用于空中监视和防御的现代雷达技术

史大正

摘要：本文将探讨利用现代技术对防空雷达进行升级改造的组成部分，以优化其在现代战场上的性能，着重介绍了雷达子系统，计算机能力的爆炸已经为老问题提供了新的解决方案，最后介绍无源雷达系统的概念和特征。

关键词：雷达技术；空中监视

1 雷达技术进展与性能优化

1.1 相控阵天线与电子扫描

虽然经典抛物面反射器因其简单、坚固和低成本而成为最受欢迎的空中监视雷达天线，但由于产生的波束高度较宽，不能用于区分空中目标高度，只能用于二维雷达系统。然而，使用多个喇叭馈源的改进抛物面反射面天线能够产生在仰角堆叠的多个接收波束。这是使用传统反射面天线制造3D雷达系统的首次尝试。遗憾的是，这些系统的精度虽然足以用于预警目的，但不足以用于拦截或导弹制导等战术行动。能够制造高精度三维雷达系统是相控阵天线的发展突破，它由大量小的辐射元件(通常是偶极子或波导槽)组成。这种类型的天线有能力将雷达的辐射集中到高能束中，这种高能束可以在空间中被电子制导，不需要天线结构的任何物理运动。通过使用相控阵天线，雷达系统可以根据具体的操作模式调度发射和接收波束，如远程检测(低梁)、检测杂乱(多脉冲光束)、弹道导弹预警(高光束)等相控阵操作的关键元素是使用移相器和微波技术组件，可以为每个辐射单元(或组的元素)调整阶段的电磁波。根据雷达的工作模式适当的相位调整波束指向和聚焦(波束宽度)。

1.2 固态模块化变送器

推动雷达实际应用发展的组件是微波管，它被用作雷达发射机的核心部件，既可作为振荡器(磁控管型),也可作为高功率放大器(行波管、速调管、Twystron、CFA型)。近几十年来，这些放大器管提供了远距离小目标探测所需非常高的电磁(EM)功率。尽管在过去的几十年里，管式变送器在性能和可靠性方面都已经成熟，但它们也显示出一些缺点：它们有限的生命周期为几千小时、要求非常高的操作电压(30 kV～100 kV)、液冷要求、高价格、相位不稳定等。

在20世纪90年代，雷达制造商开始研究用固态发射机模块取代管式发射机的可能性，固态发射机模块使用晶体管代替管式发射机。这种情况下的主要问题是，每个晶体管不能超过200 W～300 W的微波能量的输出功率，而大多数雷达应用需要几千瓦或兆瓦。在这方面，这些晶体管被捆绑成小组，被称为发射机模块，可以提供大约1 kW的输出功率。然后，根据每个特定的应用，几十个甚至数百个发射机模块使用微波功率组合器耦合在一起，以产生最终所需的输出功率。固态发射机的主要优点是其固有的自冗余性，即使其10%的模块由于故障而无法运行，也可以保持轻微的性能下降。此外，这些模块工作在低直流电压下，不需要液体冷却，如果设计得当，可以运行数千小时而不出故障。最后，变送器模块的维修、测试和校准可以在简单的车间使用普通测试设备和通用电子培训进行，而管道维修和测试只能在制造商的设施中进行，成本极高。在雷达应用中，发射机模块的引入遵循了相应的高功率微波晶体管的制造：从20世纪90年代的L波段雷达频率(1 GHz～1.5 GHz)开始，到2000年的S波段(2.5 GHz～3.5 GHz)系统。

1.3 高灵敏度接收机

接收器是雷达组件，其任务是放大极低功率的电磁波，这些电磁波已经反射到遥远的目标上，并已被天线接收波束收集。典型的目标回波水平在-90 dBm～-120 dBm范围内，因此需要具有非常低固有噪声注入(非常有利的噪声图)的放大器。这种特殊类型的放大器被称为低噪声放大器(LNAs),其用于卫星电视接收机的商业版本被称为LNB(低噪声放大器)。LNA除了具有高增益、工作带宽范围内的平坦频率响应和低噪声特性外，它的一个非常关键的特性是对高输入功率的耐久性，从而确保其工作的可靠性。可能破坏或降低LNA性能的高输入功率爆发是发射期间雷达发射机功率的泄漏、有意或无意的接收机干扰、雷暴期间大气高压放电等。保护高灵敏度小RNA也是雷达制造商的研究领域，他们一直在探索快速微波开关的解决方案，以取代使用放射性T/R管的老式解决方案。相应地，雷达开发人员正在开发新的低噪声、更高增益和更耐用的LNAs, 以优化雷达系统的性能。低噪声数字接收机可以检测距离更远的小RCS目标，否则就会被“埋没”在噪声和杂波中。最后，雷达设计的现代趋势是尽可能将LNA定位在靠近天线的位置(实际上是将其安装在天线上),而不是传统的定位在靠近接收/下转换器单元的位置。

1.9 高带宽安全数据链路

数据网络的快速发展是商业网络指数级扩展的关键因素，而随着有线和无线虚拟安全网络的引入，Internet已被移植到军事领域。有线通信被特殊的加密设备保护，而无线网络的挑战则因需要对抗敌人的干扰和窃听而更加复杂。地面雷达将探测到的目标传输到安全的数据网络，该数据网络可以作为加密的IP网络或其他类型的专有协议来实现。然而，关键的挑战是将战斗车辆、导弹系统、战斗舰艇和战斗机等移动平台纳入雷达数据分布，以提高其态势感知能力，并为其提供战略优势。上述移动平台也可以作为雷达数据源，因为它们也可能携带需要与战术和战略指挥官共享目标的雷达。

2 RCS和隐形目标

所有现代军用飞机(和舰船)的一个关键设计特征是减少雷达波反射，即雷达散射横截面(RCS)。目标的RCS值是其实际反射率的度量，代表了雷达所看到目标的“大小”。很明显，较低的RCS目标更难探测到，这对飞机来说是一个显著的优势，但对试图探测的雷达来说是一个挑战。在一般术语中，结合RCS减少技术的现代飞机设计也被称为“隐形”飞机。已知的减少RCS的技术是使用辐射吸收涂层和“隐形”机身设计。吸收辐射涂层是由一种特殊的吸收辐射材料(RAM)组成的，这种材料具有吸收(或捕获)部分入射电磁能量而不是反射它的特性。另一方面，隐身机身设计的重点是将入射E/M波转向雷达所在的源以外的方向，这样搜索雷达就无法探测到目标回波。隐形设计倾向于消除垂直尾翼，避免使用曲面，而采用陡峭和矩形形状。

3 无源和多静态雷达

另一种解决隐身目标探测的方法是引入双基地/多基地雷达概念。这种类型的雷达实现了分布式架构，发射机和接收机位于不同的位置。虽然，这一特殊的概念并不新鲜，但只有超高速信号处理器的出现才使双基地目标检测所需的复杂计算的实现成为可能。双基地检测概念的关键元素是接收机使用两个通道：第一个通道是不断地从发射机直接接收源信号(参考信号),第二个通道则是扫描监视音量的目标(检测信号)。检测过程是基于参考点和检测信号的相关性，其相对延迟揭示了目标的位置。另一方面，发射机还可以是一个传输已知波形的合作系统，也可以是一个机会发射机，由另一个服务如GSM电话、DVT、FM广播等操作。

4 结束语

综上所述，指导现代雷达系统发展的趋势如下：

(1) 雷达系统的发展趋势；采用1 000 s TRM模块和数字波束形成的有源电子扫描天线阵列的研制；

(2) 利用AESA天线的先进特性，雷达系统可以同时执行许多功能(探测、跟踪、测绘、武器制导等);

(3) 接收信号在可能的早期阶段(中频甚至射频)就被数字化，几乎所有的处理都在超强大的数字信号处理(DSP)模块中进行；

(4) 为了提高雷达的性能，特别是在具有强烈杂波、干扰和干扰的环境下，智能和有效的DSP功能正在被开发；

(5) 开发用于检测超低RCS目标的特殊算法，用于使用经典单静态结构或被动/多静态结构的系统；

(6) 雷达传感器通过战术数据链集成到安全的无线网络中，以增强战场上战斗和指挥单位的作战意识。

参考文献

[1]“现代雷达技术”双语课程的教学改革与实践[J]. 杨欣.  科技视界. 2015(33)

[2]雷达技术发展规律和宏观趋势分析[J]. 关欣.  电子世界. 2014(10)