反隐形神器中国先进米波雷达

刘昱

解放军官方媒体《中国军网》报道：中国研制成功了一种反隐身米波雷达，突破了传统米波雷达的固有弱点，实现了对隐身目标的稳定探测跟踪，该网站还对主持研制该雷达的中电38所专家吴剑旗进行了大力报道，那么该雷达到底是什么神器呢？

中国在雷达技术方面的发展，已經取得了举世瞩目的成果。

雷达如何反隐身？

雷达是现代战争空中作战与对空作战的主要传感器，而隐身飞机为了避免被雷达发现则采取两种措施，第一是使用电子干扰技术让接收机接收到很多相同特征的雷达信号，从而掩盖了真正的目标雷达回波。第二便是使用隐身技术。

隐身飞机用了隐身外形改造与隐身材料涂敷减少雷达回波面积与能量两种方法。前者通过改变飞机外形使得入射到目标上的雷达波与反射面呈大角度倾斜状态，从而折射到其他方向上去。而后者则是将雷达能量吸收掉（这种吸收效果可以换算成RCS的减少）。在采用了这两个措施后，飞机本身的RCS大大减少。现役隐身飞机F-22，其正面RCS极值很小。这使得现役各类雷达对其探测距离仅为十几千米，而在发现它之前，F-22的机载弹药就已经对这些雷达平台进行了攻击，从而实现了首先发现首先摧毁的绝对优势。

然而这种隐身方法也是有其固有弱点，目前的外型设计与材料涂敷的技术针对的主要雷达波段为空中预警机与空情雷达（L、S波段）、各类火控雷达工作的电磁波波段（C、X、Ku），这些波段类隐身飞机的隐身效果非常好，隐身飞机本身的RCS几乎不会发生变化，但在这几个波段之外，飞机想要做到隐身却非常难，这里将波长小于这几个波段的电磁波波段称为高频段，大于这几个波段的电磁波波段称为低频段。在高频段，因飞机材料本身制作工艺问题，在飞机的很多局部无法做到大角度倾斜，因此成为良好的反射体，但问题是，这些高频波本身传播距离会因为大气的吸收效应变得非常短，因此对付隐形飞机除非在高空良好天气状态下，否则不能起到很好的效果，所以高频段反隐身雷达往往不能得到广泛认可。

而在低频段，特别是在波长为米级或更长的波段，虽然理论上RCS会变小，但却因为现役的各种飞机本身飞机部件都在米级（0.1米到10米）范围内，因此会让电磁波照射时发生共振，大大增强飞机回波信号的能量，从而使得隐身失效，因此米波雷达就成了一种有可能突破反隐身技术的新型雷达。1999年南联盟F-117被击落事件中，据当时指挥战斗的营长在接受电视采访时讲，他们就是利用俄罗斯的米波雷达成功抓住了F-117的踪迹，一举击落了它。

那么既然米波雷达可以反隐身，为什么一直以来不被人所重视呢？这就必须提到米波雷达本身具有的一些固有缺陷，而这些缺陷也正是吴剑旗团队所致力于克服的！

隐身飞机针对雷达进行了相应的设计，使其雷达反射截面积相对较小。

米波雷达的固有弱点

与解决方法

米波雷达一直不被人所重视，主要是有5个技术难题难以解决。

一是无法实现目标跟踪和目标识别。

雷达对目标的跟踪能力主要取决于雷达显示屏上的目标信号的刷新速度。在一定时间内，反射回来的波形数量越多，刷新速度自然越快，对目标的跟踪就越好。米波雷达工作在米级波段，在发射能量一定的情况下，在一定时间内，其发射的波形数量较少，这就使米波雷达的目标更新速率非常慢。传统米波雷达只能探测而不能用于跟踪。

二是威力区不连续。

米波雷达的波长较长，地球表面反射现象十分严重，在实际运用中，雷达波信号往往在向下扫描时照射到地面上产生漫反射，漫反射雷达波进入空中照射在目标上之后也会再反射回来被雷达接收机接收，就形成了多径反射，这些信号叫做多径发射波，特别是在低仰角区，反射波和多径反射波进入接收机的能量几乎差不多，而这些雷达波因为是一个发射机发射出去的，因此接收机在接收时会发现他们的信号特征是一致的，所以就无法将他们从特征上区分开。

三是米波雷达无法测高。

米波雷达不能测高的现象主要存在于波束扫描的低仰角区，这一方面是因为其本身波束宽、波长长、角分辨率比较差导致的。另一方面也是因为地面多径反射效应造成的。

米波雷达在俯仰扫描时不可避免地要打地。地面的反射会形成多径效应，导致波瓣分裂，使雷达本身的检测和测量误差急剧增大。俯仰扫描低空时，多径反射波和直达波的夹角一般比较小，并且能够从一个波束宽度内进入，雷达测高一般是波段旋转天线寻找回波信号最强的方向得出目标所在的角度位置，而多径信号则让这一方法完全失效。

测高方面的技术限制让目前的米波雷达普遍都采用两坐标雷达体制，而没有三坐标体制。在具体的空情引导中，两坐标雷达只能告诉飞行员和地导火控雷达对手的大概方位，不能告诉高度，这让引导作战的效率大幅降低。

四是抗干扰能力差。

米波段频带内，除了雷达信号外，还存在大量的民用电台、电视、广播、通信等信号。这些信号功率较强且持续时间较长，一旦进入到米波雷达接收机内，就会使得其信噪比降低，轻则减少探测距离，重则根本无法探测目标。

五是机动性堪忧。

米波雷达天线必须使用尺寸在米级的天线才能在发射和接收米波信号时与其产生共振，增加发射信号强度和接收信号时的灵敏度。但这种雷达天线体积非常大，使用固定部署时生存率较低，而使用机动式部署时难以保证车辆在各类地形上运行时雷达自身的安全，因此往往难以获得较高的机动性。

吴剑旗团队提出了先进米波雷达概念。为了解决雷达刷新率和米波跟踪的问题，先进米波雷达采取了相控阵雷达体制将机扫模式改为电扫，从而大大增加了波形在一定时间的发射量，增加了雷达的探测距离和分辨率和刷新率实现了目标跟踪，在采用一定的算法对目标回波的多普勒频域、幅度、相位、极化进行之后，还可以实现目标识别。

为了解决米波雷达波束宽、打地折射严重又不能进行良好区分的问题，先进米波雷达采取了独立波束、分区保形的设计，还可以根据不同方位扇区的地形情况作出相应的匹配优化。这种设计实际上就是在空间内使用多个独立的扫描波束，对不同区域进行扫描，因为这些波束是独立的，在频率、波形上和回波的方向上都完全不同，所以地面折射回来的多径信号其特征很容易和其他波束分开，这就解决了空域覆盖范围小的问题。

为了解决米波雷达测高的问题。先进米波雷在俯仰范围内将波束分为高仰角区和低仰角区两个区域。在高仰角区域使用天线低副瓣或者“零陷”设计，让多径信号减到最小。雷达接收机在接收反射信号时存在两种通道，第一是主瓣通道，这一通道角度大小等于雷达发射波束的主波束，但增益比较大，能够探测较远的目标，好比手电筒射出光线里最亮的那个小圈。第二是副瓣通道，这一通道角度较大，但增益较小。相当于手电筒射出光线里较大但亮度较小的那些大圈，大多数多径信号杂波是从副瓣进入的，少部分是从主瓣进入的，天线副瓣的“零陷设计”可以理解为使用主动对消技术完全堵死副瓣通道，使用相控阵雷达技术时这比较容易实现，从而消除了多径信号的影响。此时在高仰角区可以采取常规米波雷达的单脉冲测角、多波束比幅/比相测角等方法进行高度测量就有效了。

先进米波雷达抗干扰设计主要包括抗民用电台干扰和军用干扰机干扰两个方面。对于前者，因为民用电台往往采取连续信号，所以无法在时域上进行抗干扰设计，因此先进米波雷达将精力集中在了空域和频域上，空域设计的主要思路是将对先进米波雷达的副瓣进行置零或者抵消，从而使得干扰信号无法从旁瓣进入，而频域设计的方法是则是在先进米波雷达接收通道上预置一个滤波器将杂波滤除。

先进米波雷达横空出世

在解决了以上问题后，先进米波雷达的基本设计思路就出来了。

电磁波是电场和磁场两种场不断振动形成的。电场的振动方向对地面保持水平是水平极化，对于水平方向上面积较大的物体，反射回波较大，更简单来的来说，就是雷达发射和接收天线与地面保持水平。对地面保持垂直则是垂直极化，对于垂直方向面积较大的物理反射的回波较多，就是雷达发射和接收天线与地面保持垂直。振动方向不断改变，但轨迹形成一个圆就是圆极化，就是雷达发射和接收天线是螺旋形等。此外还有一种双极化，就是两幅雷达天线保持90°夹角。显然极化方式不同时对隐形目标的探测能力是不同的。

考虑水平极化和垂直极化两种情况下对隐身飞机的RCS大小对比，经過构建F-22与F-35的数字模型进行仿真模拟显示，水平极化的RCS明显大于垂直极化。

从目标探测的稳定性考虑，双极化结合目标回波的水平/垂直处理，可以大大减少目标回波信号的闪烁效应。从测高性能考虑，垂直极化的多径效应要比水平极化小，所以应该采取垂直极化。

从目标回波的极化匹配考虑。电离层会对电磁波造成极化旋转，造成回波信号极化模式难以判断，因此也应该采取双极化。

从抗干扰角度看，如果能够使得雷达系统的极化方式与干扰信号极化方式正交，则可以大大削弱有源干扰的强度，因此应当采取极化捷变技术。如下图所示红色线为垂直极化波，当遭遇蓝色的水平极化干扰波时，二者重合度非常小，这就让干扰效果大大折扣。

从目标识别来看，目标极化特性也是雷达回波处理是判读目标类型的重要依据，而极化方式越多，经过对比，检测能力越强，因此也应该采取极化捷变技术。综上所述，经过综合平衡，先进米波雷达应当具备极化捷变的能力，在不同的情况下使用不同极化方式从而使其性能达到最佳。

先进米波雷达应当尽量避免外界无线电的干扰规划其使用频率，主要考虑：符合无线电委员会的频率使用规定，避开电视、调配广播和无线电寻呼频段，有利于雷达综合性能（反隐身、抗干扰、机动、探测）等。

首选为了保证隐身性能，先进米波雷达的频段应当处于200兆赫以下，该频段内电磁波与隐形机的共振效应最强，回波信号增长最为明显。

其次先进米波雷达的频段如果太小，温度会对其造成巨大的杂波影响，且天线过大不利于机动性，因此至少要在20兆赫以上，

经过对我国电视信号频段的考察发现， 20兆赫～92兆赫之间全部都有持续不断的无线电干扰，而在167兆赫～200兆赫之间也全部都有无线电干扰。因此先进米波雷达的工作频段应当选择在92兆赫～167兆赫之间。

考察调频广播和无线电呼叫频段，在88-108兆赫之间我国的广播频道十分密集，而在152兆赫以上，无线电寻呼系统则没有空隙。

经过综合考虑，先进米波雷达的工作波段应当选择在108兆赫～152兆赫之间。

先进米波雷达的主要任务是探测隐形飞机，因此其常用模式是对空监视搜索模式，因为具备了跟踪能力，雷达也就有边搜索边跟踪模式。为了雷达能在高山阵地条件下正常工作，还专门设计了可以在低波位进行不同频点工作实现凹口互补的高山工作模式。为了探测弹道导弹，也有弹道导弹探测模式。为了抗干扰雷达有频率捷变、极化捷边等抗干扰工作模式。这些工作模式实际上已经让先进米波雷达成为一台防空反导兼用的空情雷达。

1991年，在经历过海湾战争的震撼之后，刚刚来到电子38所工作一年的吴剑旗把目光放在了反隐身雷达研制上。一年后，吴剑旗就获得了一个旨在研究反隐身雷达的项目——稀布阵综合脉冲孔径雷达试验系统。在研究过程中，吴剑旗慢慢认识到研制米波雷达是克制隐身飞机的利器，虽然米波雷达有许多固有的弱点，被大多数雷达专家所不认同，但敏锐的吴剑旗发现新的数字阵列雷达体制和超分辨处理技术正在蓬勃发展，有可能将这些传统的问题解决，2001年完成了课题研究，11年之后的2012年，首个实用系统被吴剑旗团队完成，达到了预定目标，中国从此不再害怕隐形机！

2013年，在澳大利亚召开阿德莱德召开的国际雷达会议上，吴剑旗作为大会开幕式历史上第一位特邀的亚洲雷达专家就先进米波雷达做了专题报告，引起了热烈反响和国际知名雷达专家的关注。对这些荣誉吴剑旗说道“这不仅仅是科学家个人的成绩和影响力，更代表着我国雷达研究的技术水平和国际地位。”

而他的目光已经投向了远方——更先进的全息感知雷达！

责任编辑：邢强