书城科普读物探究式科普丛书-天空的眼睛:雷达
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第3章 超视眼睛——雷达(3)

奥地利伟大的物理学家多普勒是这样来解释这种奇怪的现象的:一辆朝你高速驶来的警车发出的声波对你而言是稍微被压缩从而显得格外集中,这时你听到的声音波长远短于这个声源静止时发出的波,而短波音调就显得较高;相反,离你而去的声源的声波是稍微被扩散而被拉长,这时你听到声音的波长比该声源静止时发出的波长要来得长,长波的音调就显得较低了。

脉冲多普勒雷达,简称PD雷达,是一种应用多普勒效应能够在强烈的背景(地、海面)杂波干扰下细心地发现运动目标,并测量运动目标的位置和相对速度的脉冲雷达。

脉冲多普勒雷达的工作原理是:当雷达向空中发射出一个固定频率的脉冲波对空扫描时,只要遇到活动目标,回波的频率与发射波的频率就会出现频率差,这种偏差称为多普勒频率。根据多普勒频率的大小,可测出任何一个运动目标相对于雷达的径向相对运动速度;根据发射脉冲和接收的时间差,可以测出目标和雷达之间的距离。同时再用上频率过滤方法检测目标的多普勒频率谱线滤除去干扰杂波的谱线,就可以使雷达从强杂波中分辨出寻找它的目标信号。我国空军的米格27战斗机上装备跟踪雷达的就是这种“N001”脉冲多普勒雷达。

脉冲多普勒雷达具有世界上最好的抗杂波性能,它能够对运动目标进行精确的测速和具有很高的速度分辨率。自20世纪50年代诞生以来,发展非常之快。随着微电子技术和数字技术的飞速发展,它的应用范围也越来越广。脉冲多普勒雷达还具有很好的下视能力,能对付任何低空飞行的飞机和巡航导弹,所以现在大多数战机都装备着这种雷达,以增强它预警、格斗、截击和载炸等能力。

2.脉冲多普勒雷达的缺点

“人无完人,金无足赤”,世界上没有绝对完美的东西,这种雷达也有不少缺点。脉冲多普勒雷达的致命弱点主要有以下三个方面:

(1)电子干扰

①速度假目标干扰。这种样式的干扰也叫随机多普勒干扰,就是利用复制信号延续时间长的这一特点,让干扰程序在一定的空间里无中生有,产生多个具有模拟本机或其他速度的假目标,用以迷惑敌方的多普勒雷达。这种干扰样式通过在敌方雷达的发射信号上,再随机叠加一些多普勒频率,从而使敌方雷达在多普勒域上产生许多类似目标的信号。速度假目标的频移是通过一种特殊的数控移相器完成的。

②速度波门拖引。它是通过连续改变多普勒雷达信号的载波频率,使多普勒雷达的速度跟踪波门随干扰信号偏移开,最后丢失跟踪目标。

③多普勒噪声干扰。这种干扰也叫高精度的窄带瞄准式噪声干扰。由于脉冲多普勒雷达滤波器带宽很窄,一般只有数百赫兹,因此让干扰机瞄准多普勒雷达这个窄带滤波器,使用快速扫描锯齿波对移相器进行锯齿形调相,这样就使多普勒雷达无法根据目标速度的差别来发现目标,于是形成了一种完美的对多普勒雷达的搜索功能的干扰。

④距离波门拖引干扰。这种干扰就是干扰脉冲多普勒雷达的跟踪状态,让多普勒雷达丢失跟踪目标。这种干扰可以在对敌方雷达信号进行时延(拖距)的同时,再通过变频进行速度欺骗。

(2)雷达扫描盲区

脉冲多普勒雷达扫瞄范围并不能达到360°全方位,而是存在大片盲区。以美国F16A装备的APG―66雷达参数来说,它对雷达波的反射面积是5米,目标的仰视发现距离为60~90千米,俯视发现距离只有46~65千米,而它的总探测范围为:方位×俯仰=120°×120°。

(3)先天不足——多普勒雷达自身的缺陷

①多普勒雷达根本无法躲开那些来自地面的强烈的杂波干扰,因此只能采用超低空战术进行躲避。

②从原理上讲,当目标飞机突然改变了运动方向,使相对速度矢量和对方飞机的运动方向(切向飞行)相垂直,则它相对于雷达的径向速度为0,多普勒频率也就为0,则雷达就根本无法检测,从而导致目标脱锁(注:0频的杂波可以在雷达载机垂直向下的地面以近乎镜面反射造成)。

多普勒雷达发出阵阵的脉冲雷达波,它的地面固定目标就会产生回波,回波频率和雷达的主脉冲电波一致,而运动目标的回波频率则和地面目标不一样,这样就可以把飞机同地面背景信号区分开。而像前面所说的突然转向机动则可以使雷达把目标机当做地面回波信号过滤掉,使敌人雷达对自己脱锁。

第八节地球上的“远视眼”——超视距雷达

由于我们生活的地球是个球体,它的曲率影响着人们远眺的视线,人们无法观测到地平线以下的任何目标,普通的雷达也无法超越这地平线的局限,因为电磁波也是沿着直线传播的。为了扩大探测距离,人们已经把雷达搬上飞机,使它“站得更高,看得更远”,还发明了“超视距”雷达。

1.超越地平线——超视距雷达

超视距雷达是一种利用电磁波在电离层与地面之间的反射或电磁波在地球表面的绕射来探测那些地平线以下目标的雷达,所以又称“超地平线”雷达。

2.超视距雷达的分类

我国海军“054A”新型护卫舰顶置新型高频地波超视距雷达是利用波长较长的短波做传输,可探索数千千米远的海上目标。它具有探测距离远、观测区域大、反隐身、抗反辐射导弹攻击等显着特点。

按照两种不同的电磁波传播方式,超视距雷达可以明确地分为天波地波两类:一种是利用电离层对短波的反射使电波能探测到远方的雷达,称为天波超视距雷达;另一种是利用长波、中波和短波地球表面的绕射效应使电波沿曲线传播来探测远处目标的雷达,称为地波超视距雷达。天波超视距雷达的作用距离能达到几千千米。

地波超视距雷达的作用距离比较短,但它能监视天波超视距雷达覆盖不到的地方。

3.隐形飞机的杀手——天波超视距雷达

天波超视距雷达又可分为前向散射和后向散射两种完全不一样的类型。

天波前向散射雷达的发射站和接收站两者相距达数千千米,它是利用目标对电离层的扰动来探测目标,必须多站配置才能求得目标距离,目前已经很少采用这种方法。天波后向散射雷达和地波超视距雷达的发射站及接收站均位于邻近地点,利用目标后向散射原理探测目标可以探测出目标方位、距离和径向速度。

天波后向散射雷达能探测地面距离为900~3500千米的低空目标。而地波超视距雷达则必须架设在海岸边上,以减小地表障碍物造成的能量传播损耗,对飞机的探测距离可高达200~400千米。

超视距雷达一般采用一种方位电扫±30°的相控阵天线,采用单脉冲比幅法测角,采用多普勒信号处理技术来最后完成对运动目标检测。天波后向散射雷达是低空防御系统中一种非常有效的预警手段,是目前超视距雷达发展的重点。超视距雷达还能进行海洋状态的遥测及空中交通管制。

超视距雷达一般在P波段(米波)工作,它的工作波长为10~60米。当雷达波束的波长接近于飞机的构件尺寸时,这些飞机构件就像天线一样,开始吸收并反射P波段的无线电波。当超视距雷达的波长达到这些“天线”尺寸的两倍时,它的反射效果最好。同时,天波雷达的雷达波是经过电离层反射后从上方照射到飞行器上的,这让敌人防不胜防,因此它是一种探测隐身武器的有力工具。目前的隐身技术主要针对波长在厘米级的雷达,而对于波长在几十米的长波雷达就根本没有任何隐身能力了。已经有国外试验表明,超视距雷达可以发现2800千米外、飞行高度150~7500米、雷达反射截面为0.1~0.3平方米内的任何目标。

采用了相控阵技术的超视距雷达,即使像远在千里之外的“B-2”隐身轰炸机这样的高精尖武器也难逃它敏锐的“法眼”。

航母杀手-我国东风-21型中程弹道导弹配备新型超视距雷达用于锁定航母目标。

然而超视距雷达在使用上也存在着许多致命问题,例如它只能获得目标的方位和距离信息,很难获得目标的仰角信息;测量精度很低、分辨率也差;电波的通道极不稳定,干扰因素也很多,只要出现气候变化、北极光和太阳黑子等因素,就能直接影响天波超视距雷达的工作性能,甚至使它陷于瘫痪之中,因为太阳风暴能极大地干扰电离层的稳定,使之不能反射任何电波信号;在中波、短波等波段,由于使用的频谱十分拥挤,带宽十分狭窄,每当互相干扰严重的时候,收到的回波信号就如充满杂音的收音机一样。此外,超视距雷达系统十分庞大,雷达站内还要配建许多诸如电离层监测站和气象站等支援设施。因此,为了提高超视距雷达的效能,需要进一步增强雷达系统对环境的适应能力和抗干扰能力。

第九节长在“屁股”上的眼睛——倒车雷达

很多车主对自己心爱的轿车十分爱惜,别说造成事故,就是有一点小小的刮蹭也足以让他们心痛不已。可是在日常生活中,即使是最出色的车手也无法避免地会出事故,如撞上电线杆、车库、垃圾埇以及其他车辆都非常有可能。比较大型的车子(如SUV)的巨大体积也明显地增加了不少倒车难度。一旦遇上了这些倒霉的小事故,总会让人把好心情弄得乌七八糟,出现人员伤亡就更加不得了。这时如果给爱车装上一个倒车雷达,就再也不会出现这样的事情了。

倒车雷达是一种汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置,能以声音或者更为直观的显示方式向驾驶员显示周围障碍物的详细情况,解除了驾驶员在泊车、倒车和起动车辆时前后左右探视障碍所引起的困扰,并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊等隐患,提高汽车驾驶的安全性。

倒车雷达系统的工作原理就是直接在车的后保险杠或前后保险杠上设置一些雷达侦测器,用以侦测前后方可能遇到的障碍物,帮助驾驶员“看到”前后方的障碍物,或在停车时把握好与其他车的距离。这个装置除了方便车主停车外,还可以保护车身不受意外刮蹭。

倒车雷达是以一种超声波感应器来侦测出离车体最近的障碍物距离,并向车主发出警笛声来警告驾驶者。而警笛声音的控制通常分为两个阶段,当车辆与障碍物的距离达到某一开始侦测的距离时,警笛声音就开始以某一高频的警笛声鸣叫;而当车行至离障碍物更近的某一距离时,则又改以另一种连续的警笛声来告知车主。这种超声波脉冲可以在各种低能见度下的环境中游刃有余地工作。

倒车雷达的优点在于驾驶员可以用听觉感官来获得车体周围有关障碍物的信息,或与其他车之间的距离。倒车雷达系统的作用主要是协助倒车的,所以当达到或超过某一车速时系统功能将会自动关闭。

现在的一些新车已经开始使用了数字无盲区可视倒车雷达系统,比如“尼桑天籁”就采用了一种倒车影像设计,真正做到了无盲区的探测-声音和图像-倒车显示屏显示。

数字式无盲区倒车雷达的工作原理如下:当汽车挂入倒挡后,雷达系统就立即自动启动,内嵌在车后保险杠上的4个或6个超声波传感器开始灵敏地探测后方的可能出现的障碍物。当车体距离障碍物1.5米时,报警系统就会发出“嘀嘀”声,随着向障碍物的靠近,“嘀嘀”声的频率逐渐增加,当汽车与障碍物间距小于0.3米时,“嘀嘀”将转变成另一种连续警报音。

倒车雷达分别有2探头、3探头、4探头、6探头及8探头,其中2~4探头的倒车雷达一般安装在汽车的后保险杆上面,而6~8探头的倒车雷达一般的安装方法是前2后4,或前4后4。通常来说,倒车雷达的探头数量直接反映了倒车雷达的探测覆盖能力,探头数量越多越能减少探测盲区。6个以上探头的倒车雷达在倒车的时候,还可以探测出前左、右角的障碍物和距离。

但是无论倒车雷达如何发展,都不能代替驾驶员自身的判断和操作能力,它们只能起到一种辅助提示的作用,也不可能覆盖所有的探测范围,妥善处理所有的情况,所以时刻保持“小心驾驶”的意识,才能做到平安出行每一天。