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军工世界丨雷达:现代战争之“眼”

来源:中国军网-解放军报 作者:姜子晗 李 姗 宋 涛 责任编辑:王韵
2023-06-30 08:16:58

雷达:现代战争之“眼”

■姜子晗 李 姗 宋 涛

德国TRML-4D雷达。资料照片

前不久,第十届世界雷达博览会在北京开幕,全球近500家企业参展,重点展示了雷达及电子信息在多个领域的应用,引起网友普遍关注。

众所周知,雷达是武器装备的“千里眼”和“顺风耳”,交战双方依靠雷达识别并测定目标位置和运动参数。自雷达问世以来,随着战争形态的演变快速发展,陆基、机载、舰载等型号雷达层出不穷,其应用场景也越来越广泛。当前,雷达在作用距离、精准度、抗干扰等方面取得重要突破,正朝着探测对抗一体化、任务多样化等方向发展,在战场上起到重要作用。

面对复杂的战场环境,要想打造一台性能优异的雷达,不仅要“看得远、看得清”,“目光”还要足够敏锐,能够穿透重重战场迷雾,精准辨别对方的伪装和欺骗手段。那么,雷达探测技术缘起何处?走过怎样的发展历程?研制现代雷达需要攻克哪些技术难题?本文为您一一解读。

“矛”与“盾”的较量,一代战机催生一代雷达

告别短兵相接、近距离厮杀的冷兵器时代,现代战争的作战距离早已超出肉眼可见的范围。能否在战斗中料敌于先、占据主动,决定着战争胜负。

为了在超视距作战中决胜千里之外,雷达的崛起成为必然。能够担此重担,是因为雷达有着“独门绝技”——快速发现、跟踪目标,为在战斗中实现“先敌发现、先敌发射、先敌命中”提供支撑。

世界上最早的雷达诞生于二战时期。1940年9月,德军出动数百架战机袭击伦敦。然而,有不少战机还未到达英国领空就被发现了。

英军如何提前获悉德军战机的飞行动态?地面炮火又是如何实施精确打击的?一个个问题让德军感到困惑。后来,他们才知道,英军在这场战争中使用了“秘密武器”——雷达,同时开创了雷达在军事对抗中的先河。

早期军用雷达通过机械扫描向空中发射无线电波,探测敌机目标信息。自此,战机与雷达进行了长达半个多世纪“矛”与“盾”的较量。

由于机械雷达需要将“锅盖天线”对准空中目标,在探测高空高速的二代机时,反应速度慢、易发生故障,“越远、越快、越可靠”成为新一代雷达的研发目标。英、美等国率先研发出平面阵列天线,通过阵列缝隙辐射电磁波并在空间合成,在有效增强天线增益、扩展探测距离的同时,减轻雷达的体积和重量。

一代战机催生一代雷达。在冷战时期的几次局部战争中,三代机飞行速度和低空性能有了很大提升,导致雷达盲区成倍增加,大量战机借助山脉地形成功实现低空突防。

“矛”的变化,带动“盾”的升级。为及时有效显示探测对象信息,雷达必须利用计算机提供精确计算数据。当战机低空飞行时,战机的回波信号与地面杂波混合在一起,往往会被雷达自动过滤。部分欧美国家研发出脉冲多普勒雷达,在数据处理机中应用代数方法和滤波理论,通过分析运动目标回波的频率变化,找出隐藏在噪声背景中的战机。一些国家空军还将脉冲多普勒雷达搭载在预警机上,以“俯视”的方式实现对敌方低空作战的压制。

一段时间以来,“矛”与“盾”的较量,似乎以“盾”的胜利给出阶段性结果,雷达性能直接影响空战胜负的理念更加深入人心。或许正是这个原因,各国科研人员对雷达的改进研制从未停止,他们开始将多目标探测作为技术攻关方向。

20世纪80年代,电子扫描相控阵雷达经历了从无源到有源的发展。先进的有源相控阵雷达把整部发射机分散到数以千计的收发组件上,通过这些组件实现雷达波束指向的变化。这种雷达天线类似于蜻蜓的“复眼”,不仅实现“身体”能动,“眼球”也能动,还可以瞄准不同方向、不同目标同时进行跟踪。

不仅如此,随着数据处理技术发展,雷达在应对蜂群作战等新型作战方式上取得长足进步,强大的信号分析能力能够实现对低空、群体目标探测。同时,各国开展小型化雷达研究,陆基、机载、舰载等型号雷达层出不穷,其应用场景也越来越广泛。

“老树发新芽”,米波雷达成为隐身战机克星

2018年,美国海军宣布将在年度预算中拨出一笔高达20亿美元的经费,用于开发新型干扰机,提升反先进米波雷达的对抗能力,维持隐身作战的优势。

其实,早在二战时期,米波雷达已成为各国防空网的主流雷达,但其工作频率低、探测精度和分辨率不高,限制了战场作用的发挥。后来,以分米波和厘米波为代表的微波雷达成为各国竞相研究的对象,米波雷达遭到冷遇。

然而,隐身战机的出现让防空网中的大多数雷达失去用武之地。这种尴尬局面一直到1999年的科索沃战争才得以缓解——美军F-117隐身轰炸机被成功探测并击落。有资料表明,经过数字处理和固态化升级后的俄制P-18米波雷达在发现和击落F-117过程中起到关键作用。这一战例也促使米波雷达重新进入雷达专家的视野。

现有隐身战机的雷达,主要集中在战机的前部和腹部,且隐身电磁波段有一定的频率范围,米波雷达恰好避开了隐身战机的隐身波段,拥有发现隐身战机的“特长”。不过,传统米波雷达大多使用简单的八木天线或老式网状矩形抛物面天线,采用两坐标定位,目标识别能力有限,且不易消除地面反射波的影响,抗干扰能力不足。

如果不加以改进,米波雷达只能用于防空警戒,不能用于武器引导,无法对隐身战机进行高效追踪。鉴于此,一些国家对米波雷达进行升级改进,设计新构型的八木天线,采用先进数据传输与处理技术,解决传统米波雷达探测精度不高等问题。

20世纪70年代,法国国家航空航天局开始研制米波综合脉冲孔径雷达。这种先进雷达,采用全向天线单元稀疏布阵,可以实现宽脉冲全向辐射雷达波,再利用计算机将地面反射信号进行分析,能够精准探测目标的距离、方位、高度和瞬时速度,抗干扰性能得到显著增强。

一般来讲,雷达天线的尺寸与功率密切相关,要想远距离剥去战机的“隐身外衣”,米波雷达天线的尺寸有七八层楼高,整个天线面积相当于半个篮球场。笨重的天线阵列暴露在地面,很容易成为敌方的攻击目标,致使米波雷达的战场生存率较低。

为此,俄罗斯将相控阵技术融入米波雷达,在提高扫描速度的同时,降低米波雷达的体积和重量,研制出车载机动式米波三坐标雷达,强化对战机高度和速度的探测能力,能够跟踪战机、巡航导弹等各种空中目标,甚至可以在600公里外发现小型高超声速导弹和小型隐身飞行器,极大提升了探测和电子对抗水平。

高科技赋能,多领域实现精准探测

加装“科技之眼”,雷达可以对空中、海上、陆地各类目标进行侦察与跟踪,是辅助实现远程精确打击的重要手段。如今,雷达已广泛应用于警戒、侦察、制导等多个军事领域。

在数字阵列、人工智能、芯片等高新技术的推动下,加装“科技之眼”的雷达开启一路“狂飙”,未来发展呈现多种趋势——

一体化。未来战场,雷达不是孤军奋战,而是与其他武器系统协同作战。作战中既要有雷达设备进行目标探测,也要有通信系统进行信息传输,为实现资源利用最大化、功能多样化,作战平台将雷达与通信系统进行一体化设计,以便更好地协同作战。

瑞典与意大利在合作研发多功能相控阵系统方面颇有心得,通过加装宽带接收机模块高功率放大器,增加信号频率接收范围,将雷达、通信、电子战系统完美融合,不仅降低了维护成本,还能提升战场态势感知能力。

网络化。随着电子对抗技术蓬勃发展,科研人员尝试将不同体制的雷达部署在一起,形成一个大的“捕鱼网”,既能扩大覆盖范围,还能取长补短,发挥各种型号雷达的优势。通过多部雷达网络化协同探测,突破单一雷达探测的性能瓶颈,为雷达穿上“隐身外衣”。

比如,俄罗斯一款新型组网雷达由远程警戒、跟踪识别、精密制导等多种雷达组成,不仅具有抗反辐射导弹的优点,还比普通雷达拥有更高的角分辨率、更好的参数计算精度和更强的抗干扰能力,真正达到“1+1>2”的组网效果,满足多种防空需求和作战场景。

智能化。人工智能技术的日趋成熟,为雷达发展提供有力技术支撑。未来智能雷达将具备环境自适应感知、信息获取与处理、资源调度等自主行为能力,更加适应复杂多变的电磁对抗环境,特别是集防空、反导等任务于一身,警戒、引导、制导等功能于一体的多功能集成化雷达指日可待。

当前,世界各军事强国均提出自适应雷达研发计划,它可以基于敌方空中无线电信号实施防御,感知周围环境并自动实施干扰。美国海军航空系统司令部与雷杜斯公司签署了一份价值5890万美元的合同,为海军F/A-18战机上的电子战系统开发自适应雷达对抗软硬件,以提高战机生存能力。

随着更多新技术、新材料、新工艺的应用,雷达发展必将迎来新一轮活跃期,在未来战场发挥更加重要的作用。