐留時間導致的，駐留時間增加10倍得到1 732千米的探測距離，這是探測距離增加1.78倍的重要因素。也就是說，探測距離的增加，是以單位時間內跟蹤目標數量降低為原有的十分之一，或者說對每個目標的檢測時間增加10倍為代價的。俄羅斯蘇-35戰機雷達的最遠探測距離達到400千米，實際上也是在某種模式下延長波束駐留時間、惡化搜索速度和數據更新率得到的。

那么韓國媒體1 800～2 000千米以及美國奧賴利少將大于2 900千米的說法又是怎么來的呢？這并非是進一步增加目標RCS得到的，因為在2 000千米的探測距離上，目標高度至少要達到235千米，在這個高度的導彈目標基本上只有最后一級甚至只有彈頭了，其RCS只會更小。這樣的話，延長探測距離就只有進一步增加波束駐留時間了。這可能是“終端模式”和“前沿部署模式”的一個重大不同點。

在“終端模式”中，目標以單獨的彈頭或整個導彈（頭體不分離的型號）向其瞄準點俯沖，它們的RCS可能相對較低。在這種模式下，作為“薩德”系統的火控雷達，可能必須同時處理數十個上百個或者更多的目標。此外，雷達還將需要對新目標進行搜索。另外，進行火力控制需要更高的數據更新率，這就要求波束駐留時間更短。

在“前沿部署模式”中，雷達主要集中于在飛行的早期和較遠距離上跟蹤較小數量的遠程導彈，數據更新率不要求那么高，需要更大的探測距離和更高的分辨率，這樣可能就需要更長的駐留時間。這樣，即便探測相同的目標，“前沿部署模式”的探測距離也要比“終端模式”的探測距離更大。這很可能是利用不同的脈沖重復頻率得到的。這可能也是兩種不同部署模式之間的最大區別之一。由此來看，2 000千米，甚至2 900千米的探測距離，很可能是對0.1～0.45平方米的目標，以更長的波束駐留時間獲得的。

關于“薩德之眼”的一些流言

通過我們上面的計算和分析，基本對TPY-2雷達的一些原理和性能有了基本的認識，這也為我們澄清一些關于TPY-2雷達的流言奠定了基礎。那么，流傳于中國網絡上的那些關于“薩德之眼”的流言，到底是真是假呢？

流言一：中國上空的目標將一覽無遺。這是一個廣為流傳的說法，但是這種說法忽視了一個重要的因素，那就是地球曲率的因素。這就要求必須目標上升到一定高度才能被雷達探測到。發現距離D與目標高度H和雷達距離地面高度h符合以下關系：

4.12這個系數是考慮大氣折射后的系數。

為了方便計算，我們假設h為0。那么對于2 000千米外的目標，其飛行高度必須達到235.6千米，對于2 900千米外的目標，其飛行高度必須達到495.5千米以上，在這個距離上不要說看不到飛機，就連很多近程彈道導彈彈道頂點都飛不了那么高。如果按照飛機的飛行高度2萬米來算，最遠只能在582.7千米外才能探測到。很顯然，根據上面的計算，在中國上空的航空目標基本看不到。對于“在東北發射的導彈”，也需要目標上升到200千米高度以上才能發現。對于不同距離目標的高度，讀者可自行計算。

除了高度因素以外，還有一個重要因素在于X波段雷達實際上并不適合進行大范圍快速搜索。因為其波束寬度過窄，并不利于搜索。

實際上，根據《“薩德”反導系統雷達前沿部署操作手冊》“前沿部署”的TPY-2雷達主要有三種搜索模式（計劃）。第一種是自主搜索計劃。這種搜索模式會給出某種特定的搜索區域，例如10度×20度。但是正如前面計算的，由于其波束駐留時間較長，加之波束較窄，所以搜索較慢。第二種是聚焦搜索計劃，主要針對助推段目標。一般是在美國天基紅外系統獲得導彈發射信息后，通過指揮控制系統為TPY-2雷達進行目標指示。由于天基紅外系統獲得的目標的坐標和速度信息不太準確，所以TPY-2雷達還是需要在一個較小的范圍內進行“聚焦搜索”。第三種搜索是精確引導搜索計劃，通常針對非助推段目標。例如，當“宙斯盾”等其它前沿傳感器獲得了目標的信息，可通過指揮系統向TPY-2雷達提供精確的目標指示，后者能夠很快對目標進行截獲跟蹤和識別。

筆者認為，TPY-2雷達進行“前沿部署”時，最主要的搜索模式將是聚焦搜索，天基紅外系統可以快速發現導彈發射，而TPY-2雷達則可以精確跟蹤。由于其搜索能力較差，因此其自主搜索模式主要進行配合，因此在進行前沿部署時，該雷達很可能不會像普通的情報雷達那樣長期開機“不停地對中國空域掃描”，而只在關鍵時期對重點空域進行掃描，這也有利于降低故障率。

流言二：TPY-2雷達對RCS為100平方米的目標探測距離為2 300千米，對RCS為1的目標探測距離為1 700千米。

這是一個目前互聯網以及各個微信號上出現較多的數據，看上去更準確更專業，因為給出了對應的RCS，而且對RCS為1的目標探測距離為1 700千米的說法與我們上面的計算頗為吻合，但是細看也有矛盾之處。首先，這兩個探測距離和RCS的關系不符合雷達方程。如果以RCS為1平方米目標探測距離為1 700千米計算，不考慮傳輸距離增加引起的大氣衰減損失增大，那么對RCS為100平方米的目標的探測距離應該是5 376千米左右。當然，實際中大氣衰減對X波段雷達影響很大，但是對于空間目標而言，相當大的距離是在大氣層外的，所以即便考慮到大氣衰減導致的系統損失，也可以認為其對RCS為100平方米的目標，探測距離應該大于2 300千米。

第二，雷達通常不用RCS為100平方米這樣的指標。雷達探測距離通常是以典型目標來計算的，例如防空雷達的典型目標的RCS通常是5平方米或者3平方米，按照這個數值給出最大探測距離的較為常見，很少會給出100平方米的目標的探測距離。100平方米通常是大型、非隱身戰略轟炸機的RCS。如在2 300千米的距離上，目標飛行高度應該在311千米左右，在這個高度通常是RCS不到1平方米的洲際導彈的彈頭，哪里有100平方米的目標可供探測？

流言三：“前沿部署模式”和“終端部署模式”的探測距離之所以相差很多，是因為兩者探測的目標不同，前者探測導彈的彈體，而后者探測導彈的彈頭。

這個說法只能說部分正確。確實“前沿部署模式”可能探測到對方反射面積較大的彈體或者上面級，但是“前沿部署模式”探測遠的原因不僅限于此，而是前文談到的，雷達以“前沿模式”部署時對數據率的要求要遠比“終端模式”對數據率的要求更低。這樣的話，雷達可以延長波束的駐留時間，可以多接收幾個駐留脈沖然后進行運算，這樣便可大大延長探測距離。打個不太恰當的比方，好比一個人向著目標方向多盯一會，自然可能會看的更清楚一樣。一些具備逆合成孔徑模式的雷達，例如SBX，其波束駐留時間達到了秒級，可以清晰對目標成像。因此，不排除TPY-2雷達處于“前沿部署模式”時具備逆合成孔徑工作模式的可能，那么其波束駐留時間可能會像所說的達到1秒。而處于“終端模式”時，波束駐留時間更短，以滿足數據重復率的要求。

流言四：從“終端模式”向“前沿部署模式”轉換只需要8小時或者更少。

這是美國陸軍官方的說法，應該說沒有問題。據美國陸軍出版物的說法，“兩種模式的雷達硬件是相同的，但是控制軟件、運行邏輯和通信組件是不同的。”另外，雷達具備高度機動性，它能空運，并且抵達新的部署地后能夠在4小時內完成投入使用。那么這8個小時都用來干什么呢？筆者猜測很可能包括調整天線俯仰角。“前沿部署模式”要求天線的俯仰角較低，而“終端模式”要求的天線俯仰角則較高。另外很可能包括更換通信模塊。畢竟“前沿部署模式”需要為遠方的反導系統提供精確的目標信息，而“終端模式”在接收信息的同時還要保持與發射裝置的聯系。至于轉換探測距離遠近的模式，很可能只需要一個開關就能解決。