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机载雷达的时间简史

2020-04-02 13:29

雷达是利用无线电作为探测手段的传感设备,其已有一百多年的发展历史。雷达发射电磁波对目标进行照射并接收其回波,由此获得目标至电磁波发射点的距离、距离变化率(径向速度)、方位、高度等信息。随着数字信号处理技术的飞速发展以及相应的硬件水平不断提升,当前雷达系统已应用普及到诸多领域,如汽车辅助驾驶、遥测遥感、地质勘探、大气探测等。  然而,随着电磁环境逐渐复杂,各种干扰技术层出不穷,具有灵活对抗干扰能力、更强的目标检测性能、适应多变环境的新体制雷达成为各大应用领域的迫切需求。多输入多输出(Multiple-input Multiple-output)雷达就是把无线通信系统中的多个输入和多个输出技术引入到雷达领域,并和数字阵列技术相结合而产生的一种新体制雷达,简称“MIMO雷达”。  2003年,美国林肯实验室的Bliss和Forsythe首次提出MIMO雷达的概念,其是指同时发射多种雷达信号波形,一般采用的是多个天线同时发射不同的波形,“Multiple-output”是指多个天线同时接收回波信号,并通过多路接收机输出以获得多通道空间采样信号。根据发射和接收天线中各单元的间距大小,可以将MIMO雷达分为分布式MIMO雷达和集中式MIMO雷达两类。分布式MIMO雷达中收发天线各单元分布式布局,带来对目标的多角度探测视野, 提高雷达对目标的探测性能;集中式MIMO雷达的收发天线各单元相距较近,,各个天线单元对目标的视角近似相同,但是每个阵元可以发射不同的信号波形, 从而获得波形分集,通过不同波形的特征来集中分析目标特性。这就带来许多优良特点,如改善系统的能量利用率、提高测角精度、提高杂波抑制能力及低截获能力。  MIMO雷达改良了传统雷达的相关缺陷,具有良好的应用发展前景。早期的扫描雷达只发射一种频率的信号波形,配合单一的接收机接收,可以看做单输入单输出雷达;单脉冲雷达只发射一种信号波形, 一般有两路(和波束与差波束或者左波束和右波束)接收机输出,,其属于单输入双输出雷达。MIMO雷达综合了上述雷达的优缺点,在输入输出端都采用了多路收发技术,具有极大的应用潜力。

1940年2月,英国科学家发明磁控管,第一次使得雷达工作频率从米波提高到分米波,从而使得雷达终于进入微波时代(雷达波长如果短至分米以下,则称为微波波段)。雷达工作在微波波段带来的好处是巨大的。由于频率提高、波长缩短,所以可以允许天线在做得比较小的情况下仍然有很强的方向性,另外磁控管也解决了雷达工作频率提高以后的功率放大难题,首次让雷达工作在分米波长上并产生高达1千瓦的功率。

1935年,英国科学家罗伯特.沃森.瓦特爵士(发明蒸汽机的那位瓦特先生的后代),显然继承了其祖先的优秀基因,成为世界上第一部雷达的研制者。当时正值第二次世界大战前。那时的轰炸机在战争中已经扮演了重要的角色,为了发现入侵的轰炸机,最初只能利用光学(如探照灯)或声学的手段,显然,这种方法提供的预警时间太短,不能满足防空需要。为了缓解巨大的防空压力,英国人可谓绞尽脑汁。

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雷达先驱者们的不幸

在相控阵技术中,波束指向的变化是由每一个天线单元的相位变化来实现的。相控阵雷达在每一个天线单元(如缝隙)后面,都会安装一个移相器,用来改变它的相位。而我们知道,从天线射出的波束是每一个天线单元辐射出的电磁波在功率和相位两个方面进行相加的结果。那么,每一个天线单元的功率如何决定呢?早期的相控阵雷达,有一个工作在很高的电压(高达上万伏)上的发射机,产生很大的功率,通过功率分配网络把功率分配到这些天线单元中,每一个天线单元自身辐射功率就是集中式发射机分配得到的,天线单元自身并不能自主地辐射功率,因此称为无源相控阵雷达。

擦亮飞机上的神眼

如何提高发射机的功率呢?可以对一定振荡频率(可以认为与雷达在空间辐射的电磁波的频率相同)的电流通过放大器放大,然后再送至天线。实际上这是发射机最主要的功用。但是,放大器的放大能力与电磁波的工作频率直接相关。频率越低,放大越容易。早期的雷达,其电磁波频率只能在300兆赫以下(对应的电磁波波长大于1米,称为米波),本土链雷达的工作频率只有11.5兆赫,波长26米。当然,如果器件水平只允许雷达工作在较低的频率,而雷达工作在较低频率上又没有什么坏处的话,那就让它工作在低频段上好了,但情况并没有那么简单。雷达电磁波的工作频率还直接影响到雷达把能量集中到空中去发射的能力,即天线性能。人们把雷达电波从天线辐射出来的能量在空间的分布用波瓣图来表示。雷达能量最集中的区域称为主瓣,其余的区域就叫副瓣,又叫旁瓣。雷达天线把能量集中到主瓣宽度内发射的能量和雷达向全方位同等辐射能量的比值,称为天线的增益。雷达能量在空间越集中,主瓣宽度(一般为几度以下)就越小,增益就越高。在天线尺寸一定的情况下,雷达波长越长,主瓣波束宽度越宽,增益越小;或者说,在雷达波长选定以后,为了获得尽量窄的波束宽度和尽量高的增益,应该尽量把天线个头做大。

平面阵列天线诞生于20世纪60年代,相比之前的锅形天线,又将天线增益提高了一到两个数量级,这有利于扩展机载雷达的探测距离。通过提高天线汇聚能量的能力来使雷达看得更远,而又不会明显增加雷达的体积和重量。

1936年,美国无线电公司开发出一种小型电子管,可产生波长1.5米,工作频率200兆赫的电磁波,这成为人们把雷达装上飞机的一根“救命稻草”。1937年8月,世界上第一部机载雷达试验机由英国科学家爱德华•鲍恩领导的研究小组研制成功,并把它安装在一架双发动机的“安森”飞机上,探索作为截击雷达的可能性,这架“安森”飞机便成为最早载有雷达的飞机。不过雷达的功率虽然只有区区100瓦,但却让飞行员们感到不安——他们认为,雷达可能引起火花并点燃油箱,而且,雷达的天线会妨碍飞机的机动飞行。

前面说过,为了提高雷达的距离分辨力,以及测距的准确性,希望脉冲宽度越窄越好。另一方面,以脉冲方式工作的雷达,脉冲越宽,也就是每次发射能量的持续时间越长,里面包含的能量也就越多,回波也就可能蕴含更多的能量,这对于提高雷达的发现距离是有利的,所以,雷达脉冲又是宽一些好。那么,如何解决提高发射能量和提高距离分辨力的矛盾呢?答案就是脉冲压缩。这是继20世纪50年代出现的单脉冲技术后,机载雷达发展史上的又一次重大技术突破。

到了20世纪80年代,军事强国对机载雷达的设计工作已经得心应手,新型号的研制速度很快。随着半导体集成电路和计算机技术的发展,雷达迅速迈向多功能化的同时也在不断瘦身——1973年,历时10年研制成功的AN/AWG-9雷达,采用机械旋转天线,其直径0.91米,雷达重量高达612千克,是当时最大的机载火控雷达,工作模式不到10种,可靠性只有数小时。到了2005年F-22的AN/APG-77雷达采用有源相控阵技术,天线直径为1米,重量只有200千克,可靠性达到2 000小时,有20种以上的工作模式。

雷达通过发射机产生一定振荡频率的电流,送至天线后通过电磁感应现象把电能变成电磁波辐射到空间;电磁波碰到物体后会向各个方向反射,其中一部分会返回雷达(称为后向散射),被天线接收并送至雷达接收机,在显示器上显示。如果我们能够提高发射机产生的功率,并且使得从天线辐射出去的电波能量在空间尽量集中,就能使得电波能够在更远的距离上触及目标。这正像我们在说话时,如果需要离自己很远的人也能听见,可以做两件事,要么扯起嗓子喊,要么拿一个喇叭。雷达提高探测距离的这两个基本办法,在专业上称为提高“功率孔径积”。

但是,技术的发展,永远会超出普通人的想象。让雷达在完善自身探测性能的同时,还能提供通信、侦察和干扰等能力,正在全世界范围内广泛开展研究,并持续取得进展。虽然看起来雷达作为独立的系统正在走向消亡,可是从另外一个角度去看,又何尝不是在扩展自己的领地呢?返回搜狐,查看更多

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缝隙除了开在波导上以外,也可以开在微带传输线上。微带传输线和波导一样,都是传送电流或电磁场的通道,一根根的微带传输线也可以象波导一样排成阵列。所以,很多时候,人们将波导缝隙或微带缝隙天线统称平面缝隙阵列天线。

21世纪的机载雷达,将在不断完善自身的同时,逐渐与飞机上的其他航电系统融为一体。美国空军在上世纪80年代初提出了“数字航空电子综合系统”、“宝石柱”和“宝石台”计划,数航系统已在上世纪80年代设计的雷达型号上实现;2005年的F-22服役,则标志着“宝石柱”计划已在新世纪得以推行。在第一阶段,雷达失去了自己的显示器,与飞机上的其他仪表系统集成在一起;在第二阶段,随着计算机技术的发展,雷达又失去了信号处理和数据处理分系统,只剩下发射、接收和天线三个分系统。通用信号处理器(CIP)将雷达同F-22飞机上的光电、红外、无源和电子战系统的信息一起处理。同时,飞机航电系统的数据开始在光纤传输上传输,传输速率可达10吉比特/秒以上,而传统的1553总线传输速率只有1兆比特/秒。各种航电系统挂在基于光纤传输的总线上集成起来,并且多达60余种本应由硬件实现的功能都已经由软件实现。

20世纪70年代,在通信技术的发展过程中,人们第一次认识到,如果平板天线中每一个缝隙的相位都能调整和控制,那么,从平板中心射出的波束不仅能够垂直于平板方向,而且能够指向其他方向。如果让每两个相邻缝隙的相位差连续改变,则指向就会从垂直于平板中心向其方向连续变化,这种效果实际上就是扫描,而不用转动平板天线——这就是所谓的相控阵技术。这一技术被迅速地利用到雷达技术中去,掀开了雷达发展的新篇章。

那么,如何使得机载雷达具有明察秋毫的下视能力,使得它能够把弱小的目标回波从强大的地面反射回波中区分提取出来呢?在没解决杂波剔除问题之前,机载雷达基本上只能在海面上空工作,经过自上世纪30年代后期至60年代的发展,机载雷达无论是发现海面上的舰船,还是看海面上空的飞机,都已经具备了差强人意的能力。但直到70年代初脉冲多普勒(PD)技术的成熟,才使得机载雷达真正具备全空域工作的能力,能够在陆地上空较好地发挥作用。

1935年初,瓦特开发出一部能够接收电磁波的设备。当年6月,瓦特领导的团队赶制出了世界上的第一部雷达。多座高塔是这部雷达的最显著特征,高塔之间挂列着平行放置的发射天线,而接收天线则放置在另外的高塔上。7月,这部雷达探测到海上的飞机。1936年5月,英国空军决定在本土大规模部署这种雷达,称为“本土链”(Chain Home),到1937年4月,本土链雷达工作状态趋于稳定,能够探测到160千米以外的飞机;到了8月,已经有3个本土链雷达站部署完毕。而到了1939年初,投入使用的雷达站增加到20个,形成贯通英国南北的无线电波防线。

无心插柳的空海监视雷达

从地基起步

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脉冲压缩,鱼与熊掌可以兼得

雷达对角度的测量,则要复杂一些。由于雷达的波束有一定宽度,为了覆盖全方位,雷达波束就需要旋转起来,正像人的眼睛有一定的视角范围,为了看清身体两侧和身后的物体,就必须转身一样。

人们在说起机载雷达性能时,常常提到“具有下视下射能力”。要能“下射”,“下视”(雷达的波束往下指向)是前提,只有能够发现位于己方飞机下方的目标,才能进行打击。而雷达的波束往下指向后,电波不仅会打到需要探测的飞机目标上,还会打到地面上,而来自地面的回波(称为杂波)能够比来自飞机的回波强百万倍以上,从而将目标淹没,雷达不能发现目标。

小玩意儿的大玄机

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米格-31是世界上最早装备无源相控阵雷达的战斗机。目前,俄罗斯的无源相控阵技术已经非常成熟,米格-29和苏-27/30系列都广泛应用,取代原来的机械扫描雷达。有源相控阵技术从上世纪70年代中期才开始探索,至本世纪初,随着F-22及其AN/APG-77雷达的服役,才标志着有源相控阵火控雷达的成熟。

雷达有两大基本功——测距和测角。

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如果要增大天线,飞机上的空间不允许;如果要提高电波频率和发射功率,器件水平又不允许,而且,早期的电子技术,无法直接在一个较高的频率上产生电流振荡,如果要让雷达工作频率提高,就只能采用一级一级的电路逐级提高工作频率,这无疑又会增加设备的数量、重量和体积。因此,早期的机载雷达发展面临严重的困难。

平面阵列天线从外观上看,象是一块平板,而不象抛物面那样是一个曲面。波导缝隙(又称“裂缝”)阵列天线就是用得最多的平面阵列天线。顾名思义,“波导缝隙阵列”就是把波导——根根排列起来组成阵列,并且在阵列上开出缝隙。波导是电磁波从发射机输送到天线以及从天线输送到接收机的通道。波导中以电流或电磁场形式传输的电磁波,在“缝隙”处辐射出去并在空间进行合成,以在某个方向上形成窄波束;而在接收时,则在雷达发射电波的方向上收集返回的大部分雷达能量,当然,每个缝隙所接收到的电磁波也要合成,以便形成接收波束。

化整为零,从无源到有源

集中式发射机由于工作在高压,很容易发生打火现象,由于发射机只有1个,一旦打火失效,整部雷达也就失效了。实际上,自成功地将雷达搬上飞机以来,可靠性低一直妨碍着机载雷达的应用。在第三代战斗机F-14刚刚服役时,AWG-9火控雷达的平均故障间隔时间(MTBF)只有几小时,使之难以形成有效的战斗力;经过了几十年的努力,第三代战斗机雷达的可靠性也只有100小时左右,相对于其他电子设备的数千小时仍有1至2个数量级的差距。究其原因,一是极端恶劣环境下机载雷达高功率电子器件的可靠性低;二是高速运动的机械雷达天线成为大量故障的诱因。无源相控阵解决了机械旋转天线的问题,并使得波束旋转不再需要克服巨大的机械惯性而具有更大的灵活性,但对于高功率集中式发射机的可靠性问题,仍然无能为力。

天线上的各个缝隙之间到底间隔多大的距离排布,有一个简单而重要的规律,那就是必须相隔半个波长,无论是高度方向上还是水平方向上,都服从这个规律。如果间距太大,各个缝隙射出的电波能量在空间合成时不容易汇聚到一起,因此,各个缝隙需要“紧密团结”;可如果各个缝隙太“亲近”,也就是间距太小,各个缝隙射出的电磁波又容易互相干扰、互相打架,正所谓“距离产生美”,因此,间距半波长为宜。

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脉冲压缩技术就是在发射脉冲时,脉冲宽度很宽,在接收时,则把它压窄。脉冲压窄意味着频率变高,而频率越高,通过接收机的速度就越快。脉冲的接收过程相当于把宽脉冲分成很多段,如果不作脉冲压缩,那么这些段是先后依次通过接收机。如果作脉冲压缩,就是在第一段通过的同时,让第二段赶上第一段,第二段和第一段就同时通过了。然后让第三段赶上第二段,第四段赶上第三段……,所有的回波段就全赶在同一个时间段通过接收机了。因为要让后面的段赶上前面的段,所以,后面段的信号频率就要依次增高,越靠后面的段频率越快。

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