連續波戰場偵察雷達技術發展綜述

陳 黎，溫 博，李新欣，張 馳

(1.陸軍北京軍代局駐石家莊地區軍代室，河北 石家莊 050081；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

連續波戰場偵察雷達技術發展綜述

陳 黎1，溫 博2，李新欣2，張 馳2

(1.陸軍北京軍代局駐石家莊地區軍代室，河北 石家莊 050081；2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

連續波戰場偵察雷達相比脈沖體制雷達，具備發射功率低、能量低截獲和抗雜波能力強的技術特點，被廣范應用于地面監視、低空搜索和要地防護等領域，是現代戰場偵察的重要裝備。介紹了連續波戰場偵察雷達的發展歷程，分析了連續波戰場偵察雷達的技術優勢，說明連續波戰場偵察雷達在低功耗和小型化、低截獲和抗干擾以及低慢小目標檢測中具有明顯優勢。結合國內外最新研究進展，提出了連續波戰場偵察雷達技術的發展趨勢。

戰場偵察雷達；連續波雷達；脈沖雷達

0 引言

戰場偵察雷達是探測戰場上各種軍事目標，以獲取戰場情報用的各種偵察雷達的總稱，它可以在復雜的地雜波環境中檢測地面低速運動目標和低空飛行目標，已成為現代戰場上不可缺少的重要偵察裝備。在和平時期，用來保護國家重點項目、國家邊防、防御走私偷渡和恐怖分子[1]。因此戰場偵察雷達無論是在戰時還是在平時，均對國家安全發揮著重要作用。戰場偵察雷達按發射的信號波形可分為連續波體制和脈沖體制2種。連續波戰場偵察雷達具備發射功率低、能量低截獲和抗雜波能力強的特點，在體積功耗、隱蔽偵察和低慢小目標探測方面，有著明顯技術優勢[2]。

但目前國內針對連續波戰場偵察雷達的產品特點分析、技術發展趨勢和工程應用問題等的研究很少。因此，本文對連續波戰場監視雷達的技術發展趨勢進行了分析，從連續波雷達技術層面重點介紹了多重收發隔離技術、雷達通信一體化技術和高費效比片上雷達技術，為連續波戰場偵察雷達的技術研究提供參考。

1 連續波戰場偵察雷達發展歷程

1.1 早期發展階段

20世紀40年代后期至70年代中期，該階段為戰場偵察雷達的早期發展階段，以連續波體制為主，由于技術發展的主要方向為增大雷達偵察范圍，提高微波器件功率，而最終出現了以“拉希特”雷達為代表的中程脈沖體制雷達[3]。

早期的戰場偵察雷達大多是近程便攜式，采用調頻連續波體制；主要用在隘口、橋梁和交通要道等重要地點，監視敵方部隊的活動情況，偵察的范圍比較窄小[4]。隨著微波器件功率的增加，中程和遠程戰場偵察雷達相繼發展起來。蘇聯在60年代初已在陸軍部隊中裝備了“斯納爾”6型中程戰場偵察雷達，擴大了偵察范圍。60年代中期，美國研制成功AN/PPS-9近程偽隨機編碼調相連續波戰場偵察雷達，并裝備部隊。70年代中期，法國研制成功了“拉西特”中程脈沖多普勒戰場偵察雷達，為北大西洋公約組織的一些國家地面部隊廣泛采用[5]。海灣戰爭中，美國及多國部隊使用百余部拉西特偵察雷達，用以監視伊軍人員、車輛活動情況，提高了作戰效果。我國于60年代初開始研制戰場偵察雷達，70年代初開始裝備部隊。

1.2 快速發展階段

20世紀80年代中期至21世紀初期，該階段為戰場偵察雷達的快速發展階段。技術發展的主要方向為固態化和數字化。特別是計算機技術和信號處理技術的迅猛發展和廣泛使用，促使地面戰場偵察雷達采用更先進的技術，例如相控陣、脈沖壓縮、低截獲概率和雷達組網等技術，出現了一批性能優良的戰場偵察雷達，主要有美國的AR-SS、英國的MSTAR、俄羅斯的FARA-1、德國的BOR-A550、荷蘭的SQEIRE和以色列的EL/M-2140NG等。國內研制的主要產品包括JY-17和BAL-210等[6]。

據統計有近20個國家進行戰場偵察雷達研制，已知型號超過150種。其中連續波和脈沖2種體制并行發展，主流廠商的雷達產品呈現系列化、專用化。而在中近程防御、低空探測和要地防護等應用領域，連續波戰場偵察雷達的輕型化、低截獲和抗雜波的技術優勢逐漸凸顯，占有了較大市場份額[7]。

1.3 新技術發展階段

當前全球戰爭形態演變為以局部作戰、區域防護和反恐維穩為主。而進入21世紀，低空無人機等新型平臺的大量普及并參與作戰，并進一步影響作戰模式。隨著戰場偵察的空間變化、新型威脅目標的出現，為新型戰場偵察雷達的技術發展帶來了機遇和挑戰。未來戰場偵察雷達將處于新技術發展階段，隨著各種新理論、新方法和新設計的不斷引入，技術發展方向將更加多元化。

以戰場偵察的空間范圍為例，由之前以地面戰場為主，涵蓋低空、超低空，逐步延伸到近海、近岸和島礁等區域，甚至拓展至受植被、建筑和艙體等遮掩的隱蔽區域[8]。由此衍生出了低空搜索雷達、岸基監視雷達、島礁雷達、穿樹雷達和穿墻雷達等多種產品形態。

2 連續波戰場偵察雷達技術優勢

2.1 低功耗和小型化

目前國內外大部分連續波戰場偵察雷達的峰值發射功率在百瓦以內，對中型地面車輛(RCS約10 m2)的最大作用距離可達50 km，可滿足中近程戰場偵察需求。而在同等探測威力下，脈沖體制戰場偵察雷達至少在數kW量級。而進一步分別考慮發射機和電源的轉換效率，以X頻段為例，在目前主流技術水平和一定效費比條件下，發射機功放效率的通常不超過15%，開關電源效率在85%左右，同時假定發射機以外的其他部件(主要包括頻綜、接收機和信號處理機等)占整機功耗的50%，則可估算出連續波戰場偵察雷達發射功率100 W，則整機功耗在1.5 kW左右，而峰值發射功率1 kW的脈沖體制雷達，整機功耗至少為15 kW[9]。因此，連續波戰場偵察雷達屬于典型的低功耗裝備。

盡管僅相差一個數量級水平，但在功耗敏感或電力保障困難的應用場合，連續波戰場偵察雷達尤其適用，例如單兵攜行或者工作于偏遠邊境和孤立島礁。同時系統低功耗意味著設備發熱量低、部件壽命長，更加利于小型化和可靠性設計。這對于邊境和島礁環境下的維護周期長和無人值守等需求極為重要。

例如，法國泰利斯荷蘭分公司的“護衛”(Squire)是第一部采用調頻連續波體制的地面監視雷達，能夠探測48 km的移動目標。低功率的FMCW技術提高了雷達的可靠性并能減少輻射危害，適用于多種場合，包括邊境監視、重要位置防護、部隊防火及戰場監視。SQUIRE的小型部件可裝在2個背包里攜帶，包括電池在內的每個背包的重量不超過25 kg。到2013年泰利斯已售出400多部Squire雷達[10]。

2.2 低截獲和抗干擾

連續波戰場偵察雷達發射功率低，具有天然的能量低截獲優勢。而低截獲通常是抗干擾的重要前提。國外典型的低截獲體制雷達，均采用了連續波體制。例如，英格蘭Philips實驗室和荷蘭Signal公司聯合研制的“引航”(PILOT)船用導航雷達，于1988年研制成功，是FMCW體制LPI雷達的標志性產品[11]。隨后PILOT改名為Scout 雷達。1989年12月交付了第一部Scout產品；1993年12月，Scout雷達被瑞典海軍YSM-2000和YSB隱身艦計劃選用[12]。工作在X頻段，發射功率包括1 W、0.1 W、0.01 W和0.001 W四種。該雷達采用標準天線對抗戰術機載ESM(-60 dBmi)時的低截獲性能試驗數據如表1所示。可見，即使最大發射功率1 W情況下，Scout雷達仍具備良好低截獲性，其截獲概率因子在0.1以下，達到了超低截獲概率雷達的范疇。

表1 Scout雷達低截獲性能試驗數據

而另一方面采用大時寬信號，更利于調制寬帶波形，實現信號低截獲。例如采用偽隨機碼調相波形的連續波戰場偵察雷達，發射與通信信號類似的擴頻信號，使得雷達偵收機難以實現信號分選。此外，還包括Frank碼、P3/ P4多相碼等更為復雜的連續波雷達波形。

2.3 低慢小目標檢測

低慢小目標的檢測一直以來都是雷達探測領域的需要克服的技術難點。尤其在低空和超低空目標探測方面，來自小型無人機的威脅越來越多。低慢小目標的檢測的難點來自兩方面：首先目標的雷達散射截面積小，不利于雷達探測；其次目標受地物雜波遮蔽，不易分辨[13]。而連續波雷達在兩方面具備優勢，首先在同等功率條件下，連續波雷達照射目標的積累時間更長，得到更大信噪比增益。其次，連續波雷達發射信號無時寬限制，多普勒頻譜分辨力高，以偽隨機碼調相連續波雷達為例，其多普勒分辨力可達幾赫茲量級[14]。在嚴重地雜波環境下，通過多普勒高分辨能力，并結合超雜波檢測技術，可實現低慢小目標雜波下可見，而不引入雜波導致的虛警[15]。

以國內某連續波偵察雷達為例，采用LFMCW發射信號，對尺寸20 cm的微型四旋翼無人機進行探測，探測距離可達到5 km以上，而虛警率則低于1次/24 h。該雷達對微型旋翼無人機探測的航跡如圖1所示，發射功率僅2 W。微型旋翼無人機探測的試驗場景如圖2所示。可見，該試驗過程屬于典型的低慢小目標探測，在復雜地雜波環境下，該連續波雷達獲得了微型旋翼無人機的穩定軌跡，且幾乎不存在虛警。

圖1 連續波偵察雷達對微型旋翼無人機的探測航跡

圖2 連續波偵察雷達微型旋翼無人機探測試驗場景

3 連續波戰場偵察雷達技術發展趨勢

隨著戰場需求演變和牽引，連續波戰場偵察雷達的技術優勢凸顯；而雷達及相關領域的技術革新，也進一步推動了連續波戰場偵察雷達的技術發展。從雷達通用技術而言，例如相控陣技術、數字波束形成技術和抗有源干擾等，也代表了連續波戰場偵察雷達的重要技術發展方向[16]，本文不再贅述。本文重點從連續波雷達技術層面，分析連續波戰場偵察雷達的技術發展趨勢。此外，連續波雷達在民用應用廣范，隨著近幾年無人機自主導航、汽車自動駕駛的迅速發展，民用連續波雷達在毫米波雷達技術和芯片化雷達方面取得了重要突破[17]。在軍民融合的政策背景下，關注民用連續波雷達技術進步和發展并進行成果轉化，對連續波戰場偵察雷達的發展尤為重要。

3.1 多重收發隔離技術

連續波戰場偵察雷達最大短板在于偵察距離受限，不能滿足中遠程偵察需求[18]。根本原因在于連續波體制收發同時所導致的信號泄漏，對接信道形成嚴重干擾，使得發射功率受限，影響雷達威力。連續波雷達收發隔離技術，是解決該問題的主要技術手段。理論上連續波雷達收發隔離度每提高12 dB，雷達威力可提高1倍。因此收發隔離技術一直以來都是連續波雷達發展的核心技術[19]。

傳統收發隔離技術以空間隔離為主，通常采用收發天線分置方式提高隔離度。以X頻段雷達為例，空間隔離度最高在80 dB左右，可提升的空間有限。近幾年以采取相位隔離方式的信號對消技術再次受到關注，其中包括射頻對消、中頻對消和基帶對消等多種技術途徑。例如，中國電科五十四所研制的X頻段射頻對消器，對100 MHz帶寬的連續波雷達信號，可達到20 dB以上隔離度改善，并已在實際產品中應用。

從連續波戰場偵察雷達系統設計角度而言，綜合采用多重收發隔離技術，是未來提高連續波戰場偵察雷達探測范圍的主要技術手段。

3.2 雷達通信一體化技術

雷達通信一體化技術從系統設計角度把數據鏈和雷達進一步結合，合理分配射頻資源、高效利用輻射孔徑和軟硬件，構建一條寬頻帶、高增益的雷達孔徑數據鏈，能夠實現裝備的通用化、小型化和多功能化，拓展裝備的應用領域，提高裝備的作戰效能。特別是對于戰場隱蔽探測、多部雷達寬帶組網、雷達與武器平臺協同打擊等應用領域，具有重要意義[20]。

雷達通信一體化可以分為時分體制、分波束體制、雷達和通信波形疊加合成體制以及共波形體制。前3種體制均存在分割發射功率，影響探測效率的缺點。共波形體制不存在分時和分割發射功率的問題，在實現探測功能的同時進行高速數傳方面具備優勢。而共波形體制必須同時考慮所設計波形的通信能力和探測能力。通信系統通常采用連續波體制，避免了脈沖體制時隙對通信速率的損失。發射功率為毫瓦至百瓦級，均與連續波體制雷達相似，相較脈沖雷達，連續波雷達具有體制優勢[21]。

雷達通信一體化技術雖然在軍用領域發展數十年，但國內外實際裝備并不多。目前最新的報道來自Christian Sturm等人采用連續波體制，應用OFDM波形設計了共波形的車載雷達通信一體化系統，并搭建了原理樣機并在實際場景進行了試驗驗證。距離分辨率為1.6 m，通信速率可達80 Mbps[22]。車載雷達通信一體化系統試驗獲得的二維距離-速度數據如圖3所示。車載雷達通信一體化系統實際公路場景照片如圖4所示。探測性能和實際目標場景匹配良好。該技術進展對軍用雷達通信一體化技術的發展具有重要參考意義。

圖3 車載雷達通信一體化系統二維距離-速度數據

圖4 車載雷達通信一體化系統實際公路場景

3.3 高效費比片上雷達技術

未來戰場中“輕小慢”無人作戰系統泛在化應用給戰場威脅感知帶來巨大挑戰，迫切需要發展具有相應泛在化能力的戰場偵察技術[23]。隨著戰爭理念的發展，傳統強大的單體作戰單元正在向小而多的集群作戰轉變[24]，傳統戰場偵察雷達系統不滿足泛在化應用的條件，因此具備體積小、功耗低、成本低和集成度高等優勢的片上雷達系統倍受關注。軍事領域迫切需要高性能的片上雷達系統以滿足泛在化探測等作戰需求。

現有片上雷達多應用于汽車雷達等民用領域，2010年以來除英飛凌和飛思卡爾等傳統汽車雷達套片供應商外，國內也涌現出大量企業參與研制，并有望在今后2～3年內實現24 GHz和77 GHz頻段的國產汽車雷達套片，均采用連續波雷達體制。而在成本方面，一組汽車雷達套片的價格可低至幾十元。在借鑒民用汽車雷達成果基礎上，開發高效費比的軍用片上雷達系統，結合連續波戰場雷達技術，有望實現高消費比、泛在化的片上雷達系統。但目前汽車雷達解決方案，作用距離為30～300 m，在集成度、發射功率和功能等方面也存在較大差距。

目前國外最新的研究進展包括：2015年比利時微電子研究中心和日本松下公司聯合研制的79 GHz相位調制連續波雷達收發機芯片，采用28 nm CMOS技術，功耗小于260 mW，發射機功率大于11 dBm，分辨率可達7.5 cm。2016年，新加坡南洋技術大學開發的片上雷達系統，采用65 nm CMOS工藝，Ku波段FMCW體制，集成信號發生器、發射機、接收機、ADC及解碼處理，單片尺寸小于10 mm2，功耗小于200 mW，分辨率可達20 cm，按照3 cm×4 cm×5 cm封裝，封裝后整個系統總重低于100 g，該系統計劃搭載到無人機、地面車輛或衛星上用于SAR成像。基于這種片上雷達系統，一種10×10組合的片上相控陣雷達系統正在開發中。

4 結束語

連續波戰場偵察雷達在低功耗小型化、低截獲抗干擾、低慢小目標探測等方面存在明顯技術優勢。在戰場偵察需求的演變和軍民技術不斷融合的背景下，未來幾年的技術發展趨勢在于多重收發隔離、雷達通信一體化和高效費比片上雷達等方面。因此，可以展望未來連續波戰場偵察雷達技術也將獲得迅速發展，甚至有望出現改變當前作戰模式的新型戰場偵察雷達。

但也面臨著眾多技術挑戰，例如在多重收發隔離方面，多級對消技術的理論分析和建模極為困難，進而限制了工程應用。在雷達通信一體化方面最大的技術難點在于一體化波形設計，多數文獻的研究結果表明，波形設計中通信帶寬和雷達威力互為矛盾，雷達和通信的性能很難兼顧。而在片上雷達方面，毫米波片上雷達主要集中在民用領域，作用距離有限，無法滿足戰場偵察需求。因此建議連續波雷達相關研究人員針對上述領域存在的技術問題，開展深入研究。

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Review of Development of CW Battlefield Surveillance Radar Technology

CHEN Li1,WEN Bo2,LI Xin-xin2,ZHANG Chi2

(1.LandArmyoftheBeijingMilitaryRepresentativesBureau,TheOfficeinShijiazhuang,ShijiazhuangHebei050081,China；2.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

Continuous wave(CW) radar,with numerous advantages including low power,LPI and high anti-clutter ability,has been widely used in ground surveillance,low altitude search,land protection and other areas.The development of the CW Battlefield Surveillance Radar is introduced and its technical advantage is then analyzed.The analysis shows the CW Battlefield Surveillance Radar has obvious advantages in low-power and miniaturization,low probability interception and anti-interference,detection of LSS-target.According the latest domestic and foreign research,the technology trend of the CW Battlefield Surveillance Radar is proposed.Finally,its future technical prospects are suggested.

battlefield surveillance radar;continuous wave radar;pulse radar

2017-03-01

海洋公益性行業科研專項基金資助項目(201505002)。

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.06.16

陳 黎，溫 博，李新欣，等.連續波戰場偵察雷達技術發展綜述[J].無線電工程,2017,47(6):65-69.[CHEN Li,WEN Bo,LI Xin-xin,et al.Review of Development of CW Battlefield Surveillance Radar Technology[J].Radio Engineering,2017,47(6):65-69.]

TN957.51

A

1003-3106(2017)06-0065-05

陳 黎 男,(1977—),工程師。主要研究方向：雷達和測控技術。

溫 博 男，(1985—)，高級工程師。主要研究方向：雷達系統和信號處理技術。