雷達：武器平臺的千里眼

傅有光/文

雷達是探測裝備中的No.1

現代武器裝備中有多種探測手段，包括光學成像、熱成像、紅外探測、紫外光探測、激光探測及微波雷達等。雷達在上述設備中是佼佼者，具備全天候、全天時的優點。白天黑夜均能探測遠距離目標，且不受霧、云、雨阻擋，并有一定的植被穿透能力，分辨率不會隨著距離增遠下降，是戰場上的“火眼金睛”。

雷達，是英文Radar的音譯，源于radio detection and ranging的縮寫，意思為“無線電探測和測距”，在行業內也被稱為“無線電定位”。雷達發射電磁波對目標進行照射，并接收其回波，由此獲得目標至電磁波發射點的距離、距離變化率（徑向速度）、方位、高度等信息。

雷達的出現是由于戰爭需要。二戰期間德國對英國本土進行轟炸，英國損失慘重急需實現遠距離探測以便采取躲避措施，并引導地面炮火反擊，于是在英倫島周圍布置了長波的探測裝置，終于有效抵消了德軍的轟炸機襲擊。

二戰后，雷達逐漸發展了地對空、空對地(搜索)轟炸、空對空(截擊)火控、單脈沖角度跟蹤、脈沖多普勒信號處理、合成孔徑和脈沖壓縮的高分辨率等多種雷達技術，以及結合計算機的自動火控系統、地形回避和地形跟隨、無源或有源的相位陣列、頻率捷變、多目標探測與跟蹤等新的雷達體制。

雷達工作的頻段與其任務要求有很大關系。在較低頻率波段如P波段主要是警戒，S波段是搜索跟蹤指示，X波段由于精度高用于火控，與打擊武器鉸鏈，更高的Ku和Ka是彈頭的導引頭雷達。

英軍雷達布戰圖

各種用途型號的雷達具體結構大致相同，包括：天線、發射機、接收機、信號處理和數據處理及PI顯示器，以及電源設備、數據錄取設備、抗干擾設備等輔助設備。

雷達所起的作用與眼睛和耳朵相似，信息載體是電磁波。可見光或微波本質上都是電磁波，在真空中傳播速度都是光速C，差別在于頻率和波長不同。雷達設備工作原理都是發射機通過天線把電磁波能量射向空間某一方向，處于該方向上的目標反射電磁波，雷達天線接收此回波，送至接收設備進行放大濾波處理，信號處理和數據處理提取有關該目標的某些信息，比如目標物體至雷達的距離，距離變化率或徑向速度、方位、高度和飛行航跡等。

測量距離原理是測量發射脈沖與回波脈沖之間的時間差，因電磁波以光速傳播，據此就能換算成雷達與目標的精確距離；測量目標方位原理是利用天線的尖銳方位波束，測量仰角靠窄的仰角波束，從而根據仰角和距離就能計算出目標高度；測量速度原理是雷達根據自身和目標之間有相對運動產生的頻率多普勒效應。雷達接收到的目標回波頻率與雷達發射頻率不同，兩者的差值稱為多普勒頻率。根據多普勒頻率與工作波長和光速C就能推算出目標速度。

長波雷達外形圖

雷達的五大看家絕活

脈沖壓縮技術、動目標檢測（MTI）、恒虛警檢測（CFAR）、相控陣電掃及脈沖多普勒（PD）技術這五項技術的運用使得雷達在地面、艦載、機載等各種武器平臺上運用，環境適應性和實戰能力大大提高。

脈沖壓縮技術。一般光學的測量距離依賴于能見度和物體的光照度，雷達測量要求發射出去的脈沖又高又瘦，高是能量大看得遠，瘦是刻度細看得清,但這個要求受限于電子器件很難實現。脈沖壓縮技術采用大時寬和頻帶寬的脈沖波形，回波接收后采用信號處理的匹配濾波積累，把又寬又胖的波形變回又高又瘦的波形，完美地解決了遠距離探測和高分辨率的難題。

動目標顯示（MTI）。雷達工作的地理環境中必定有高山建筑物，而如何檢測在大山前的飛機目標是十分頭痛的問題，利用運動目標和靜止地物間的多普勒差就是動目標顯示的基本依據，雷達發射幾個脈沖，對于靜止的地物多普勒為零，每個脈沖的回波沒有變化，而快速運動的飛機是每個脈沖間都會有位置的細微變化。3個或5個脈沖回波相互抵消就很容易把固定的地物去掉而保留運動飛機目標。動目標顯示（MTI）后面發展成動目標檢測（MTD）,利用不同的多普勒頻率，不但能消除零多普勒的大山建筑物，還能消除海浪、云雨具有多普勒頻率的運動雜波。

恒虛警檢測技術（CFAR）。要把目標從回波里分辨檢測出來，自然會想到利用固定的檢測門限，高于某個門限（一般采用13dB）的小脈沖就認為有個目標了，這個門限設高了有些目標檢測不到（漏警率），設低了虛假目標就多了影響判斷（虛警率）。而雷達回波中的雜波幅度會隨著環境（地物海浪云雨等）的不同起伏不定，CFAR采用統計的方法計算出當時雜波的平均身高作為檢測門限，從而“不冤枉好人不放過壞人”，達到恒定的檢測概率，就是恒虛警檢測技術（CFAR）基本思想。

相控陣電掃描技術。最初雷達看360度的目標靠機械轉動天線，俯仰高度也叫“點頭工作”。但目標數目多了，靠轉動“身體”和“點頭”就來不及了，要求“眼球”能轉動，于是相控陣雷達出現了。相控陣雷達是一種以改變雷達波相位來改變波束方向的雷達，控制每個天線單元的信號相位變化，從而使得整體天線的最大矢量合成方向改變，因為是以電子方式控制波束而非傳統的機械轉動天線面方式，又稱電子掃描雷達。相控陣雷達因為集中和分布發射結構不同，又分為有源相控陣和無源相控陣。有源相控陣大大得益于全固態發射技術。相控陣雷達大大提高了目標檢測特性（波束捷變）和反干擾性能，也大大提高了裝備的可靠性（陣面單元有冗余度）。

脈沖多普勒（PD）技術。當雷達裝在飛機空載武器平臺時，真的應驗了“站得高看得遠”的諺語。因為地球曲面影響，雷達視距一直受到平臺高度的限制。但機載雷達面臨的雜波挑戰更大。飛機下面的廣闊地面就是一面巨大的微波反射鏡，由于飛機本體運動，固定地面回來的強大地雜波還有十分寬的多普勒頻譜，機載里特有的天線輔瓣和主瓣運動雜波能把目標信號深深淹沒在30dB以下，MTI和脈壓積累根本無濟于事。只有靠幾百個甚至上千個脈沖的相參積累，利用高頻率的脈沖重復周期PRI，把運動雜波和目標在多普勒頻域分開，因此PD的檢測是在多普勒速度維完成，有別于地面艦載雷達在距離時間維的檢測。

由于高重復頻率脈沖體制，目標距離信息是直接得不到的（距離高度模糊），是靠脈沖組PRI的變化解算得到，諸如古代的剩余定理原理。脈沖多普勒（PD）技術后來結合天線空間區分變為空時二維處理（STAP）技術，更好地區分出隱藏在運動雜波中的慢速目標。

近代雷達的三大新技能

雷達進入二十世紀后，實戰裝備又有新的運用，那就是雷達微波成像（SAR）、目標識別技術（ATR）和反干擾技術（ECCM）。

雷達SAR成像技術。雷達誕生之時起，人們就一直夢想它能像光學照相機那樣呈現符合人類觀測習慣的二維圖像。二維圖像方位和距離的分辨率要對等，現代雷達有200MHz的瞬時帶寬，距離分辨率有0.75米且不隨距離變化，而相對水平分辨率主要依賴天線的口徑大小，若孔徑波束寬度0.2°，100公里處的分辨率為350米，距離越遠越差，橫向和縱向的分辨率相差幾個數量級。而天線口徑尺寸限制很多，尤其是機載，會嚴重影響空氣動力學的飛機機動性能。機載SAR，巧妙利用飛機運動把飛行距離轉化為天線的虛擬口徑，大大突破天線實孔徑的限制，一下把水平方位的分辨率提高到米量級，結合SAR的成像算法實現了微波圖像的功能。

導彈目標識別示意圖

類似于人的兩眼視距差原理，利用雙程高度差的接收天線，還能對地面生成三維立體的圖像。SAR成像運用場景十分多，可以在SAR圖像基礎上檢測道路、河流、橋梁，機場和導彈發射井的戰略目標，甚至用SAR-GMTI技術檢測運動的戰車坦克目標，利用電磁穿透效應，檢測出偽裝過的戰術目標。在國家衛星高分項目中可進行大地測量，洪水監測、海冰監測、土壤濕度調查、森林資源清查、地質調查等方面也顯示出了很好的應用效果。

目標識別技術（ATR）。雷達探測目標的最終任務是對檢測出的目標分類識別，從而給武器打擊提供判決依據，于是目標識別技術應運而生。目標識別的判決依據分兩類，雷達回波的信號調制特征和雷達成像特征。目標識別的任務主要分為空中目標識別、地面目標識別、海面目標識別和彈道導彈識別。

空中目標識別主要是對飛機機群編隊識別、飛機類型識別及機型的識別，主要依據是一維高分辨距離像和信號調制特征（螺旋槳多普勒調制）；海面目標識別是對艦船大小、類型分類辨別，分類主要依據是對船的成像；地面目標識別是對道路、河流、橋梁，以及機場和導彈發射井的戰略目標和戰車坦克戰術目標的識別，識別的依據是SAR成像。

彈道導彈識別是反導任務中的急需任務和最大挑戰，大規模殺傷性核武器是對人類生存的最大威脅，其運載工具就是火箭導彈。導彈飛行速度快，給攔截武器的反應時間短，大氣層外飛行的寶貴中段時間內探測手段只有雷達一項可選，而導彈再突防時會拋射誘餌和假彈頭，讓有限的攔截武器資源發揮最大效能，需要雷達目標識別，把真假彈頭、誘餌、彈艙、碎片都區分開，對真彈頭實施攔截。美國薩德導彈攔截武器系統就是比較成功的裝備。雷達在識別分類中主要依據是彈頭的反射截面積RCS系列統計變化，ISAR成像和彈頭旋轉翻滾的微多普勒特征。

反干擾技術（ECCM）。雷達是作戰裝備，和平時期它的技術性能與戰場的雙方較量中的作戰效能不同，針對雷達的電子干擾手段和形式也更為多樣。雷達用于反干擾的技術有旁瓣對消（SLC ）和旁瓣匿影（SLB），對付敵方的遠程壓制式干擾，實際裝備使用效果十分穩定出色。針對原來越多的伴飛支援式干擾和自衛式干擾，更多采用先進的信號處理算法來抑制，如盲源分離、干擾特征提取等。頻率捷變和低截獲波形設計也大大增大干擾機作戰難度。

雷達的發展有三大推動力，一是復雜環境的變化，如地理環境和電磁環境；二是探測的目標電磁特性變化，比如隱身飛機、高速飛行導彈和大于音速10倍的臨近空間飛行器；三是技術推動，微波器件（如光電結合技術）發展和高速計算能力的提升（嵌入式FPGA，CPU等數字器件），先進的算法理論（SAR成像人工智能深度學習等）。

現在，雷達已經從只會探測單個目標的娃娃長大成為探測成像識別多功能的壯年。進入后雷達時代后，會有更多的技術（如AI）和體制（MIMO分布式，頻控陣，無源雷達等）得到運用，使雷達如虎添翅，發揮更大作用。（中國電科十四所）