無源雷達(dá)系統(tǒng)的基本原理和分類

引言

1999年3月，在北約對(duì)南聯(lián)盟的空襲行動(dòng)中, 一架美國F- 117A戰(zhàn)斗機(jī)倚仗先進(jìn)的隱形性能有恃無恐單機(jī)飛進(jìn)。當(dāng)它快飛到貝爾格萊德上空時(shí)就被南軍“塔馬拉”無源雷達(dá)探測(cè)和鎖定。南軍地空導(dǎo)彈部隊(duì)果斷發(fā)射兩枚老式薩姆-3型導(dǎo)彈，一舉將它擊落在貝爾格萊德以西40千米的布賈諾伏契村附近?！八R拉”無源雷達(dá)打破了隱形飛機(jī)不可發(fā)現(xiàn)的神話。歡慶的南軍民在F-117A殘骸上舉起嘲諷的標(biāo)語:“對(duì)不起，我們不知道你是隱形的!”。

1、基本原理

無源雷達(dá)系統(tǒng)可以在電磁隱蔽的條件下完成對(duì)目標(biāo)的探測(cè)和定位，從而彌補(bǔ)有源雷達(dá)系統(tǒng)的不足。無源雷達(dá)本身并不發(fā)射能量，而是被動(dòng)地接收目標(biāo)反射的非協(xié)同式輻射源的電磁信號(hào)，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤和定位。所謂非協(xié)同式外部輻射源，是指輻射源和接收目標(biāo)反射信號(hào)的雷達(dá)“非相關(guān)”，沒有直接的協(xié)同作戰(zhàn)關(guān)系。這樣探測(cè)設(shè)備和反輻射導(dǎo)彈就不能利用電磁信號(hào)對(duì)無源雷達(dá)進(jìn)行捕捉、跟蹤和攻擊。這就使得無源雷達(dá)在戰(zhàn)時(shí)具有很高的生存能力，保證了有源雷達(dá)遭到攻擊摧毀時(shí)指揮所需的飛機(jī)、導(dǎo)彈等空中飛行情報(bào)信息。

無源雷達(dá)系統(tǒng)簡單，尺寸小，可以安裝在機(jī)動(dòng)平臺(tái)上、易于部署，訂購與維護(hù)成本低。無源雷達(dá)不發(fā)射照射目標(biāo)的信號(hào)，因此不易被對(duì)方感知，一般不存在被干擾的問題。它可以晝夜、全天候工作：可連續(xù)檢測(cè)目標(biāo)，一般為每秒一次，信號(hào)源是40-400兆赫的低頻電磁波，有利于探測(cè)隱身目標(biāo)和低空目標(biāo)：不需頻率分配，因此可部署在不能部署常規(guī)雷達(dá)的地區(qū)。

其實(shí)無源雷達(dá)并不是新概念，它的歷史幾乎與雷達(dá)技術(shù)本身一樣悠久。1935年，羅伯特·沃森·瓦特曾在單基地?zé)o源系統(tǒng)中利用英國廣播公司發(fā)射的短波射頻，照射10千米以外的“海福特”轟炸機(jī)。在第二次世界大戰(zhàn)中也試驗(yàn)過預(yù)警無源雷達(dá)，如德國的“克萊思·海德堡”(Kleine Heidelberg)系統(tǒng)。但當(dāng)時(shí)的系統(tǒng)缺乏足夠的處理能力, 不能計(jì)算出目標(biāo)的精確坐標(biāo)。

無源雷達(dá)時(shí)差定位原理

2、分類

根據(jù)無源雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)時(shí)所利用的輻射源位置不同, 可分為兩類:

1）基于目標(biāo)自身輻射來定位的無源雷達(dá)

在被探測(cè)目標(biāo)本身就是輻射源或攜帶了輻射源的情況下，無源雷達(dá)利用探測(cè)目標(biāo)自身輻射的電磁波進(jìn)行探測(cè)和跟蹤?？赡艿妮椛湓窗ɡ走_(dá)、通信電臺(tái)、應(yīng)答機(jī)、有源干擾機(jī)、導(dǎo)航儀等電子設(shè)備。捷克研制的“維拉”系列無源雷達(dá)就屬于這類無源雷達(dá)的代表。

2）基于外輻射源對(duì)目標(biāo)照射的無源雷達(dá)

這類無源雷達(dá)探測(cè)的目標(biāo)本身不直接輻射電磁能量。無源雷達(dá)在工作時(shí), 通過天線接收來自外部的非協(xié)同輻射源(第三方) 的直射波, 以及該外部輻射源照射目標(biāo)后形成的反射波或散射波, 利用其攜帶的多普勒頻移、多站接收信號(hào)的時(shí)間差和到達(dá)角等信息, 經(jīng)處理后提取目標(biāo)信息并消除無用信息和干擾, 從而完成對(duì)目標(biāo)的探測(cè)、定位和跟蹤。

可能的非協(xié)同方包括廣播電臺(tái)、電視臺(tái)、通信臺(tái)站、直接廣播系統(tǒng)(DBS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、各種平臺(tái)上的有源雷達(dá)等。利用全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM)發(fā)射機(jī)的作用距離只有20千米, 利用調(diào)頻無線基站的距離可達(dá)100-150千米, 而大功率電視發(fā)射臺(tái)的作用距離更遠(yuǎn)。利用其他雷達(dá)發(fā)射機(jī)的無源系統(tǒng)的作用距離與所用雷達(dá)相當(dāng)。美國研制的“沉默哨兵”(Silent Sentry)雷達(dá)就是這類雷達(dá)。

3、典型裝備

1）“維拉”系列無源雷達(dá)

維拉(VERA- E)系列無源雷達(dá)由捷克研制?！熬S拉- E”是該系列的最新型號(hào)，可探測(cè)定位、識(shí)別和跟蹤空中、地面和海上目標(biāo), 對(duì)空探測(cè)的最大距離為450千米, 并可識(shí)別目標(biāo)、生成空中目標(biāo)圖像?！熬S拉- E”系統(tǒng)由4部分組成:分析處理中心居中，3個(gè)信號(hào)接收站呈圓弧線狀分布在周圍, 站與站間距離在50千米以上。分析處理中心部署在方艙車內(nèi), 有完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)以及通信、指揮和控制系統(tǒng)。信號(hào)接收站用重型汽車運(yùn)載,可靈活部署。接收天線支架豎起時(shí)高17米,占地面積9×12米，3個(gè)人在1小時(shí)內(nèi)即可豎起天線、進(jìn)入監(jiān)視狀態(tài)。天線外形為圓柱體結(jié)構(gòu),功耗低、可靠性極高, 平均無故障間隔時(shí)間達(dá)2000小時(shí)，可抵御30米/秒的大風(fēng)。

維拉無源雷達(dá)系統(tǒng)是一種可移動(dòng)的用于對(duì)空中、地面和海上目標(biāo)進(jìn)行定位、識(shí)別和跟蹤的電子情報(bào)(ELINT)和無源監(jiān)視系統(tǒng)。雷達(dá)的工作是基于電波到達(dá)時(shí)間差(TDOA)的原理實(shí)現(xiàn)的。系統(tǒng)可以接收從空中、地面和海上雷達(dá)來的發(fā)射信號(hào), 從干擾機(jī)、二次雷達(dá)(SSR)信標(biāo)、TACAN/DME、敵我識(shí)別詢問機(jī)和應(yīng)答機(jī)、數(shù)傳以及其他脈沖輻射源來的各種類型的信號(hào)。除了執(zhí)行電子情報(bào)任務(wù)外, 維拉雷達(dá)系統(tǒng)是防空系統(tǒng)中最為有效的無源監(jiān)視傳感器。它可以提供迄今為止只有有源雷達(dá)才能提供的功能, 它的前身“塔瑪拉”已經(jīng)在科索沃戰(zhàn)爭中得到了實(shí)戰(zhàn)檢驗(yàn)。

“塔馬拉”和“維拉”無源雷達(dá)是捷克人弗·佩赫發(fā)明的。20世紀(jì)60年代初，弗·佩赫在泰斯拉軍工廠任雷達(dá)設(shè)計(jì)師。他思維與眾不同，在技術(shù)上迭出奇招，人稱“雷達(dá)怪杰”。泰斯拉軍工廠曾接受一項(xiàng)絕密任務(wù)--在最短的時(shí)間內(nèi)研制出能夠發(fā)現(xiàn)美國“斗牛士”等雷達(dá)制導(dǎo)巡航導(dǎo)彈的雷達(dá)系統(tǒng)。起初人們認(rèn)為這項(xiàng)艱難的任務(wù)根本無法完成，因?yàn)楫?dāng)時(shí)世界上還沒有類似的雷達(dá)系統(tǒng)，但是弗·佩赫卻迎難而上。傳統(tǒng)的主動(dòng)(有源)雷達(dá)是靠發(fā)出電磁波來探測(cè)目標(biāo)的，而弗·佩赫反其道而行之。

經(jīng)過3年半不懈的努力，弗·佩赫終于在1963年研制出了世界上第一部被動(dòng)(無源)探測(cè)雷達(dá)，取捷克語“對(duì)照探測(cè)”一詞的縮寫，命名為“科帕奇”。這種雷達(dá)能迅速地探測(cè)到方圓幾十公里范圍內(nèi)活動(dòng)的兩臺(tái)機(jī)動(dòng)雷達(dá)，還能準(zhǔn)確地顯示這兩臺(tái)雷達(dá)的活動(dòng)情況，使來測(cè)試的蘇聯(lián)專家大喜過望，稱贊弗·佩赫完成了一項(xiàng)“了不起的發(fā)明”。此后，弗·佩赫一發(fā)不可收，相繼于1979~1998年研制成功“拉莫那”雷達(dá)、“塔馬拉”雷達(dá)和“維拉”雷達(dá)。專家們習(xí)慣稱它們?yōu)椤熬S拉”系列無源雷達(dá)。

基本特性：

監(jiān)視目標(biāo)：雷達(dá)、二次雷達(dá)(SSR)應(yīng)答機(jī)、TACAN、訊問器、干擾機(jī)、數(shù)傳系統(tǒng)；

系統(tǒng)很高靈敏度的電子情報(bào)(ELINT)參數(shù)可以確保對(duì)各種目標(biāo)的很高的探測(cè)概率；

很高的定位和跟蹤精度；

大容量：可以同時(shí)跟蹤200個(gè)目標(biāo)；

對(duì)各種輻射頻率活動(dòng)的監(jiān)視和技術(shù)分析；

精密的指紋識(shí)別能力；

高度自動(dòng)化工作能力；

3D目標(biāo)定位能力；

360°的瞬時(shí)視場；

高機(jī)動(dòng)能力；

最低限度的操作和維護(hù)要求。

基本功能：

空中目標(biāo)監(jiān)視

地面和海上目標(biāo)偵察

頻率活動(dòng)調(diào)查

接收站參數(shù)：

頻率范圍：1-18GHz

可以在以下頻率范圍選用

0.1~1GHz 18~40 GHz

方位瞬時(shí)視場：120°，選用 360°

作用距離：到450 km

外形尺寸： 1.3m ×0.9m

重量：120kg

功耗：24 VDC/250W

1998年，美國的LockheedMartin公司歷經(jīng)十五年時(shí)間研制出了“沉默哨兵”(Silent Sentry)無源雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用FM廣播、模擬/數(shù)字電視信號(hào) (50-500MHz)作為外輻射信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，可進(jìn)行全天候?qū)疹A(yù)警，精確地完成對(duì)空目標(biāo)的檢測(cè)和跟蹤。“沉默哨兵”系統(tǒng)的天線尺寸為2.3m x 2.5 m，可以安裝于固定平臺(tái)或者安裝在車輛、飛機(jī)等移動(dòng)平臺(tái)上，Lockheed Martin公司還分別試驗(yàn)過安裝于水面艦艇和潛水艇的潛望鏡上的兩種系統(tǒng)進(jìn)行空中目標(biāo)預(yù)警?！俺聊诒毕到y(tǒng)對(duì)飛機(jī)、導(dǎo)彈、車輛、船只等目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，可同時(shí)跟蹤200批以上目標(biāo)，預(yù)警范圍可達(dá)到水平方位覆蓋360°，俯仰方位覆蓋60°，探測(cè)距離可以達(dá)到220km。當(dāng)利用FM廣播作為外輻射信號(hào)時(shí)，該系統(tǒng)水平方向的分辨力可達(dá)到250m，豎直方向的分辨力可達(dá)到100m，速度分辨力可優(yōu)于2m/s;當(dāng)利用數(shù)字電視信號(hào)作為外輻射信號(hào)時(shí)系統(tǒng)的探測(cè)性能更好、探測(cè)精度更高。

Lockheed Martin公司，開展了相關(guān)的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)中以Boeing 747為目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)。

其后，伊利諾伊大學(xué)香檳分校的Dick Blahut團(tuán)隊(duì)在DARPA項(xiàng)目 F49620-98-1-0498的支持下開展了基于“沉默哨兵”的雷達(dá)成像試驗(yàn)。

3、鎧甲無源雷達(dá)系統(tǒng)

20世紀(jì)80年代末，俄羅斯研制出最初的“鎧甲”無源雷達(dá)系統(tǒng)，最早的兩個(gè)系統(tǒng)原型是在庫爾斯克的一家工廠制造的。1989年2月，政府完成試驗(yàn)后，這個(gè)能在400公里以外偵察到航空器的系統(tǒng)就被作為蘇聯(lián)武裝部隊(duì)的標(biāo)準(zhǔn)裝備進(jìn)行部署。

蘇聯(lián)解體，在烏克蘭國防部的資助下，托帕茲公司對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行大幅度的現(xiàn)代化改造，主要為設(shè)備的數(shù)字化改造，改進(jìn)后的偵察范圍增加了50%以上。

據(jù)稱，鎧甲”無源雷達(dá)系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)、跟蹤并確定來自地面、水面和空中的目標(biāo)，偵察縱深600公里、寬150公里范圍內(nèi)的情況，能夠發(fā)現(xiàn)800公里以內(nèi)的空中目標(biāo)，是目前世界上同類系統(tǒng)中捕捉目標(biāo)最遠(yuǎn)的裝置。如果由一輛指揮車同時(shí)控制三部“鎧甲”雷達(dá)，利用三角測(cè)量法，整套系統(tǒng)的探測(cè)距離將可延伸至1000公里。

據(jù)介紹，“鎧甲”不但可發(fā)現(xiàn)利用“隱形”技術(shù)制造的飛機(jī)（如美國的F-117A和B-2），還可確定目標(biāo)的準(zhǔn)確位置。

4、“蜂窩”(Celldar)系統(tǒng)

1997年，英國的RokeManor公司開始對(duì)“蜂窩”(Celldar)系統(tǒng)展開研發(fā)，該系統(tǒng)是利用移動(dòng)通信信號(hào)作為外輻射信號(hào)進(jìn)行探測(cè)、跟蹤和目標(biāo)識(shí)別的多基無源雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可利用的外輻射信號(hào)包括GSM 900信號(hào)，GSM 1800信號(hào)，GSM 1900信號(hào)和3G信號(hào)?！胺涓C”系統(tǒng)由一臺(tái)處理機(jī)和專門配置的兩部手機(jī)組成，利用無源雷達(dá)和聲傳感器(探測(cè)目標(biāo)向外輻射的噪聲)相結(jié)合的方法進(jìn)行探測(cè)，更有利于對(duì)目標(biāo)的定位，該系統(tǒng)的探測(cè)距離達(dá)到100km，可完成戰(zhàn)場偵察、情報(bào)收集、海岸監(jiān)視、邊防安全等多項(xiàng)任務(wù)。

5、以色列“EL/L-8388”對(duì)空早期預(yù)警系統(tǒng)

以色列“EL/L-8388”對(duì)空早期預(yù)警系統(tǒng),是一可多系統(tǒng)協(xié)同工作的無源定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用短基線時(shí)差定位體制,工作頻段O.5GHz--18GHz。系統(tǒng)是典型的短基線時(shí)差定位系統(tǒng)。

審核編輯：湯梓紅