無(wú)源雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展

人們?cè)谝话闱闆r下提到的雷達(dá),指的是有源雷達(dá)。這是一種自身定向輻射出電磁脈沖照射目標(biāo),進(jìn)行探測(cè),定位和跟蹤的傳統(tǒng)雷達(dá)。有源雷達(dá)發(fā)射的電磁信號(hào)會(huì)被敵方發(fā)現(xiàn),定位,暴露自己。引來(lái)“殺身之禍”,子是人們開(kāi)始研究自身不輻射電磁波的新體制雷達(dá)。這種借助非協(xié)同外部輻射源進(jìn)行探測(cè)和定位的被動(dòng)式雷達(dá),就是無(wú)源雷達(dá)。
　　
　　無(wú)源雷達(dá)的特性及沿革
　　
　　無(wú)源雷達(dá)本身并不發(fā)射能量,而是被動(dòng)地接收目標(biāo)反射的非協(xié)同式輻射源的電磁信號(hào),對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤和定位。所謂非協(xié)同式外部輻射源,是指輻射源和雷達(dá)“不搭界”,沒(méi)有直接的協(xié)同作戰(zhàn)關(guān)系。這樣就使得探測(cè)設(shè)備和反輻射導(dǎo)彈不能利用電磁信號(hào)對(duì)無(wú)源雷達(dá)進(jìn)行捕捉、跟蹤和攻擊。
　　無(wú)源雷達(dá)系統(tǒng)簡(jiǎn)單,尺寸小,可以安裝在機(jī)動(dòng)平臺(tái)上、易于部署,訂購(gòu)與維護(hù)成本低。無(wú)源雷達(dá)不發(fā)射照射目標(biāo)的信號(hào),因此不易被對(duì)方感知,一般不存在被干擾的問(wèn)題。它可以晝夜、全天候工作：可連續(xù)檢測(cè)目標(biāo),一般為每秒一次,信號(hào)源是40—400兆赫的低頻電磁波,有利于探測(cè)隱身目標(biāo)和低空目標(biāo)：不需頻率分配,因此可部署在不能部署常規(guī)雷達(dá)的地區(qū)。
　　無(wú)源雷達(dá)自身不發(fā)射信號(hào),既帶來(lái)優(yōu)點(diǎn)也帶來(lái)缺點(diǎn)。由于依賴(lài)于第三方發(fā)射機(jī),操作員對(duì)照射器無(wú)法主動(dòng)控制,在被探測(cè)目標(biāo)保持無(wú)線電靜默、照射器又不工作的情況下,無(wú)源雷達(dá)就成了無(wú)源之水,不能發(fā)揮作用。此外,一些發(fā)射機(jī)的有效輻射功率較低,易受干擾和空射誘餌的影響而且要求發(fā)射機(jī)與目標(biāo)、目標(biāo)與接收機(jī)以及接收機(jī)與發(fā)射機(jī)之間信號(hào)不受阻擋,限制了無(wú)源雷達(dá)的使用。
　　其實(shí)無(wú)源雷達(dá)并不是新概念,它的歷史幾乎與雷達(dá)技術(shù)本身一樣悠久。1935年,羅伯特·沃森·瓦特曾在單基地?zé)o源系統(tǒng)中利用英國(guó)廣播公司發(fā)射的短波射頻,照射10千米以外的“海福特”轟炸機(jī)。在第二次世界大戰(zhàn)中也試驗(yàn)過(guò)預(yù)警無(wú)源雷達(dá),如德國(guó)的“克萊思·海德堡”(Kleine Heidelberg)系統(tǒng)。但當(dāng)時(shí)的系統(tǒng)缺乏足夠的處理能力,不能計(jì)算出目標(biāo)的精確坐標(biāo)。
　　當(dāng)前,有很多國(guó)家熱衷于無(wú)源技術(shù)的應(yīng)用研究。美國(guó)洛克希德·馬丁公司是最先涉足該領(lǐng)域的公司之一,據(jù)稱(chēng)依靠電視和無(wú)線發(fā)射機(jī),其無(wú)源系統(tǒng)的探測(cè)距離達(dá)到220千米以上。美國(guó)國(guó)防部國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局以及華盛頓大學(xué)、喬治亞技術(shù)大學(xué)等高校和雷聲等公司,都開(kāi)展了這一領(lǐng)域的研究。在歐洲,法國(guó)也進(jìn)行了相應(yīng)的技術(shù)研究工作、意大利演示了樣機(jī)系統(tǒng)、英國(guó)正在研究無(wú)源相干雷達(dá)和“蜂窩’雷達(dá)(Celldar),俄羅斯和捷克也在進(jìn)行類(lèi)似研究。
　　
　　無(wú)源雷達(dá)的分類(lèi)
　　
　　無(wú)源雷達(dá)系統(tǒng)可以依據(jù)探測(cè)對(duì)象或配置方式來(lái)分類(lèi)。依據(jù)配置方式,無(wú)源雷達(dá)分為固定式(地基)和機(jī)動(dòng)式(安裝在潛艇、艦船、飛機(jī)、地面車(chē)輛等平臺(tái)上)兩大類(lèi)。無(wú)源雷達(dá)的探測(cè)對(duì)象可以是雷達(dá)、通信電臺(tái)或其他無(wú)線輻射源,也可以是僅僅反射無(wú)線電信號(hào)的目標(biāo)。無(wú)源雷達(dá)可以依據(jù)探測(cè)對(duì)象的不同,分為利用被探測(cè)目標(biāo)的自身輻射進(jìn)行探測(cè)和跟蹤,以及利用外照射源發(fā)射的電磁波進(jìn)行探測(cè)和跟蹤兩大類(lèi)。
　　
　　利用被探測(cè)目標(biāo)的自身輻射
　　在被探測(cè)目標(biāo)本身就是輻射源或攜帶了輻射源的情況下,無(wú)源雷達(dá)利用探測(cè)目標(biāo)自身輻射的電磁波進(jìn)行探測(cè)和跟蹤。可能的輻射源包括雷達(dá)、通信電臺(tái)、應(yīng)答機(jī)、有源干擾機(jī)、導(dǎo)航儀等電子設(shè)備。捷克研制的“維拉”系列無(wú)源雷達(dá)就屬于這類(lèi)無(wú)源雷達(dá)。
　　
　　利用外照射源發(fā)射的電磁波
　　這類(lèi)無(wú)源雷達(dá)探測(cè)的目標(biāo)本身不直接輻射電磁能量。無(wú)源雷達(dá)在工作時(shí),通過(guò)天線接收來(lái)自外部的非協(xié)同輻射源(第三方)的直射波,以及該外部輻射源照射目標(biāo)后形成的反射波或散射波,利用其攜帶的多普勒頻移、多站接收信號(hào)的時(shí)間差和到達(dá)角等信息,經(jīng)處理后提取目標(biāo)信息并消除無(wú)用信息和干擾,從而完成對(duì)目標(biāo)的探測(cè)、定位和跟蹤。
　　可能的非協(xié)同方包括廣播電臺(tái)、電社臺(tái)、通信臺(tái)站、直接廣播系統(tǒng)(DBS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、各種平臺(tái)上的有原雷達(dá)等。美國(guó)研制的“沉默哨兵”(Silent Sentry)雷達(dá)就是這類(lèi)雷達(dá)。利用全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM)發(fā)射機(jī)的作用距離只有20千米,利用調(diào)頻無(wú)線基站的距離可達(dá)100-150千米,而大功率電視發(fā)射臺(tái)的作用距離更遠(yuǎn)。利用其他雷達(dá)發(fā)射機(jī)的無(wú)源系統(tǒng)的作用距離與所用雷達(dá)相當(dāng)。
　　
　　幾款典型的無(wú)源雷達(dá)
　　
　　美國(guó)的“沉默哨兵”霄達(dá)
　　美國(guó)洛克希德·馬丁公司從1983年開(kāi)始研究非協(xié)同式雙基地?zé)o源雷達(dá),于1998年研制出新型的“沉默哨兵”被動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)。這種無(wú)源雷達(dá)利用商業(yè)調(diào)頻無(wú)線電臺(tái)和電視臺(tái)發(fā)射的50～80兆赫連續(xù)波信號(hào),檢測(cè)、跟蹤、監(jiān)視區(qū)內(nèi)的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。該系統(tǒng)由大動(dòng)態(tài)范圍數(shù)字接收機(jī)、相控陣接收天線、每秒千兆次浮點(diǎn)運(yùn)算的高性能并行處理器及其軟件組成。試驗(yàn)證明,它對(duì)雷達(dá)反射面積10米²目標(biāo)的跟蹤距離可達(dá)180千米,改進(jìn)后可達(dá)220千米,能同時(shí)跟蹤200個(gè)以上目標(biāo),分辨間隔為15米。
　　“沉默哨兵”可安裝在建筑物和固定結(jié)構(gòu)上,也可安裝在飛機(jī)、卡車(chē)及方艙上以便快速部署。洛·馬公司還試驗(yàn)過(guò)安裝在水面艦艇和潛水艇上的兩種系統(tǒng),這它們一般利用沿海地區(qū)的廣播系統(tǒng)作為照射源。在潛艇上的系統(tǒng)安裝在潛望鏡上,采用全向天線,提供直升機(jī)或海岸偵察機(jī)告警。
　　固定式“沉默哨兵”系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)全空域覆蓋,對(duì)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)三維跟蹤與監(jiān)視,數(shù)據(jù)每秒更新8次,不受氣候條件影響,系統(tǒng)成本和維護(hù)費(fèi)用低。相控陣天線采用商用部件,安裝在建筑物上,天線尺寸2．3×2．5米。該系統(tǒng)有120°的觀察范圍,采用數(shù)字波束形成技術(shù)實(shí)現(xiàn)整個(gè)扇區(qū)覆蓋,可跟蹤固定翼飛機(jī)、旋翼機(jī)、巡航導(dǎo)彈和彈道導(dǎo)彈。
　　快速部署系統(tǒng)用于進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收集和處理,目前部署在有電力自給能力的拖車(chē)上。該拖車(chē)安置在大篷內(nèi),相控陣天線安裝在大蓬側(cè)面,參考天線安裝在大蓬頂部。這種特殊材質(zhì)的大篷起到類(lèi)似法拉第筒的作用,可防止車(chē)內(nèi)處理器的電磁輻射干擾接收天線的正常工作。拖車(chē)內(nèi),加固式接收機(jī)、處理器和控制站占一半空間,空調(diào)系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)放在另一半。
　　
　　英國(guó)的“蜂窩”霄達(dá)
　　英國(guó)的“蜂窩”雷達(dá)系統(tǒng)可探測(cè)、跟蹤和識(shí)別陸上、海上和空中的移動(dòng)目標(biāo),包括在樹(shù)叢中運(yùn)動(dòng)的車(chē)輛,它理論上能夠探測(cè)野外環(huán)境中10～15千米的地面目標(biāo)和100千米的大型飛機(jī)。當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入探測(cè)區(qū)域后,引起蜂窩電話(huà)輻射波的反射,這些反射被一部或多部蜂窩電話(huà)雷達(dá)探測(cè)到。檢測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳送到中央控制系統(tǒng),數(shù)據(jù)在這里進(jìn)行處理,從而確定目標(biāo)的位置和速度。該雷達(dá)系統(tǒng)除了反射蜂窩電話(huà)基站的輻射信號(hào)外,還可利用聲傳感器探測(cè)到目標(biāo)輻射出的噪聲,有助于確定目標(biāo)位置。
　　“蜂窩”雷達(dá)在用于地面
防空時(shí),其相控陣接收機(jī)能夠采用展開(kāi)式結(jié)構(gòu),或集成在偽裝網(wǎng)中：在用于無(wú)源預(yù)警時(shí),可以集成在坦克中或預(yù)警機(jī)上。該系統(tǒng)還可以用于海岸監(jiān)視、戰(zhàn)場(chǎng)偵察、特種情報(bào)收集(例如對(duì)機(jī)場(chǎng)活動(dòng)進(jìn)行秘密的無(wú)人監(jiān)控)、邊防安全及近海作戰(zhàn)等。沿海岸線部署的“蜂窩”雷達(dá)可用于艦船檢測(cè)、輔助搜救、領(lǐng)航、告警等任務(wù)。還可將其安裝在預(yù)警機(jī)上形成無(wú)源預(yù)警能力,隱蔽地監(jiān)視空域,探測(cè)100千米以外的飛機(jī)。
　　
　　“維拉-E”雷達(dá)
　　“維拉”系列無(wú)源雷達(dá)由捷克研制�！熬S拉-E”是該系列的最新型號(hào),可探測(cè)定位、識(shí)別和跟蹤空中、地面和海上目標(biāo),對(duì)空探測(cè)的最大距離為450千米,并可識(shí)別目標(biāo)、生成空中目標(biāo)圖像。
　　“維拉-E”系統(tǒng)由4部分組成：分析處理中心居中,3個(gè)信號(hào)接收站呈圓弧線狀分布在周?chē)?站與站之間距離在50千米以上。分析處理中心部署在方艙車(chē)內(nèi),有完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以及通信、指揮和控制系統(tǒng)。信號(hào)接收站用重型汽車(chē)運(yùn)載,可靈活部署。接收天線支架豎起時(shí)高17米,占地面積9×12米,3個(gè)人在1小時(shí)內(nèi)即可豎起天線、進(jìn)入監(jiān)視狀態(tài)。天線外形為圓柱體結(jié)構(gòu),功耗低、可靠性極高,平均無(wú)故障間隔時(shí)間達(dá)2000小時(shí),可抵御30米／秒的大風(fēng)。
　　
　　無(wú)源雷達(dá)的未來(lái)發(fā)展
　　
　　無(wú)源雷達(dá)系統(tǒng)(尤其是利用外部非協(xié)同輻射源的無(wú)源雷達(dá)),可能是今后10～20年的一個(gè)重要的發(fā)展方向。隨著幾大國(guó)際通信衛(wèi)星計(jì)劃的實(shí)施,未來(lái)將有1000多顆通信衛(wèi)星在軌。其中將有許多能發(fā)射出足夠高的射頻能量,地面上大多數(shù)地點(diǎn)均會(huì)同時(shí)受到幾個(gè)星載輻射源的照射,無(wú)源雷達(dá)系統(tǒng)可充分利用這些照射源進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)和跟蹤�？偟膩�(lái)看,無(wú)源雷達(dá)將會(huì)在以下幾個(gè)方面得到發(fā)展：
　　(1)擴(kuò)展可用外輻射源的種類(lèi)。外部的非協(xié)同輻射源從最早的電視信號(hào)、調(diào)頻信號(hào),到現(xiàn)在的移動(dòng)通信信號(hào)、全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星信號(hào),以及將來(lái)多種衛(wèi)星信號(hào)和其他各種可能的輻射源,可供選擇利用的外輻射源種類(lèi)將日漸增多。
　　(2)雷達(dá)目標(biāo)的傅立葉成像。伊利諾斯州大學(xué)的研究人員已證實(shí),可用無(wú)源多基地雷達(dá)產(chǎn)生飛機(jī)目標(biāo)的合成孔徑圖像。利用不同頻率和不同位置的多部發(fā)射機(jī),就可為某個(gè)目標(biāo)建立一個(gè)傅立葉域的稠密數(shù)據(jù)集合,通過(guò)逆傅立葉變換就可以重構(gòu)該目標(biāo)的圖像。
　　(3)不同平臺(tái)無(wú)源雷達(dá)的組網(wǎng)。由于可供使用的外輻射源信號(hào)種類(lèi)繁多,不同的輻射源信號(hào)占據(jù)了不同的頻段,同一目標(biāo)在不同頻段會(huì)有不同的雷達(dá)特性。因此,為盡可能地提高對(duì)目標(biāo)的探測(cè)能力,可以將不同平臺(tái)的無(wú)源雷達(dá)進(jìn)行組網(wǎng)。
　　(4)無(wú)源雷達(dá)與有源雷達(dá)相結(jié)合。當(dāng)外界電磁輻射設(shè)備關(guān)機(jī)或無(wú)法利用時(shí),無(wú)源雷達(dá)就無(wú)法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)定位。因此,可考慮將無(wú)源雷達(dá)與有源雷達(dá)結(jié)合使用。如以雙／多基地方式合理布設(shè)無(wú)源和有源雷達(dá),當(dāng)外界電磁輻射不存在或無(wú)法利用時(shí),利用無(wú)源雷達(dá)接收己方有源雷達(dá)的直射信號(hào)與目標(biāo)的反射信號(hào),對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)。這樣既提高了無(wú)源雷達(dá)的利用率,又增強(qiáng)了有源雷達(dá)的隱蔽性和生存能力。