无源雷达技术的发展
人们在一般情况下提到的雷达,指的是有源雷达。这是一种自身定向辐射出电磁脉冲照射目标,进行探测,定位和跟踪的传统雷达。有源雷达发射的电磁信号会被敌方发现,定位,暴露自己。引来“杀身之祸”,子是人们开始研究自身不辐射电磁波的新体制雷达。这种借助非协同外部辐射源进行探测和定位的被动式雷达,就是无源雷达。
无源雷达的特性及沿革
无源雷达本身并不发射能量,而是被动地接收目标反射的非协同式辐射源的电磁信号,对目标进行跟踪和定位。所谓非协同式外部辐射源,是指辐射源和雷达“不搭界”,没有直接的协同作战关系。这样就使得探测设备和反辐射导弹不能利用电磁信号对无源雷达进行捕捉、跟踪和攻击。
无源雷达系统简单,尺寸小,可以安装在机动平台上、易于部署,订购与维护成本低。无源雷达不发射照射目标的信号,因此不易被对方感知,一般不存在被干扰的问题。它可以昼夜、全天候工作：可连续检测目标,一般为每秒一次,信号源是40—400兆赫的低频电磁波,有利于探测隐身目标和低空目标：不需频率分配,因此可部署在不能部署常规雷达的地区。
无源雷达自身不发射信号,既带来优点也带来缺点。由于依赖于第三方发射机,操作员对照射器无法主动控制,在被探测目标保持无线电静默、照射器又不工作的情况下,无源雷达就成了无源之水,不能发挥作用。此外,一些发射机的有效辐射功率较低,易受干扰和空射诱饵的影响而且要求发射机与目标、目标与接收机以及接收机与发射机之间信号不受阻挡,限制了无源雷达的使用。
其实无源雷达并不是新概念,它的历史几乎与雷达技术本身一样悠久。1935年,罗伯特·沃森·瓦特曾在单基地无源系统中利用英国广播公司发射的短波射频,照射10千米以外的“海福特”轰炸机。在第二次世界大战中也试验过预警无源雷达,如德国的“克莱思·海德堡”(KleineHeidelberg)系统。但当时的系统缺乏足够的处理能力,不能计算出目标的精确坐标。
当前,有很多国家热衷于无源技术的应用研究。美国洛克希德·马丁公司是最先涉足该领域的公司之一,据称依靠电视和无线发射机,其无源系统的探测距离达到220千米以上。美国国防部国防高级研究计划局以及华盛顿大学、乔治亚技术大学等高校和雷声等公司,都开展了这一领域的研究。在欧洲,法国也进行了相应的技术研究工作、意大利演示了样机系统、英国正在研究无源相干雷达和“蜂窝’雷达(Celldar),俄罗斯和捷克也在进行类似研究。
无源雷达的分类
无源雷达系统可以依据探测对象或配置方式来分类。依据配置方式,无源雷达分为固定式(地基)和机动式(安装在潜艇、舰船、飞机、地面车辆等平台上)两大类。无源雷达的探测对象可以是雷达、通信电台或其他无线辐射源,也可以是仅仅反射无线电信号的目标。无源雷达可以依据探测对象的不同,分为利用被探测目标的自身辐射进行探测和跟踪,以及利用外照射源发射的电磁波进行探测和跟踪两大类。
利用被探测目标的自身辐射
在被探测目标本身就是辐射源或携带了辐射源的情况下,无源雷达利用探测目标自身辐射的电磁波进行探测和跟踪。可能的辐射源包括雷达、通信电台、应答机、有源干扰机、导航仪等电子设备。捷克研制的“维拉”系列无源雷达就属于这类无源雷达。
利用外照射源发射的电磁波
这类无源雷达探测的目标本身不直接辐射电磁能量。无源雷达在工作时,通过天线接收来自外部的非协同辐射源(第三方)的直射波,以及该外部辐射源照射目标后形成的反射波或散射波,利用其携带的多普勒频移、多站接收信号的时间差和到达角等信息,经处理后提取目标信息并消除无用信息和干扰,从而完成对目标的探测、定位和跟踪。
可能的非协同方包括广播电台、电社台、通信台站、直接广播系统(DBS)、全球定位系统(GPS)、各种平台上的有原雷达等。美国研制的“沉默哨兵”(SilentSentry)雷达就是这类雷达。利用全球移动通信系统(GSM)发射机的作用距离只有20千米,利用调频无线基站的距离可达100-150千米,而大功率电视发射台的作用距离更远。利用其他雷达发射机的无源系统的作用距离与所用雷达相当。
几款典型的无源雷达
美国的“沉默哨兵”霄达
美国洛克希德·马丁公司从1983年开始研究非协同式双基地无源雷达,于1998年研制出新型的“沉默哨兵”被动探测系统。这种无源雷达利用商业调频无线电台和电视台发射的50～80兆赫连续波信号,检测、跟踪、监视区内的运动目标。该系统由大动态范围数字接收机、相控阵接收天线、每秒千兆次浮点运算的高性能并行处理器及其软件组成。试验证明,它对雷达反射面积10米2目标的跟踪距离可达180千米,改进后可达220千米,能同时跟踪200个以上目标,分辨间隔为15米。
“沉默哨兵”可安装在建筑物和固定结构上,也可安装在飞机、卡车及方舱上以便快速部署。洛·马公司还试验过安装在水面舰艇和潜水艇上的两种系统,这它们一般利用沿海地区的广播系统作为照射源。在潜艇上的系统安装在潜望镜上,采用全向天线,提供直升机或海岸侦察机告警。
固定式“沉默哨兵”系统可实现全空域覆盖,对目标进行实时三维跟踪与监视,数据每秒更新8次,不受气候条件影响,系统成本和维护费用低。相控阵天线采用商用部件,安装在建筑物上,天线尺寸2．3×2．5米。该系统有120°的观察范围,采用数字波束形成技术实现整个扇区覆盖,可跟踪固定翼飞机、旋翼机、巡航导弹和弹道导弹。
快速部署系统用于进行实时数据收集和处理,目前部署在有电力自给能力的拖车上。该拖车安置在大篷内,相控阵天线安装在大蓬侧面,参考天线安装在大蓬顶部。这种特殊材质的大篷起到类似法拉第筒的作用,可防止车内处理器的电磁辐射干扰接收天线的正常工作。拖车内,加固式接收机、处理器和控制站占一半空间,空调系统和发电机放在另一半。
英国的“蜂窝”霄达
英国的“蜂窝”雷达系统可探测、跟踪和识别陆上、海上和空中的移动目标,包括在树丛中运动的车辆,它理论上能够探测野外环境中10～15千米的地面目标和100千米的大型飞机。当目标进入探测区域后,引起蜂窝电话辐射波的反射,这些反射被一部或多部蜂窝电话雷达探测到。检测数据通过通信网络实时传送到中央控制系统,数据在这里进行处理,从而确定目标的位置和速度。该雷达系统除了反射蜂窝电话基站的辐射信号外,还可利用声传感器探测到目标辐射出的噪声,有助于确定目标位置。
“蜂窝”雷达在用于地面
防空时,其相控阵接收机能够采用展开式结构,或集成在伪装网中：在用于无源预警时,可以集成在坦克中或预警机上。该系统还可以用于海岸监视、战场侦察、特种情报收集(例如对机场活动进行秘密的无人监控)、边防安全及近海作战等。沿海岸线部署的“蜂窝”雷达可用于舰船检测、辅助搜救、领航、告警等任务。还可将其安装在预警机上形成无源预警能力,隐蔽地监视空域,探测100千米以外的飞机。
“维拉-E”雷达
“维拉”系列无源雷达由捷克研制。“维拉-E”是该系列的最新型号,可探测定位、识别和跟踪空中、地面和海上目标,对空探测的最大距离为450千米,并可识别目标、生成空中目标图像。
“维拉-E”系统由4部分组成：分析处理中心居中,3个信号接收站呈圆弧线状分布在周围,站与站之间距离在50千米以上。分析处理中心部署在方舱车内,有完整的计算机系统以及通信、指挥和控制系统。信号接收站用重型汽车运载,可灵活部署。接收天线支架竖起时高17米,占地面积9×12米,3个人在1小时内即可竖起天线、进入监视状态。天线外形为圆柱体结构,功耗低、可靠性极高,平均无故障间隔时间达2000小时,可抵御30米／秒的大风。
无源雷达的未来发展
无源雷达系统(尤其是利用外部非协同辐射源的无源雷达),可能是今后10～20年的一个重要的发展方向。随着几大国际通信卫星计划的实施,未来将有1000多颗通信卫星在轨。其中将有许多能发射出足够高的射频能量,地面上大多数地点均会同时受到几个星载辐射源的照射,无源雷达系统可充分利用这些照射源进行目标探测和跟踪。总的来看,无源雷达将会在以下几个方面得到发展：
(1)扩展可用外辐射源的种类。外部的非协同辐射源从最早的电视信号、调频信号,到现在的移动通信信号、全球定位系统卫星信号,以及将来多种卫星信号和其他各种可能的辐射源,可供选择利用的外辐射源种类将日渐增多。
(2)雷达目标的傅立叶成像。伊利诺斯州大学的研究人员已证实,可用无源多基地雷达产生飞机目标的合成孔径图像。利用不同频率和不同位置的多部发射机,就可为某个目标建立一个傅立叶域的稠密数据集合,通过逆傅立叶变换就可以重构该目标的图像。
(3)不同平台无源雷达的组网。由于可供使用的外辐射源信号种类繁多,不同的辐射源信号占据了不同的频段,同一目标在不同频段会有不同的雷达特性。因此,为尽可能地提高对目标的探测能力,可以将不同平台的无源雷达进行组网。
(4)无源雷达与有源雷达相结合。当外界电磁辐射设备关机或无法利用时,无源雷达就无法对目标进行探测定位。因此,可考虑将无源雷达与有源雷达结合使用。如以双／多基地方式合理布设无源和有源雷达,当外界电磁辐射不存在或无法利用时,利用无源雷达接收己方有源雷达的直射信号与目标的反射信号,对目标进行探测。这样既提高了无源雷达的利用率,又增强了有源雷达的隐蔽性和生存能力。