雷达是利用目标对电磁波的反射探测目标的,但随着隐身技术的发展,各种隐身装备不断出现,它们的雷达截面积可小到与鸟类、昆虫的雷达截面积相当,这便对雷达探测目标的有效性提出了严峻的挑战,使雷达不得不面临如何检测和跟踪隐身目标的难题。
在1999年的科索沃战争中,南斯拉夫防空部队跟踪、定位并击落一架F-117A隐身飞机,打破了隐身飞机不可探测的神话,同时也以事实证明了雷达隐身技术有其自身的缺陷。以下先分析隐身目标的散射特征,在此基础上讨论雷达反隐身的技术措施。6
采用隐身技术后,装备的雷达截面积散射强度可减小20分贝~30分贝,但是要注意,这个截面积,仅限于目标的后向散射所对应的截面积,其非后向散射则不然,这正是探测隐身目标时的可利用之处。通过分析各种隐身技术,便可掌握隐身目标的散射特性,为反隐身技术提供理论依据。
隐身目标的散射特性随视角的不同而变化,对飞行器而言,在其迎头方向的一个小范围内,反射截面积很小,而在其它方向并非如此,其原因如下。
外形隐身技术的主要措施之一,是变后向散射为非后向散射,因此,尽管目标的后向散射被减小,但非后向散射并非减弱,散射能量可能在某些方向上还有所加强。
材料隐身技术中,吸波涂层对电磁波的吸收效果与电磁波的入射方向有关。例如,某种吸波材料,当电磁波从正向入射时,反射衰减可达25分贝,30入射时衰减为18分贝,70入射时衰减则降低到5分贝。
此外,无源对消隐身技术、有源对消隐身技术也均是用来减小目标的后向散射截面积的,对非后向散射特性不起作用。
总之,隐身目标的隐身特性只限于迎头方向的一定范围(方位±45°,垂直土30°),在其它方向不具有隐身特性。
隐身目标的散射特性随雷达信号的极化特性而变化。
我们知道,常规目标的极化特征很复杂,不同极化的入射波可以引起目标后向散射截面积的显著变化;散射波的极化方向还常与入射波的极化方向不同。隐身装备在外形设计上多采用棱边形,其后向散射强度与入射波极化是否平行于棱边有着密切的关系。因此隐身目标具有比常规目标更为突出的极化特征。
隐身目标的散射特性除具有上述特征外,还具有其他特征,如其所携载的各种传感器的电磁信号泄露、产生的散射信号中包含谐波成分而使其不同于大地散射等。隐身目标的所有这些特征都可以加以利用,以实现对隐身目标的探测。
雷达反隐身技术立足于上述的隐身目标散射特性。可分为工作频段反隐身、空间位置反隐身、极化反隐身和改善雷达探测能力反隐身等五类技术措施。
1.频域反隐身
由上述分析已知,隐身目标的散射特性随频率变化,在低频段和20吉赫以上的毫米波段隐身效果较差。
(1)低频雷达探测技术
VHF和UHF频段(50兆赫~1000兆赫)的雷达是最早使用的雷达,目前主要担负警戒任务。由于其工作波长较长,对应于隐身目标隐身效果几乎失效的波段,故对隐身目标仍然保持较好的探测能力,且造价低廉,因此正重新引起人们的普遍关注。97
低频段雷达虽然可以保持对隐身目标的探测能力,但由于它精度低,抗干扰能力差,尽管近年来已大有改进,要能在战时担负起对空警戒的重任,还需要进一步提高下列各项技术性能。
提高抗干扰能力。可采用空间滤波(旁辦对消、旁辦匿影或自适应天线阵列等)技术。隐身飞机一般不释放干扰,以免暴露自己,但它会得到远方专用电子战飞机的支援,即从雷达旁辦释放干扰进行掩护,以增强其隐身效果。采用空间滤波技术对回波进行处理可滤除干扰,检测目标回波。
采用脉冲压缩技术,提高雷达在干扰中检测目标回波的能力。
扩展雷达的瞬时带宽使其成为“超”宽带雷达,改善雷达抗有源干扰的能力,并保证对迎面隐身飞机的探测性能。
(2)采用毫米波雷达探测技术
毫米波雷达的工作频率超出了雷达隐身技术的有效范围,对隐身目标具有较强的探测能力。毫米波雷达一般工作在30吉赫~300吉赫范围内的几个“窗口”(30吉赫、94吉赫、140吉赫等)上。毫米波雷达工作波长短,绝对频带宽,能够达到极窄的天线波束(约为微波雷达波束的1/2-1/10)和脉冲宽度,可实现角度和距离高分辨率,获得目标细微的散射中心,可将其外形图像在雷达屏幕上直接显示出来,因此具有反隐身能力。由于运动目标回波的多普勒频率与雷达波长成反比,因此毫米波雷达对运动目标具有高速度分辨力。
此外,毫米波雷达抗干扰能力强,体积小,机动性和隐蔽性强;不足之处是传播衰减大,探测距离小。
由于毫米波雷达的特点使它适用于防空和雷达制导导弹的导引头,以对付隐身目标和其它目标。
(3)超视距雷达
超视距雷达是利用电离层对电磁波的反射(天波)或电磁波在地球表面的绕射(地波)对地平线视距以外的目标实施超视距探测或跟踪的。它不受地球曲率的限制,作用距离可达900千米~4000千米。
超视距雷达可分为天波超视距雷达和地波超视距雷达两种。天波超视距雷达的工作频段为HP频段(5兆赫~30兆赫),工作波长为10米~60米,它依靠经电离层反射回来的目标回波即天波来探测距发射机900千米~4000千米处的运动目标。地波超视距雷达的工作频段为中波、长波或短波,它利用电磁波在地球表面的绕射效应探测视距以外的目标。
天波超视距雷达利用目标回波中的多普勒信息探测和跟踪运动目标,因此它具有很好的抗杂波和抗低空或超低空突防的能力;它利用电离层反射来探测和跟踪目标,使侦察系统无法对其精确测向,因而,不能对其实施有效的干扰,所以具有抗 干扰能力;同理,反辐射武器不能对其实施精确打击,因此它还具有抗摧毁能力。
天波超视距雷达的缺点是不能给出目标的精确位置,只能确定其存在的区域;探测性能随电离层的高度及参数随机变化,因此,必须要对电离层进行实时监控,这需要借助于现代计算能力强大的计算机。尽管如此,天波超视距雷达仍是反隐身的最有效手段之一。
(4)超宽带脉冲雷达探测技术
超宽带雷达是指带宽大于中心频率50%以上的雷达。冲击雷达或无载波雷达是其中的一种。因为超宽带脉冲雷达能发射毫微秒、千兆瓦级功率和含有数千个频率的脉冲,因此具有极高的距离分辨率,可形成目标图像识别和区分目标的能力强,可用于探测隐身目标。
(5)雷达组网技术
雷达组网技术是将不同频段、不同体制的多部雷达合理配置在不同地域或平台上,可以从不同频段、不同视角探测隐身目标,并把所接收的回波信号送数据处理中心进行相关处理,以便准确、及时地发现隐身目标。雷达组网探测技术具有频域、空域和能量分集的特点,不但可以反隐身,同时可以抗干扰、抗摧毁,是雷达技术的一种发展趋势。99
2.空间位置反隐身
众所周知,隐身目标只是在迎头方向的一定范围内隐身,其非后向散射与常规目标无异甚至更大;其次,隐身目标的散射特性具有方向性。空间反隐身即利用隐身目标的非后向散射进行探测(双/多基地雷达),或从隐身目标的俯视、侧视或仰视等方向进行探测(空基雷达、超视距雷达)。
(1)双/多基地雷达
双/多基地雷达将发射机和接收机分置两/多地,利用隐身目标的非后向散射能量从两/多个方向探测目标。其发射机可放置在远离战场的安全区域,如飞机、卫星或防空系统严密保护的地点;接收站是无源工作的,具有高度的隐蔽性,并具有抗侦察、抗干扰、抗反辐射摧毁的优势。因此,一般一部发射机可对应有多部接收机。
双/多基地雷达的实现技术比较复杂。要求收发各站在空间、时间、信号相位上严格同步。当有几个目标时,需要消除假目标。因为只有发射波束和接收波束在空间重合时,才能对目标进行检测和定位。一般,发射波束采用一个扇形波束扫描或采用泛光波束覆盖所需探测的范围,而接收波束采用数字波束形成技术形成多个波束在发射和接收波束交叠的空域中同时观察不同位置的目标,以获得较高的数据率。
双/多基地雷达的信号处理、数据传输等比较复杂,且探测精度、分辨力、数据率比较低,但效费比则比较高。尽管如此,它仍然得到各国的重视,将其作为反隐身和抗反辐射摧毁的有效手段。
(2)空基雷达
空基雷达是以飞机、卫星或气球为运载平台的雷达。因为大多数隐身装备在设计时,把隐身的重点放在迎头方向,且为了降低迎头方向的后向散射截面积,采用机身与机翼融合设计,甚至将一些不得不外置的部件,如发动机进气口等置于机翼上部以求遮挡,因此隐身目标的顶视截面积较常规目标大。空基雷达,便是从隐身目标的上空进行探测的。目前,典型的空基雷达是预警机载雷达。100
因为隐身目标的后向散射截面积与雷达发射电磁波的极化特性有着密切的关系,若能改变雷达的极化特性,使之与隐身目标固有的极化特性相适应,使目标的截面积达到最大,就可提高雷达对隐身目标的探测能力。
隐身技术可以大大降低目标的后向散射截面积,使目标的回波很弱,雷达难以检测到。但若能采取技术措施,提高常规雷达的各项技术性能,使之具有探测微弱回波的能力,也可以达到反隐身的目的。
隐身设备在设计时已经采取了光电、热、声等隐身措施,但隐身程度很有限,因此可以采用红外探测、紫外探测、激光探测等各种光电探测手段探测隐身目标。
隐身设备在飞行中不可避免地要产生热量,尽管在设计时已采用了一些定向屏蔽技术、有源冷却技术和无源表面处理技术等来降低红外辐射特征,但是,远没有达到对雷达信号的隐身程度,因此,利用隐身目标的热辐射,采用各种光电探测手段对其进行探测是近距离反隐身的一种有效措施,可有效地对抗导弹的威胁。但对远距离隐身飞机效果有限。