【新生研讨课作业】关于雷达的思考

作者：吕俊杰
雷达，作为信息战的核心武器装备，在这个高度信息化的时代，正在受到越来越高的重视，可以说一个国家的雷达技术，已经成为衡量其军事水平的重要因素之一。那么，作为新时代的菁英，我们IT领域的非雷达专业的大学生自然有义务去了解、建立一些有关雷达的基础认知，为应对国家将来可能遇到的危难做好准备。

什么是雷达

雷达（RADAR），是英文“Radio Detection and Ranging”（无线电侦测和定距）的缩写及音译。将电磁能量以定向方式发射至空间之中，借由接收空间内存在物体所反射之电波，可以计算出该物体之方向，高度及速度，并且可以探测物体的形状。[1]维基百科-雷达

雷达的种类繁多，分类的方法也非常复杂。
1.按照雷达的用途分类，有预警雷达、搜索警戒雷达、引导指挥雷达、炮瞄雷达、测高雷达、战场监视雷达、机载雷达、无线电测高雷达、雷达引信、气象雷达、航行管制雷达、导航雷达以及防撞和敌我识别雷达等。
2.按照雷达信号形式分类，有脉冲雷达、连续波雷达、脉部压缩雷达和频率捷变雷达等。
3.按照角跟踪方式分类，有单脉冲雷达、圆锥扫描雷达和隐蔽圆锥扫描雷达等。
4.按照目标测量的参数分类，有测高雷达、二坐标雷达、三坐标雷达和敌我识对雷达、多站雷达等。
5.按照雷达采用的技术和信号处理的方式有相参积累和非相参积累、动目标显示、动目标检测、脉冲多普勒雷达、合成孔径雷达、边扫描边跟踪雷达。
6.按照天线扫描方式分类，分为机械扫描雷达、相控阵雷达等。
7.按雷达频段分，可分为超视距雷达、微波雷达、毫米波雷达以及激光雷达等。

其中，相控阵雷达又称作相位阵列雷达，是一种以改变雷达波相位来改变波束方向的雷达，因为是以电子方式控制波束而非传统的机械转动天线面方式，故又称电子扫描雷达相控阵技术，早在30年代后期就已经出现。1937年，美国首先开始这项研究工作。但一直到50年代中期才研制出2部实用型舰载相控阵雷达。80年代，相控阵雷达由于具有很多独特的优点，得到了更进一步的应用。在已装备和正在研制的新一代中、远程防空导弹武器系统中多采用多功能相控阵雷达，它已成为第三代中、远程防空导弹武器系统的一个重要标志。从而，大大提高了防空导弹武器系统的作战性能。在21世纪，相控阵雷达随着科技的不断发展和现代战争兵器的特点，其制造和研究将会更上一层楼。 [2]百度百科-雷达

雷达的工作原理

传统雷达的工作原理基于电磁波的反射和多普勒效应，无需赘述，然而真正的雷达技术却也远不止于此，无法用寥寥几字轻松概括，因此，我们只关注其中的热点—相控阵雷达和量子雷达技术。

相控阵雷达[3]

随着052C和052D系列国产新型驱逐舰的陆续入列，相控阵雷达，这个听上去就颇具格调的名词逐渐走入了人们的视野，那么究竟是什么样的雷达系统，能让“中华神盾”的霸气称号响彻世界呢?

近年来，相控阵雷达在军用领域运用方面取得了重大突破。这不但是一项具有革命意义的军事技术创新，同时也将带来未来作战方式的改变，并为新的战术战法创造了巨大的想像和发展空间。美国国防科学委员会主席W·施耐德博士在向美国国防部递交的一份报告中特别强调：相控阵技术可以极大的扩展雷达的功能。他坚称21世纪，美国的战斗机上都有必要采用相控阵体制。

传统雷达通常采用反射面式天线，它将发射机产生的电磁能量辐射到大气中，形成一个很窄的波束。而相控阵雷达的天线较之传统雷达却是大不相同。它不是一个天线，而是几百到几千个天线单元，它们有规则地排列在阵面上，构成阵列天线，每一个天线单元都与一个发射接收组件相连，组成一个独立的、具有信号放大、发射和接收能力的辐射器。

此外，相控阵雷达又分为有源相控阵雷达和无源相控阵雷达两类，无源相控阵雷达仅有一个中央发射机和一个接收机，发射机产生的高频能量，经计算机自动分配给天线阵的各个单元，目标反射信号也是经各个天线单元送到接收机统一放大。有源相控阵雷达的每个天线单元都配装有一个发射接收组件，每一个组件都能自己发射和接收电磁波。有源相控阵雷达还拥有一个关键的器件，就是每个辐射器后面都有移相器，它利用计算机控制，可以通过相位变化来改变波束的发射方向，这种方法被称为电扫描。

在其功能方面，相控阵雷达较之传统雷达，主要有以下五个优点。第一，波束指向灵活，能实现无惯性快速扫描，扫描数据率高；第二，单个雷达可同时形成多个独立波束，分别实现搜索、识别、跟踪、制导、无源探测等多种功能；第三，目标容量大，可在空域内同时监视、跟踪数百个目标；第四，对复杂目标环境的适应能力强；第五，抗干扰性能好。全固态相控阵雷达的可靠性高，即使少量组件失效仍能正常工作。

如今，相控阵雷达已广泛应用于地面远程预警系统、机载和舰载防空系统、炮位测量、靶场测量等领域。美国“爱国者”防空系统的AN/MPQ-53雷达、舰载“宙斯盾”指挥控制系统中的雷达和俄罗斯C-300防空武器系统的多功能雷达等都是世界上较为先进的相控阵雷达。

相控阵雷达的发展起源于上个世纪60年代，正值美、苏激烈的军备竞赛时期（1957年，前苏联发射世界上第一颗人造地球卫星；1961年4月，前苏联将人类送入太空；1964年，古巴导弹危机），美国急于解决对洲际弹道导弹和人造地球卫星的有效观测问题，尤其是对洲际弹道导弹目标进行监视，预报弹道落点和发射点坐标，尽可能增加预警时间已经成为迫在眉睫的需求；此外，还希望能够对所有入轨物体，尤其是各类人造卫星、载人飞船以及其末级助推火箭和太空碎片进行观测、监视、跟踪、编目等，将这些物体和真正来袭的洲际弹道弹头进行识别和区分，以降低虚警率，更好地提高拦截效率。

这一切就要求雷达的有效作用距离要从原先的几百千米提高到几千千米甚至上万千米，并且能够对多批高速运动物体进行精密跟踪，为此就要大大提高雷达的数据刷新率，解决边搜索、边跟踪以及合理使用雷达信号能量的问题。

为了能够具备几千千米的作用距离，雷达的天线孔径尺寸必须异常巨大，而这又为驱动雷达天线进行机械扫描造成了极大的困难，即使能够采用某些手段将巨大的雷达天线以较高的速率驱动起来，也会在探测远距离目标时，由于从发射信号到接收回波信号存在时间差，在此时间差内，很容易导致接收天线波束的最大值已经不再指向目标回波方向，无法可靠的接收到目标回波信号。而采用相控阵天线之后，这些问题就可以迎刃而解！

相控阵雷达与其他类型的雷达相比，主要特点或者差异就源于相控阵天线。相控阵天线由多个天线单元组成，通过改变每一天线单元通道传输信号的相位和幅度，改变相控阵列天线口径照射函数，从而实现天线波束对空域的快速扫描和波形变化。

因此，相控阵雷达具有天线波束快速扫描、波束形状灵活可变、信号功率可以在空间合成、易于形成多个波束等特点，使得相控阵雷达可以具备多种功能，比如可以稳定跟踪多批高速运动目标的能力；可以在单部发射机功率受限的情况下，也能通过多路放大器空间功率合成获得符合要求的特大发射功率，从而扩展雷达的威力范围，为提高雷达观测精度和探测隐身目标提供了技术潜力。

这些技术特点使得相控阵雷达比传统的机械扫描雷达具有了更大的优势，成为现代军事电子装备中的重要组成部分，并且得到各个主要军事强国的青睐，已经被大量应用在海、空、天等主要作战或者情报信息平台上。

描述相控阵雷达需要与一般的雷达对比起来看。普通雷达是通过信号发射/接受器的旋转来实现对目标探测的，相控阵雷达是直接控制电磁波的照射方位起到扫描的作用，可对雷达阵面前方120读进行实时观测，反应速度优于普通雷达；相控阵雷达可以同时形成多个波束以应对复数目标，而普通雷达只有一个波束，难以应对多个目标。此外，相控阵雷达在工作时相当于有很多的小雷达同时工作，它们之间相互独立，部分单元的损坏不会影响正常使用，抗干扰的能力也更强。

有源相控阵雷达

相控阵雷达分为有源相控阵雷达和无源相控阵雷达两类。无源相控阵只有一个发射机和接收机，一次只能产生一个波束，只能通过迅速转移波束扫描多个目标，且信噪比较高，精度较差。有源相控阵雷达每个单元都相对独立，可进行信号的发射/接收，可同时产生多个波束，反应速度更快，同时跟踪多个目标，且信噪比更小，精度更高；而且有源相控阵雷达在的发射/接收模块相互独立，模块损坏时不影响正常的使用，抗损性比无源相控阵雷达强。

无源相控阵雷达

相控阵雷达相关的技术概念出现于20世纪30年代后期，美国在1937年最先开始之一领域的研究，然而直到20世纪50年代才出现了较为实用的舰载相控阵雷达。20世纪60年代，大型相控阵雷达作为美苏等国家的国土防空用远距离雷达纷纷面世，相控阵雷达的发展进入快车道；然而直到20世纪末，有源相控阵雷达才发展出来，并在21世纪逐渐开始装备在各种平台上。

量子雷达[4]

当美国的F-22第五代隐形战斗机出现的时候，全世界的传统雷达都遭遇了巨大挑战，因为F-22的隐身技术可以对这些传统雷达进行“隐身”，要知道这样的后果是非常可怕的，探测不到F-22战机，那么一国的领土就大门敞开，F-22可以随意进出飞行刺探情报。

最典型的例子是当年的科索沃战争，美国派出最先进的F-117隐形战机对南斯拉夫进行打击，F-117如入无人之境破坏了南斯拉夫的防空网，虽然出现意外被击落一架F-117飞机，但是F-117隐形战机的战果确实非常巨大的。隐形战机的问世虽然一定让传统雷达遭受巨大压力，但是正所谓有有矛就有盾。

目前世界各国都在研制能够探测到隐形战机的雷达，比如中国的JL3D-91B米波三坐标雷达，俄罗斯“天空-Y”米波雷达都可以探测到F-22、F-35这些第五代隐形战机，不过这种雷达比较都是从传统雷达改进过来的，探测原理与传统雷达有着大同小异，性能不稳定，有时候探测到的根本不是F-22隐形战机，而是其他物体，比如气象气球。但是下面介绍的这种雷达，无论探测常规战机还是隐形战机都有很好的效果，它就是量子雷达。

量子雷达采用量子自我纠缠技术可以让一切隐形战机原形毕露，它的工作原理是这样的，量子雷达产生大量的电磁波量子纠缠对，然后将探测量子发射出去，如果探测量子遇到物体，物体就会形成一种虚拟的图像显示在屏幕上，比如如果是遇到F-22战机，就会把F-22战机的外形以量子成像的形式保留下来，如果是B-2隐形轰炸机，就会以B-2的外形图像显示出来，而隐形战机的雷达吸波材料和技术对于量子纠缠根本没有作用。

因为如果隐形战机试图吸收或者破坏量子的电磁波的话，就会破坏原来的量子纠缠状态，这样的结果是不需要电磁反射波就可以知道目标的位置了。量子雷达属于一种新概念雷达，目前只有中国等少数国家掌握核心技术，它很好的解决了传统雷达对探测目标无法成像的技术难题，大幅度提升了雷达的综合探测性能。它脱离了传统雷达的探测的框架体系，颠覆了传统雷达的技术和理论。

量子雷达可以轻易探测隐形战机，而且几乎不会被干扰，是F-22、F35等隐形战机的克星。中国的量子技术一直都走在世界的前列，相信中国已经掌握了量子雷达技术，而且属于世界先进水平，有媒体表示，中国的量子雷达的有效探测距离达到1000公里，是其他国家量子雷达原型探测距离的5倍左右。由此也就不难理解为何众多西方国家纷纷抛出各种重量级筹码，希望能够和中国分享量子雷达的先进技术了。

总结：雷达的战略意义

随着现代科技的飞速发展，各种各样的高杀伤力远程高速打击军事武器不断涌现，战场上的局势因此也是瞬息万变，生死往往只在转瞬之间。因此，作为现代化军事战争的“眼睛”—雷达，起着举足轻重的关键作用。而现实往往又是无情又残酷—中印边界争执不断，南海岛礁危机四伏，台海关系忽冷忽热，美中摩擦火花飞溅，可以说中国当前的地缘政治格局并不乐观，甚至水深火热，因此我们必须不断强大自身的国防实力，让周围的邻国真真正正对我们的领土和利益望而却步，而不是肆无忌惮的挑战和试探我们的底线。令人欣慰的是，量子雷达等一系列我国独有的新型武器装备的问世成功弥补了传统领域的不足，让我国的国防实力迈上更高的台阶，开启了新时期国防建设的崭新篇章！