机载雷达的时间简史

 新萄京仪器仪表     |      2020-03-14 07:21

机载雷达的时间简史。雷达是利用无线电作为探测手段的传感设备,其已有一百多年的发展历史。雷达发射电磁波对目标进行照射并接收其回波,由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率(径向速度)、方位、高度等信息。随着数字信号处理技术的飞速发展以及相应的硬件水平不断提升,当前雷达系统已应用普及到诸多领域,如汽车辅助驾驶、遥测遥感、地质勘探、大气探测等。  然而,随着电磁环境逐渐复杂,各种干扰技术层出不穷,具有灵活对抗干扰能力、更强的目标检测性能、适应多变环境的新体制雷达成为各大应用领域的迫切需求。多输入多输出(Multiple-input Multiple-output)雷达就是把无线通信系统中的多个输入和多个输出技术引入到雷达领域,并和数字阵列技术相结合而产生的一种新体制雷达,简称“MIMO雷达”。  2003年,美国林肯实验室的Bliss和Forsythe首次提出MIMO雷达的概念,其是指同时发射多种雷达信号波形,一般采用的是多个天线同时发射不同的波形,“Multiple-output”是指多个天线同时接收回波信号,并通过多路接收机输出以获得多通道空间采样信号。根据发射和接收天线中各单元的间距大小,可以将MIMO雷达分为分布式MIMO雷达和集中式MIMO雷达两类。分布式MIMO雷达中收发天线各单元分布式布局,带来对目标的多角度探测视野, 提高雷达对目标的探测性能;集中式MIMO雷达的收发天线各单元相距较近,,各个天线单元对目标的视角近似相同,但是每个阵元可以发射不同的信号波形, 从而获得波形分集,通过不同波形的特征来集中分析目标特性。这就带来许多优良特点,如改善系统的能量利用率、提高测角精度、提高杂波抑制能力及低截获能力。  MIMO雷达改良了传统雷达的相关缺陷,具有良好的应用发展前景。早期的扫描雷达只发射一种频率的信号波形,配合单一的接收机接收,可以看做单输入单输出雷达;单脉冲雷达只发射一种信号波形, 一般有两路(和波束与差波束或者左波束和右波束)接收机输出,,其属于单输入双输出雷达。MIMO雷达综合了上述雷达的优缺点,在输入输出端都采用了多路收发技术,具有极大的应用潜力。

此时人们想到,能否把整个发射机分散到各个天线单元后面去,变成若干多个小的发射机,每一个小的发射机只需要工作在很低的电压上,而从天线射出的波束,是每一个小发射机输出功率之和。这样,即使一个小发射机坏了,也不会影响别的发射机,对整个射出的功率也不会产生多大影响。由于原来各个天线单元后面还要有移相器,那就要把移相器和发射机集成到一起。而又由于在集中式发射机情况下,收发通道是共用的,现在发射机被分散到天线单元后面去了,接收通道也可以一起挪过去,这样,发射机、移相器和接收机全部做到一起,这就是收发组件,实际上相当于一个个小的雷达。有多少个天线单元,就得有多少个收发组件。由于这样的相控阵雷达其天线单元具备独立发射功率的能力,也就是天线单元是有源的,因此称为有源相控阵。

人们在说起机载雷达性能时,常常提到“具有下视下射能力”。要能“下射”,“下视”(雷达的波束往下指向)是前提,只有能够发现位于己方飞机下方的目标,才能进行打击。而雷达的波束往下指向后,电波不仅会打到需要探测的飞机目标上,还会打到地面上,而来自地面的回波(称为杂波)能够比来自飞机的回波强百万倍以上,从而将目标淹没,雷达不能发现目标。

但是,技术的发展,永远会超出普通人的想象。让雷达在完善自身探测性能的同时,还能提供通信、侦察和干扰等能力,正在全世界范围内广泛开展研究,并持续取得进展。虽然看起来雷达作为独立的系统正在走向消亡,可是从另外一个角度去看,又何尝不是在扩展自己的领地呢?返回搜狐,查看更多

1939年11月,第一种生产型机载空海监视雷达ASV-1开始试验,1940年初投入使用,装备英国空军海防总队的3个海上巡逻机中队,用以在北海跟踪护航舰队。1940年末,随着希特勒“海狮计划”的破产,纳粹空军对英国的空中威胁大大减弱,不过德军潜艇的活动却越发猖狂。到1941年春,德军潜艇已经击沉一百多艘盟军商船,极大破坏了英军物资保障体系。于是,英国开始围绕海上交通线大举开展反潜战,机载雷达成为盟军反潜的利器。它能在更远的距离上发现水面航行的潜艇,并引导飞机发起攻击。

擦亮飞机上的神眼

脉冲压缩技术就是在发射脉冲时,脉冲宽度很宽,在接收时,则把它压窄。脉冲压窄意味着频率变高,而频率越高,通过接收机的速度就越快。脉冲的接收过程相当于把宽脉冲分成很多段,如果不作脉冲压缩,那么这些段是先后依次通过接收机。如果作脉冲压缩,就是在第一段通过的同时,让第二段赶上第一段,第二段和第一段就同时通过了。然后让第三段赶上第二段,第四段赶上第三段……,所有的回波段就全赶在同一个时间段通过接收机了。因为要让后面的段赶上前面的段,所以,后面段的信号频率就要依次增高,越靠后面的段频率越快。

与此类似,当雷达向空中发射一定频率的电磁波,如遇到运动目标,一般情况下该目标会存在与雷达的接近或远离的运动(称为径向运动),因此从运动目标反射回雷达的电磁波频率与雷达发射出去的电磁波的频率相比会发生变化,二者的差值称为多普勒频率,它与2倍的目标径向速度(注意不是目标的真实速度,径向速度只是真实速度的一个分量)成正比,与雷达波长成反比;如果目标是接近雷达的,则多普勒频率是正的,反之是负的。

而有源相控阵较无源相控阵又有很多优势。首先,有源相控阵易于产生更大的功率,因为天线辐射出去的总功率是每一个收发单元的合成,所以,要增加总的辐射功率,在每个收发单元的功率一定的情况下,增加收发单元的数量即可。而无源相控阵或者是机械扫描的雷达,由于只有1个发射机,在它的功率已经很高的情况下,再提高就非常困难;其次,有源相控阵的可靠性更高,一是因为在有源相控阵的收发组件中采用半导体放大器件(即“固态”器件)对功率进行放大,工作电压低,功率较小,每个收发组件的功率一般为数十瓦至数百瓦,且有很高的集成度,总功率是若干个收发组件功率的合成,不需要象无源相控阵那样有一个集中产生大功率能量的发射机,从而避免了集中式雷达发射机必须使用高压所带来的打火故障。二是由于有源相控阵雷达收发组件数量较多,如果出现一小撮“非战斗减员”,对雷达正常工作也无大碍。有源相控阵出现以后,将传统机载雷达最多200小时的MTBF提高到2 000小时。

磁控管的发明,收发天线的共用,以及天线形式的演变,使雷达逐渐变得更适合在飞机上安装,到上世纪40年代中期,雷达已经具备了机载应用的条件。

从蝙蝠的生存技能来理解雷达,无疑是一个很有意思的捷径。不过把雷达的发明说成是仿生学的结果,却是一种牵强附会。如果时间倒退到七十多年前,英国的雷达先驱者们听到这种说法,也一定会笑着解释说,“不,不,是轰炸机让我们发明了雷达,而不是蝙蝠。”

米格-31是世界上最早装备无源相控阵雷达的战斗机。目前,俄罗斯的无源相控阵技术已经非常成熟,米格-29和苏-27/30系列都广泛应用,取代原来的机械扫描雷达。有源相控阵技术从上世纪70年代中期才开始探索,至本世纪初,随着F-22及其AN/APG-77雷达的服役,才标志着有源相控阵火控雷达的成熟。

雷达有两大基本功——测距和测角。

雷达先驱者们的不幸

1935年,英国科学家罗伯特.沃森.瓦特爵士(发明蒸汽机的那位瓦特先生的后代),显然继承了其祖先的优秀基因,成为世界上第一部雷达的研制者。当时正值第二次世界大战前。那时的轰炸机在战争中已经扮演了重要的角色,为了发现入侵的轰炸机,最初只能利用光学(如探照灯)或声学的手段,显然,这种方法提供的预警时间太短,不能满足防空需要。为了缓解巨大的防空压力,英国人可谓绞尽脑汁。

相控阵技术,相位里的大学问

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从地基起步

1940年2月,英国科学家发明磁控管,第一次使得雷达工作频率从米波提高到分米波,从而使得雷达终于进入微波时代(雷达波长如果短至分米以下,则称为微波波段)。雷达工作在微波波段带来的好处是巨大的。由于频率提高、波长缩短,所以可以允许天线在做得比较小的情况下仍然有很强的方向性,另外磁控管也解决了雷达工作频率提高以后的功率放大难题,首次让雷达工作在分米波长上并产生高达1千瓦的功率。

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1939年,二战爆发。英德之间的不列颠空战成为雷达大显身手的舞台。本土链雷达网多次探测到德军的空袭,并为己方拦截机提供引导信息。也许,德国人并没有真正理解本土链的威力,因此自始至终都没有对那一个个看来莫名其妙的高塔进行轰炸或干扰。

通过顺序扫描或圆锥扫描的方法,雷达对角度的测量可以达到波束宽度的几分之一。不过,顺序扫描或圆锥扫描虽然提高了测角的准确度,但是由于这种测角方法需要利用波束先后两次照射到目标后的回波,两次回波的强度可能会变化很大,难以使两次的回波强度相同,所以,测角效果有时候并不是很理想。我们都有这样的生活经验,在明媚的阳光之下,垂杨柳边,一片平静的湖面,在微风的吹拂下,波光摇曳。这些粼粼的波光有时候会让我们觉得晃眼,有时候却又很温柔地进入我们的视线。这种情况实际上表示,阳光照射到湖面以后,由于微风吹动了湖水,水面的姿态在变化和起伏,从而使水波反射进入人眼的阳光强度发生了变化。目标对雷达的反射有如此理。在雷达的波束先后两次照射到目标的时间间隔内,由于目标在此期间的姿态或其它物理特性的变化,雷达两次收到的回波的强度会有很大的不同,专业上叫作“目标闪烁”或“目标起伏”,这对雷达确定目标的位置是非常不利的。所以,雷达在确定目标的位置时,要想测得准一些,总是希望克服目标闪烁的影响。20世纪50年代,雷达工程师想到了单脉冲技术,也就是让天线“同时”产生两个波束照射目标而不是“先后”利用两个波束照射目标,以克服先后两个波束照射的间隔中目标回波强度的变化;而且理论上,这种方法只需要两个波束在一次照射时间内(也就是1个脉冲,故称为单脉冲)返回的能量就能把角度测出来,而测量的准确度却可以提高1个数量级(达到波束宽度的1/10至1/20)。

21世纪的机载雷达,将在不断完善自身的同时,逐渐与飞机上的其他航电系统融为一体。美国空军在上世纪80年代初提出了“数字航空电子综合系统”、“宝石柱”和“宝石台”计划,数航系统已在上世纪80年代设计的雷达型号上实现;2005年的F-22服役,则标志着“宝石柱”计划已在新世纪得以推行。在第一阶段,雷达失去了自己的显示器,与飞机上的其他仪表系统集成在一起;在第二阶段,随着计算机技术的发展,雷达又失去了信号处理和数据处理分系统,只剩下发射、接收和天线三个分系统。通用信号处理器(CIP)将雷达同F-22飞机上的光电、红外、无源和电子战系统的信息一起处理。同时,飞机航电系统的数据开始在光纤传输上传输,传输速率可达10吉比特/秒以上,而传统的1553总线传输速率只有1兆比特/秒。各种航电系统挂在基于光纤传输的总线上集成起来,并且多达60余种本应由硬件实现的功能都已经由软件实现。

脉冲多普勒是指雷达在以脉冲方式工作的同时,利用多普勒效应来区分目标和杂波。什么是“多普勒效应”呢?我们有过这样的生活体验,站在火车站台上时,如果一列火车鸣笛接近站台,我们会觉得其声音逐渐尖锐,而火车逐渐远离站台时声音逐渐低沉。火车的鸣笛从尖锐到低沉的变化,实际上是进入人耳的笛声声波频率的变化,而这种变化的产生正是由于火车存在相对于人的接近或远离的运动,这就是多普勒效应。

雷达对角度的测量,则要复杂一些。由于雷达的波束有一定宽度,为了覆盖全方位,雷达波束就需要旋转起来,正像人的眼睛有一定的视角范围,为了看清身体两侧和身后的物体,就必须转身一样。

人们常常把有源相控阵比作昆虫的眼睛,这有一定道理。昆虫的每只眼睛内部几乎都是由成千上万只六边形的小眼睛紧密排列组合而成,每只小眼睛又都自成体系。这种奇特的小眼睛,动物学上叫做“复眼”。而有源相控阵拥有成千上万个收发组件,每一个收发组件都是一个小的雷达。昆虫有的复眼可以朝某个方向看,而另外的复眼则可以朝向另外的方向。与此类似,有源相控阵容易实现雷达的多功能,众多收发组件和天线单元,可以分组使用,各忙各的,有的看这个方向,有的看那个方向,有的用来看空中目标,有的用来对地成像。因此,昆虫之眼的比喻,很好地说明了有源相控阵最重要的特征和优点。不过,至于有源相控阵的发明,是不是受到了昆虫的启发?有源相控阵雷达,是不是仿生学的杰作?这都无从考证了。也许,这只是又一个颇具吸引力的附会而已。

雷达天线不再分置,减少了飞机上的空间占用,使机载雷达更加紧凑,设备在机身上的安置更加集中。随后,也是在这个十年间,雷达天线形式开始由钉子状的单个或多个天线振子、鱼骨状的八木天线阵列向锅状的抛物面反射天线进化。抛物面天线的增益是八木天线的十倍以上,也就是抛物面天线的波束宽度普遍要比八木天线的窄很多,从早期的十几度甚至几十度演变到当时的几度,这样,功率相对小一些的发射机,也能让电波传得很远。

如何提高发射机的功率呢?可以对一定振荡频率(可以认为与雷达在空间辐射的电磁波的频率相同)的电流通过放大器放大,然后再送至天线。实际上这是发射机最主要的功用。但是,放大器的放大能力与电磁波的工作频率直接相关。频率越低,放大越容易。早期的雷达,其电磁波频率只能在300兆赫以下(对应的电磁波波长大于1米,称为米波),本土链雷达的工作频率只有11.5兆赫,波长26米。当然,如果器件水平只允许雷达工作在较低的频率,而雷达工作在较低频率上又没有什么坏处的话,那就让它工作在低频段上好了,但情况并没有那么简单。雷达电磁波的工作频率还直接影响到雷达把能量集中到空中去发射的能力,即天线性能。人们把雷达电波从天线辐射出来的能量在空间的分布用波瓣图来表示。雷达能量最集中的区域称为主瓣,其余的区域就叫副瓣,又叫旁瓣。雷达天线把能量集中到主瓣宽度内发射的能量和雷达向全方位同等辐射能量的比值,称为天线的增益。雷达能量在空间越集中,主瓣宽度(一般为几度以下)就越小,增益就越高。在天线尺寸一定的情况下,雷达波长越长,主瓣波束宽度越宽,增益越小;或者说,在雷达波长选定以后,为了获得尽量窄的波束宽度和尽量高的增益,应该尽量把天线个头做大。

天线上的各个缝隙之间到底间隔多大的距离排布,有一个简单而重要的规律,那就是必须相隔半个波长,无论是高度方向上还是水平方向上,都服从这个规律。如果间距太大,各个缝隙射出的电波能量在空间合成时不容易汇聚到一起,因此,各个缝隙需要“紧密团结”;可如果各个缝隙太“亲近”,也就是间距太小,各个缝隙射出的电磁波又容易互相干扰、互相打架,正所谓“距离产生美”,因此,间距半波长为宜。

前面说过,为了提高雷达的距离分辨力,以及测距的准确性,希望脉冲宽度越窄越好。另一方面,以脉冲方式工作的雷达,脉冲越宽,也就是每次发射能量的持续时间越长,里面包含的能量也就越多,回波也就可能蕴含更多的能量,这对于提高雷达的发现距离是有利的,所以,雷达脉冲又是宽一些好。那么,如何解决提高发射能量和提高距离分辨力的矛盾呢?答案就是脉冲压缩。这是继20世纪50年代出现的单脉冲技术后,机载雷达发展史上的又一次重大技术突破。

雷达测量目标的角度,就是通过记下雷达天线当前旋转所处的位置,如果在这个位置上有一个很强的回波,那么,这个回波所对应的方向就是雷达天线的当前指向角。但是,如果雷达波束很宽,而两个目标在方位上又靠得很近,一个波束就可以把这两个目标“罩住”,那么,雷达对这两个目标就无法区分了。如果降低雷达的波束宽度,使得波束在两个旋转位置上才能分别照射到这两个目标,这样就会有两个方向了。因此,测角要测得准,首先要使波束窄一些。后来,人们想到了在测量方法上也做一些改进。通过先后改变波束位置(在这两个位置上都能照射到目标),并且使同一个目标在这两个波束位置上的回波强度都一样,那么,由于波束位置是事先知道的,就可以判断出目标的方向是在这两个波束位置的角平分线上。如果目标不是位于两个波束位置的正中,那么两次回波在强度上就有所不同。由于这种测角方法中,需要把波束先后放到两个相邻的位置上,而雷达天线通过扫描在空域中搜索目标时正达到这样的效果,所以称为“顺序扫描”。当需要对目标的高度也进行测量时,道理是一样的,只不过是把波束要先后放到两个相邻的高低角上。如果在测量方位的同时,需要测量高度,那么波束既要在方位上变化,也要在高度方向上变化,此时从雷达射出的波束就要在空中“画圈”,波束的运动轨迹就像一个圆锥,所以这种测角方法称为“圆锥扫描”。

作者:曹晨

到了20世纪80年代,军事强国对机载雷达的设计工作已经得心应手,新型号的研制速度很快。随着半导体集成电路和计算机技术的发展,雷达迅速迈向多功能化的同时也在不断瘦身——1973年,历时10年研制成功的AN/AWG-9雷达,采用机械旋转天线,其直径0.91米,雷达重量高达612千克,是当时最大的机载火控雷达,工作模式不到10种,可靠性只有数小时。到了2005年F-22的AN/APG-77雷达采用有源相控阵技术,天线直径为1米,重量只有200千克,可靠性达到2 000小时,有20种以上的工作模式。

小玩意儿的大玄机

雷达通过发射机产生一定振荡频率的电流,送至天线后通过电磁感应现象把电能变成电磁波辐射到空间;电磁波碰到物体后会向各个方向反射,其中一部分会返回雷达(称为后向散射),被天线接收并送至雷达接收机,在显示器上显示。如果我们能够提高发射机产生的功率,并且使得从天线辐射出去的电波能量在空间尽量集中,就能使得电波能够在更远的距离上触及目标。这正像我们在说话时,如果需要离自己很远的人也能听见,可以做两件事,要么扯起嗓子喊,要么拿一个喇叭。雷达提高探测距离的这两个基本办法,在专业上称为提高“功率孔径积”。

化整为零,从无源到有源

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雷达在战争中展露头角,使得英国人也想把雷达装上飞机。在空战中,如果在晴朗的白天,飞行员一般都能比较顺利地发现敌机,但如果天气不好或者是在夜晚,发现目标就会变得困难。把雷达装上飞机就能帮助飞行员穿透迷雾和黑夜进行空中拦截作战——空中截击雷达(AI雷达)的概念就出现了。然而,以当时的技术水平,哪个工程师要是被军方派去开发AI雷达,绝对是一种不幸。先不说本土链雷达的巨大天线,仅仅是巨大的耗电量就是个难以解决的事儿了。那么,怎么样才能把雷达做得足够“迷你”够“环保”却又看得足够远呢?

那么,如何使得机载雷达具有明察秋毫的下视能力,使得它能够把弱小的目标回波从强大的地面反射回波中区分提取出来呢?在没解决杂波剔除问题之前,机载雷达基本上只能在海面上空工作,经过自上世纪30年代后期至60年代的发展,机载雷达无论是发现海面上的舰船,还是看海面上空的飞机,都已经具备了差强人意的能力。但直到70年代初脉冲多普勒(PD)技术的成熟,才使得机载雷达真正具备全空域工作的能力,能够在陆地上空较好地发挥作用。