预警雷达上天及其关键技术 穿墙雷达关键技术

　　脉冲多普勒体制使雷达上天 　　 　　预警机最早是指装有机载监视雷达、用于探测低空飞行目标的特种军用飞机。人们之所以要将雷达搬上飞机，是为了克服地球曲率对雷达视线的限制，使预警机能登高望远，俯瞰天下。但是，人们在研制预警机时发现，雷达升空后，虽然理论上能够扩展探测区域，但在探测低空飞机目标时，工作条件或环境发生了根本性变化，发射的无线电波需往下指向，触及地面后形成的散射波的一部分会朝入射方向的反方向进入雷达。由于地面(或海面)与飞机目标的反射特性不同，雷达照射到地面的回波强度通常比飞机目标的回波强度大数万至上百万倍。怎样才能从如此强烈的地杂波中提取目标回波，发现目标存在并测量它的距离和其它参数呢?研制人员探索到的方法就是在雷达上采用脉冲多普勒体制，即采用脉冲方式工作的雷达利用多普勒效应工作。
　　什么是“多普勒效应”呢?我们有过这样的生活体验，站在火车站台上时，如果一列火车鸣笛接近站台，我们会觉得其声音逐渐尖锐。而火车逐渐远离站台时声音逐渐低沉。火车的鸣笛从尖锐到低沉的变化。实际上是进入人耳的笛声声波频率的变化，而这种变化的产生正是由于火车存在相对于人的接近或远离的运动。这就是多普勒效应。
　　与此类似，当雷达每隔一定时间间隔(从几十微秒到几十毫秒)发射一定频率的电磁波对空搜索时，如遇到活动目标，一般情况下，该目标会存在与雷达接近或远离的运动(称为径向运动)，因此从活动目标反射回雷达的电磁波频率与发射波的频率会发生变化，二者差值称为多普勒频率。它与2倍的目标径向速度成正比，与雷达波长成反比。如果目标接近雷达，多普勒频率为正，反之为负。举例来说。当雷达波长为0.1米时，如果目标以0.8马赫(约260米／秒)的速度接近雷达，则目标的多普勒频率为5200赫兹。特别的，当雷达运动速度与目标运动速度平行时，目标的多普勒频率为零。根据多普勒频率的符合和大小，可测出目标接近或远离雷达的速度：根据发射脉冲和接收的时间差，可以测出目标的距离。
　　脉冲多普勒体制的原理于20世纪50年代后期提出，经历了动目标显示、机载动目标显示和多普勒滤波器组技术的发展，70年代后期逐渐成熟，80年代后开始在机载预警雷达(如美国海军E-2C的AN／APS-145雷达和美国空军E-3系列的AN／APY-1／2雷达)和机载火控雷达(如美国空军F-16战斗机上的AN／APG-66雷达)中得到广泛应用。
　　动目标显示技术发端于地面雷达，用以区分运动的飞机目标和静止的地杂波。因为对地面雷达来说，地面也是静止的，从而多普勒频率为零，而飞机目标相对于地面雷达是运动的，多普勒频率不为零。它通过一种称为滤波器的频率选择装置，让飞机目标所对应的频率范围内的电磁波无衰减甚至放大地通过雷达回波处理器，其它频率的电磁波则被抑制。滤波器所允许通过的频率范围。称为滤波器的“通带”。但是，单纯的动目标显示技术只能区分运动和静止，不能获取飞机的运动方向和速率，后来的机载动目标显示技术补偿了雷达装机后飞机或雷达本身运动的影响。也就是说，对于机载雷达，地面和飞机目标本来相对于雷达都是运动的，通过补偿技术。能够使得雷达看地面仍然是静止的，而飞机目标是运动的。但是，补偿技术仍未能克服地面动目标显示不能获取目标方向和速率的问题。通过采用双通道处理和多普勒滤波器组后。雷达不但能区分杂波和飞机回波，而且能准确地测量飞机的运动参数。双通道处理相当于把雷达回波看作一个复数，分别提取复数的余弦分量和正弦分量，有了这两个分量后，就能完整地描述目标回波，从而对目标的运动方向，也就是接近还是远离雷达进行区分。而多普勒滤波器组则相当于对动目标显示或机载动目标显示所采用的滤波器通带进行细分。每一通带对应于一定数值的多普勒频率，提高了雷达对速度进行区分的能力。
　　
　　预警雷达的关键技术
　　
　　雷达在采用脉冲多普勒体制时。要应用三个关键技术。即所谓的机载预警雷达的“三高”技术。
　　天线超低副瓣技术(高的主瓣-副瓣能量比)它与雷达天线有关。雷达天线是雷达将注入到发射机的电能转化为电磁波并且辐射到空中的装置。为使电磁波辐射得更远，天线要尽可能将空间中分布的能量集中，正如我们为了使声音传播得更远，需要使用喇叭集中声音能量一样。雷达天线辐射出来的电磁波最为集中的区域称为天线的“主瓣”，用来探测目标。但主瓣以外的各个方向上不可避免地存在辐射，被称为天线的“副瓣”。主瓣和副瓣都会照射到地面，主瓣打地所引起的地面回波(即主瓣杂波)通常可通过雷达天线的旋转伺服机构获取一些相关参数，再通过计算机算出其对应的多普勒频率范围。用滤波器过滤掉即可。副瓣功率虽远远低于主瓣功率，但它在各个方向上都存在辐射。所以在各个方向上都会照射地面。因此在各个方向上都有反射的回波进入雷达(即副瓣杂波)，这些副瓣杂波累加起来的功率非常可观，且因其多普勒频率覆盖范围极宽，会把部分飞机目标回波的多普勒频率包括在内，从而无法有效地使用滤波器，否则会把飞机回波也滤除掉了。因此，副瓣杂波对检测目标产生极大影响。因为副瓣是无用的。所以人们在设计天线时，通常会尽力降低天线在副瓣上的功率辐射(实际的天线是无法消除副瓣的)，副瓣功率比主瓣功率低得越多越好，低一千倍的，我们叫“低副瓣”，低一万倍以上的，我们叫“超低副瓣”。减少了天线辐射出的副瓣功率，也就会减少副瓣打地后反射会雷达的地面杂波，这对雷达提取目标回波是非常有效的。
　　要实现超低副瓣技术。需要对组成天线的每一个辐射单元所辐射的电磁波的幅度和相位进行精心设计，对每一个辐射单元之间的间距进行精心选择，对天线单元的加工精度和天线测试技术的要求都非常高。例如，一部预警雷达的天线，可能包括成百上千个天线辐射单元。而天线所辐射出的能量在空间的分布是所有辐射单元所辐射出的一定幅度和一定相位的电磁波信号的合成，而如此之多的天线单元，密集在一个狭小的空间内，还要尽量减少它们之间不希望的电磁场的耦合，且在不同的环境条件下，天线单元的幅度和相位可能偏离设计值，因此还需要进行校准。早期预警机雷达天线的主副瓣能量比多在数千倍左右，如E-2A，至20世纪70年代末，E-3系列预警机的雷达天线的主副瓣能量比已提高了一个数量级，达一万倍以上。是世界上第一个超低副瓣天线，对雷达拥有良好的下视探测性能起到了重要作用。
　　高性能的信号处理技术　这是脉冲多普勒技术本身所要求的。传统的信号处理技术只将杂波和目标进行单一的幅度或功率比较，而高性能的信号处理技术或脉冲多普勒技术可同时处理信号的频率和时间上的特征。在对同一运动目 标进行信号处理时，如果雷达采取的脉冲重复频率不同，所看到的结果也完全不同。因此，高性能的信号处理技术必须考虑雷达采取的脉冲重复频率。根据雷达发射脉冲速度的快慢，一般将重复频率分为高、中、低三类。高重复频率可以简单、准确地测量速度，但不能直接、测量目标距离，对较大的多普勒频率的目标。如目标在迎头方向上接近雷达的探测性能较好，对尾随目标探测距离较近；中重复频率不能直接测量距离和速度，但全方位探测性能比较均匀；低重复频率可直接测量距离，但不能测量速度。经典的高性能信号处理技术是先进行时间上的处理，然后进行频率区分。现代的高性能信号处理技术已开始在预警机上同时处理空间和时间域内的信号。即通常所说的“空-时二维信号处理”。它的反杂波性能比传统的信号处理更为优良。
　　高纯频谱发射机技术　要求发射机所产生的电磁波信号长时间稳定在特定频率上(即雷达的工作频率)，而尽量减少甚至杜绝在其它频率上的电磁波，也就是提高电磁波的频率纯度。如果雷达发射机的频谱纯度比较高，即雷达发射出的电磁波的频率比较单一，那么目标回波的频率变化会仅仅由目标的运动所产生的多普勒效应引起；如果雷达发射机的频谱纯度不高，那么，目标回波的频率就会由两类原因引起，一类是多普勒频率，一类是发射机发射电磁波的频率变化，而如果仍然按目标回波的频率变化，仅由多普勒频率产生去进行处理，就会出现错误。或者从另外一个角度理解，如果发射信号不需要的频率分量较多，相当于扩大了杂波信号所覆盖的频率范围并且加大了其强度，从而对目标回波的提取处理造成不利影响。
　　总的说来，从预警机的发展历史上看，脉冲多普勒技术是在20世纪60年代中后期开发的预警机上开始采用的。从而使得雷达升空后在强杂波背景下也能探测低空目标，在一定程度上实现了人们当初把雷达搬上飞机的初衷。但是。由于载机较小，不允许雷达有较大的天线和发射机，因此探测距离不远。特别是由于“脉冲多普勒体制”的完善以及人们对“三高”技术有一个认识过程，因此，在采用脉冲多普勒技术之初，预警雷达只是初步具备了下视能力。而且由于海面杂波通常远比地面杂波为弱，这是预警机在当时的技术水平下更多地在海面上空工作的重要技术原因。