1.2 现代雷达系统的发展

1.2.1 雷达系统的发展历程

被称为现代战争“千里眼”的雷达是英文Radar的音译，而英文Radar一词又是英文无线电探测与测距字头缩写词。有趣的是，它顺着读是“雷达”，倒着读也是“雷达”。

雷达作为一种电子装备，服务于人类已有70多年的历史。1864年，科学家麦克斯韦提出了电磁理论，预见了电磁波的存在。1886年，科学家赫兹成功地进行了用人工方法产生电磁波的试验，证明了“无线电”的存在。1903年，科学家威尔斯梅耶探测到了从船上反射回来的电磁波。1922年，科学家马可尼首次提出利用电磁波探测海上目标的存在及其位置。同年，美国海军实验室研制出发射和接收分置的试验设备，且探测到了一只木船，这是雷达的“雏形”（实际是一种双基雷达）。以后随着阴极射线管、电子管的问世，到1935年，英国人研制出比较完整的雷达整机且探测到60km外的轰炸机，1938年，美国人制造了第一部防空火控雷达。同年，美国无线电公司生产的第一部XAF舰载雷达安装于美国“纽约”号战舰上。1939年，英国人在飞机上安装了第一部机载预警雷达，从此作为 20 世纪最伟大的无线电应用创新——雷达开始走上军用及民用舞台，犹如在苍茫大海上找到了一种远距离、不受气候影响的探照灯，可以随时随地地搜索、跟踪各种来袭空中、海上、陆上目标。雷达的问世，开辟了近代战争的新纪元，标志着初步信息化战争的开始。

第二次世界大战初期，英国首先使用雷达预报和防御空袭。第二次世界大战期间，各交战国都在研制这种设备，雷达技术得到了飞速的发展。战后进入持续近半个世纪的冷战时期，在军备竞赛的刺激和推动下，针对航空、航海、航天、导航、气象预报、空中交通管制等方面，雷达探测技术得到了迅速的发展。雷达技术的发展，反过来又促使雷达进一步获得了更加广泛的应用。第二次世界大战以来，每个时期都有标志性的雷达技术或系统研制成功。

20世纪50年代，常规雷达技术取得了飞快的发展。为适应对人造卫星、弹道导弹和地空导弹的观测需要，开始出现超远距离探测雷达和精密跟踪雷达，雷达作用距离延伸到几百千米，测量精度都有明显提高。50年代早期，进行了合成孔径雷达（SAR）的原理试验；50年代末期，研制成功大型VHF、UHF雷达，其相控阵天线宽达数十米、高达数米，具有多目标检测功能，建成了弹道导弹早期预警雷达（BMEWS）和多功能相控阵跟踪制导雷达。中国在50年代开始研制各种远程警戒雷达、地空导弹用制导雷达和搜索雷达。

20世纪60年代是大型雷达最为兴旺的时代，美、苏相继开始研制外空监视和洲际弹道导弹预警用的超远程相控阵雷达，美国研制成功的 AN/FPS-85 是世界第一部正式用于探测和跟踪空间物体的大型相控阵雷达。60 年代后期数字技术的发展给雷达技术带来了一场革命，并一直延续至今。目前，几乎所有的雷达信号处理设备都是数字式的。1964 年，美国海军把机载动目标显示技术应用到E-2A预警机上，取得了成功，E-2A得以可靠地探测在海面上空飞行的飞机。60年代，中国也发展了用于精密跟踪弹道轨迹的靶场测量雷达、航空航天所用的地面和空载雷达。

20世纪70年代，是电子扫描雷达系统由研制进入实用的年代。反导弹防御系统的先进防御雷达（ADAR）启用，它能够识别真假再入弹头；丹麦“眼镜蛇”AN/FPS-108研制成功，其分辨力达到1m，美国用它观测和跟踪前苏联堪察加半岛靶场上空的多个再入弹道导弹的弹头。E-3 预警机的脉冲多普勒雷达研制成功，使机载预警雷达有了重大发展。70 年代也是先进雷达技术发展最辉煌的年代：机载警戒与指示雷达使用了超低旁瓣天线，出现了多目标定位的空中交通管制雷达，高分辨力SAR移植到民用，并进入空间飞行器。我国在此期间相继建成了大型单脉冲跟踪雷达和相控阵警戒试验雷达。

20世纪80年代，相控阵技术大量用于战术雷达，这期间研制成功的主要相控阵雷达，包括美国陆军的“爱国者”、海军的“宙斯盾”相控阵雷达系统和空军的B-1B系统，它们都已进入批量生产。在空间监视雷达方面，“铺路爪”全固态大型相控阵雷达是一个重大发展。中国也研制了各种高精度和多功能雷达。在防空导弹地面系统中引入了脉冲多普勒搜索雷达、单脉冲跟踪制导雷达和相控阵制导雷达。

20世纪90年代，全固态相控阵雷达进入实用阶段，美国用于反导的战区高空区域防御系统（THAAD）的 TMD-GBR 地基制导雷达是一部 X 波段全固态相控阵试验雷达，具有高分辨力，能够识别真假弹头。通用电气公司的机载固态相控阵雷达 MASAR，以及德国、荷兰与加拿大联合研制的APAR将用于护卫舰上的防空导弹系统。在海湾战争与科索沃战争的刺激下，雷达又进入了新的发展阶段，对雷达观察隐身目标的能力、在反辐射导弹和电子战条件下的生存能力提出了更高的要求，对雷达测量目标特征参数和进行目标分类识别的能力有了更加强烈的需求。逆合成孔径成像技术、低速动目标探测技术、低截获概率技术、机载共形相控阵天线技术、有源电扫阵列技术、用于无人机平台的机载相控阵技术，都是90年代以来甚至进入21世纪以后雷达探测技术发展的重要内容。

1.2.2 现代雷达系统的发展趋势

早期雷达的主要观察对象是飞机，雷达要测量的参数主要是飞机的距离、方位和仰角这三个坐标。为适应现代战争的需要，雷达要观测的目标，要获取的目标信息，与过去相比，已经有了很大的变化。

首先，观察的对象大为增加。飞机种类的增加，各类飞机性能的提高，给雷达提出了许多新的要求。例如，雷达应具有远距离探测能力、多批目标处理能力、高数据率、高精度测量、高分辨力能力和目标识别能力。低空飞行的巡航导弹成了雷达要观测的另一个重要目标，给雷达提出了新的课题。卫星、洲际弹道导弹、战术弹道导弹的出现，要求建立空间监视雷达网，其中包括各种地面大型雷达。

除了观测各种飞行目标外，地面与海面慢速运动目标及一些特殊的重点目标也成了雷达观察的对象。对地侦察、探测树丛中隐蔽的军事目标和地下工事的需要导致了SAR的广泛应用。

其次，在解决实时信息获取的任务中，现代雷达面临的突出问题是要能发现隐身飞机和其他小目标，要能观测低高度目标，并在反辐射导弹和激光制导炸弹等的硬打击下具有生存能力，在电子干扰环境下能正常工作。一部雷达要同时满足这些要求，往往是有矛盾的。雷达面临的这些生存威胁难题既给雷达带来了严重挑战，又给雷达发展提供了很好的机遇。雷达工作环境的恶化是现代雷达系统面临的严峻挑战。多数雷达都要求具有从强杂波环境中检测目标和提取目标参数的能力。对于存在多个方向的空间干扰情况，雷达必须具有自适应抑制干扰、频率捷变和极化捷变的能力。想要对付反辐射导弹对雷达的攻击，除了要求雷达发射天线具有低的天线副瓣以外，雷达还要配有诱饵站和具备低截获概率性能，即雷达辐射信号被敌方的反辐射导弹截获的概率应当保持在很低的水平。在反隐身和抗反辐射导弹的斗争中，双多基地雷达系统的作用特别受人重视，这使雷达系统的构成发生了深刻的变化，也促进了雷达数据处理和通信技术的发展。

此外，雷达作为先进武器系统的评估手段，近年来日益受到重视。各种分布式武器系统的出现，要求有多目标观测能力的测量雷达。高精度的武器系统要求测量雷达具有相应的高的测量精度。例如精确打击武器、精确制导导弹在研制过程中及在其性能评估阶段，必须要有精密测量雷达对其飞行轨迹、落点精度、脱靶量等进行测量和鉴定。具有突防能力的地地弹道导弹要求测量雷达具有相应的多目标、多参数测量能力。在战术战略导弹的发展过程中，测量雷达除进行弹道参数测量外，还必须具有目标特征参数的测量能力和多目标测量能力，以便识别真假目标和检验它们的突防能力。这类雷达还用于卫星和导弹发射时的安全控制和轨道测量。对这类雷达的主要要求，除了高精度测量外，作用距离要求也是很高的，从数百千米到几千千米。有的测控雷达还要求具有多目标跟踪测量性能，这时还应采用相控阵技术，即多目标精密跟踪相控阵测量雷达。

1.2.3 典型现代雷达探测技术

1.相控阵雷达技术

相控阵雷达是现代高科技战争客观需要和科学技术水平发展到一定阶段的产物。相控阵雷达的突出优点：在搜索和跟踪目标时，整个天线系统可以固定不动，通过控制阵列天线中各个单元的相位，得到所需的天线方向图和波束指向。由于不存在机械运动惯性，改变波束指向所需控制时间就很短，大约只需十几微秒，是常规雷达反应的几十万分之一。因此，相控阵雷达具有反应时间短、边扫描边跟踪、可以跟踪多目标等功能。

近年来，计算机技术和半导体技术的飞速发展，极大地推动了相控阵雷达的发展。目前，相控阵雷达已逐渐发展成为具有多功能、多目标、远距离、高数据率、高可靠性和高自适应能力的一种重要雷达，成为先进武器系统的核心组成部分。而且，一些民用雷达，例如，空中交通管制雷达、气象雷达等，也采用了相控阵技术。

相控阵雷达与机械扫描雷达一样，可分为发射分系统和接收分系统两个基本分系统。发射分系统包括：发射天线阵、发射波束形成网络、发射信号产生及功率放大部分。接收分系统包括：接收天线阵、接收机前端、接收波束形成网络、多路接收机、信号处理机和雷达终端设备。功能不同的各种相控阵雷达，其具体构成千差万别，但基本组成部分仍是一致的。图1-3是一种比较典型的相控阵雷达系统基本组成框图，图中所示为收发天线共用的情况，这也是绝大多数相控阵雷达所采取的方式。

相控阵雷达的典型工作过程：控制计算机根据外部指令（可由外部接口或主控台）和经数据处理得到的有关目标的位置坐标等，产生雷达波束驻留指令（包括波束的角位置、发射时间、频率、波形、脉冲周期、检测门限等参数和波束驻留标志等信息），送往波束控制计算机。由波束控制计算机计算出每个移相器的相位，以便发射天线阵形成指定方向的波束。

同时，发射信号产生部分产生需要的工作波形和载波频率信号，经变频，升高到发射载频，经放大后送至阵列天线。在阵列天线中经移相器移相，向指定方向上发射雷达信号。

在接收机输出端得到的回波信号，经信号处理中各种抑制杂波、增强有用信号的处理后，得到的数据经接口设备传入控制计算机。控制计算机依据雷达当前的任务类型进行不同的处理。在搜索任务类型下，需要判断是否存在目标，若发现目标，则转入截获跟踪任务类型。在跟踪任务类型下，则需要按照一定规则并采用递推算法（如卡尔曼（Kalman）滤波方程、α-β滤波方程等），得到目标当前位置、速度以及预测位置的最佳估计值，电子伺服回路利用形成的采样数据来完成自动跟踪功能。

与常规机械扫描雷达相比，相控阵雷达具有以下特点：

① 天线阵面固定。由于天线不需要机械驱动，尺寸通常可以做得很大。目前，地面预警相控阵雷达的天线阵长达百米、宽达几十米，因此，提高了雷达威力，增大了雷达探测距离，不存在机械扫描误差，角跟踪和距离跟踪精度高，天线可以做得很牢固，具有较好的抗爆能力。

② 波束扫描灵活。波束扫描不受机械惯性的限制，波束移动很快。而且天线阵列可同时形成多波束，各个波束又可以分别具有不同的功率、波束宽度、驻留时间、重复频率和重复照射次数等，并且既可统一控制，也可分别控制，非常灵活。

③ 辐射功率大。通常情况下，成千上万个发射源合成的总功率可达十几兆瓦至几十兆瓦，加上大尺寸的天线，使得相控阵雷达能够比较方便地把探测弹头的作用距离提高到10万m以上。

④ 自适应能力强。电子计算机已成为相控阵雷达的“大脑”，它能根据变化多端的空情实时确定雷达的最佳工作方案，以满足各种复杂要求。例如，它能“记忆”空中原有目标的批量及其所在轨道的参数，在发现新目标后，能够同原有“记忆”数据对照并及时加以识别，并按其需要进行分类处理（监视、跟踪和制导等）。

⑤ 可靠性高。由于天线阵列中的辐射元很多，并联工作的发射源和电路也很多，部分组件的损坏对雷达性能一般不会造成致命的影响。例如，在工作中有10%的阵列元件损坏时，天线增益只不过降低1dB。

⑥ 抗干扰性能好。由于波束形状、扫描方式、工作频率、信号形式等均可以改变，这种方便的信号处理和灵活的控制，便于综合运用各种抗干扰技术。

⑦ 扫描范围有限。目前，平面天线阵产生的波束通常在俯仰角±45°和方位角±60°范围内扫描。为了在半球空域内监视目标，往往需要采用三个或四个平面阵。

⑧ 体积庞大，结构复杂。洲际弹道导弹预警系统的相控阵雷达通常有上万个发射和接收组件，体积庞大，结构复杂，因而造价高，维护费用也很大，但与达到同样性能的超远程机械扫描雷达相比，后者造价更高，并且这些雷达彼此不易控制，难以协调工作。因此，相控阵雷达仍是优选的方案，得到了大力发展。

2.SAR技术

SAR（Synthetic Aperture Radar，合成孔径雷达）是一种工作于微波波段的主动雷达，能在不同频段、不同极化条件下获得地面目标的远距离高分辨图像，与光学传感器具有互补性。SAR的优点是：可在不良的观测条件下（如天气恶劣、烟雾遮挡等）对战场进行高分辨力全天候、实时成像，并探测活动目标。目前，SAR已经在军事侦察、干涉测量、伪装识别、探雷、精确制导等领域中发挥着重要作用。

SAR通常装在飞机或卫星上，按雷达平台的运动航迹来测定距离和成像。SAR通过发射电磁脉冲和接收目标回波之间的时间差获得距离维信息，其分辨力与脉冲宽度或脉冲持续时间密切相关，脉冲宽度越窄分辨力越高。SAR的另一维信息是垂直于距离上的方位信息，方位分辨力与波束宽度成正比，与天线尺寸成反比，因此，方位分辨力实际上是通过天线的移动和沿航迹对一系列回波的累积得到的。装载于飞机或卫星上的SAR成像，当平台运动航迹不规则时会造成图像散焦，必须使用导航传感器进行天线运动的补偿，同时对成像数据反复处理以形成具有最大对比度图像的自动聚焦。因此，SAR成像通常以侧视方式工作，在一个合成孔径长度内，发射相干信号，接收后经相干处理，从而得到SAR图像，这也是机载星载SAR的标准工作模式。随着SAR遥感技术的进步和用户需求的增加，逐步出现SAR的新工作模式。目前，经过实践检验，较为成熟和典型的SAR工作模式有扫描SAR模式、聚束SAR模式、双多基地SAR模式和干涉SAR模式。关于SAR的具体工作方式和原理请见本书第6章。

就军事应用而言，无论是机载、星载还是弹载SAR，均属主动工作体制，它具有以下的突出优势。

① 主动性好。不受时间的限制，能全天候成像，并能在恶劣气候条件下工作。

② 穿透能力强。能够穿透尘埃、烟雾和其他的遮蔽物、伪装和掩体成像，这是光学成像难以比拟的。

③ 能远距离成像。SAR比起红外和电光传感器具备更远距离的工作能力，同时，SAR的分辨力与距离是无关的，不会随着距离的增加而降低。

④ 信息量更丰富。SAR可以进行干涉测量，获取侦测范围的高度及目标的立体外形。

3.脉冲多普勒雷达技术

脉冲多普勒（PD）雷达是一种利用多普勒效应检测目标信息的全相参体制雷达，能实现对雷达信号脉冲串频谱单根谱线滤波（频域滤波），具有对目标进行速度分辨的能力。自20世纪50年代后期出现PD雷达之后，许多国家都非常重视PD雷达的研制，投入了大量的人力、物力。目前，PD 技术已广泛地应用于机载预警雷达、机载、舰载和地面火控雷达、超视距雷达和气象雷达之中。

早期的普通脉冲雷达都是非相参系统，通过利用发射脉冲与回波脉冲的时间差提取目标的距离信息。但当在与目标相等距离上存在大量的干扰物体的反射波（环境杂波及金属箔条杂波等）时，微弱的目标回波将被淹没，从而无法探测到目标。雷达的这一弱点在军事上也常被对方利用，飞机在低空飞行就是有效的突防方式之一，大地和海浪杂波为进攻飞机提供了隐蔽和安全的保证。巡航导弹的出现，使低空突防能力更趋完善。巡航导弹体积小，雷达截面积仅为战斗机的几十分之一或更小，飞行高度低，仅几十米到几百米，因此，雷达发现这种导弹比发现低空突防的飞机更为困难。

为了发现低空突防的目标，迫切需要改变原有的雷达体制。当利用时间差（距离差）难以区分目标与背景噪声时，可以利用频率差（速度差）将目标从背景噪声中区分开来。多普勒效应使运动目标的回波与静止背景的回波存在频率差，这就使得从频域检测运动目标成为可能。地面架设的雷达与周围地物不存在相对运动，因此，这些地物的雷达回波信号频率与发射信号的频率相同，而运动目标的回波信号频率与发射频率之间存在多普勒频移，频移大小正比于目标相对径向速度。对于机载雷达，地物背景和目标相对于雷达都是运动的，但地物背景的相对速度是已知的，且不同于目标的相对速度，因此，仍然可以利用多普勒频移将目标区分出来。多普勒效应虽然可以用来检测运动目标，但通常的目标，如飞机、导弹等所产生的多普勒频移相对雷达载频来说非常小，一般为零至数百千赫。要检测出如此小的回波频移，雷达发射信号必须有很高的频谱纯度，这是非相参系统所无法实现的。因此，利用多普勒效应的雷达全部采用相参体制。

就本质而言，PD 雷达与普通脉冲雷达的区别在于后者是在时域内进行检测，而前者是在频域—时域内对回波信号进行检测。由于采用了全相参体制，PD 雷达的回波中包含了幅度、相位、频移、时延和极化等信息，这为PD雷达的性能提高、应用功能和领域的扩展提供了条件。另外，也对PD雷达的信号处理提出了更高的要求。20世纪70年代以来，随着信息技术和计算机技术的迅速进展，目前，新型PD雷达大多采用了可编程处理机，其硬件结构在软件控制下，可以重新配置，完成多种功能。在信号处理、数据处理算法方面，各种先进的信号处理技术如非线性及混沌信号处理、时频谱分析、子波变换、多维信号处理、阵列信号处理、高阶谱分析、自适应滤波和模式识别、人工智能及神经网络、数据融合、专家系统等被广泛地应用于 PD雷达信号检测、目标识别及跟踪。新技术的应用拓宽了 PD雷达发展的空间，也促进了PD雷达与其他雷达体制的兼容。