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毛二可院士:军用雷达发展史、新体制雷达发展方向

2019-09-19

  2017年4月20日,美国国会批准了LRDR新型陆基反导预警雷达的设计方案,这是继『萨德之眼』AN/TPY-2雷达后,美国最先进的反导雷达,它将成为美国陆基中段反导系统的重要基础。据报道,LRDR 雷达将是基于氮化镓组件技术研制的相控阵雷达。为此,《兵器知识》就相控阵雷达的先进性,空警 500 等国产雷达的发展,专访了毛二可院士。

  人物介绍

  毛二可中国工程院院士,雷达系统、雷达信号处理专家。1956年毕业于北京工业学院(现北京理工大学)。现任北京理工大学教授、博士生导师。在雷达杂波抑制和新体制雷达方面取得重大科研成果,对我国动目标显示、动目标检测技术做出了重大贡献。曾获得国家技术发明奖一等奖1项、二等奖2项、三等奖2项、四等奖1项;获得政府特殊津贴、北京市优秀教师奖、何梁何利基金科学与技术进步奖等;所领导的团队获得“国防科技工业优秀科技创新团队”、“全国教育系统先进集体”等荣誉。

  1、军队的传感器

 。记者,以下简称“记”):毛院士,您是我国雷达领域的著名专家,请您介绍一下雷达在战争中的重要地位。

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  毛二可

  想赢得战争,就要知己知彼。雷达作为全时空传感器,是情报侦察必不可少的手段之一,能在很恶劣的情况下了解敌情。不管海陆空,雷达是必不可少的。雷达最早就是应用于军事。

  “雷达是二战时期战胜法西斯的一件法宝!闭馐乔鸺尔 对雷达的评价,概括了雷达在二战中的重要作用。同盟国的雷达技术高于德国、日本,对赢得战争功不可没。例如,二战初期,美国在太平洋战场上并不占优势,但是凭借先进的雷达技术,先敌发现,先敌采取措施,在很多战役中占据上风, 如航母之间的对抗。

  雷达为扭转英国被动作战的局面也发挥了重要作用。不列颠之战中,英国在英伦海峡部署了雷达,能够及早发现来袭的德国飞机。另外,为防御德国U型潜艇在大西洋战场 袭击英国商船,多数飞机和水面舰艇都装备了雷达,能搜索到晚上浮出水面充电的德国潜艇,使得盟国飞机可以在很大范围内打击德国潜艇。德国潜艇受到重创,因而不得不撤出大西洋,导致德国破坏英国海上运输以迫使英国屈服的战略失败。

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  Chain Home早期预警雷达是最早的军用雷达,在著名的不列颠之战中为英国本土防御发挥了巨大作用。左图为该雷达发射塔,右图为发射机 。

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  性能优异的H2S地形扫描雷达成为了二战后期英美轰炸机的标配,注意这架 “兰开斯特”轰炸机机腹上的 “鼓包”。

  可以说,雷达在战争中的作用在二战中表现最为充分, 对二战的进程和最后的结果起到了很大的推动作用。除了二战,以色列能够在多次战争中掌握战局主动,跟以色列装备了型号较全的雷达密不可分。

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  九十年代,雷达所突破原有传统的信号处理领域,针对某特殊 用途的测量雷达提出一种创新体制,并研发出原理样机(该项 研究2014 年获得国家发明一等奖)。图为毛二可老师在原理样机的天线和信号处理设备前。

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  ?八十年代初,航天某单位主持开发中国第一型毫米波导引头,雷达所负责其中的信号处理分系统。图中为毛二可老师出差到河北易县,参与该系统的机载试验。

  2、中国军用雷达发展史

  记者:您毕生致力于我国雷达事业的发展,请从您的角度谈谈我国雷达事业的成长史。

  毛二可

  1951年我考入华北大学工学院(后更名为北京工业学院/北京理工大学),1953开始学习雷达专业,之后再也没有离开过雷达这个领域。我从我个人的感性认识角度谈谈我国雷达事业的发展。

  我国的军用雷达事业萌芽于解放前。当时的国民党政府 在南京成立了一个雷达修理所,美国为它提供一些设备、零件等。南京快解放时,国民党政府将雷达修理所迁到杭州,并希望能将这些人才带到台湾,但这批人才最终选择留了下来,并在解放后又回到南京,因此南京可以说是我国雷达事业发展的起始地,雷达修理所也是中国电子科技集团公司第十四研究所 (以下简称14所)的前身。

  之后,我国从事雷达事业的技术队伍不断壮大,20世纪50 年代我国雷达事业走上独立自主发展之路,自主研制的雷达被用在了抗美援朝战场上,14所也成长为国内最大的雷达研究所,对我国雷达事业做出了有目共睹的重大贡献。我国几个主要的国营雷达大厂都有14所的基因。

  院校方面,1952年,地处张家口市的中国人民解放军通信工程学院(现西安电子科技大学)开设雷达专业,成为我国第一个设立雷达专业的军事院校。

  1953年,我校(现北京理工大学)在苏联专家的协助下设立雷达专业,成为第一个设立雷达专业的地方院校。1954年, 我们第一批雷达专业学生去14所生产实习,见到了一些美国遗留下来的还能用的雷达,这是我第一次看到雷达实物。1956年我毕业留校任教,从事雷达专业的教学和研究。从那时起, 我校雷达专业与南京14所经常有业务合作,还多次聘请张直中院士来校短期授课。

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  中国雷达工业的发源地——中国电子科技集团公司第十四研究所

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  北京理工大学的前身——北京工业学院

  1958-1959年间,国家特别拨了3套苏联进口的大型雷达给我校,具体型号是п20雷达、сон9、сон4雷达。п20雷达是搜索雷达,由7辆卡车组成,包括电源车、天线车等。与3部雷达一起还运来了一大车美国遗留下来的雷达零件。这些雷达装备运来后,雷达专业的老师同学们克服各种困难摸索雷达的装配、运行、改进,还把一些小的像空载、机载雷达不太全的零件配全,通电做实验。我校雷达专业的建立和成长过程离不开苏 联专家的援助、国家的扶持、与兄弟院所的相互支持。与其它后来陆续建设起来的地方院校雷达专业相比,我校的雷达专业从一出生就带有鲜明的国防特色,带有为国防建设解决重大工程问题的基因。

  1964年,国外许多国家开始如火如荼地研究相控阵雷达, 国防科委也要求我校和14所提出一个能探测到几千千米外目标的大型相控阵预警雷达方案。当时我们对相控阵雷达的原理还不太清楚,做大型设备又没有经验,于是南京14所派了10 名技术骨干参与研发,这些技术骨干就包括当时刚从俄罗斯回国、现在已是院士的张光义、贲德等同志。我们学校主要负责提出方案思路,做一些原理验证实验。就在此时,文革开始,我校相控阵雷达的研发工作因此基本中断,大部分工作改由14 所完成。

  不过我们雷达专业技术团队还是希望在技术上多为国家做些工作。在雷达工程实践中,我们意识到杂波对雷达性能的重要影响,于是主动开始研究雷达动目标显示技术。加装了我们研制的动目标显示?榈呐诿槔状铮在1977年的一次军队演习中,能透过箔条干扰显示在箔条云中运动的飞机,领导的结论是“有效果”(注:相关成果获得1978年科技大会多项奖励)。

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  “红旗” -2制导雷达,采用机械扫描体制,1967年我军使用该型防空武器系统首次在干扰条件下击落入侵的U-2高空侦察机

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  我军现役“红旗” -9制导雷达,采用相控阵体制,是我国自主研制的第一种第三代远程区域防空武器系统。

  记者:雷达动目标显示的工作原理是什么?如何识别运动中的飞机、导弹等装备?

  毛二可

  在很多情况下,军事目标都是运动的,如飞机、导弹。 雷达回波中既有需要的运动目标回波,也有不需要的回波,如地物、云雨等杂波,箔条云等低速干扰。动目标显示雷达根据动与不动来区分目标回波与杂波,利用的是电磁波类似于声波的多普勒效应:火车由远及近朝着我们开来时,听到的声音频率会逐渐变高,远离时声音频率逐渐变低。对运动的雷达目标,雷达收到的电磁波频率也会变,目标回波频率与发射的电磁波相差一个多普勒频率。利用雷达目标和杂波源对雷达的 不同径向速度所引起的两者回波的多普勒频率的差别,采用滤波措施滤掉杂波,就能在比目标回波强得多的杂波背景中检测到动目标回波。运用这个原理,还可以探测不同速度的目标,排除低速的、固定的目标,高速运动的飞机就很清楚了。

  动目标显示的概念是美国在二战时提出的,当时美国用的是模拟电路,利用电感、电容或超声波做延时。比如通过超声 波在水银里传播,这边发射,那边接收,水银延迟线的长度不同,对超声波的延时也不同。美国是在二战中第一次应用这种水银延时线,由于水银对管壁腐蚀较厉害,要不断地清洗,使用很不方便。70年代后,美国开始用熔融石英做成一定的形状, 让超声波在里面来回折射后出来。我们团队当时也利用熔融石英研发出延时线技术。现在这种雷达信号处理技术已数字化了,利用数字电路板就可以完成。

  3、新体制雷达

  记者:多数读者知晓相控阵雷达缘于国庆60周年阅兵中的 空警2000。目前,空警500的新型数字相控阵雷达成为军迷关注的热点之一,请您解说一下这种雷达体制的概念和先进性。

  毛二可

  过去我国的雷达多采用机械扫描方式,天线越做越大, 机械扫描天线转动起来很笨重,探测目标慢。现在相控阵雷达得到越来越多的应用。

  相控阵雷达天线通常是一个面阵,面阵由很多行很多列排 列起来构成,每个阵元或子阵都对应有一个收发(T/R)组件。每一个收发组件既是一个小的发射机,也是一个小的接收机, 实际上就是一部小雷达。通过计算机,可以控制每个T/R组件 移相器的相位。如果每个T/R组件的移相相同,天线波束的波前就垂直于天线阵面。如果按照一定规律设定每个T/R组件 移相器的相位,使得有的相位超前,有的相位滞后,波前就会偏离垂直方向,就可以控制天线波束按照设定的方式扫描。通过相位控制的方法,在相控阵天线阵面不动的条件下,天线波束现在能做到正负60度扫描,而且扫描速度很快,高速的话是微秒量级,慢速也在毫秒量级。这样很灵活,探测者可以在整个空域里按自己的意愿监控目标,比如对已经发现的目标,目标速度也已经测出来了,雷达波束就不再需要连续照射这个目标,只需要根据先前测的位置间或照射并进行跟踪修正,就可以掌握它的情况,多出来的时间资源雷达就可以用于探测其它目标。利用这种策略,相控阵雷达可以对整个空域内成百上千的目标情况都了如指掌,这是它的先进性之一。

  另一个先进性是每个T/R组件功率不大,但数量很多,每个组件单独发射,在空间合成波束,多个组件的合成功率就可以做得比较大。

  此外,过去非相控阵雷达的发射机需要通过天线馈线将功率传输到天线,导致发射功率额外的损耗。而相控阵雷达的 每个T/R组件很。可以直接做在天线阵面上,发射接收都在天线上,因此它的传输损耗小。再结合T/R组件数量多的优势,相控阵雷达的总发射功率就可以做得很大,这也是为什么相控阵雷达可以看得远的原因。

  相控阵雷达的可靠性也很高。因为它有成千上万个T/R组件,即使少量T/R 组件损坏,整个雷达功能不会受损,性能也损失很小。比如原来能探测100千米, 现在探测90千米,对作战影响不大。

  由于相控阵雷达的优点越来越多,不但在飞机上如预警机用,导弹等武器预警也用它,不再像过去用很大的抛物面天线。抛物面天线现在主要用来持续跟踪单个变化不快的目标,它的优点是价格便宜。

  相控阵雷达恰恰相反,它的最大缺点是T/R组件多,导致价格昂贵,影响更广泛的应用,所以目前军方并没有全部应用相控阵雷达。但贵是相对的,它由半导体技术的水平高低决定。比如美国的雷达生产量大,同样一种波段的T/R组件年产百万,成本就低。而我国只生产几万个或几十万个,成本相对就高。随着技术的进步,半导体水平会逐渐提高。像现在的第三代半导体材料氮化镓,微波输出功率的效率高达40%~50%,而过去砷化镓能做到 20%~30%就已经很不错了。效率一高,功耗就小了,相对的散热也小了。这个技术对相控阵雷达的整体和加速发展起到了很大的推动作用,目前很多雷达都有应用。

  记者:空警500的雷达采用了最新的数字化电子扫描系统, 有什么先进之处?

  毛二可

  数字技术的发展促成了相控阵雷达全数字化,可控性更好,不过也带来一些问题,如数据传输量太大。虽然可以用宽带,但高速大数据量传输需求使宽带全数字相控阵雷达实现难度增加。因此新一代预警机雷达都在体制上、技术上进行了改进,空警500的雷达是在空警2000之后,由38所研发的,T/R 组件的信号全部通过光纤传输,带宽很宽。

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  空警500是我国最新一代预警机,采用全固态数字阵列天线,雷达探测能力较空警 2000得到显著提升,是中国电子科技集团“小平台,大预警”理念的首次尝试

  记者:空警2000上的相控阵雷达的天线阵面做得很大,出于什么考虑?

  毛二可

  就搜索雷达而言,决定其威力的一个是孔径,就是雷达的天线面积,另一个是它的平均功率。预警机雷达要看360度空域的高空目标,威力基本就由它的平均功率和天线面积大小的乘积决定,当然雷达系统其它细微的参数变化,如接收机的噪声系数等也会影响雷达威力。天线阵面大肯定看得更远,除此之外如果元器件水平进步了,发射机功率高了,同样天线面积的雷达功率就大了,或者降低接收机的噪声系数等也可看得更远。

  另外,预警机还有一个很重要的职责就是看低空飞机。对低空目标,地面杂波的影响很强:如果对地面杂波处理得好,接收机动态范围扩大,雷达也可以看得更远。

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  国庆60周年大阅兵中,空警2000领衔空中梯队接受检阅?站2000预警机 装备了中国电子科技集团第十四研究所研制的三坐标有源相控阵雷达,以 3个阵面覆盖360度,无需机扫辅助

  记者:贴片式雷达也是一个发展方向,可行性怎么样?

  毛二可

  空间雷达是目前贴片式雷达天线一个可能的应用,美国也在做。由于空间雷达离地面很远,要保证足够的作用距离,必须将其天线做得很大。从原理上来说,太空中没有大气, 不受气候影响,雷达天线尺寸可以做得很大,也不影响天线稳 定性。但是雷达天线做大了,重量、功耗成为大问题,贴片式雷 达天线可以折叠,卫星发射升空后再展开。除了空间雷达,我国目前也在研究将贴片式天线用于共形天线。

  记者:我国雷达技术与国外相比差距大吗?

  毛二可

  同样类型的雷达,除了空间探测方面的雷达我国可能还不全,飞机探测方面的雷达,国外有什么我们基本也有。所以从品种型号来说,我们比较齐全,但是性能和使用还是有差异的。

  就雷达发展速度而言,我国发展很快,甚至超过英美,例如大型相控阵雷达,尤其是氮化镓材料我们跟得很快,突破并拥有了相关技术。但是到目前为止,我国的雷达整体水平还有差距,需要一段时间才能赶上去。例如,我国曾经进口了一些航管雷达,这些雷达虽然技术比较老,但是质量、可靠性、元器件 比国内好一些,更重要的一点就是雷达的设计思想、概念比我们理解得深,所以使用效果很好。

  记者:我国发展雷达在哪些方面还待提高加强?

  毛二可

  主要是基础研究和技术积累不够;电子元器件还有差距;方案、设计思想与美国差距不。在体制上差距很大。因为美国在20世纪二三十年代就开始研制雷达,我国雷达五六十年代才起步,各方面能力与美国相比还有不小差距,虽然不排除我国某项技术超过了美国,但是如果要在整体水平上赶上去,应从元器件、基本理论开始,扎扎实实做研究。

  记者:我国军用雷达的下一步发展方向是什么?

  毛二可

  目前军用雷达的一个世界性难题是目标识别,雷达不仅要看到目标,还要辨清目标,即如何利用雷达信号去识别目标。

  雷达目标识别是一门很深很广的技术,同样的一个信号, 技术水平高识别得就好。另外一方面,怎么利用雷达信号获得更多的目标信息,也是雷达目标识别发展的一个方向。我认为,目标识别要取得实实在在的突破性进展,基础还是通过提高雷达分辨率,即距离高分辨、角度高分辨,得到目标更多的信息,在此基础上研究目标识别的问题。利用高清晰的分辨率获得更多的目标信息是今后雷达目标识别的一个突破口。二是雷达可以跟光学互补,去研究发挥雷达的潜力,进行目标识 别。光学成像、雷达成像机理不同,在分辨率相等的情况下,光学成像对人眼来说更直观些,因为人眼是光学的反应,雷达看到的是反射的强弱。另一方面,雷达能够利用雷达信号的相位等更多信息用于识别目标,在这种情况下比光学有优势。

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  地基X波段雷达 (GBR)和海基 X 波段雷达(SBX) 是美国国家导弹防御系统 (NMD)的重要组成部分,在弹道中段目标识别中发挥着核心作用

  另一个需要指出的是,现在国内雷达越做越大,还没有特别重视控制雷达的功耗。现在我们的雷达看得远,功率大,一个雷达需要的电源经常上兆瓦,耗电量非常大;此外雷达处理跟计算机一样每秒万亿次的运算,功耗也非常大。因此我认为提高雷达效率、普及绿色雷达概念,是雷达的一个发展趋势。

  最后军用雷达反干扰也是很重要的一个问题,在这方面我认为通过宽带雷达波形设计反干扰大有潜力。

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  美军现役EA-18G “咆哮者”电子攻击机,其挂载的核心干扰吊舱ALQ-99可以对防空武器系统的制导雷达施行精确定向干扰


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