论雷达技术的发展与应用及未来展望

论雷达技术的发展与应用及未来展望摘要:雷达是用无线电的方法发现目标并测定它们的空间位置的装置。雷达的发展与使用过程，正是电子技术在军事中应用的缩影，而雷达的未来，更与电子技术息息相关。本文介绍了雷达的发展与应用的历史，重点介绍了相控阵雷达与激光孔径雷达两类雷达的原理与特点，并指出雷达的弱点及未来发展方向关键词：雷达；发展；实战应用；种类；弱点；未来雷达主要用于对远距离物体的方位、距离、高度做精确检测，可以说是现代军事电子技术的代表。随着不断的发展，雷达在战区的警戒、各种新式武器威力的发挥、协同作战的指挥中的地位愈发重要。1雷达的发展与应用雷达的基本工作原理是靠发射探测脉冲和接受被照射目标的回波发现目标。百年的时间里，随着新技术的发展和应用，雷达也在不断发展。1.1雷达的发展史下面是雷达出现前夜相关理论的一系列突破：1842年多普勒（ChristianAndreasDoppler）率先提出利用多普勒效应的多普勒式雷达。1864年马克斯威尔（JamesClerkMaxwell）推导出可计算电磁波特性的公式。1886年赫兹（HeinerichHertz）展开研究无线电波的一系列实验。1888年赫兹成功利用仪器产生无线电波。1897年汤普森（JJThompson）展开对真空管内阴极射线的研究。这些与电磁波相关的科技是雷达的最基本理论。1904年克里斯蒂安•豪斯梅耶（ChristianHulsmeyer）宣称他的“电动镜”可以传输音频，并能够接受到运动物体的回应。可以说，就是这位德国人奠定了这项技术。然而，在一战期间，德国军官们所注意的是无线电通讯。接下来雷达的出现就显得顺理成章了。1933年，鲁道夫•昆德（RudolfKunhold）提出毫米波长可能可以探测出水面船只及飞船的位置。两年后，威廉•龙格（WilhelmRunge）已经能够根据飞机自身所发出的信号计算出50公里以外的飞机位置所在，即使是在夜晚或者有雾的时候。第二次世界大战中的不列颠战役成为雷达正式登场的舞台。法国的迅速陷落，使希特勒有理由相信只需通过空袭便能征服英国。在这一大规模的空战中，纳粹德国空军拥有的飞机数量远远超过了英国皇家空军——2670架对1475架。而英国在雷达方面有优势。1936年1月英国W.瓦特在索夫克海岸架起了英国第一个雷达站。1938年，为保卫英格兰，用七部雷达组成ChainHome雷达网，雷达频率30兆赫。雷达网使德国轰炸机还没到达英吉利海峡即被发现，英国也因此取得了英伦空战的胜利。这场胜利也是第二次世界大战中较大的转折点之一。之后四十年人们更加意识到雷达的重要作用，雷达也因此得到了不断发展，也分出了不同种类。本节余下部分将有选择地概括各个年代的重大进展。1.1.1四十年代四十年代初期(在二次大战期间)，由于英国发明了谐振腔式磁控管，从而在先驱的VHF雷达发展的同时，产生了微波雷达发展的可能性。它开拓了发展L波段(23q厘米波长)和S波段(10厘米波长)大型地面对空搜索雷达和X波段(3厘米波长)小型机载雷达的美好前景。1941年苏联最早在飞机上装备预警雷达。两年后美国麻省理工学院研制出机载雷达平面位置指示器，预警雷达。时至今日，雷达已成为各式飞机不可缺少的组成部分，是实施精确打击和自身防护的必要手段。1.1.2五十年代五十年代标志着雷达进入第二代。它在前两个十年发展的基础上扩展了工艺技术。雷达理论在此时也有了很大的进展。雷达理论的引入是雷达设计具有比以往更扎实的基础，使工程经验更具有信赖性。这个时期所发明的雷达理论概念如匹配滤波器、模糊函数、动目标显示理论已经被广大雷达工程师应用。1.1.3六十年代六十年代的标志是大型电控相控阵的出现以及六十年代后期开始的数字处理技术。相控阵雷达将在1.2.1中具体介绍。六十年代后期，数字技术的日益成熟引起了雷达信号处理的革命。在以模拟技术为主的时代，雷达理论只能有限地应用，只有数字处理技术才使雷达理论付之于实践。为了对付敌人施放的有害干扰，雷达抗干扰技术也在六十年代有新的发展。1.1.4七十年代六十年代后期所兴起的数字处理技术，在七十年代得到了加速发展。这十年中.高分辨力脉冲压缩技术的实用性又前进了一大步，机载的飞机监视雷达方面也取得了巨大进步。1.1.4八十年代雷达数字波束形成技术(DBF)得以迅速发展，成为了提高雷达天线性能中最有希望的技术之一。ＤＢＦ天线技术具有波束形成精度高、波束控制算法灵活、自适应能力强等显著特点。另一突破在于相控阵列雷达。普遍认为：千万量级阵元发射天线数字波束形成技术研究的相控阵列雷达，利用相控阵列雷达的优势与数字波束形成技术相结合，作为雷达收／发机与外部空间的接口，实现空间滤波的设计概念取得的重大突破，才满足了九十年代以后三座标雷达，超视距雷达，各种战略战术雷达的作战要求。1.2雷达的种类雷达的分类方法复杂，种类繁多。这里将选择在现代和未来战争中有重要意义的几类雷达加以介绍。1.2．1相控阵雷达按照天线扫描方式分类，分为机械扫描雷达、相控阵雷达等。相控阵雷达(PAR)是一种以改变雷达波相位来改变波束方向的雷达，因为天线为相控阵形式而得名。相控阵天线是由许多辐射单元排阵所构成的定向天线，各单元的幅度激励和相位关系可控。这就使相控阵雷达具有波束扫描快、波形变化灵活、功率孔径积大、易于全固态化和轻小型化、可靠性高，容易实现天线共形设计、抗干扰能力强等特点。世界上第一部相控阵雷达是德国在“爱神”雷达的基础上研制的。其天线用移相器馈电的2X6个极子阵组成，产生的波束在垂直面可控。第二次世界大战结束后，相控阵雷达的发展更加迅猛，20世纪60年代，相控阵雷达(PAR)的出现主要是为了解决对外空目标的监视问题。从20世纪70年代开始，各种战术相控阵雷达纷纷出现，并且从无源相控阵雷达(PESA)发展到有源相控阵雷达(AESA)。特别是80年代后，砷化稼等半导体器件的出现极大地促进了相控阵雷达的发展。在今天，相控阵雷达正在大量取代传统的机械雷达，广泛地应用于陆基、海基、机载雷达等几乎所有领域。1.2.2脉冲多普勒雷达与合成孔径雷达按照雷达采用的技术和信号处理的方式有相参积累和非相参积累、动目标显示、动目标检测、脉冲多普勒雷达、合成孔径雷达、边扫描边跟踪雷达。这里简述合成孔径雷达。合成孔径雷达(SAR)是一种高分辨力成像雷达，主要利用信号处理技术(合成孔径和脉冲压缩)以小的真实孔径天线来达到高分辨力成像的目的。合成孔径是成像雷达中发展较早并已广泛应用的一种工作方式，其发展历史可追溯到本世纪50年代。40年代末，雷达的距离分辨力己达15m.但对100km处目标的方位分辨力则大于1500m，因此，如何大幅度地改善方位分辨力成为50年代雷达技术研究的重要课题。1951年6月，美国古德伊尔飞机公司的卡尔·威利(CarlWilly)观察到雷达波束斜交的物体反射的回波中有多普勒频移，并指出这一频移与天线波束的宽度有关，将这一信息经滤波提取出来，可以改善雷达的方位分辨力。后来，经威利等人的悉心研究，合成孔径雷达终于问世。由于合成孔径雷达采用了许多先进技术，因而具有许多常规雷达不具有的能力。如:远距离全天候成像能力、高分辨能力、自动目标识别能力、穿透丛林能力以及机上处理能力。合成孔径雷达在军事上的应用有：1)探测敌方纵深军情;2)侦察敌方炮兵阵地、坦克和部队结集区;3)侦察敌方较前沿机场和场内飞机类型;4)侦察敌方交通枢纽，例如火车站及军港;5)经过导弹或飞机轰炸敌方军事设施后评估敌方损失;6)从地杂波中发现敌方运动目标。2雷达的弱点实战是检验武器装备的标准。雷达在实战应用中，展现了它的优势，也体现了它的弱点。当然，所谓弱点很大程度上由于时代所限，是可以改善的。雷达的发展同样也是一个不断克服这些弱点的过程。2.1雷达干扰雷达干扰，是利用雷达干扰设备发射雷达波，或者利用能反射或能衰减无线电波的器材反射或衰减雷达波，从而扰乱敌雷达的正常工作。雷达干扰可分为有意和无意的干扰。其中有意的干扰又可分为无源干扰和有源干扰，是雷达对抗研究的重点。2.1.1无源干扰无源干扰是利用干扰器材反射或衰减无线电波对雷达造成的干扰。无源安排干扰具有多种优点：制作简单，使用方便；具有同时干扰多部雷达的能力。1943年7月25日，在空袭德国汉堡时，美苏联军首次使用干扰箔条250盒，使德军雷达操纵员把790架轰炸机看成几千架。1968年苏军侵捷时，使用电离气悬体对北约监视布拉格方向的雷达网进行干扰，使北约未能发现苏空降兵的任何行动。2.1.2有源干扰有意的有源干扰又称积极干扰，它是由专门的发射机发射一定的电磁波辐射源产生的干扰。有源干扰分为压制性干扰和欺骗性干扰。欺骗性干扰不容易识破，可使导弹制导雷达、炮瞄雷达产生错误的跟踪。１９４４年６月５日—６日夜间，盟军开始了诺曼底登陆。盟军出动１２架飞机每隔１分钟撒下一大束铝箔薄片误导敌人的同时，在盟军真正登陆的地区，也在进行大规模干扰雷达的活动。２４架盟军飞机载着干扰器，沿着敌人盘踞的长达５０英里的海岸线，在距地面１．８万英尺的高空盘旋飞行，不停地干扰敌人设在瑟堡半岛的雷达站。最终成功实施了登陆计划。2.2易受打击雷达辐射的电磁波是可以侦查到的，因此只要研制出辐射源定位系统，就可以研制出专门的反雷达武器。随着制导技术的发展，尤其是从1965年“百舌鸟”反辐射导弹在越南战场上的首次亮相，反辐射导弹成为雷达的克星。美国的“百舌鸟”空地导弹、“标准反辐射导弹”，英、法的“马特尔”，法国的“战槌”导弹，都属反雷达武器。对雷达的硬打击方式不只有反辐射导弹，时至今日，已与电磁能、定向能、动能、化学能以及人的体能等多种领域结合。1999年，北约在对南联盟的空袭中首次使用了电磁脉冲弹，致使南联盟数公里内以雷达为主的各种电子设备遭到严重的物理破坏，电磁脉冲弹的使用也标志着雷达对抗从此真正进入多能选择战术时代。3雷达的未来发展没人知道未来的雷达会发展到何种程度，但是我们可以就雷达现今的发展趋势进行预测。3.1加强抗干扰能力雷达的各种抗干扰的方法，已日趋完备，具有多种抗干扰能力的雷达已开始应用。但干扰与抗干扰的斗争仍是当前雷达发展的一个突出的问题。由于干扰技术日益向综合干扰发展，研究新的综合抗干扰体制成为雷达领域中的重要课题，即联合使用匹配滤波与多波段频率分集雷达，综合统计分析目标特性，进而联合应用各种抗干扰体制。3.2体积和重量用在机载和星载的雷达，都不允许有大体积和大重量。采用高新工艺技术，能促使体积与重量降下来。中国西南电子技术研究所的ST-312战场监视雷达，总重量只有87kg，一个士兵就可以背着走，是当今地面战场上全天候探测地面目标的重要装备。3.3扩大范围自雷达产生开始，我们就希望雷达的覆盖面积越大越好。由此，在未来几年，相控阵雷达将完全取代机械扫描雷达并得到重点发展，如共形相控阵、光控相控阵等。当然，在尽力扩大覆盖面积的同时，也要保持雷达的精度与可靠性，由此可以看出合成孔径雷达也有着广阔的前景。3.4走向太空太空，是人类未来发展的主要方向。雷达搭上星船，是必然会发生的事情。星载激光雷达是把激光雷达系统放在地球轨道平台上进行大气和地面目标探测的一种装置，同时不受地面条件的限制和人为因素的影响，且具有比一般卫星高得多的分辨率和测量精度，具有极高的侦查能力。1994年9月，美国航天飞机“发现号”承载激光雷达上天，进行了有史以来第一次激光雷达空间技术实验(简称LITE)。星载合成孔径雷达则是70年代以后才发展起来，其载体是宇宙飞船。1972年，美国的“阿波罗-17”登月宇宙飞船首次在外层空间使用了合成孔径雷达。各种星载雷达普遍具有覆盖面积大，受限制小的优势，必将在全球和空天战争中发挥巨大作用。总而言之，未来的雷达它会更加可靠，未来雷达它将提供比现在更全面的目标信息，未来雷达它能更成功地在特殊自然环境和人为干扰环境下工作，也希望未来的雷达能用来守卫人类的和平。参考文献：罗伯特﹒L.奥康奈尔，约翰﹒巴彻勒.兵器史〔M〕．海南：海南出版社，2009，366-367褚良才，李心北，吕强等.军事学概论〔M〕.浙江：浙江