05 - 雷达的发展与应用

1. 雷达的发展

2. 目标识别

2.1 目标基本特征

2.2 目标类型

2.3 目标种类（精细分类)

3. 应用情况

1. 雷达的发展

在第二次世界大战期间，由于军事上的迫切需要，雷达获得了广泛的应用和发展，而且随着技术的进步其性能日臻完善。

20世纪50年代末以来，由于航空与航天技术的飞速发展，飞机、导弹、人造卫星及宇宙飞船等采用雷达作为探测和控制的手段，尤其是在20 世纪60年代中研制的反洲际弹道导弹系统，对雷达提出了高精度、远距离、高分辨力及多目标测量等要求。由于解决了一系列关键问题，雷达进入了蓬勃发展的新阶段。如：

脉冲压缩技术的采用；

单脉冲雷达和相控阵雷达研制的成功；

在微波高功率放大管试制成功后，研制成了主控振荡器-功率放大器型的高功率、高稳定度的雷达发射机，并用于可控脉冲形状的相参雷达体系；

脉冲多普勒雷达体制的研制成功，使雷达能测量目标的位置和相对运动速度，并具有良好的抑制地物干扰等能力；

另外，微波接收机高频系统中许多低噪声器件，如低噪声行波管、量子放大器、参量放大器、隧道二极管放大器等应用，使雷达接收机灵敏度大为提高，增大了雷达作用距离；

由于雷达中数字电路的广泛应用及计算机与雷达的配合使用和逐步合成一体，使雷达的结构组成和设计发生了根本性变化。雷达采用这些重大技术后，工作性能大为提高，测角精度从1密位以上提高到0.05密位以下，提高幅度超过一个数量级。雷达的作用距离提高到数千公里，测距误差在5m左右；单脉冲雷达跟踪带有信标机的飞行器，作用距离可达数十万公里以上。雷达的工作波长从短波扩展至毫米波、红外线和紫外线领域。在这个时期，微波全息雷达、毫米波雷达、激光雷达和超视距雷达相继出现。

20世纪70年代以来，雷达的性能日益提高，应用范围也持续拓宽，举例如下:

（1）由于VHLSI和 VLSI的迅猛发展，数字技术和计算机的应用更为广泛和深入，主要表现在以下方面:

① 动目标检测（MTD）和脉冲多普勒(PD)等雷达信号处理机更为精致、灵活，性能明显提高。

② 自动检测和跟踪系统得到完善，提高了工作的自动化程度。

(2）合成孔径雷达（SAR）由于具有很高的距离和角度（切向距）分辨能力而可以对实况成像；逆合成孔径雷达(ISAR）则可用于目标成像。成像处理中已用数字处理代替光学处理。

(3）更多地采用复杂的大时宽带宽脉压信号，以满足距离分辨力和电子反对抗的需要。

(4）高可靠性的固态功率源更为成熟，可以组成普通固态发射机或分布于相控阵雷达的阵元上组成有源阵。

(5）许多场合可用平面阵列天线代替抛物面天线，阵列天线的基本优点是可以快速和灵活地实现波束扫描和波束形状变化，因而有很好的应用前景。例如:

①在三坐标雷达中实现一维相扫。

②获得超低副瓣，用于机载雷达或抗干扰。

③组成自适应旁瓣相消系统以抗干扰。

④相控阵雷达连续出现，不仅用于战略，而且也用于战术雷达，如制导、战场炮位侦察等。

相控阵雷达是一种多功能高性能的新型雷达，其天线阵由许多天线单元排成的阵列组成。通常，天线阵元少则有几百个，多则为几千个，甚至有的达到数十万个。由于此类雷达利用波束控制计算机按一定的程序来控制天线阵的移相器，从而改变阵面上的相位分布，促使波束在空间按一定规则扫描，因此称为相控阵雷达。它是在雷达信号理论、信号处理技术、新型器件（功率微波器件、VHSIC、MMIC等)及与计算机技术结合后发展到高阶段的产物，是随着电子计算机和微波移相技术的发展而诞生的。相控阵雷达具有多功能、多目标、远距离、高数据率、高可靠性和高自适应能力等优点，因而是一种很重要的雷达，而且可较好地用于对付高动态性能多目标的战略防空雷达。

目前，典型的相控阵雷达用移相器控制波束的发射和接收，共有两种组成形式：一种是收发共用一个发射机和接收机；另一种是每个天线辐射阵元用一个接收机和发射功率放大器的有源阵。

收发共用一个发射机（或少数几个发射机）和接收机（或少数几组接收机）的简化相控阵雷达如图1.7所示，有斜线的方框部分表示与一般雷达结构的不同之处。计算机根据程序输入指示信号和经过数据处理后有关目标的位置坐标，计算出波束当前应采取扫描方式或指向的数据，送往波束控制计算机，由此再控制相控阵天线中辐射阵元的相位。目标回波经过接收和信号处理机，输出目标信号的点迹，由数据处理器处理后，得出目标位置和速度的外推数据，再送往中心计算机。雷达中心计算机可根据观测任务、目标状态等因素而自适应地改变雷达的工作方式、工作参数、信号形式及信号能量等。

下面简述目标的识别与分类。现代雷达的重要特点是：除了能探测目标并测量其坐标位置外，还要对探测到的目标进行分类并在可能条件下进行识别。雷达目标分类、目标识别能力现在已不仅是对精密测量雷达、精确制导雷达和弹载雷达的要求，各类防空系统中的雷达也有此要求。例如，为了分辨机型、确定架次，要求提高雷达分辨能力，测量更多的目标特征参数。为了正确选择拦截目标，合理指定目标和实现火力单元分配及做出拦截效果评估，要求引导雷达和制导雷达具有目标分类和识别能力。雷达对目标进行分类、识别的能力和水平有不同的等级，这要视雷达的任务及允许的复杂程度而定。雷达对目标进行识别、分类、辨识、区分等能力反映了雷达的性能，但有时这几种处理并无严格的定义，下面分别讨论之。

2. 目标识别

早期雷达由于其距离和角度分辨力低，通常将目标视为“点”，雷达的基本任务是探测到目标并给出其在空间的距离和角度位置，随着雷达距离和横向距离（角度）分辨力的提高及雷达信号和数据处理能力的迅速提升，就有可能分辨复杂目标上的各个散射中心并对回波信号进行精细处理，从而推断目标的某些性质达到能对目标分类并在可能条件下识别的目的。

雷达对目标进行分类、识别的能力和水平有不同的等级，这要视雷达的任务及允许的复杂程度而定，下面给出了不同层次的目标识别。

2.1 目标基本特征

根据雷达显示的回波可以识别飞机、舰艇、车辆、箔条、杂波、森林、电离层等不同性质目标的回波。一个有经验的雷达操纵员用一般雷达即可对目标回波进行大的分类，雷达不需要高分辨力，也能依据目标在空间和时间上的行为特征来识别目标的基本特征。

2.2 目标类型

通常是指各大类中具体类型的分辨。例如，该飞机是战斗机还是多引擎轰炸机，该船是货轮还是油轮，该车辆是军用履带车还是卡车，等等，对目标类型的识别较之上述基本特征而言，雷达需获得较多的目标信息。

2.3 目标种类（精细分类)

这时需确定该目标是许多可能种类中的哪一类，例如，若雷达已经确定所检测到的目标是飞机，则要进一步精细分类以确定其具体型号(F-18、Mig-31、B-2等)；如果是鸟类，那么它是一只惊乌、野鸭还是其他什么鸟.

目前有关目标识别的文献中，对于各种层次识别的术语并没有统一的定义，因而使用时要注意该术语的具体含义。目标识别是雷达采用的一种技术手段，用来辨认其搜索体积内已被发现的目标。在军事应用上，合作目标的识别依赖于第二次世界大战时期发展的敌我识别器（IFF )技术，这时每个“友邻”飞机上安装一个应答机，搜索雷达通过其IF询问机和天线发出询问信号，装在目标上的应答机被触发并回答一个正确频率的编码信号，雷达询问机接收到这个信号并显示为IFF标记供敌我识别之用。IFF 系统在世界上被大多数空军使用。民用航线上的飞机采用连续信标跟踪，信标的原理和概念与IFF系统的相同，信标也称为二次雷达。

当雷达和目标间没有建立通信联系时，该目标就属于非合作目标。对它们的识别是建立在考查目标回波信号特征的基础上，在提取目标回波中的可识别特征后，就要采用一种判决方法来判定该种特征信号的属性。例如，将其特征与已知的(存储的)各种目标类型相应的参数进行相关比较以便能识别目标类型。军方对目标识别最感兴趣，常常将能够识别非合作目标的雷达和合作目标识别方法共同使用完成重要的军事功能，包括对战斗目标的识别、对空间飞行器或人造卫星的识别。

下面简述几种基于雷达的识别方法。

1．高距离分辨力实现一维成像

当雷达的距离分辨力足够高时，就能分辨出一个复杂目标中不同的散射中心并且给出目标的径向剖面图(一维成像)，从剖面图上可以大致估计出目标在距离维的长度。

图1.8给出了某喷气飞机的径向剖面图，由L波段具有1m距离分辨力的对空监视雷达获得（有7个较为稳定的剖面）如果目标姿态角已知，就可以估算出飞机的翼展宽度或飞机长度。这是一个典型的喷气飞机径向剖面图，飞机上各可分辨独立散射体相对固定，各次回波较稳定，而螺旋桨式飞机的回波在脉冲之间起伏较大，由此特点可以区分两种类型的飞机。

利用径向剖面图对飞机目标进行分类有一个比较严重的困难：只要目标姿态角有很小的变化，其径向剖面图就会变化，因为在雷达的分辨单元内不止一个散射中心，姿态角的变化会造成各散射中心间相对相位变化而导致合成矢量的改变，进而影响散射截面积。因此，在识别判决时需要建立一个径向剖面的数据库，库中要包含每个目标在不同姿态角下的剖面图。实际识别时也需要对未知目标的姿态角进行估计（可根据其航迹来估计其姿态角），这样看来，每个目标都需对在计算机里存储的大量参考剖面图，而且还要对数十种甚至上百种需识别目标进行相同的准备，刚开始认为用高距离分辨剖面图进行目标识别比较简单，但深入研究后发现这是一种很复杂的方法。研究工作得出的结论是：在实际应用中，用高距离分辨剖面图进行目标识别将一类目标从其他类型目标中识别出来是不容易实现的。退一步讲，如果将目标简化为几大类予以分类还是可能的，如小型或大型喷气机、小型或大型螺旋桨飞机、直升机或导弹等。一维成像对船舰目标也可分为大型船只、小型船只、军舰、商船、油输、航母等。

2.目标的二维雷达成像

目标的二维成像（径向距离和横向距离）可以通过成像雷达，如合成孔径雷达（SAR)、逆合成孔径雷达（ISAR）等获得。依靠所获取的二维像可以实现较可靠的目标分类。

合成孔径雷达(SAR)可以得到地球表面径向和横向距离二维的高分辨力像。SAR可以在远距离和恶劣气象条件下成像，这点比光学和红外成像优越，但SAR成像主要是用于固定目标识别，如用于空中战场警戒和固定目标成像。已经获得的X波段对停在跑道上飞机的较清晰的图像，其图像分辨力约为30cm。但SAR对动目标的像有严重失真，如对运动的船舰（有起伏、倾斜、左右摇摆）有成像失真。

逆合成孔径雷达（ISAR)成像时，通常雷达不动而依靠目标的运动来成像，其横向高分辨力是由高多普勒分辨力来获得。目标运动时，每部分相对于雷达的速度不同而使回波有不同的多普勒频率、距离分辨力依靠宽频带的窄脉冲信号得到，而其横向分辨力 $\Delta X=\frac{\lambda }{2\Delta \theta }$ ，其中， $\Delta \theta$ 是ISAR在观察时间内目标姿态角的变化量，变化量(转动量)越大，其横向分辨力越好。

目前已经开展了用ISAR对商船和飞机进行成像的研究工作，舰船在上下颠簸、滚动和左右晃动情况下的ISAR像是不相同的，所以需要观察数十秒的时间才能得到适合于分类的目标像。在进行目标识别时，一般操作员还需仔细研究图形特征才能做出合适的判决。用ISAR对飞机进行分类比对舰船分类要困难得多，这是因为：

①飞机上的散射中心要比舰船少得多，用少量散射中心和特征来判定目标很不准确。

②飞机不像舰船那样有较大的上下起伏、滚动和晃动，因而其横向分辨力较差，不足以将重要散射点的特征分辨出来。

③飞机的雷达散射面积较小，雷达要在近距离内才可能对它识别。

在近距离、高信噪比、姿态角变化大、多图分集合成等条件下，飞机的ISAR成像还是可以获得较好质量的，还注意到所用雷达的工作波段对成像也有直接影响：用X波段雷达进行ISAR成像效果不理想时，如果用W波段（如94GHz)，则雷达成像所需飞机转角是X波段的1/10、实验性研究已表明，毫米波雷达（49GHz）对一架小型飞机的ISAR成像比起X波段要好得多，这时填满目标的小细节均显示出来形成目标的轮廓图。

3.雷达横截面的调制

也可以利用目标上运动部分的雷达回波来识别或确定它所属的目标类型。飞机上的许多部件，如推进器、直升机水平旋翼、喷气机引擎以及坦克的履带、旋转天线等都会对目标的后向散射波产生调制，而形成其多普勒副瓣作为识别的特征。这种调制信号在窄带（长脉冲）和宽带（窄脉冲）波形中都可以被提取出来。以螺旋桨飞机为例，其回波调制的特点随引擎的转速、叶片数目及大小、姿态角不同而改变。

图1.9给出了一个四引擎螺旋桨驱动的商业飞机回波信号的多普勒频谱图。图中的“机身多普勒线”是飞机自身产生的多普勒频移，而较机身多普勒频率低的频率区，有一些谱线是由螺旋桨叶片旋转造成的。这个回波谱是由S波段全相参雷达观测得到的。用回波频谱的调制特征可以区分喷气式或螺旋桨两类飞机。同样，直升机叶片的调制也会使其回波频谱产生不同的调制特征，可以利用这些特征来区分有旋转叶片的直升机和固定翼飞机。人们对喷气式飞机的雷达回波特征做了许多理论分析和实测研究，它的回波谱特性较螺旋桨式更为复杂。为了获得可用于目标识别的有意义的频谱图，就需要对飞机有足够的观测时间，该时间大体上应大于25ms。

4.极化响应用于目标识别

雷达的回信号和发射信号的极化形式有关，因此人们想到利用不同极化发射时观测回波的变化来识别目标.简单形状的目标是可能的，例如，用旋转线极化时，一个球体的回波大体相同，而一根细长杆的回波在不同极化时差别很大，由此可将两者加以区分。但对实际的复杂目标，如飞机等，虽然多次尝试用极化信息来进行目标识别，但其有效性往往不能令人满意。因为雷达分辨单元中的多个散射体在测量时给出一个合成信号，其极化方式与单个散射体不同,故有关专家提出;极化对低分辨力雷达本质上只能提供很有限的分类特性，而那些可以测出一个目标内不同散射体的宽带雷达，更有利地用极化信息来进行目标识别。

为了有效地进行目标识别，人们还在继续寻找各种技术和方法，如谐振区响应、非线性散射效应等。

用雷达回波对目标进行识别在很多应用场合都是很重要的。要识别目标必须从回波信号中智能地提取出相关信息，下面简述一个弹道导弹的识别问题:对单枚弹道导弹进行防卫是一项要求很高的任务，反弹道导弹雷达接收到的是一片“目标”，除了最有威胁的再入弹头外，大多数是助推器、有意爆炸后产生的许多碎片及故意放置的各种诱饵等。弹道导弹防卫中最基本的要求就是在多个“目标”中找出哪一个是需要摧毁或令其失效的致命目标，发现和识别最好能在大气层外完成以争取较长的防卫时间，识别目标需要雷达测定:目标的弹道参数、有效截面积(RCS）及其起伏特性、目标尾部电离层的情况、目标的一维像剖面、ISAR获得二维像、极化特性等．雷达设计者要设计雷达在足够远的距离上对多个低RCS目标进行复杂且耗费的测量，此时对雷达及相应的系统软件都要有严格的处理，因而只能限于弹道导弹防御中的一些项目，对目标的识别和分类是一个难度很大的课题，虽然已有数十年的研究历程，但从目前的一些实验结果来看，还不能证明这些技术都已获得可靠的应用，还要继续研究和探索。

从以上例子不难看出，雷达是在不断发展变化的：一方面综合应用各种新技术、新器件来完善和提高自身的性能，另一方面为适应不断出现的各种新技术的应用，也促使雷达不断地改善.雷达的功能可以满足重要的社会和军事需要，而且在诸多应用领域还没有替代者，因此雷达的发展具有生命力且会持续向前。关于军用雷达的发展情况参见1.5节。

3. 应用情况

雷达已广泛应用于探测地面、空中、海上、太空甚至地下目标。地面雷达主要用来对空中(飞机、导弹等）和太空目标进行探测、定位和精密跟踪;舰船雷达除探测空中和海上目标外，还可用做导航工具;机载雷达完成探测目标、火力控制等任务并保证飞行安全（导航、地形回避等)，有的机载成像雷达还可用于大地测绘;在宇宙飞行中，雷达可用来控制宇宙飞行体的飞行和降落。在航天技术迅猛发展的今日，卫星上装置的预警和监视雷达（星载或天基雷达)，更可全天候地监视和跟踪目标而成为各国密切重视和发展的类型，如它们是美国“星球大战”计划的重要组成部分。

下面分别说明雷达在各方面的应用情况。

军事应用

第二次世界大战期间雷达主要用于军事并发挥了重要作用，它可对空中敌机进行探测和精密跟踪，控制武器（主要为火炮）对其摧毁。第二次世界大战后，特别是20世纪70年代以来，雷达技术在科技发展的基础上有了长足的进步，并在海、陆、空各军种中获得了更为广泛的应用.
雷达是防空和作战系统的重要组成部分、在防空方面，它要完成目标监视和武器控制功能。目标监视是指在监视区域内探测目标，对其进行识别、跟踪并将目标分配到某个武器系统．武器控制雷达要对目标进行精密跟踪，引导武器对其拦截和摧毁。主动攻击的导弹也需依靠雷达进行武器制导和引爆。反导防卫系统主要防卫来袭的弹道导弹，整个系统也是由雷达及早发现来袭导弹并对其进行跟踪，同时还要引导和控制我方拦截导弹在合适的时间和地点摧毁来袭导弹。

近年来，由于低空及超低空袭击的威胁日益严重，为了及早发现这类目标并采取相应对策，目前用一部机载预警雷达来完成对地面搜索和引导指挥雷达的功能，地面雷达由于低空盲区及视距的限制，对低空飞行目标的探测距离很近，而装在飞机上的预警雷达可以登高而望远。20世纪70年代以来，把脉冲多普勒体制的预警雷达装于预警飞机上，可以保证雷达在很强杂波的背景下将运动目标的回波信号检测出来。装在预警机上的预警雷达同时兼有引导指挥雷达的功能，此时预警机的作用等于把地面区域防空指挥所搬到了飞机上而成为一个完整的空中预警和控制系统，这是当前一种重要的雷达类型。

在当今航天技术发展水平的条件下，将雷达安装在人造卫星平台上成为星载或天基雷达，这也是各国在军事建设上关注的问题。星载的预警和监视雷达可以实时探测轰炸机群及由陆地、空中、潜艇等地发射的弹道导弹，此外也探测、跟踪部分轨道式武器以及在轨的太空飞行器，因此是国家空间预警系统中比较理想的探测系统。由多颗低轨道卫星上的监视雷达联成网，就可对全球范围感兴趣的地区实现全天时、全天候的探测、测绘和成像。已经广泛使用的高分辨力成像雷达，如合成孔径SAR，装在飞机或卫星平台上，可用于成像侦察及监测战场上的固定目标和运动目标。机载雷达共同的要求是体积小、重量轻、工作可靠性高。根据飞机任务的不同而装备各种不同用途的雷达，如机载导航、护尾雷达等，战斗机上更会装备截击和火控雷达等机上的无线电测高仪测定飞机飞行高度，而导弹头上的无线电引信则能使其命中率进一步提高。

还有许多雷达是军民两用的，但军方是雷达的主要用户，而军事用途的需求也是雷达新技术开发的主要推动力.

空中交通管制（ATC)

现代航空飞行运输体系中，对于机场周围以及航路上的飞机，都要实行严格的飞行安全管制，对地面车辆、交通和在地面滑行飞机的安全同样要实行管制，机场航行管制雷达兼有警戒和引导雷达的作用。它还要对雨区进行观测测绘，引导飞机避开雷雨，故常有观测机场附近气象的多普勒气象雷达，交通管制系统还广泛使用雷达信标系统（类同于军用的敌我识别器)作为二次雷达，地面设备发射询问信号，机上设备收到询问后发出一个回答信号，回答信号的内容包括目标高度、速度和属性用以识别目标。

气象雷达

专门观测气象的雷达用来测量暴风雨和云层的位置、特性及其移动速度和轨迹，是国家气象预报的一个重要输入。

遥感设备

安装于飞机或卫星上的某类雷达可作为微波遥感设备，它主要感受地球物理方面的信息。由于这类雷达具有二维高分辨力，从而可以对地形、地貌进行成像。雷达遥感也参与地球资源的勘探，其中包括对海的情况、水资源、冰覆盖层、农业情况、森林覆盖、地质结构及环境污染等进行测量和地图描绘。人们也曾利用此类雷达来探测月亮和行星。

空间

空间飞行器已经用雷达来控制其交会和对接以及在月球上的登陆。大型地面雷达可用来对卫星和其他空间物体进行探测和跟踪，雷达天文学领域利用地基雷达系统，帮助理解流星性质及建立天文单位的精确测量。

飞机、船舰的安全航行和导航

机载气象雷达可测出降雨区和危险的风切变区轮廓线，使飞行员避免危险.低空飞行的军用飞机依赖地形回避和地形跟随雷达的指示而避免碰撞。安装在船舰上的雷达用于防撞和观察导航浮标．岸基雷达用于港口和河流交通的监视。

此外，雷达还用于公路测速，探地雷达用于探测地下物体，并用于石油等的探测，昆虫和鸟类学家已将雷达用于研究昆虫和鸟类的迁徙，等等。