雷达科学与技术
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台湾研制双基雷达对付隐身机

  2013年台北航天展上,台湾“中科院”展出一套“双基雷达被动接收系统”。因为采用相控阵天线,刚开始被许多人误以为是换了平台的“蜂眼”雷达(上一届展会的明星),后来才知道是新开发的雷达雏形。对于这款新装备,“中科院”的简介海报中写着这是一款机动式被动无线电信号接收系统,具有先进的相控阵设计,采用“中科院”开发的同步、数字化波束合成及平行处理器技术,利用多角度目标探测能力,提高台军对空中威胁目标的早期预警能力。海报特别指出,该系统的信号接收站远离发射站,且不辐射信号,对抗电子战干扰及反辐射导弹攻击具有相对优势。


  概括而言,“中科院”的“双基雷达被动接收系统”的主要特点,一是接收与发射系统可远距离独立运作,二是截收不同角度的目标雷达散射回波信号,提高对战机的探测能力。至于该系统的技术领先要点,一是集成时间、空间、频率及雷达相位同步技术,二是拥有数字多波束合成器,三是引进平面相控阵雷达天线,四是配备多信道接收系统及平行处理器。而台湾军方有关新雷达系统的书面说明稍微多一点,提到“双基雷达被动接收系统”与现有雷达信号发射站结合,可构成双基或多基工作模态,相比传统单基雷达更具许多战术优势,像发射站与接收站可分离100千米以上运作,接收站被动接收不辐射,不易遭受电子战干扰及反辐射导弹攻击;采取前进部署时,可延伸探测距离,提供早期预警,增加防御方的反应时间。


  看完“中科院”和台湾军方提供的相关说明,相信很多人还是没搞清楚这是什么玩意7那么且看下文分解。


  防范大陆歼-20


  台湾岛内学者指出,无论“中科院”还是台军,对“双基雷达被动接收系统”的简介讲得含含糊糊,对其任务说明不清不楚,欲语还休。其实说白了,它的任务就是探测大陆的隐身战机。


  美国在上世纪80年代研制成功第一代隐身战机F-117,机身采用特殊构型,将飞机外观设计成尽量不使雷达发射的电磁波反射回雷达。F-117机身有尖锐的角度与极大的后掠角,让电磁波往上下左右散射,这对传统单基雷达而言极具隐身效果。但隐身战机将雷达波大角度反射,可能恰好被另一个方向的接收天线接收,隐身效果就大打折扣,飞行员也无法预知是否被雷达追踪,失去防御和反击雷达的能力。F-117的“隐身神话”结束在1999年北约空袭科索沃时,一架F-117被塞尔维亚防空军第250营发射的俄制S-125“伯朝拉河”地空导弹击落,事后分析它很可能是被双基雷达发现和锁定了。


  至于台湾发展双基雷达的动向,早在2011年7月28日就有岛内媒体援引“立法委员”林郁方的话说为应对大陆在2020年可能部署50架歼-20隐身战斗机所造成的“防空压力”,台湾“国防部”采取了“多管齐下”策略,除谋求美国为台湾空军现役的F-16A/B战斗机换装可搜索隐身机的有源相控阵雷达,还自行调整武器开发计划,提前开发可在远距离、多角度捕捉隐身机的多(双)基雷达系统,并提高各防空指挥中心的自动化水平,加快台军的反应速度。当时林郁方就表示若落实顺利,“多(双)基雷达系统预生产型研制”和“初期作战测评”计划于2016年完成,正式投产也有望从原本的2022年提前至2018年,刚好赶上大陆歼-20投产部署,也能避免该项目的开发人才因“空窗期”过长而流失。同年8月22日,台湾媒体进一步报道,“中科院”已在2009年完成隐身目标探测关键-技术开发,掌握锁定隐身战机技术。因大陆歼-20开发提速,台湾“国防部”特意编列15亿—20亿元(新台币,下同)预算,于2012年启动隐身战机探测预生产型雷达系统研制,2016年前完成工程样机。


  台军指出,“中科院”开发的隐身战机探测预生产型雷达系统,运用双基或多基雷达彼此间快速接收目标信号、比对数据、分析目标、探测距离的能力,可从各种角度捕捉隐身战机。现在关键技术已确定获得,2016年预生产型通过作战测评后,希望能在2018年投产部署。从这些报道内容可以看出,2013年台北航天展上出现的“双基雷达被动接收系统”,除了向“立法委员”交代开发进度外,也向大陆展示台湾的反隐身技术实力。


  双基雷达


  早期雷达为了发射、接收间的隔离,发射机与接收机(多部接收机)位置分开,以机械旋转式天线辐射连续波形,即双基地(多基地)雷达系统。二战爆发前,英国沿海岸线部署“本土链”(Chain Home)警戒雷达网,工作波长为10~13米,发射与接收基地相距40千米,这就是典型的双基雷达。纳粹德国也曾搞出“克莱恩-海德堡”(Kleine Heidelberg)双基接收系统,利用英国的“本土链”警戒雷达当作发射机,在盟军轰炸机飞越英伦海峡时发出警报。这种系统可说是最早期的非合作式预警无源雷达,但因当时的雷达系统缺乏足够的信号处理能力,所以不能计算出目标的精确坐标。


  1936年,美国海军研究实验室发明收发合用的雷达天线,实现发射与接收雷达波共享一部天线,即单基雷达。1940年高功率脉冲磁控管出现后,各国纷纷发展收发一体的脉波单基雷达系统,双基(多基)雷达开发一时间停滞下来。上世纪50—60年代,由于人造卫星、洲际弹道导弹、远程轰炸机和各式导弹等先进武器的出现,国际军界重新对双基雷达技术产生需求。因为当时的导弹半主动寻的器庞大笨重,雷达发射机只能装在导弹发射平台(机载或地面)上,导弹自身只能塞进小而轻的接收机,接收目标反射的电磁波,进而控制飞行轨迹,射向目标。像美国的“霍克”地空导弹、“麻雀”空空导弹都采用半主动雷达导引。同一时期,具有快速波束扫描、高峰值、高功率和多目标跟踪能力的电子扫描相控阵天线,十肖然应用于高规格军用雷达上,而相控阵雷达按照用途不同,又分为被动式(无发射源)天线与主动式(有发射源)天线两种。


  上世纪70年代以后,随着科技进步,针对雷达的电子战、电子压制和电子反压制战术已发展得极为纯熟,服役中的单基雷达已很难完成任务,且在反辐射导弹和隐身战机的威胁下,本身的存活都是问题。从历次中东战争、英阿马岛战争、海湾战争和科索沃战争的经验教训来看,单基雷达正面临前所未有的挑战。为了找出对策,世界各国把更多精力花在双(多)基雷达的开发上。   美国国防部高级研究计划局(DARAP)曾在1976年提出发展双基雷达的“圣殿”(Sanctuary)计划,构想将暴露电磁波信号的发射机部署在安全地带(甚至是利用敌人本身的雷达辐射源),在前线设置接收机被动接收像超低空飞机、隐身飞机、巡航导弹、洲际弹道导弹等目标的回波,以便及早应对。1980年,美国在夸贾林岛导弹靶场安装多基雷达进行测试。英国则从1977年开始研究新一代双基雷达。最引人注意的是,1986年英国国防部特意利用电视台的电视信号作为双基雷达的辐射源(发射机),试验结果虽能发现目标,但分辨率较差,无法精确判断距离。


  至于以苏联为首的华约集团,为了应对北约的空中攻击,也发展了类似的双(多)基雷达,像捷克泰斯拉(Tesla)公司于1980年推出“塔马拉”(Talnara)系统,苏联黄玉设计局(今属乌克兰)于1987年投产的更先进的“铠甲”系统,都能用以探测低可视度空中目标。


  无源富达


  双基雷达中的被动接收系统,因不发射电磁波信号,被动接收目标反射的非合作式(或称“随机”)辐射源的电磁波信号,对目标进行探测、定位、跟踪和识别,因此又称作“无源雷达”。不发射电磁波信号的特性,使其隐蔽性和战场存活率较高,可配置在战场前沿,提供早期预警,并可探测到具有隐身能力的目标。所谓“非合作式辐射源”,是指辐射源和雷达没有直接协同作战关系,这样就使得敌方探测设备与反辐射导弹不能利用电磁波信号对无源雷达实施搜索、跟踪和攻击。无源雷达省去昂贵的高功率发射机、收发开关及相关电子设备,大幅减少系统制造和维护成本;相对系统也简单,尺寸小,可安装在机动平台上,易于部署,采购与维护成本低;不易被敌方侦察,一般不存在干扰问题,可24小时全天候工作。无源雷达可连续探测目标,一般每秒一次,电磁波信号频率大约在40-400兆赫,有利于探测隐身目标与低空突袭目标,不需要考虑频率分配与管理问题,因此可部署在一般军事雷达不能部署的地区,还可固定或机动部署;探测对象可以是主动雷达系统、通信电台或其它无线辐射源,也可以是仅仅反射无线电信号的目标。


  无源雷达按照探测对象的不同可分为两大类,一是利用被探测目标本身反射的电磁波探测和跟踪,如捷克ERA公司(泰斯拉公司破产后成立的民营公司)生产的“维拉”(VERA)系列无源雷达系统,另一种是利用随机辐射源发射的电磁波信号探测和跟踪,可能的随机辐射源包括广播电台、电视台、移动电话基站、数字广播系统、全球卫星定位系统、各式主动雷达等,由美国洛·马公司开发,利用无源相干定位(Passivs Coherent Lo—cation)技术的“沉默哨兵”(Silent Sentry)无源雷达系统、英国开发的“蜂窝”(CELLDAR)雷达等就属于这类。


  具体到无源雷达的工作场景,可以想象将天空划分成若干板块,配合数字地形模型(DTM)。在正常的情况下,每个方块里通过的电磁波是固定的,如果有一架飞机飞过,就会在这个方块中反射能量,再利用每秒几十亿次的高速平行运算,就可以从乱七八糟的噪声中仿真比对多年搜集的背景电磁环境资料,分析出差异,从而跟踪目标。


  以美国的“沉默哨兵”系统的运作模式为例,参考天线直接接收由发射源发出的电磁波,线性相控阵天线接收由目标散射出来的电磁信号,所有电磁信号通过数字模拟转换器送入工作站处理,截取每个被探测目标时间差(到达时间差)与多普勒效应(到达频率差)测量值,利用软件将信号、数字地形模型与数据库数据仿真比对,将测量的数据与目标综合起来。目标过滤器评估每个目标的状态向量(如速度、位置、加速度),状态数据会呈现在战术显示仪上,或是通过数据链与其它系统交换数据。


  全世界上万个广播电台与电视台会免费提供50-800兆赫信号。也因为无源雷达没有发射机,接收广播电台免费发射的电波即可,甚至连接收天线都不需要太好,可以安装在机动平台并且全天候工作。不过无源雷达的最大问题,就是对别人信号的特性无法完全掌握,使得定位非常困难。因为无法确定接收到的电磁波是从哪里发射?在哪个时间反射?反射后有没有经过地形多次反射?若不经过细致处理,就只能得到一堆噪声。


  多数无源雷达采用高增益、低旁波瓣相控阵天线,以数字波束合成技术接收目标的反射信号。其次是接收机抑制直接信号与干扰的能力。由于受到直接信号、反射信号多重路径效应、天然及人为噪声干扰等因素影响,如果无法将反射信号及时分离,或抑制直接信号和噪声造成的干扰,目标将被埋没在背景值中而难以发现。其中涉及的关键技术除了高速计算机外,还要有简化的解算法。


  剖析台军双基雷达被动接收系统


  台湾“中科院”展出的“双基雷达被动接收系统”,看似掌握无源雷达的关键技术,其实并不然。根据“中科院”的说明材料,展出的系统并不像美国“沉默哨兵”那样利用随机辐射源探测目标,而是与台军既有主动雷达互相结合使用。“中科院”的海报里面明确写道:利用不同角度截收目标雷达散射回波信号,就是利用被动接收系统接收己方主动雷达照射目标的反射信号,对目标进行探测、定位、跟踪和识别。这样既能提高无源雷达的利用率,又能增强主动雷达的隐蔽性和生存能力。“中科院”的海报里还绘制出系统工作示意图,两部被动接收机对应一座台军服役多年的“长白”相控阵早期预警雷达,但相关工作人员解释以后实际运作时,被动接收系统所对应的主动雷达应该以作战管制雷达为主。由于己方主动雷达相关参数都是已知的,因此在解决双基雷达时间、空间、相位及频率同步问题上比较简单。


  虽然“中科院”强调发射站与接收站可分离100千米以上运作,具有被动接收,不辐射电磁波,不易受电子干扰及反辐射导弹攻击等优点,但台湾本岛西部纵深较浅,能提供的预警时间有限。尤其是现在战机都可挂载防区外打击武器,不一定要临空才能攻击目标,所以被动接收系统真要发挥早期预警效果,除了部署在外岛,还应开发海基版,即舰载被动接收系统。实际上,“中科院”的双基雷达被动接收系统的“死穴”就是与台军主动雷达搭配,一旦搭配的主动雷达丧失工作能力,就会使与之搭配的被动接收系统失效,形成“防御真空”,所以终极目标还是要发展与美国“沉默哨兵”那样利用随机辐射源探测目标的无源雷达。“中科院”工作人员证实,展出的被动接收系统只是雏形,还有很大的改进空间,他们已针对“多辐射源复杂脉波信号抵达时差定位法则”进行研究。


  需要强调的是,美国“沉默哨兵”系统是产学研三方合作下的产物,由斯坦福大学、洛·马公司、硅谷图像公司(sgi、Aulo—metric(擅长地理信息系统)及美国军方共同开发,所以“沉默哨兵”运用许多民间企业的现有技术。其中硅谷图像公司就是以绘图工作站闻名,大家耳熟能详的多部好莱坞动画电影,都是利用该公司的工作站所完成。这种产官学合作的开发模式,也许是对所有想开发无源雷达的国家和地区的另类启发。


  编辑 秦蓁


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