机载雷达的技术解构

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导读:回顾机载雷达的发展历史,每一个大的性能提升都是在经历很多艰辛并突破了相应的关键技术后才取得的,这些技术就像是雷达前进道路上的“拦路虎”,解决它们的同时,机载雷达各方面的性能也有了质的飞跃。这其中,最难突破的关键技术有两个,即脉冲多普勒技术和有源相控阵技术。仅从时间上看,它们从提出到成熟分别用了20和30年。      三虎拦路   ——脉冲多普勒雷达      要想把脉冲多普勒技术应用于机载雷达中,必须突破三大关键技术。一是必须具备能在比目标回波强几十万倍的杂波中“筛选”出目标信号的高性
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回顾机载雷达的发展历史,每一个大的性能提升都是在经历很多艰辛并突破了相应的关键技术后才取得的,这些技术就像是雷达前进道路上的“拦路虎”,解决它们的同时,机载雷达各方面的性能也有了质的飞跃。这其中,最难突破的关键技术有两个,即脉冲多普勒技术和有源相控阵技术。仅从时间上看,它们从提出到成熟分别用了20和30年。


三虎拦路

——脉冲多普勒雷达


要想把脉冲多普勒技术应用于机载雷达中,必须突破三大关键技术。一是必须具备能在比目标回波强几十万倍的杂波中“筛选”出目标信号的高性能信号处理器;二是必须具备能够有效减小雷达接收到的杂波能量的高性能天线;三是必须具备能够发射“纯净”频率电磁波的高性能发射机。这三大技术称为机载雷达的“三高”技术。正是由于这三只“拦路虎”的存在,使得从提出基于脉冲多普勒技术的雷达原理直至最终在机载雷达上运用自如,整整用去了20年。20世纪50年代至70年代中期,美国研制的AN/APG-66雷达,才实用于F-16飞机上,它也是当时第一种真正成熟的机载脉冲多普勒雷达(PD雷达:Pulse Doppcer radar)。但不久后被性能更为优越的AN/APG-68雷达替代。


从笨重的金属管到轻灵的芯片


脉冲多普勒技术(PD技术)的祖先是首先用于地面雷达的动目标显示(MTI:Moving Target Indication)工作模式,用来从静止的地杂波中“筛选”出运动的目标回波。地面雷达的波束虽然向空中发射,但仍存在地面反射,因为波束可能在较远的距离碰到高山。MTI能够使地面雷达区分运动的飞机目标和静止的地面或海面,相应的多普勒频率将分别反馈非零和零信号。雷达可让不为零的多普勒频率不通过接收机,就能提取目标回波。然后分别对飞机目标和地面先后相邻的两个回波作比较。因为飞机目标存在运动,先后两次回波是不同的,二者相减就会有差值;而地面杂波不变,两个回波相同,差值为零,于是便区分出了目标和地面回波。但是,要成功地把两个回波相减,在最初也是一件很难的事。因为雷达的先后两次回波是以光速到达接收机且间隔很短(只有几十毫秒),在这么短的时间内做数据处理在当时还很困难,所以只能先把两个回波储存后再相减。由于当时还没有存储器,人们最早想到了用“延迟线”的办法:即先把回波电信号变成超声波,然后让其通过用镍丝(或钢丝、水银等)作介质的导管,由于超声波在介质中的传播速度只有每秒3千米左右,便实现了雷达回波延迟;而且,前后两个回波可以通过两个不同长度的导管相减,并把超声波信号转化为电信号。

将雷达搬上飞机后,使用PD技术就困难了。因为雷达与载机一起飞行,所要探测的空中飞机目标和地面都与载机存在相对运动,飞机目标与杂波各自的两次回波相减之后都不再为零。因此,必须通过补偿技术,使得雷达即使在运动状态下,地面在其“看来”仍然是静止的,这就是所谓的“机载动目标显示”模式(AMTI:Airborne MTI)。利用雷达载机上的导航设备,可以知道载机当前的运动速度以及雷达天线波束的指向等信息,然后算出机载雷达自身的多普勒速度并予以消除,以实现补偿。

虽然,延迟线初步解决了回波的存储问题,但由于雷达探测到的目标很多,为了区分出每一个目标的运动速度,在动目标显示的基础上,一般需要上千根延迟线,如此多的延迟线要几个大柜子才能放下,在飞机上这种寸土寸金的地方显然无法实现。所以在当时,即便PD原理已经成熟,把它变成实用的机载设备依然是一件很困难的事。虽然在20世纪70年代末期已经出现了存储器,但其容量最多能达4KB。而如今,一个高性能的芯片就能解决所有问题,这都得益于计算机技术和集成电路的发展。


主瓣、副瓣之争


高性能的天线要求在发射电磁波时,应尽可能将能量集中在较小的范围内,而在其它范围内的辐射能量尽可能少——最好没有。雷达天线发射电磁波最为集中的区域称为天线的“主瓣”。雷达在探测目标时,利用的就是主瓣照射到目标后返回的电波能量。但所有现实中的雷达天线,电波辐射多少会在其它方向上发生“泄露”,即产生“副瓣”。当机载雷达以下视方式工作时,如果不把这种损失尽可能地降低,雷达甚至会变成“瞎子”。这是因为机载雷达和地面雷达不一样,波束是从空中往地面照射,地面的回波通常比飞机目标回波强几十万甚至上百万倍,从而遮盖目标回波使雷达“失明”。也许读者会问,地面回波怎么会这么强,它不是只占天线辐射出的全部电波能量的一小部分吗?不错,虽然副瓣的功率远远低于主瓣功率,但不像主瓣里的能量仅仅分布在一个波束宽度(一般为0.5°至3.0°)的范围内,而是各个方向都会照射到地面并反射回杂波(即副瓣杂波),大量的杂波累加起来的功率就非常可观了。所以人们在设计天线时,通常会尽力降低副瓣功率,使其比主瓣功率低得越多越好,低1 000倍(即30分贝)叫“低副瓣”,低10 000倍(即40分贝)以上就叫“超低副瓣”。减少了天线副瓣功率,也就减少了副瓣打地后反射回雷达的地面杂波,这对雷达准确提取目标回波是非常有利的。

机载雷达最初的超低副瓣天线并不是诞生在战斗机上,而是在预警机上。战斗机主要用于空中格斗和攻击,多数时候雷达波束不需要打地,但是预警机天生是用来监视低空的,绝大部分情况下都需要雷达下视。因此,解决杂波干扰问题对机载预警雷达更为迫切。20世纪70年代,世界上第一部超低副瓣天线雷达AN/APY-1问世,并用于E-3A预警机上,首次使得副瓣能量比主瓣能量低了1万倍以上。该雷达采用平板波导缝隙天线,天线上有一千多个缝隙,每一个缝隙的幅度和相位都必须精心设计,需要计算的变量有数万个,本来电磁场的计算就非常复杂,现在运算量又如此巨大,没有高性能计算机辅助,根本无法完成设计。设计完成后的加工也不简单,整个波导缝隙的加工误差必须控制在零点几毫米以下,稍有误差,从缝隙射出的电磁场就会与预期发生偏离。完成后的天线需要测试,而当时没有好的能测出低于主瓣能量上万倍的副瓣能量的测试条件。随着计算机技术的发展,设计软件有了更好的硬件平台,加之数控机床技术和电子仪器技术也获得了重大发展,超低副瓣天线才于上世纪70年代成功问世。实际上,天线的设计正是高性能计算机的最早用户之一。

机载火控雷达上的天线缝隙虽然没有预警机雷达天线那么多,但由于火控雷达的工作波长更短,对于天线的加工要求更高,要求缝隙加工精度必须提高1个数量级。实际上,在1959年开始研制F-4J战斗机的机载雷达之初,就提出了超低副瓣天线的设计要求,但限于当时的技术水平,未能成功。直到在E-3A预警机上首次实现后,机载火控雷达的天线才全部实现了低副瓣或超低副瓣,为战斗机雷达具备下视能力打下了坚实基础。


净化发射机的频率


高性能的发射机要求产生的电磁振荡信号长时间稳定在固定波长(频率)上,尽量减少甚至杜绝其它频率上的电磁波以提高其纯度。因为脉冲多普勒技术要求在频率上把目标回波和杂波进行区分,如果发射的电磁波频率原本就不够纯净,那多余的频率值就会被误认为是由于目标的径向运动造成的(雷达在工作中可以发现很多飞机目标,每个飞机目标可能都存在不同的径向速度而具有不一样的多普勒频率),从而“欺骗”雷达,误把多余的频率值当作有相应多普勒频率值的真实目标。

虽然,过去的磁控管技术为雷达升空创造了极为重要的条件,但由于其产生的振荡电流频率杂质太多而无法满足下视的需要,早在上世纪60年代就退出了机载雷达的历史舞台。目前的机载雷达发射机多采用真空管和固态器件。真空管技术主要研究电子在真空中的应用,始于爱迪生1883年研究白炽灯时所发现的电子可以从灼热的灯丝通过真空到达灯泡内的金属极板上的现象,即“爱迪生效应”。1904年及其之后所发明的二极管、三极管、四极管和五极管等都是真空管。真空管利用外加的电压将电子在真空中加速,获得很高的能量;利用外加的静电场和磁场来控制电子在真空中的位置和运动的方向。在雷达中用的比较多的一类真空管是微波管,主要包括行波管和速调管这两种线性注管。它们之间的比较,前者工作频率范围较宽、对电能的利用率高、寿命长,适于机载和星载场合;后者承受的功率大,工作频率范围相对较窄,适于对功率要求比较高的地面雷达,以及对功率要求比较高的一些机载雷达。如果对电子的放大和控制是在半导体中进行的,则称为固态器件,其集成度高,工作电压也比真空管低得多。这些技术最终帮助雷达大幅提高了发射机电磁波的纯度。

不完美的相控阵雷达


相控阵技术应用在机载雷达上主要解决两个难点:大角度扫描情况下的超低副瓣的实现和高性能收发组件的生产。

相控阵天线虽然有着明显的优点,但它并非十全十美。在天线扫描中,当主瓣指向与天线平面的法线方向重合时,主瓣最窄,能量最集中;当天线主瓣指向偏离天线法线方向时,主瓣变宽。主瓣扫描到偏离天线平面法向60度时主瓣将变宽一倍,能量也分散得比较厉害,严重影响到远距离传播;同时,由于主瓣内的能量大幅减少,副瓣功率就相对增大,此时天线性能已恶化到不能使用的程度。所以,对于采用相控阵技术的天线,通常只负责扫描偏离法线方向两侧60度范围(共120度)内的目标,以确保其性能。

相控阵天线具有该特点是由于:在波长一定的情况下,天线的波束宽度与天线的尺寸或面积成反比。由于传统天线的主瓣通常是垂直于天线阵面射出,因此其宽度取决于天线面积。当相控阵天线扫描到0度即垂直于天线阵面时,对主瓣宽度作贡献的是全部的天线面积;而当相控阵天线扫描到其它角度上时,此时对主瓣宽度作贡献的只是全部天线的投影面积,该投影面积与扫描角的余弦成正比,效率已经明显打了折扣。

再来看收发组件。对于相控阵雷达,由于组件数量成千上万且排列紧密,各自辐射的电磁波之间很容易互相干扰(专业上称为“互耦”);同时,收发组件的加工表面和物理特性对电磁场的特性也会有明显的影响,因此对加工工艺要求非常高,在收发组件数量巨大的情况下,就要求生产线的批生产非常稳定。由于这些原因,相控阵天线的主瓣副瓣功率比较机械扫描的天线不容易提高,即相控阵雷达要做到超低副瓣天线较为困难。而机械扫描的天线则不存在扫描角度变大以后主瓣变形的问题,这就使其在一般情况下具有更低的副瓣,也就具有了在复杂地形下更好的下视能力,这是机械扫描雷达的显著优点。


难制造的收发组件


收发组件几乎把雷达的大量部件,如发射机、接收机、移相器、功率放大管等都集成在一个很小的体积内,每个收发组件已相当于一个微型雷达。在其内部的各个部分中,有的部件发射电磁波的功率大,有的接收灵敏,大量高频设备要集成在很小的空间内并确保互不干扰或烧坏,就需要对电路进行精心设计。同时,由于收发组件的工作频率都很高(几百兆以上),若内部集成和表面加工工艺不过关,很容易导致每一个天线单元发射的电磁波受到组件物理特性的影响,而同预期性能发生偏差。有源相控阵雷达是随着加工技术的改进,从低波段到高波段逐渐推广应用的,例如:20世纪90年代初出现的世界上第一部采用有源相控阵雷达的预警机,即以色列“费尔康”雷达工作在L波段(波长25厘米左右);几乎与此同时出现的瑞典“爱立眼”预警机则工作在S波段(波长10厘米左右);而从20世纪60年代末开始研制,直到21世纪初才研制成功的世界上第一个有源相控阵机载火控雷达,即用于F-22上的AN/APG-77已工作在X波段(波长为30毫米)。从中可以看出,虽然有源相控阵雷达的原理早已突破,但是限制其应用的主要是器件加工水平,也是收发组件价格昂贵的主要原因,其加工成本曾一度占到整部雷达的80%以上。早期的收发组件采用半导体硅平面功率管和混合集成电路,每个需数千美元,而有源相控阵雷达的收发组件为了获得足够大的功率,通常需要成百上千个,其总造价可想而知。后来出现的砷化镓器件对于工作频率更高的电磁波可以直接放大,而不是分级放大,使元件数量、电路间的线缆都得以减少,在降低成本的同时提高了系统可靠性,所以砷化镓微波单片集成电路取代了硅管电路后,成本已大幅度下降至目前的每个100美元内。同时,收发组件放大管和其它类型的发射机放大管一样,对电能的利用率(称为放大效率,简称效率)很低,一般只有20%到40%。但随着器件水平的进步,电能利用率也在不断提高。




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