第-1-章-雷達(dá)原理-(第三版-丁鷺飛)-緒論

第一章緒論

1.1雷達(dá)的任務(wù)

1.2雷達(dá)的基本組成

1.3雷達(dá)的工作頻率

1.4雷達(dá)的應(yīng)用和發(fā)展

1.5電子戰(zhàn)與軍用雷達(dá)的發(fā)展1.1雷達(dá)的任務(wù)1.1.1雷達(dá)回波中的可用信息當(dāng)雷達(dá)探測到目標(biāo)后,就要從目標(biāo)回波中提取有關(guān)信息:可對目標(biāo)的距離和空間角度定位,目標(biāo)位置的變更率可由其距離和角度隨時間變更的規(guī)律中得到，并由此建立對目標(biāo)跟蹤;雷達(dá)的測量假如能在一維或多維上有足夠的辨別力,則可得到目標(biāo)尺寸和形態(tài)的信息;接受不同的極化，可測量目標(biāo)形態(tài)的對稱性。原理上，雷達(dá)還可測定目標(biāo)的表面粗糙度及介電特性等。目標(biāo)在空間、陸地或海面上的位置,可以用多種坐標(biāo)系來表示。最常見的是直角坐標(biāo)系,即空間任一點目標(biāo)P的位置可用x、y、z三個坐標(biāo)值來確定。在雷達(dá)應(yīng)用中,測定目標(biāo)坐標(biāo)常接受極(球)坐標(biāo)系統(tǒng),如圖1.1所示。圖中,空間任一目標(biāo)P所在位置可用下列三個坐標(biāo)確定:(1)目標(biāo)的斜距R：雷達(dá)到目標(biāo)的直線距離OP;(2)方位角α：目標(biāo)斜距R在水平面上的投影OB與某一起始方向(正北、正南或其它參考方向)在水平面上的夾角。圖1.1用極(球)坐標(biāo)系統(tǒng)表示目標(biāo)位置(3)仰角β：斜距R與它在水平面上的投影OB在鉛垂面上的夾角,有時也稱為傾角或凹凸角。如須要知道目標(biāo)的高度和水平距離,那么利用圓柱坐標(biāo)系統(tǒng)就比較便利。在這種系統(tǒng)中,目標(biāo)的位置由以下三個坐標(biāo)來確定:水平距離D，方位角α，高度H。這兩種坐標(biāo)系統(tǒng)之間的關(guān)系如下:D=Rcosβ，H=Rsinβ，α=α上述這些關(guān)系僅在目標(biāo)的距離不太遠(yuǎn)時是正確的。當(dāng)距離較遠(yuǎn)時,由于地面的彎曲,必需作適當(dāng)?shù)男薷?。圖1-2雷達(dá)的原理及其基本組成由雷達(dá)放射機(jī)產(chǎn)生的電磁能,經(jīng)收發(fā)開關(guān)后傳輸給天線,再由天線將此電磁能定向輻射于大氣中。電磁能在大氣中以光速(約3×108m/s)傳播,假如目標(biāo)恰好位于定向天線的波束內(nèi),則它將要截取一部分電磁能。目標(biāo)將被截取的電磁能向各方向散射,其中部分散射的能量朝向雷達(dá)接收方向。雷達(dá)天線搜集到這部分散射的電磁波后,就經(jīng)傳輸線和收發(fā)開關(guān)饋給接收機(jī)。接收機(jī)將這微弱信號放大并經(jīng)信號處理后即可獲得所需信息,并將結(jié)果送至終端顯示。1.目標(biāo)斜距的測量雷達(dá)工作時,放射機(jī)經(jīng)天線向空間放射一串重復(fù)周期確定的高頻脈沖。假如在電磁波傳播的途徑上有目標(biāo)存在,那么雷達(dá)就可以接收到由目標(biāo)反射回來的回波。由于回波信號來回于雷達(dá)與目標(biāo)之間,它將滯后于放射脈沖一個時間tr,如圖1.3所示。我們知道電磁波的能量是以光速傳播的,設(shè)目標(biāo)的距離為R,則傳播的距離等于光速乘上時間間隔,即2R=ctr

或式中,R為目標(biāo)到雷達(dá)站的單程距離,單位為m;tr為電磁波來回于目標(biāo)與雷達(dá)之間的時間間隔,單位為s;c為光速，c=3×108m/s。由于電磁波傳播的速度很快,雷達(dá)技術(shù)常用的時間單位為μs,回波脈沖滯后于放射脈沖為一個微秒時,所對應(yīng)的目標(biāo)斜距離R為能測量目標(biāo)距離是雷達(dá)的一個突出優(yōu)點,測距的精度和辨別力與放射信號帶寬(或處理后的脈沖寬度)有關(guān)。脈沖越窄,性能越好。圖1.3雷達(dá)測距2.目標(biāo)角位置的測量目標(biāo)角位置指方位角或仰角,在雷達(dá)技術(shù)中測量這兩個角位置基本上都是利用天線的方向性來實現(xiàn)的。雷達(dá)天線將電磁能量匯合在窄波束內(nèi),當(dāng)天線波束軸對準(zhǔn)目標(biāo)時,回波信號最強(qiáng),如圖1.4實線所示。當(dāng)目標(biāo)偏離天線波束軸時回波信號減弱,如圖上虛線所示。依據(jù)接收回波最強(qiáng)時的天線波束指向,就可確定目標(biāo)的方向,這就是角坐標(biāo)測量的基本原理。天線波束指向事實上也是輻射波前的方向。圖1.4角坐標(biāo)測量3.相對速度的測量有些雷達(dá)除確定目標(biāo)的位置外,還需測定運動目標(biāo)的相對速度,例如測量飛機(jī)或?qū)楋w行時的速度。當(dāng)目標(biāo)與雷達(dá)站之間存在相對速度時,接收到回波信號的載頻相對于放射信號的載頻產(chǎn)生一個頻移,這個頻移在物理學(xué)上稱為多卜勒頻移,它的數(shù)值為式中,fd為多卜勒頻移，單位為Hz;vr為雷達(dá)與目標(biāo)之間的徑向速度，單位為m/s;λ為載波波長，單位為m。當(dāng)目標(biāo)向著雷達(dá)站運動時,vr＞0,回波載頻提高;反之vr＜0,回波載頻降低。雷達(dá)只要能夠測量出回波信號的多卜勒頻移fd,就可以確定目標(biāo)與雷達(dá)站之間的相對速度。徑向速度也可以用距離的變更率來求得,此時精度不高但不會產(chǎn)生模糊。無論是用距離變更率或用多卜勒頻移來測量速度,都須要時間。觀測時間愈長，則速度測量精度愈高。多卜勒頻移除用作測速外,更廣泛的是應(yīng)用于動目標(biāo)顯示(MTI)、脈沖多卜勒(PD)等雷達(dá)中，以區(qū)分運動目標(biāo)回波和雜波。4.目標(biāo)尺寸和形態(tài)假如雷達(dá)測量具有足夠高的辨別力,就可以供應(yīng)目標(biāo)尺寸的測量。由于很多目標(biāo)的尺寸在數(shù)十米量級,因而辨別實力應(yīng)為數(shù)米或更小。目前雷達(dá)的辨別力在距離維已能達(dá)到,但在通常作用距離下切向距離(RQ)維的辨別力還遠(yuǎn)達(dá)不到,增加天線的實際孔徑來解決此問題是不現(xiàn)實的。然而當(dāng)雷達(dá)和目標(biāo)的各個部分有相對運動時,就可以利用多卜勒頻率域的辨別力來獲得切向距離維的辨別力。例如，裝于飛機(jī)和宇宙飛船上的SAR(綜合孔徑)雷達(dá),與目標(biāo)的相對運動是由雷達(dá)的運動產(chǎn)生的。高辨別力雷達(dá)可以獲得目標(biāo)在距離和切向距離方向的輪廓(雷達(dá)成像)。此外,比較目標(biāo)對不同極化波(例如正交極化等)的散射場,就可以供應(yīng)目標(biāo)形態(tài)不對稱性的量度。困難目標(biāo)的回波振幅隨著時間會變更,例如，螺旋槳的轉(zhuǎn)動和噴氣發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)動將使回波振幅的調(diào)制各具特點,可經(jīng)過譜分析檢測到。這些信息為目標(biāo)識別供應(yīng)了相應(yīng)的基礎(chǔ)。1.1.2雷達(dá)探測能力——基本雷達(dá)方程設(shè)雷達(dá)發(fā)射機(jī)功率為Pt,當(dāng)用各向均勻輻射的天線發(fā)射時,距雷達(dá)R遠(yuǎn)處任一點的功率密度等于功率被假想的球面積4πR2所除,即實際雷達(dá)總是運用定向天線將放射機(jī)功率集中輻射于某些方向上。天線增益G用來表示相對于各向同性天線,實際天線在輻射方向上功率增加的倍數(shù)。因此當(dāng)放射天線增益為G時,距雷達(dá)R處目標(biāo)所照射到的功率密度為目標(biāo)截獲了一部分照射功率并將它們重新輻射于不同的方向。用雷達(dá)截面積σ來表示被目標(biāo)截獲入射功率后再次輻射回雷達(dá)處功率的大小,或用下式表示在雷達(dá)處的回波信號功率密度:σ的大小隨具體目標(biāo)而異,它可以表示目標(biāo)被雷達(dá)“望見”的尺寸。雷達(dá)接收天線只收集了回波功率的一部分,設(shè)天線的有效接收面積為Ae,則雷達(dá)收到的回波功率Pr為當(dāng)接收到的回波功率Pr等于最小可檢測信號Smin時,雷達(dá)達(dá)到其最大作用距離Rmax,超過這個距離后,就不能有效地檢測到目標(biāo)。1.2雷達(dá)的基本組成圖1.5脈沖雷達(dá)基本組成框圖1.3雷達(dá)的工作頻率依據(jù)雷達(dá)的工作原理,不論放射波的頻率如何,只要是通過輻射電磁能量和利用從目標(biāo)反射回來的回波,以便對目標(biāo)探測和定位,都屬于雷達(dá)系統(tǒng)工作的范疇。常用的雷達(dá)工作頻率范圍為220~35000MHz(220MHz~35GHz),事實上各類雷達(dá)工作的頻率在兩頭都超出了上述范圍。例如天波超視距(OTH)雷達(dá)的工作頻率為4MHz或5MHz,而地波超視距的工作頻率則低到2MHz。在頻譜的另一端,毫米波雷達(dá)可以工作到94GHz,激光(Laser)雷達(dá)工作于更高的頻率。工作頻率不同的雷達(dá)在工程實現(xiàn)時差別很大。雷達(dá)的工作頻率和整個電磁波頻譜示于圖1.6,事實上絕大部分雷達(dá)工作于200MHz至10000MHz頻段。由于70年頭中制成能產(chǎn)生毫米波的大功率管,毫米波雷達(dá)已獲得試制和應(yīng)用。目前在雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域里常用頻段的名稱,用L、S、C、X等英文字母來命名。這是在其次次世界大戰(zhàn)中一些國家為了保密而接受的,以后就始終延用下來,我國也常常接受。圖1.6雷達(dá)頻率和電磁波頻譜表1.1雷達(dá)頻段和對應(yīng)的頻率22cm為中心的20~25cm(S代表10cm為中心,相應(yīng)地,C代表5cm,X代表3cm,Ku代表2.2cm,Ka代表8mm等)。表中還列出國際電信聯(lián)盟安排給雷達(dá)的具體波段,例如,L波段包括的頻率范圍應(yīng)是1000MHz到2000MHz,而L波段雷達(dá)的工作頻率卻被約束在1215MHz到1400MHz的范圍。1.4雷達(dá)的應(yīng)用和發(fā)展1.4.1應(yīng)用狀況軍用雷達(dá)按戰(zhàn)術(shù)來分可有下列主要類型:#;1)預(yù)警雷達(dá)(超遠(yuǎn)程雷達(dá))它的主要任務(wù)是發(fā)覺洲際導(dǎo)彈,以便及早發(fā)出警報。它的特點是作用距離遠(yuǎn)達(dá)數(shù)千公里,至于測定坐標(biāo)的精確度和辨別力是次要的。目前應(yīng)用預(yù)警雷達(dá)不但能發(fā)覺導(dǎo)彈,而且可用以發(fā)覺洲際戰(zhàn)略轟炸機(jī)。2)搜尋和警戒雷達(dá)其任務(wù)是發(fā)覺飛機(jī),一般作用距離在400km以上,有的可達(dá)600km。對于測定坐標(biāo)的精確度、辨別力要求不高。對于擔(dān)當(dāng)保衛(wèi)重點城市或建筑物任務(wù)的中程警戒雷達(dá)要求有方位360°的搜尋空城。3)引導(dǎo)指揮雷達(dá)(監(jiān)視雷達(dá))這種雷達(dá)用于對殲擊機(jī)的引導(dǎo)和指揮作戰(zhàn),民用的機(jī)場調(diào)度雷達(dá)亦屬這一類。其特殊要求是:(1)對多批次目標(biāo)能同時檢測;(2)測定目標(biāo)的三個坐標(biāo),要求測量目標(biāo)的精確度和辨別力較高,特殊是目標(biāo)間的相對位置數(shù)據(jù)的精度要求較高。4)火控雷達(dá)其任務(wù)是限制火炮(或地空導(dǎo)彈)對空中目標(biāo)進(jìn)行瞄準(zhǔn)攻擊,因此要求它能夠連續(xù)而精確地測定目標(biāo)的坐標(biāo),并快速地將射擊數(shù)據(jù)傳遞給火炮(或地空導(dǎo)彈)。這類雷達(dá)的作用距離較小,一般只有幾十公里,但測量的精度要求很高。5)制導(dǎo)雷達(dá)它和火控雷達(dá)同屬精密跟蹤雷達(dá),不同的是制導(dǎo)雷達(dá)應(yīng)付的是飛機(jī)和導(dǎo)彈,在測定它們的運動軌跡的同時,再限制導(dǎo)彈去攻擊目標(biāo)。制導(dǎo)雷達(dá)要求能同時跟蹤多個目標(biāo),并對辨別力要求較高。這類雷達(dá)天線的掃描方式往往有其特點,并隨制導(dǎo)體制而異。6)戰(zhàn)場監(jiān)視雷達(dá)這類雷達(dá)用于發(fā)覺坦克、軍用車輛、人和其它在戰(zhàn)場上的運動目標(biāo)。7)機(jī)載雷達(dá)這類雷達(dá)除機(jī)載預(yù)警雷達(dá)外，主要有下列數(shù)種類型:(1)機(jī)載截?fù)衾走_(dá)。當(dāng)殲擊機(jī)依據(jù)地面指揮所吩咐,接近敵機(jī)并進(jìn)入有利空域時,就利用裝在機(jī)上的截?fù)衾走_(dá),精確地測量敵機(jī)的位置,以便進(jìn)行攻擊。它要求測量目標(biāo)的精確度和辨別率高。(2)機(jī)載護(hù)尾雷達(dá)。它用來發(fā)覺和指示機(jī)尾后面確定距離內(nèi)有無敵機(jī)。這種雷達(dá)結(jié)構(gòu)比較簡潔,不要求測定目標(biāo)的精確位置,作用距離也不遠(yuǎn)。(3)機(jī)載導(dǎo)航雷達(dá)。它裝在飛機(jī)或艦船上，用以顯示地面或港灣圖像,以便在黑夜和大雨、濃霧狀況下,飛機(jī)和艦船能正確航行。這種雷達(dá)要求辨別力較高。(4)機(jī)載火控雷達(dá)。20世紀(jì)70年頭后的戰(zhàn)斗機(jī)上火控系統(tǒng)的雷達(dá)往往是多功能的。它能空對空搜尋和截獲目標(biāo)，空對空制導(dǎo)導(dǎo)彈，空對空精密測距和限制機(jī)炮射擊，空對地視察地形和引導(dǎo)轟炸，進(jìn)行敵我識別和導(dǎo)航信標(biāo)的識別,有的還兼有地形跟隨和回避的作用,一部雷達(dá)往往具有七八部雷達(dá)的功能。對于機(jī)載雷達(dá)共同的要求是體積小、重量輕、工作牢靠性高。8)無線電測高儀它裝置在飛機(jī)上。這是一種連續(xù)波調(diào)頻雷達(dá),用來測量飛機(jī)離開地面或海面的高度。9)雷達(dá)引信這是裝置在炮彈或?qū)楊^上的一種小型雷達(dá),用來測量彈頭旁邊有無目標(biāo),當(dāng)距離縮小到彈片足以擊傷目標(biāo)的瞬間,使炮彈(或?qū)楊^)爆炸,提高了擊中目標(biāo)的命中率。在民用雷達(dá)方面,舉出以下一些類型和應(yīng)用#;1)氣象雷達(dá)這是視察氣象的雷達(dá),用來測量暴風(fēng)雨和云層的位置及其移動路途。2)航行管制(空中交通)雷達(dá)在現(xiàn)代航空飛行運輸體系中,對于機(jī)場四周及航路上的飛機(jī),都要實施嚴(yán)格的管制。航行管制雷達(dá)兼有警戒雷達(dá)和引導(dǎo)雷達(dá)的作用,故有時也稱為機(jī)場監(jiān)視雷達(dá),它和二次雷達(dá)協(xié)作起來應(yīng)用。二次雷達(dá)地面設(shè)備放射詢問信號,機(jī)上接到信號后,用編碼的形式,發(fā)出一個回答信號,地面收到后在航行管制雷達(dá)顯示器上顯示。這一雷達(dá)系統(tǒng)可以鑒定空中目標(biāo)的高度、速度和屬性,用以識別目標(biāo)。3)宇宙航行中用雷達(dá)這種雷達(dá)用來限制飛船的交會和對接,以及在月球上的著陸。某些地面上的雷達(dá)用來探測和跟蹤人造衛(wèi)星。4)遙感設(shè)備安放在衛(wèi)星或飛機(jī)上的某種雷達(dá),可以作為微波遙感設(shè)備。它主要感受地球物理方面的信息,由于具有二維高辨別力而可對地形、地貌成像。雷達(dá)遙感也參與地球資源的勘探,其中包括對海的狀況、水資源、冰覆蓋層、農(nóng)業(yè)森林、地質(zhì)結(jié)構(gòu)及環(huán)境污染等進(jìn)行測量和地圖描繪。也曾利用此類雷達(dá)來探測月亮和行星(雷達(dá)天文學(xué))。此外，在飛機(jī)導(dǎo)航,航道探測(用以保證航行平安),馬路上車速測量等方面,雷達(dá)也在發(fā)揮其主動作用。為了滿足多種用途不同的要求,已研制了各雷達(dá)。例如,依據(jù)雷達(dá)信號的形式分類,可以分為以下幾類：1)脈沖雷達(dá)此類雷達(dá)放射的波形是矩形脈沖,按確定的或交織的重復(fù)周期工作,這是目前運用最廣的。2)連續(xù)波雷達(dá)此類雷達(dá)放射連續(xù)的正弦波,主要用來測量目標(biāo)的速度。如需同時測量目標(biāo)的距離,則往往需對放射信號進(jìn)行調(diào)制,例如，對連續(xù)的正弦信號進(jìn)行周期性的頻率調(diào)制。3)脈沖壓縮雷達(dá)此類雷達(dá)放射寬的脈沖波,在接收機(jī)中對收到的回波信號加以壓縮處理,以便得到窄脈沖。目前實現(xiàn)脈沖壓縮主要有兩種。線性調(diào)頻脈沖壓縮處理和相位編碼脈沖壓縮處理。脈沖壓縮能解決距離辨別力和作用距離之間的沖突。20世紀(jì)70年頭研制的新型雷達(dá)絕大部分接受脈沖壓縮的體制。此外，還有脈沖多卜勒雷達(dá)、噪聲雷達(dá)、頻率捷變雷達(dá)等。也可以按其它標(biāo)準(zhǔn)對雷達(dá)進(jìn)行分類,例如:#;(1)按角跟蹤方式分,有單脈沖雷達(dá)、圓錐掃描雷達(dá)、隱藏錐掃雷達(dá)等。(2)按測量目標(biāo)的參量分,有測高雷達(dá)、兩坐標(biāo)雷達(dá)、三坐標(biāo)雷達(dá)、測速雷達(dá)、目標(biāo)識別雷達(dá)等。(3)按信號處理方式分,有各種分集雷達(dá)(頻率分集,極化分集等等)、相參或非相參積累雷達(dá)、動目標(biāo)顯示雷達(dá)、合成孔徑雷達(dá)等。(4)按天線掃描方法分,有機(jī)械掃描雷達(dá)、相控陣?yán)走_(dá)、頻掃雷達(dá)等。1.4.2雷達(dá)的發(fā)展20世紀(jì)70年頭以來,雷達(dá)的性能日益提高而應(yīng)用范圍也持續(xù)拓寬,舉例如下:(1)由于VHLSI和VLSI的迅猛發(fā)展,數(shù)字技術(shù)和計算機(jī)的應(yīng)用更為廣泛深化,表現(xiàn)在:①動目標(biāo)檢測(MTD)和脈沖多卜勒(PD)等雷達(dá)的信號處理機(jī)更為精致、敏捷,性能明顯提高。②自動檢測和跟蹤系統(tǒng)得到完善,提高了工作的自動化程度。(2)綜合孔徑雷達(dá)(SAR)由于具有很高的距離和角度(切向距)辨別實力而可以對實況成像;逆綜合孔徑(ISAR)雷達(dá)則可用于對目標(biāo)成像。成像處理中已用數(shù)字處理代替光學(xué)處理。(3)更多地接受困難的大時寬帶寬脈壓信號，以滿足距離辨別力和電子反對抗的須要。(4)高牢靠性的固態(tài)功率源更為成熟,可以組成一般固態(tài)放射機(jī)或分布于相控陣?yán)走_(dá)的陣元上組成有源陣。(5)很多場合可用平面陣列天線代替拋物面天線,陣列天線的基本優(yōu)點早可以快速和敏捷地實現(xiàn)波束掃描和波束形態(tài)變更，因而有很好的應(yīng)用前景，例如：①在三坐標(biāo)雷達(dá)中實現(xiàn)一維相掃。②獲得超低副瓣,用于機(jī)載雷達(dá)或抗干擾。③組成自適應(yīng)旁瓣相消系統(tǒng)以抗干擾。④相控陣?yán)走_(dá)連續(xù)出現(xiàn),不僅用于戰(zhàn)略而且也用于戰(zhàn)術(shù)雷達(dá),如制導(dǎo)、戰(zhàn)場炮位偵察等。圖1.7收發(fā)共用一個放射機(jī)、接收機(jī)的簡化相控陣?yán)走_(dá)方框圖目標(biāo)區(qū)分是一個通常用于反彈道導(dǎo)彈(ARM)雷達(dá)處理中的術(shù)語。它用來在雷達(dá)接收到的一片“目標(biāo)”中選擇出最有威逼的再入彈頭。到達(dá)的一片“目標(biāo)”中大多數(shù)是助推器或末級導(dǎo)彈的碎片，以及有意放置的各種誘餌。若要實現(xiàn)目標(biāo)區(qū)分，必需測量以下參數(shù)：(1)彈道參數(shù)(重量/阻力比)及其隨高度的變更，要觀測大氣及外目標(biāo)的減速；(2)有效散射面積(RCS)及其起伏特性；(3)目標(biāo)后面電離尾跡的存在、速度及其速度分布；(4)用寬帶波形獲得目標(biāo)的距離剖面；(5)用高距離辨別和ISAR處理獲得目標(biāo)的二維像；(6)用VHF波段的寬頻觀測來獲得目標(biāo)響應(yīng)的固有諧振點；(7)RCS或目標(biāo)部分散射單元的極化比。1.5電子戰(zhàn)與軍用雷達(dá)的發(fā)展1.5.1電子戰(zhàn)的科學(xué)定義電子戰(zhàn)(EW)的科學(xué)定義,我們在這里干脆引用我國原機(jī)電部部標(biāo)《雷達(dá)對抗術(shù)語》的有關(guān)內(nèi)容如下:電子戰(zhàn)(EW)是指“敵我雙方利用無線電電子裝備或器材所進(jìn)行的電磁信息斗爭,電子戰(zhàn)包括電子對抗和電子反對抗”。電子對抗(ECM)是指“為了探測敵方無線電電子裝備的電磁信息,減弱或破壞其運用效能所實行的一切戰(zhàn)術(shù)、技術(shù)措施”。電子反對抗(ECCM)是指“在敵方實施電子對抗條件下保證我方有效地運用電磁信息所接受的一切戰(zhàn)術(shù)、技術(shù)措施?！彪娏藢?ECM)包括電子偵察、電子干擾、偽裝、隱身和摧毀。與之相應(yīng)的電子反對抗就包括反偵察、反干擾、反隱身和反摧毀。電子對抗的摧毀是指接受電子措施而實現(xiàn)的對敵電子設(shè)備的火力摧毀,例如反輻射導(dǎo)彈就是一種電子對抗的摧毀措施,用以摧毀敵方的雷達(dá)、通信站、導(dǎo)航臺等電子裝備。表1.2電子戰(zhàn)的科學(xué)定義示意圖1.5.2雷達(dá)反干擾1.與天線有關(guān)的電子抗干擾1)旁瓣消隱(SLB)這種技術(shù)只對低占空系數(shù)的脈沖干擾或掃頻干擾才有效,高占空系數(shù)的脈沖或噪聲干擾會使主通道在大部分時間內(nèi)關(guān)閉,從而使雷達(dá)失效。旁瓣消隱的組成框圖如圖1.8(b),它增加了一個全向的協(xié)助天線和一個并行的接收通道,其中協(xié)助天線的增益約比主天線的最大旁瓣增益高出3~4dB。將協(xié)助通道信號與主通道信號相比較,當(dāng)前者較后者大時，則主通道內(nèi)的信號必是經(jīng)旁瓣進(jìn)入的,此時波門開啟,阻擋旁瓣干擾信號進(jìn)入接收機(jī),因而不被顯示。圖1.8旁瓣消隱系統(tǒng)(SLB)(a)SLB主、輔天線方向圖;(b)SLB系統(tǒng)框圖2)旁瓣相消(SLC)這種技術(shù)是用來抑制通過天線旁瓣進(jìn)入的高占空比和類噪聲干擾的。旁瓣相消的組成框圖如圖1.9所示。運用一個或多個協(xié)助天線,對協(xié)助通道信號的相位和幅度進(jìn)行自適應(yīng)限制并將其輸出與主通道合并,便會在干擾機(jī)方向產(chǎn)生合成天線方向圖響應(yīng)的零點,即旁瓣進(jìn)入的干擾被相消,通過連續(xù)地自適應(yīng)地調(diào)整協(xié)助通道信號的振幅和相位,即可使合成方向圖的零點跟蹤干擾機(jī)而達(dá)到旁瓣相消。實現(xiàn)自適應(yīng)旁瓣相消系統(tǒng)相當(dāng)困難,特殊是當(dāng)要求相消效果好的時候。假猶如時有多個方向的干擾機(jī)產(chǎn)生旁瓣干擾,則相消系統(tǒng)的協(xié)助天線也要多個。事實上，至少須要N個協(xié)助天線方向圖在振幅和相位上分別限制來強(qiáng)迫主天線接收方向圖在N個方向形成零點。圖1.9自適應(yīng)旁瓣相消系統(tǒng)(SLC)(a)原理框圖;(b)天線方向圖圖1.10自適應(yīng)天線陣列自適應(yīng)陣的理論在70年頭初期已獲得解決,其基本結(jié)果表現(xiàn)在最佳權(quán)矢量的公式上:式中,M=E［V*VT］為N維協(xié)方差矩陣,其中V則是天線陣元所收到的N維干擾矢量;S為天線陣元收到的目標(biāo)信號矢量,目標(biāo)來自確定方向。依據(jù)空間干擾狀況設(shè)置最佳權(quán)值,從而變更天線方向圖,使之在消退干擾的同時增加目標(biāo)信號而在陣列輸出端得到最大的信號干擾功率比值,因此,自適應(yīng)陣列是一個最佳空域濾波器。原則上,N個陣元的陣列可以同時形成N-1個方向圖零點,以應(yīng)付(N-1)個方向的干擾源。2.與放射機(jī)有關(guān)的電子抗干擾不同類型的ECCM的實現(xiàn),就是適當(dāng)?shù)乩煤拖拗品派湫盘柕墓β?、頻率和波形。1)增加有效輻射功率這是一種對抗有源干擾的強(qiáng)有力的手段,此方法可增加信號/干擾功率比。假如再協(xié)作天線對目標(biāo)的“聚光”照射,便能明顯增大此時雷達(dá)的探測距離。雷達(dá)的放射要接受功率管理，以減小平常雷達(dá)被偵察的概率。2)放射頻率在放射頻率上可接受頻率捷變或頻率分集的方法,前者是指雷達(dá)在脈沖與脈沖間或脈沖串與脈沖串之間變更放射頻率,后者是指幾部雷達(dá)放射機(jī)工作于不同的頻率而將其接收信號綜合利用。這些技術(shù)代表一種擴(kuò)展頻譜的電子抗干擾方法,放射信號將在頻域內(nèi)盡可能展寬，以降低被敵方偵察時的可檢測度,并且加重敵方電子干擾的負(fù)荷而使干擾更困難。3)放射波形編碼波形編碼包括脈沖重復(fù)頻率跳變、參差及編碼和脈間編碼等。全部這些技術(shù)使得欺瞞干擾更加困難,因為敵方將無法獲悉或無法預(yù)料放射波形的精確結(jié)構(gòu)。脈內(nèi)編碼的可壓縮困難信號,可有效地改善目標(biāo)檢測實力。它具有大的平均功率而峰值功率較小;其較寬的帶寬可改善距離辨別力并能減小箔條類無源干擾的反射;由于它的峰值功率低,使輻射信號不易被敵方電子支援措施偵察到。因此，接受此類困難信號的脈沖壓縮雷達(dá)具有較好的ECCM性能。3.與接收機(jī)、信號處理機(jī)有關(guān)的電子抗干擾1)接收機(jī)抗飽和經(jīng)天線反干擾后殘存的干擾假如足夠大,則將引起接收處理系統(tǒng)的飽和。接收機(jī)飽和將導(dǎo)致目標(biāo)信息的丟失。因此，要依據(jù)雷達(dá)的用途研制主要用于抗干擾的增益限制和抗飽和電路。而已接受的寬-限-窄電路是一種主要用來抗掃頻干擾,以防接收機(jī)飽和的特地電路。2)信號鑒別對抗脈沖干擾的有效措施是接受脈寬和脈沖重復(fù)頻率鑒別電路。這類電路測量接收到脈沖的寬度和(或)重復(fù)頻率后,假如發(fā)覺和放射信號的參數(shù)不同,則不讓它們到達(dá)信號處理設(shè)備或終端顯示去。3)信號處理技術(shù)現(xiàn)代雷達(dá)信號處理技術(shù)已經(jīng)比較完善,例如用來消退地面和云雨雜波的動目標(biāo)顯示(MTI)和動目標(biāo)檢測(MTD),對于消退箔條等干擾是同樣有效的。除了上述相參處理外,非相參處理的恒虛警率電路可以用提高檢測門限的方法來減小干擾的作用。在信號處理機(jī)中獲得的信號積累增益是一種有效的電子抗干擾手段。1.5.3隱身和反隱身的斗爭雷達(dá)探測和跟蹤目標(biāo)的實力依靠于接收到的回波信號功率與干擾功率的比值,信號功率正比于目標(biāo)的雷達(dá)有效反射面(RCS)σt,而干擾功率則可能是接收機(jī)內(nèi)部噪聲或外部的有源和無源干擾。敵方入侵飛機(jī)只要設(shè)法降低此比值，就可使我方雷達(dá)性能惡化而有利于它的行動。降低飛行器自身的RCS即可達(dá)到上述目的,這項技術(shù)稱之為飛行器的隱身技術(shù),它減小了目標(biāo)的可觀測性。RCS下降后對雷達(dá)探測性能的影響為:當(dāng)雷達(dá)探測實力受限于噪聲(內(nèi)部噪聲或干擾)時,由于接收到的信號功率Sr可表示為則當(dāng)目標(biāo)的RCS由原來的σt0下降為σt時,探測距離R與原探測距離R0的關(guān)系為當(dāng)其RCS降低12dB或近似為95%時,探測距離將減小一半。當(dāng)雷達(dá)是在雜波背景下探測目標(biāo)時,例如在低擦地角φ時,接收到的信雜比為這時由于σt削減而引起的性能下降是驚人的。有關(guān)系可見，目標(biāo)的RCS降低一半,相應(yīng)的探測距也將下降一半。目標(biāo)RCS的下降引起回波信號減弱也會加強(qiáng)任一種主動干擾的效果。因此在電子戰(zhàn)中,世界各國都重視隱身技術(shù)的探討。以美國為例,從20世紀(jì)50年頭起先就在U-2,P-2V等高空偵察機(jī)上接受吸波材料(RAM)等隱身措施以減小飛機(jī)的RCS。70年頭中期研制的B1-B戰(zhàn)略轟炸機(jī),其RCS只有原B-52的3%~5%,從而使雷達(dá)對它的探測距離下降58%。80年頭以來,飛行器隱身技術(shù)有了突破性進(jìn)展,第三代隱形飛機(jī)F-117A(戰(zhàn)斗轟炸機(jī))和B-2已于80年頭末期裝備部隊,它們的RCS約下降20~30dB,使雷達(dá)的探測距離下降為原值的1/3~1/6。第四代隱形飛行器亦處于試飛階段。隱形飛機(jī)再加上障礙隱形(低空、超低空背景或電子干擾掩護(hù))對雷達(dá)的威逼更為嚴(yán)峻。1991年海灣斗爭的戰(zhàn)例充分表明隱身飛機(jī)在現(xiàn)代斗爭中所起到的隱藏、突襲作用。雷達(dá)作為防衛(wèi)和武器限制系統(tǒng)的主要探測器,正面臨隱身飛行器的嚴(yán)峻挑戰(zhàn),必需主動發(fā)展反隱身技術(shù)來迎接這一挑戰(zhàn),以保證雷達(dá)能在預(yù)定的空域探測到隱身飛行器。反隱身技術(shù)的二種可能途徑是:針對隱身飛行器造成的影響,提高現(xiàn)有雷達(dá)的性能去克服它;針對隱身技術(shù)現(xiàn)存缺點并利用其不足去抗擊它。飛行器的隱身技術(shù)主要包括外形設(shè)計、涂覆電波吸取材料(RAM)和選用新的結(jié)構(gòu)材料等方法。隱身飛機(jī)的隱身效果(RCS下降)不是全方位的,它主要是減小從正前方(鼻錐)旁邊,水平±45°,垂直±3°,范圍照射時的后向散射截面,而目標(biāo)其它方向,特殊是前向散射RCS明顯增大,因此可以接受在空間不同方向接收隱身目標(biāo)散射波進(jìn)行空間分集來發(fā)覺它。另一方面，涂覆的吸波材料有確定的頻帶范圍,通常是2~18GHz,也就是說，涂覆的吸波材料對長的波長是無效的。當(dāng)飛行器尺寸和工作波長可以相比時,其RCS進(jìn)入諧振區(qū),外形設(shè)計對隱身的作用會明顯下降。這就是說，米波或更長波長的雷達(dá)具有良好的反隱身實力。以上表明，可從頻率域進(jìn)行反隱身。1.發(fā)揮單基地雷達(dá)的潛力為彌補(bǔ)目標(biāo)RCS下降所造成的探測距離的縮短,應(yīng)接受提高雷達(dá)放射功率和天線孔徑乘積,接受頻率、極化分集,優(yōu)化信號設(shè)計和改善信號處理等措施。如用相控陣?yán)走_(dá),則較簡潔實現(xiàn)上述要求并可增加電子戰(zhàn)實力。2.接受先進(jìn)的組網(wǎng)技術(shù)這也是探測隱身飛機(jī)的有效手段,方法是各種工作頻率的雷達(dá)聯(lián)網(wǎng),網(wǎng)中雷達(dá)從各個不同視角觀測目標(biāo),多站信息合成實現(xiàn)空間分集。特殊要提到,組網(wǎng)中的米波雷達(dá)本身就有良好的反隱身實力,它的不足之處是角辨別力差和確定可變帶寬窄。為了利用米波雷達(dá)反隱身,已在探討克服其缺點的途徑,例如，正探討的綜合脈沖與天線的米波分布陣?yán)走_(dá)就可較好地克服上述缺點。3.超視距后向散射(OTH-B)雷達(dá)這是一種工作在3~30MHz短波頻段,利用電離層返回散射傳播機(jī)理,實現(xiàn)對地平線以下超遠(yuǎn)程(700~3500km)運動目標(biāo)進(jìn)行探測的新體制陸基雷達(dá),其工作原理如圖1.11所示。OTH-B雷達(dá)探測距離遠(yuǎn),覆蓋面積大,單部雷達(dá)60°扇面覆蓋區(qū)可達(dá)百萬平方公里,可應(yīng)付有人或無人駕駛的轟炸機(jī)、空對地導(dǎo)彈和巡航導(dǎo)彈之類的噴氣式武器的低空突襲；特殊是，可對洲際導(dǎo)彈放射進(jìn)行早期預(yù)警是其突出的優(yōu)點。圖1.11高頻天波(OTH-B)雷達(dá)原理圖OTH-B雷達(dá)由于工作在高頻波段,其波長為10~60m,大部分飛行器的尺寸及其主要結(jié)構(gòu)的特征尺寸均與其波長接近或小于波長,因此目標(biāo)的散射處于諧振區(qū)或瑞利區(qū),其RCS會大于光學(xué)區(qū)的RCS。處于瑞利區(qū)時,其RCS與目標(biāo)形態(tài)的細(xì)微環(huán)節(jié)無關(guān)而只同其體積或照射面積有關(guān),亦即外形設(shè)計隱身這時是無效的。在此工作頻段吸取材料的作用也是無效的,而且OTH-B的電波被電離層反射后自上而下照射目標(biāo)這正是隱身外形設(shè)計最薄弱的視角。由此可見，超視距雷達(dá)OTH-B是探測隱身目標(biāo)最有希望的手段。OTH-B雷達(dá)也存在局限性。因為它是靠電離層反射傳播的,而電離層的高度和參數(shù)隨時間變更,所以難以完善預(yù)料,有時甚至導(dǎo)致雷達(dá)不能正常工作;近區(qū)盲距可達(dá)600~900km,定位誤差數(shù)十公里。因此這種雷達(dá)只能用于早期預(yù)警。4.雙/多基地雷達(dá)1)雙基地雷達(dá)工作的基本特點由于雙基地雷達(dá)的放射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)分置的距離較遠(yuǎn),這就產(chǎn)生了雙基地雷達(dá)不同的測量坐標(biāo)系和技術(shù)實現(xiàn)的困難性。圖1.12單波束連續(xù)掃描時的脈沖追逐單基地雷達(dá)收發(fā)系統(tǒng)置于同一處,收發(fā)之間工作時的時間和相位(頻率)同步依靠機(jī)內(nèi)的頻率源和同一時鐘來供應(yīng),由于收、發(fā)共用天線,放射和接收波束在空間的覆蓋是相同的,空間同步也自然得到保證。雙基地雷達(dá)收發(fā)分置后,時間和相位(頻率)的同步須要從放射站供應(yīng)基準(zhǔn)傳送到接收站,或收發(fā)均用高穩(wěn)定性的原子頻標(biāo)經(jīng)校正得到同步?？臻g的同步問題更為困難,放射信號沿放射波束傳播,不同時間放射能量照射到不同空域,只有處于該空域的目標(biāo)才可能產(chǎn)生散射,因此，接收波束必需在任何時候都要指向放射能量照射的空域，以便接收回波散射能量,如圖1.12所示。亦即空間同步要保證任一時刻收發(fā)天線波束覆蓋同一空域。當(dāng)放射波束接受窄波束進(jìn)行空間掃描時,接收波束應(yīng)能敏捷、快速地在空間掃描,對放射脈沖的空間位置進(jìn)行追逐,這種方式稱為脈沖追逐式空間同步。要實現(xiàn)接收波束的快速可控掃描,可以接受數(shù)字波束形成(DBF)技術(shù)來實現(xiàn)。圖1.13雙基地雷達(dá)測量坐標(biāo)(二維)雙基地雷達(dá)可根據(jù)不同的情況可測得θt,θR,Rt,Rt+RR等值,根據(jù)圖示的雙基地三角形,即可求解目標(biāo)在空間的位置x,y。雙基地雷達(dá)的測量精度和分辨力均和目標(biāo)在空間的位置有關(guān),特別是和雙基地角β直接關(guān)聯(lián)。與單基地雷達(dá)相比較,其距離和橫向分辨力均將增加一個因素,即cos(β/2)＜1,測量精度和分辨力下降,特別是在基線附近β≈180°,cos(β/2)≈0,則將喪失距離分辨力。陸基雙基地雷達(dá)收發(fā)站均不運動,當(dāng)目標(biāo)運動速度為v時,接收信號的多卜勒頻率為式中，δ為速度矢量與雙基地角等分線之間的夾角,β角等分線正交于等距離和的橢圓軌跡的切線(等距離和橢圓軌跡的二個焦點分別是放射站和接收站)。因此,υcosδ一項和單基地雷達(dá)的徑向速度相當(dāng),而在雙基地雷達(dá)中還要乘上位置因子cos(β/2)。在基線旁邊,β≈180°,則fβ≈0。可以看出,當(dāng)β≈180°時,雖然前向散射σf明顯增大,但在此區(qū)工作的雙基地雷達(dá)存在明顯的性能缺陷:距離和多卜勒辨別力極差,fβ≈0。從放射機(jī)到接收機(jī)的直達(dá)信號將和前向散射信號同時到達(dá)而產(chǎn)生干涉等。2)雙基地雷達(dá)截面積σB雙基地雷達(dá)探測實力正比于雙基地雷達(dá)截面積σB。隱身飛行器只能在鼻錐方向有限角度范圍內(nèi),因而明顯削減了單基地雷達(dá)所用的后向散射σM。要探討雙/多基地雷達(dá)的反隱身,首先必需探討σB的變更規(guī)律。雙基地雷達(dá)截面積σB較之單基地雷達(dá)截面積σM更為困難。因為σB是視線角和雙基地角β的函數(shù)。依據(jù)β值的不同，σB可大致劃分為三個區(qū)域,其內(nèi)容如下:(1)偽單基地RCS區(qū)。此區(qū)域的σB可以用單雙基地等效定理來確定，即當(dāng)λ遠(yuǎn)小于目標(biāo)尺寸時,平滑且導(dǎo)電目標(biāo)的雙基地