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8章 天罗地网——军用雷达(5)

反隐形雷达完全依靠接收空中电磁场的扰动电磁波信号来分辨和还原隐形飞行物的几何尺度、显示方位、高度和速度。

同时,它还能还原出隐形飞行物的平面图形。

雷达在工作的时候根本无须发射任何电磁信号,直接利用全弱电控制系统和工作系统工作,它的非金属探测装置和设备以及良好的电磁波屏蔽措施几乎让它达到完全电磁隐形标准,被敌方电子侦察的发现率为零,它根本不用担心暴露自己行踪,当然也不可能受到反幅射导弹的进攻打击。

因为反隐形雷达根本不需要强大的电磁波发射系统,因而它没必要携带那笨拙的电源供给系统,也没有必要装备笨重庞大的外置天线装置,整个雷达系统的总重量仅有数百千克,方便灵活。

地面型反隐形雷达探测距离很大,可达300千米,探测范围为360度地上半球形空间。它可同时跟踪若干动态目标,并可根据作战需要引导对应数量的导弹发射,具备极其强大的防御性对空攻击能力。

反隐形雷达属于无源全电磁屏蔽型雷达,所以具备强大的战场生存能力。在反隐形雷达的广阔的探测范围之内,所有在空中飞行的军事及民用飞行物都无隐形可言。

当然,一切先进的设备在有它独特的先进一面的同时,还有它的缺陷一面,在电磁领域的王国内永远不会有十全十美的“常胜将军”,有矛就有盾,只有竞争完善才是永恒。

2.矛与盾的角逐-反隐形雷达“集结号”

(1)双/多基地雷达

普通雷达是单基地的,它们把发射机和接收机都安装在同一地点,而且还共用一个天线。而双/多基地雷达则是将发射机和接收机分别安装在相距很远的两个或多个不同地点上,可以安装在任何地方-地面、空中平台或空间平台上。它能极其有效地捕捉到一切雷达反射波,借助高速计算机标绘出空中隐形飞行物休飞过时留下的航迹,并预测之后可能的航向。

隐身飞行器之所以能隐形,它的原理在外形的设计上做到不让入射的雷达波直接反射回雷达,这一招对于单基地雷达很有效果。

但入射的雷达波虽然不会反射回原雷达,可是总会朝各个方向反射,总有一部分反射波会被早已布下的天罗地网-双/多基地雷达中的一个接收机接收到。

美国国防部从20世纪70年代就开始研制、试验这种双/多基地雷达,启动了非常着名的“圣殿”计划,专门研究双基地雷达。

现在他们已完成了各种试验,成功进行了接收机和发射机都安装在地面上、发射机安装在飞机上而接收机安装在地面上、发射机和接收机都安装在空中平台上等在不同地点安装发射机和接收机的试验。

而俄罗斯的防空部队也已经应用了这种双基地雷达来探测预警那些可能入侵的隐形飞机。英国也已经在20世纪70年代末80年代初开始着手研制双基地雷达,它主要用于英国本土的远程预警系统。

(2)宽带/超宽带雷达

那种工作频带很宽的雷达被称为宽带/超宽带雷达。隐身兵器通常为对付工作在某一波段的雷达投机取巧,可以有效避开那个波段的搜索,然而面对覆盖波段很宽的雷达布下的天罗地网,它就无能为力了。天网恢恢,它很可能被超宽带雷达在某一波段中的某一频率的电磁波所探测到。另一方面,超宽带雷达发射出的脉冲宽度极窄,具有相当高的距离分辨率,可探测到天际那边极其微小的目标。目前美国正在这种研制、试验超宽带雷达,并且已经完成了运动目标显示技术方面的研究,将要进一步进行雷达波形等方面的试验。

(3)长波雷达

当雷达工作的波束的波长接近于飞机构件时,如飞机的尾翼、机翼或机身等构件时,这些构件就会起到天线的作用,开始吸收并反射这些雷达工作的电磁波。特别是当雷达的波长是这些构件尺寸的两倍时,无线电波被吸收和反射的效率就会达到最高值。

(4)米波雷达

隐形战机也有弱点,我们可以抓住它的弱点来让它现出原形,它的外形设计和吸波涂层厚度与重量的限制,使它根本难以吸收来探测它的米波,因而使用米波雷达绝对可以探测出这些隐形目标。目前,在米波雷达方面,发展较快的代表是超视距雷达。

(5)新型反隐形雷达

它的代表就是无源雷达,又称被动雷达,它不发射电磁信号,而是通过接收隐形目标的电磁辐射信号来探测目标的位置。此外,还有多频信号雷达,即能产生多种不同频率信号的雷达。

3.隐形技术主要是对付雷达吗?

空中飞行物的隐形技术是在传统的伪装技术上进行延伸和进一步向高级层次发展。隐形物体一般是用新的材料、新的设计和其他新技术对来探测它行踪的雷达实行欺骗的技术。

在隐形飞机运用的新的隐形材料方面,大致有两大类:一类是航天和航空兵器所喜欢采用的那种能吸收雷达波的材料,如碳纤维复合材料;而另一类是涂料,美国和日本都已经制造出这种涂料,它是用铁氧体粉和氯丁橡胶等高分子材料合成的混合涂料,也可以用含有放射性元素“锔”的涂料。当然,还可以在飞机上涂一种轻的塑料和树脂形成可塑性表面,雷达的电磁波碰到后会就会被分解得无影无踪。这样,雷达发出的电磁波,或者受到用特殊材料做成的飞机、导弹外壳的分解抵消,或者受到涂层表面的分解抵消,探测雷达就会失灵,完全触摸不到天空中飞行的目标。

飞行物的隐形技术获得的隐形效果还可以通过改变飞机、导弹的外形来加以实现,通过改变形状,能完美地达到缩小雷达有效反射面积的目的。还有一种达到隐形目的方法就是:采用激光设备替代一部分可被替代的电子设备,采用埋入式或再生式发动机,采用高速燃烧、热量能急速冷却的新型燃料等严密措施,最大可能地减少飞行物上的电子辐射和热辐射,不断提高欺骗雷达的隐身效果。

美军现役隐身效果最好的B-2轰炸机,它的雷达反射截面积竟然做到只有0.1平方米,从雷达上看,它大致与一只飞鸟相当,当然从空中掠过时大多数地面雷达还以为它是一只普通的小飞鸟。

B-2轰炸机的隐身效果无疑是世界上最好的,但它依然有不易对付的对手-俄军新装备的“对手-GE”型雷达。这种雷达在众多其他雷达“万马齐喑”的时候,却能在200千米外捕捉到它那的鬼魅一样的踪迹。“对手-GE”型雷达最多可同时监视150个来犯目标,除了向拦截部队提供精准的距离、高度等参数外,还能自动计算出来犯目标的相对运行速度,实现目标信息精确实时传送。它采用的相控阵雷达天线经过精心思考和设计,整个天线系统由10个相互联系的模块组成,能相互自动调整工作模式,一旦其中有一个模块发生了故障,整个系统能马上进行“自我修补”而自动排除故障。

系统内部的巨大容量的数据库存有全球3.7万个飞行器的外部形状、频率范围和信号特征,每当它的相控阵雷达天线获取可疑目标信息后,只需经过极短时间的数据库特征比对,就能判断出目标具体性质。

它的战时反应速度极快,并且监视距离也非常之远,连太空近地轨道上掠过的卫星也能被纳入“对手-GE”雷达的监视范围。

“对手-GE”雷达的机动性也很强,整套“对手-GE”雷达系统只需要装在两台卡车上就可以完成快速转移,最大机动行程达600千米。

第十节小孔成像,暗藏玄机——合成孔径雷达

1.什么是合成孔径雷达?

合成孔径雷达就是利用雷达与目标的相对运动,把小型的真实天线孔径用数据处理的方法合成一较大的等效天线孔径的雷达。合成孔径雷达有许多优点,它的分辨率非常高,并且能全天候进行工作,能有效地识别各种伪装和穿透掩盖物,地面上的目标休想欺骗它。

合成孔径雷达通常安装在移动的空中或空间飞行物的平台上,利用雷达与目标间的相对运动,将雷达在每个不同位置上接收到的目标回波信号进行相干处理,一旦经过相干处理,就相当于在高空中安装了一个“巨大孔径”的雷达,这样小孔径天线就能获得大孔径天线的探测效果,这种相干技术让它具有很高的目标方位分辨率,再加上应用脉冲压缩技术又能让它获得很高的距离分辨率,因而它能探测到地面的隐身目标。它的原理我们可以举个不很恰当的例子来说明:摄影师用相机从不同的角度给一棵树照相,把前后左右这些相片综合起来,就是这棵树的完整信息。摄影师拍照的角度越多,树的形象也就越清晰。

这种合成孔径雷达在工作按一定的重复频率发送、接收脉冲电波,随着飞行载机的航行,真实天线依次占一虚构线阵天线单元位置。把这些单元天线接收信号的振幅与相对发射信号的相位叠加起来,便合成了一个等效合成孔径天线的接收信号。

若直接把各单元信号矢量进行相加,则又得到非聚焦合成孔径天线信号。在信号相加之前若事先进行相位校正,使各单元信号同相相加,就能得到聚焦合成孔径天线信号的清晰成像。地物反射回来的电磁波由合成线阵天线进行接收后,与发射载波进行相干解调,并按它们不同的反射距离单元记录在照片上,然后用相干光照射照片便聚焦成像。这一过程与全息照相极为相似,差别只是合成线阵天线是一维的点,合成孔径雷达只在原理上与全息照相相似,因而合成孔径雷达又被人们称为准微波全息设备。

合成孔径雷达是一种全天时、全天候的微波成像雷达,具有极高的分辨率,它不仅可以十分详细地、非常准确地观测地形、地貌,获取地球表面的信息,还可以透过地表和自然植被收集地表下面看不到的信息。它是从空间对地观测的一种十分有效的手段,能够生成地面目标区域或地域的高分辨率地图,提供出十分类似于光学照片的雷达图像。合成孔径雷达常用于执行战场侦察、火控、制导、导航、航空测量、航空遥感、卫星海洋观测、资源勘测、地图测绘、环境遥感、航天侦察、图像匹配制导等任务。它能发现地面上隐蔽和伪装的军事目标,如它可以识别出伪装的导弹地下发射井、识别出被云雾笼罩地区的地面目标等。在导弹图像匹配制导过程中,就是采用合成孔径雷达摄图,这样能使导弹击中那些隐蔽和伪装的军事目标。

合成孔径雷达不仅应用于战争领域,还是人类认识地球、开发地球资源的有效工具,并被人类用于深空探测,例如人类已经把装上合成孔径雷达的探测器发射到宇宙中去探测月球、金星的地质结构。

合成孔径已经受到各国政府的高度重视,技术先进的国家都在大力扶持和发展自己的合成孔径技术。一个国家的合成孔径技术的发展水平现在已被认为是衡量和代表这个国家的科技水平与实力的真实象征。近年来,我国也在空(机、星)载合成孔径技术领域取得了骄人的成果。

在军事上,目前装备了合成孔径雷达的飞机包括:各种载人侦察机,比如美国的U-2和SR-71间谍飞机;还有战斗机和轰炸机,比如F-15战斗机和F/A-18战斗轰炸机以及B-2轰炸机。美国研制的“AN/APG-76”多模式合成孔径雷达已经出口到以色列,用于装备他们的F-4E和F-16等空中优势战斗机。

利用合成孔径雷达,人们可以在全天候条件下得到远处的目标地区详细的地面测绘资料和图像,这种侦察能力对于现代侦察任务是至关重要。现在,在无人机上装载合成孔径雷达已经成为一种全球趋势,它的成像分辨率将会越来越高,安全性也将会越来越好。

在恶劣气候下,雷达是最好的探测传感器,其他传感器在这种环境下全都不能正常工作。虽然红外传感器也能够进行夜间工作,但是它同其他电光传感器一样有个缺点,就是不能在严酷恶劣的气候下排除干扰产生清晰的图像。合成孔径雷达能够昼夜不停地工作,并且能够穿透重重尘埃、烟雾和其他各种障碍,摄取重要情报。

合成孔径雷达也具备防区外远距离探测防区的能力,根本不用冒险地直接飞越某一地区而能对这个地区进行详细的地图测绘。因此,它和一般红外和电光传感器相比具备更远距离的工作能力。另外,与红外和电光传感器不同的是,合成孔径雷达的分辨率大小与距离是无关的,它不会随着与探测区的距离增加而降低。在新近美国制定的综合机载侦察战略中,合成孔径雷达因有出色的全天候能力而被美军列为首选的侦察成像手段。迄今为止,人类制造的精度最高的合成孔径雷达的分辨能力已经可以达到0.3米(APG-76雷达),但这仍未达到其物理极限,在未来一段时间内,它将在自动目标识别能力和分辨能力上有不可思议的突破和重大发展。

2.你了解合成孔径雷达技术的形成和发展吗?

合成孔径雷达集孔径合成技术、脉冲压缩技术和信号处理三大技术为一体,使用较短小的天线,获得距离和方位上的高分辨率,把获取的信息经过处理,最后获得高分辨率的雷达图像。在合成孔径技术成像中,有正侧视、斜侧视、前视和聚束定点照射等多种各有特点的模式,它们在成像原理上基本相同。