人們在一般情況下提到的雷達(dá),指的是有源雷達(dá)。這是一種自身定向輻射出電磁脈沖照射目標(biāo),進(jìn)行探測,定位和跟蹤的傳統(tǒng)雷達(dá)。有源雷達(dá)發(fā)射的電磁信號會被敵方發(fā)現(xiàn),定位,暴露自己。引來“殺身之禍”,子是人們開始研究自身不輻射電磁波的新體制雷達(dá)。這種借助非協(xié)同外部輻射源進(jìn)行探測和定位的被動式雷達(dá),就是無源雷達(dá)。
無源雷達(dá)的特性及沿革
無源雷達(dá)本身并不發(fā)射能量,而是被動地接收目標(biāo)反射的非協(xié)同式輻射源的電磁信號,對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤和定位。所謂非協(xié)同式外部輻射源,是指輻射源和雷達(dá)“不搭界”,沒有直接的協(xié)同作戰(zhàn)關(guān)系。這樣就使得探測設(shè)備和反輻射導(dǎo)彈不能利用電磁信號對無源雷達(dá)進(jìn)行捕捉、跟蹤和攻擊。
無源雷達(dá)系統(tǒng)簡單,尺寸小,可以安裝在機動平臺上、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,因此不易被對方感知,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)檢測目標(biāo),一般為每秒一次,信號源是40—400兆赫的低頻電磁波,有利于探測隱身目標(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)。
無源雷達(dá)自身不發(fā)射信號,既帶來優(yōu)點也帶來缺點。由于依賴于第三方發(fā)射機,操作員對照射器無法主動控制,在被探測目標(biāo)保持無線電靜默、照射器又不工作的情況下,無源雷達(dá)就成了無源之水,不能發(fā)揮作用。此外,一些發(fā)射機的有效輻射功率較低,易受干擾和空射誘餌的影響而且要求發(fā)射機與目標(biāo)、目標(biāo)與接收機以及接收機與發(fā)射機之間信號不受阻擋,限制了無源雷達(dá)的使用。
其實無源雷達(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。在第二次世界大戰(zhàn)中也試驗過預(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)時的系統(tǒng)缺乏足夠的處理能力,不能計算出目標(biāo)的精確坐標(biāo)。
當(dāng)前,有很多國家熱衷于無源技術(shù)的應(yīng)用研究。美國洛克希德·馬丁公司是最先涉足該領(lǐng)域的公司之一,據(jù)稱依靠電視和無線發(fā)射機,其無源系統(tǒng)的探測距離達(dá)到220千米以上。美國國防部國防高級研究計劃局以及華盛頓大學(xué)、喬治亞技術(shù)大學(xué)等高校和雷聲等公司,都開展了這一領(lǐng)域的研究。在歐洲,法國也進(jìn)行了相應(yīng)的技術(shù)研究工作、意大利演示了樣機系統(tǒng)、英國正在研究無源相干雷達(dá)和“蜂窩’雷達(dá)(Celldar),俄羅斯和捷克也在進(jìn)行類似研究。
無源雷達(dá)的分類
無源雷達(dá)系統(tǒng)可以依據(jù)探測對象或配置方式來分類。依據(jù)配置方式,無源雷達(dá)分為固定式(地基)和機動式(安裝在潛艇、艦船、飛機、地面車輛等平臺上)兩大類。無源雷達(dá)的探測對象可以是雷達(dá)、通信電臺或其他無線輻射源,也可以是僅僅反射無線電信號的目標(biāo)。無源雷達(dá)可以依據(jù)探測對象的不同,分為利用被探測目標(biāo)的自身輻射進(jìn)行探測和跟蹤,以及利用外照射源發(fā)射的電磁波進(jìn)行探測和跟蹤兩大類。
利用被探測目標(biāo)的自身輻射
在被探測目標(biāo)本身就是輻射源或攜帶了輻射源的情況下,無源雷達(dá)利用探測目標(biāo)自身輻射的電磁波進(jìn)行探測和跟蹤。可能的輻射源包括雷達(dá)、通信電臺、應(yīng)答機、有源干擾機、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)。
利用外照射源發(fā)射的電磁波
這類無源雷達(dá)探測的目標(biāo)本身不直接輻射電磁能量。無源雷達(dá)在工作時,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、多站接收信號的時間差和到達(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,從而完成對目標(biāo)的探測、定位和跟蹤。
可能的非協(xié)同方包括廣播電臺、電社臺、通信臺站、直接廣播系統(tǒng)(DBS)、全球定位系統(tǒng)(GPS)、各種平臺上的有原雷達(dá)等。美國研制的“沉默哨兵”(Silent Sentry)雷達(dá)就是這類雷達(dá)。利用全球移動通信系統(tǒng)(GSM)發(fā)射機的作用距離只有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)射臺的作用距離更遠(yuǎn)。利用其他雷達(dá)發(fā)射機的無源系統(tǒng)的作用距離與所用雷達(dá)相當(dāng)。
幾款典型的無源雷達(dá)
美國的“沉默哨兵”霄達(dá)
美國洛克希德·馬丁公司從1983年開始研究非協(xié)同式雙基地?zé)o源雷達(dá),于1998年研制出新型的“沉默哨兵”被動探測系統(tǒng)。這種無源雷達(dá)利用商業(yè)調(diào)頻無線電臺和電視臺發(fā)射的50～80兆赫連續(xù)波信號,檢測、跟蹤、監(jiān)視區(qū)內(nèi)的運動目標(biāo)。該系統(tǒng)由大動態(tài)范圍數(shù)字接收機、相控陣接收天線、每秒千兆次浮點運算的高性能并行處理器及其軟件組成。試驗證明,它對雷達(dá)反射面積10米2目標(biāo)的跟蹤距離可達(dá)180千米,改進(jìn)后可達(dá)220千米,能同時跟蹤200個以上目標(biāo),分辨間隔為15米。
“沉默哨兵”可安裝在建筑物和固定結(jié)構(gòu)上,也可安裝在飛機、卡車及方艙上以便快速部署。洛·馬公司還試驗過安裝在水面艦艇和潛水艇上的兩種系統(tǒng),這它們一般利用沿海地區(qū)的廣播系統(tǒng)作為照射源。在潛艇上的系統(tǒng)安裝在潛望鏡上,采用全向天線,提供直升機或海岸偵察機告警。
固定式“沉默哨兵”系統(tǒng)可實現(xiàn)全空域覆蓋,對目標(biāo)進(jìn)行實時三維跟蹤與監(jiān)視,數(shù)據(jù)每秒更新8次,不受氣候條件影響,系統(tǒng)成本和維護(hù)費用低。相控陣天線采用商用部件,安裝在建筑物上,天線尺寸2．3×2．5米。該系統(tǒng)有120°的觀察范圍,采用數(shù)字波束形成技術(shù)實現(xiàn)整個扇區(qū)覆蓋,可跟蹤固定翼飛機、旋翼機、巡航導(dǎo)彈和彈道導(dǎo)彈。
快速部署系統(tǒng)用于進(jìn)行實時數(shù)據(jù)收集和處理,目前部署在有電力自給能力的拖車上。該拖車安置在大篷內(nèi),相控陣天線安裝在大蓬側(cè)面,參考天線安裝在大蓬頂部。這種特殊材質(zhì)的大篷起到類似法拉第筒的作用,可防止車內(nèi)處理器的電磁輻射干擾接收天線的正常工作。拖車內(nèi),加固式接收機、處理器和控制站占一半空間,空調(diào)系統(tǒng)和發(fā)電機放在另一半。
英國的“蜂窩”霄達(dá)
英國的“蜂窩”雷達(dá)系統(tǒng)可探測、跟蹤和識別陸上、海上和空中的移動目標(biāo),包括在樹叢中運動的車輛,它理論上能夠探測野外環(huán)境中10～15千米的地面目標(biāo)和100千米的大型飛機。當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入探測區(qū)域后,引起蜂窩電話輻射波的反射,這些反射被一部或多部蜂窩電話雷達(dá)探測到。檢測數(shù)據(jù)通過通信網(wǎng)絡(luò)實時傳送到中央控制系統(tǒng),數(shù)據(jù)在這里進(jìn)行處理,從而確定目標(biāo)的位置和速度。該雷達(dá)系統(tǒng)除了反射蜂窩電話基站的輻射信號外,還可利用聲傳感器探測到目標(biāo)輻射出的噪聲,有助于確定目標(biāo)位置。
“蜂窩”雷達(dá)在用于地面
防空時,其相控陣接收機能夠采用展開式結(jié)構(gòu),或集成在偽裝網(wǎng)中：在用于無源預(yù)警時,可以集成在坦克中或預(yù)警機上。該系統(tǒng)還可以用于海岸監(jiān)視、戰(zhàn)場偵察、特種情報收集(例如對機場活動進(jìn)行秘密的無人監(jiān)控)、邊防安全及近海作戰(zhàn)等。沿海岸線部署的“蜂窩”雷達(dá)可用于艦船檢測、輔助搜救、領(lǐng)航、告警等任務(wù)。還可將其安裝在預(yù)警機上形成無源預(yù)警能力,隱蔽地監(jiān)視空域,探測100千米以外的飛機。
“維拉-E”雷達(dá)
“維拉”系列無源雷達(dá)由捷克研制。“維拉-E”是該系列的最新型號,可探測定位、識別和跟蹤空中、地面和海上目標(biāo),對空探測的最大距離為450千米,并可識別目標(biāo)、生成空中目標(biāo)圖像。
“維拉-E”系統(tǒng)由4部分組成：分析處理中心居中,3個信號接收站呈圓弧線狀分布在周圍,站與站之間距離在50千米以上。分析處理中心部署在方艙車內(nèi),有完整的計算機系統(tǒng)以及通信、指揮和控制系統(tǒng)。信號接收站用重型汽車運載,可靈活部署。接收天線支架豎起時高17米,占地面積9×12米,3個人在1小時內(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,平均無故障間隔時間達(dá)2000小時,可抵御30米／秒的大風(fēng)。
無源雷達(dá)的未來發(fā)展
無源雷達(dá)系統(tǒng)(尤其是利用外部非協(xié)同輻射源的無源雷達(dá)),可能是今后10～20年的一個重要的發(fā)展方向。隨著幾大國際通信衛(wèi)星計劃的實施,未來將有1000多顆通信衛(wèi)星在軌。其中將有許多能發(fā)射出足夠高的射頻能量,地面上大多數(shù)地點均會同時受到幾個星載輻射源的照射,無源雷達(dá)系統(tǒng)可充分利用這些照射源進(jìn)行目標(biāo)探測和跟蹤。總的來看,無源雷達(dá)將會在以下幾個方面得到發(fā)展：
(1)擴展可用外輻射源的種類。外部的非協(xié)同輻射源從最早的電視信號、調(diào)頻信號,到現(xiàn)在的移動通信信號、全球定位系統(tǒng)衛(wèi)星信號,以及將來多種衛(wèi)星信號和其他各種可能的輻射源,可供選擇利用的外輻射源種類將日漸增多。
(2)雷達(dá)目標(biāo)的傅立葉成像。伊利諾斯州大學(xué)的研究人員已證實,可用無源多基地雷達(dá)產(chǎn)生飛機目標(biāo)的合成孔徑圖像。利用不同頻率和不同位置的多部發(fā)射機,就可為某個目標(biāo)建立一個傅立葉域的稠密數(shù)據(jù)集合,通過逆傅立葉變換就可以重構(gòu)該目標(biāo)的圖像。
(3)不同平臺無源雷達(dá)的組網(wǎng)。由于可供使用的外輻射源信號種類繁多,不同的輻射源信號占據(jù)了不同的頻段,同一目標(biāo)在不同頻段會有不同的雷達(dá)特性。因此,為盡可能地提高對目標(biāo)的探測能力,可以將不同平臺的無源雷達(dá)進(jìn)行組網(wǎng)。
(4)無源雷達(dá)與有源雷達(dá)相結(jié)合。當(dāng)外界電磁輻射設(shè)備關(guān)機或無法利用時,無源雷達(dá)就無法對目標(biāo)進(jìn)行探測定位。因此,可考慮將無源雷達(dá)與有源雷達(dá)結(jié)合使用。如以雙／多基地方式合理布設(shè)無源和有源雷達(dá),當(dāng)外界電磁輻射不存在或無法利用時,利用無源雷達(dá)接收己方有源雷達(dá)的直射信號與目標(biāo)的反射信號,對目標(biāo)進(jìn)行探測。這樣既提高了無源雷達(dá)的利用率,又增強了有源雷達(dá)的隱蔽性和生存能力。