能发现3000公里外航母,超视距雷达是如何做到的?

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到目前为止,已经实现应用的超视距雷达大致有3类:高频天波超视距雷达、高频地波超视距雷达以及微波大气波导超视距雷达。

出品 | 网易新闻

作者 | 张亦驰,军事科普作者

据媒体消息,1月8日上午,国家科学技术奖励大会上,刘永坦、钱七虎获得2018年度国家最高科学技术奖。其中刘永坦院士率领团队自力更生研制了我国首部全天时、全天候、超视距、海空兼容的海防预警装备。结合关于他研制出具有全天时、全天候、远距离探测 能力的新体制雷达的报道,有分析认为,这种超视距海空兼容的海防预警装备很可能是一种超视距雷达

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尽管我们无法证实这种说法,但也不妨了解一下超视距雷达。那么,超视距雷达是一种什么类型的雷达,和常规雷达相比,它都有什么优势,对一个大国的海防安全都有什么重要意义?

(传统雷达只能探测地平线以上的目标,而超视距雷达可以探测地平线以下的目标)

了解雷达的人可能会说,雷达探测距离基本上是几十公里起步,探测距离成百上千公里的雷达也比比皆是,哪个雷达探测距离没有“超视距”呢?其实,这里的视距是指受到地球曲率影响的直视视距。这种超视距雷达的英文名为Over-the-horizon-radar,所以早期被称为超地平线雷达

通常雷达波只能直线传播,受限于地球曲率,一般雷达只能探测地平线以上的目标。对于低空目标和海面目标,要想看得远,那就需要把雷达架高。很多雷达站都部署在山头上就是这个道理。包括预警机,气球载雷达都是通过提高平台高度,来获取更广阔的视野,降低地球曲率对探测的影响。但是空基平台使用成本比较高,而且受制于空中平台大小,其探测距离受到很大限制,目前的机载雷达可以实现数百公里的对地面和水面探测距离。

那能不能研制一种部署在地面,可以超越地平线,发现几百上千公里外的水面和空中目标的雷达呢?这并没有难倒雷达专家们。到目前为止,已经实现应用的超视距雷达大致有3类。

(三种超视距雷达的电磁波传递途径)

第一种超视距雷达是高频天波超视距雷达(天波雷达或称OTHR)。它的基本原理是,无线电斜向透射到大气电离层(电离层区域处于60公里1000公里高度之间),然后被折射到远方的地面、海面或空中目标,其回波的一部分将沿着原来的路径(这就被称为后向散射)或者其他可能的路径再次经过电离层折射回到发射点或者其他地点,被部署在那里的接收机接受,从而实现目标探测。

这里的高频也不是简单的指“频率高的雷达”。高频(HF)特指3-30 MHz的频段,又被称为短波波段,波长为100米到10米范围。实际上,对于雷达来说,这个频率是非常低的,大多数现代雷达都工作在频率更高,波长更短的微波波段。比如美国宙斯盾系统的S波段雷达,其中心波长为10厘米,而很多火控雷达使用的X波段,中心波长为3厘米。

(天波超视距雷达工作示意图,图片来自网络)

早在上世纪50年代开始,美国就研制了天波超视距雷达。包括AN/GSQ-93雷达为基础的440L系统,包括了几部位于远东不同地区的发射机和位于西欧的接收机,用于观测再入大气层的空间飞行物以及大气层的核爆炸,对洲际导弹的探测距离达到8000公里,对核爆炸的探测距离为1.2万公里。后来由于用途的局限性,没有继续发展。上世纪八十年代开始,随着新技术的运用,各国重新兴起了新型天波超视距雷达的研制。

(美国ANFPS-118天波超视距雷达覆盖范围示意图,图片来自网络)

天波超视距雷达的优点是探测距离远,因为它的功率极大,而且波长长,大气损耗小。美国80年代末研制成功的AN/FPS-118天波超视距雷达,该系统覆盖3个各为60度的扇区,作用距离为800到2880公里。它既可以观测弹道导弹发射,也可以观测海面大型目标和空中目标。部署在美国东海岸的该雷达不仅仅跟踪过F-15这类的战斗机,还跟踪过波多黎各上空的长度只有4.3米的私人飞机以及大西洋上空的气球,对模拟巡航导弹的探测距离达到了2000公里。天波超视距雷达还具备很强的反隐身能力。一来是因为隐身飞机主要针对微波波段,对高频雷达隐身考虑少。而AN/TPS-71的探测范围为926公里到3000公里。二来是飞机或者部分机翼尺寸与高频雷达波长相当,恰好处于高频雷达的谐振区,这样其信号特征就回比较明显。美国21世纪初的AOTHR计划,就是针对低可探测性战略威胁目标而发展的天波超视距雷达系统。

不过,天波超视距雷达也有自身的弱点。因为它首先要向电离层发射电磁波,经电离层向下反射后再探测目标,这样其探测近距就比较远了。再拿美国的AN/FPS-118来说,它的最近探测距离也有800公里之远,在这个距离以内,什么也看不到。而且天波超视距雷达的设备量大,占地面积很大,基本上很难机动,而且造价高昂。雷神公司80年代为海军研制的AN/TPS-71雷达则在小型化上取得突破,该系统除了天线外,可在一周内拆除、搬运并重新部署到预先准备好天线阵的基地上,造价只需要0.75亿美元,而空军部署在东海岸的系统造价高的6.8亿美元。

(地波超视距雷达工作示意图,图片来自网络)

第二种超视距雷达是高频地波超视距雷达(简称地波雷达、表面波雷达,英文简称HFSWR)。它利用电磁波以绕射方式沿海面传播,可以探测海面以及低空和掠海飞行的目标。通常可以实现400公里以内的海面及其上空目标的探测,可以大致弥补天波超视距雷达对海目标探测的近距盲区。当然,由于频段的优势,它也具备相当的反隐身能力。

(英国马可尼公司当年研制的舰载地波雷达示意图)

英国(也就是刘院士当年留学的那个国家)一度是世界上在地波雷达研究方面最活跃、成果最多的国家之一。上世纪80年代就开始了相关研制实验。当年的英国马可尼公司研制的S120高频中、大功率超视距雷达发射天线占地面积为100米X100米,接收天线面积为(500-1000)米X30米。天线安装在海边200米之内的沙滩平面或者悬崖顶上。这种雷达对舰船目标的跟踪距离可以达到370公里,海上探测方位扇区为100度。

而舰载地波雷达的研制就要求就更高,因为它需要尽量使得天线小型化。马可尼公司上世纪80年代末研制的舰载地波雷达在船体左右两侧布置8个,4级海况时对护卫舰的探测距离为240公里,低空飞机为100公里,测距精度为正负2公里,测角精度为正负5公里。同时期,美国、加拿大、俄罗斯等国也发展了本国的地波超视距雷达。

天波雷达和地波雷达由于探测距离远,覆盖面积大,对于国土辽阔、海岸线长、海域宽广、边界线长、邻国较多的国家来说意义非常重大。这也是美国、加拿大、俄罗斯等大国大力发展这类雷达的重要原因。但总体来说,之前的天波和地波超视距雷达探测精度相对较低,而且占地面积大、体积大、功耗高,较难被用于火控或者目标指示。这类雷达的一个重点发展方向应该是提高精度、分辨率,减小体积,进一步增大探测距离。这可能需要新的体制和新技术的支撑,这也正是新体制超视距雷达的意义所在,也是刘永坦获奖的重要原因。据报道,2011年刘永坦团队成功研制出中国具有全天时、全天候、远距离探测能力的新体制雷达,与国际最先进同类雷达相比,刘永坦研制的新体制雷达系统规模更小、作用距离更远、精度更高、造价更低,总体性能达到国际先进水平,核心技术处于国际领先地位。

(利用大气波导传播探测目标示意图)

除了上述两种超视距雷达以外,还有一种微波大气波导超视距雷达,其雷达波利用海水和大气之间超折射效应在有限高度、沿地球表面曲率传播,可以超视距探测海面和低空目标。上面我们谈到,工作频段几百兆赫兹到几十吉赫兹的微波雷达通常只能探测到电磁波直线传播范围内的目标。但是在实际使用(特别是海上使用)时,人们常常会观测到电磁波出现非直线传播的现象。凭借这种异常传播途径,微波雷达在很多情况下可以探测到地平线以下的、远远超出电磁波直线传播范围的海上目标。这种情况通常被认为是出现了大气波导现象。在某个区域产生大气波导时,该区域上空的大气折射率随高度的变化,正好满足了一些特定条件,使得雷达辐射出的电磁波落到某一层大气中,只能在该层大气的上下两个层面之间向远处传播,这样电磁波在大气波导中传播时,就能克服地球曲率的影响。工作在较高频段的微波超视距雷达可在100公里到400公里距离上探测到海面目标。

(现代级驱逐舰的音乐台雷达,图片来自网络)

最典型的微波大气波导超视距雷达是俄罗斯的“音乐台”系列主/被动超视距雷达。该系列雷达主要装备俄罗斯等国的水面舰艇上,包括现代级驱逐舰。该雷达采用了多频段复合工作模式,除了包括一套X波段(中心频率10GHz,频段宽4GHz)的主动大气波导超视距探测系统外,还包括涵盖了C、S、L频段的被动远程超视距探测系统、协同探测设备等。当没有空中或者其他平台进行情报支援时,搭载该系统的舰艇,可以通过这套系统独立对海上目标进行超视距探测,为反舰导弹提供目标指示,提高单舰作战能力。其对护卫舰、驱逐舰等目标的最大作用距离为视距至200公里,在被动探测模式下,最大作用距离为视距至350公里。

总体来看,我们谈到的天波超视距雷达探测距离最远,而且对空、对海均可,既能探测弹道导弹发射,也能探测大型水面目标,还能探测超低空飞行的小型目标;地波超视距雷达以对海探测为主,兼顾和低空、掠海飞行的目标,探测距离稍逊色些;而微波大气波导超视距雷达主要针对水面目标,自身体积较小,便于舰载使用。综合运用这几种超视距雷达,在配合其他波段,不同体制的雷达,就能够建立比较完善的海空兼容的战略预警系统。

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编辑| 史文慧

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