南航-航空宇航学院飞机设计研究所

第三节机载雷达设备

机载雷达设备,比起机载通讯设备来说,更加五花八门,品类繁多。按系统完整性来区分,大体上可分为完整的雷达系统以及同地面雷达协作的雷达设备两大类。
今择其要者,简单介绍如下:

一、机载警戒雷达

机载警戒雷达的典型代表。是美国E2/C型预警机上的全向/远程搜索和探测雷达,其天线像朵大蘑菇那样装在预警机背上，直径达7米以上，这是大型的机载警戒霄达。中小型的机载警戒雷达的代表是B-1B型轰炸机上安装的ALQ-153型尾警雷达,它被安装在飞机尾部,用来搜索和探测来自尾向的敌方飞机和导弹兼有控制尾部防御火力的功能。
此外,还有一类与警戒雷达的技术范畴有一定的相关性的雷达技术装备,叫做“雷达告警装置”，它们是某些类型的雷达讯号接收/分析设备,专门用来分析向飞机照射的敌方地面雷达、空中机载雷达或导弹上的雷达所发出的无线电信号的；一旦发现有这样的信号,立即将其方位、距离在显示器上显示出来并用音响和灯光信号通知飞机乘员:“我机被敌方雷达截获了,有遭受攻击的危险!'从而采取有关的对抗措施例如电子干扰信号,投放箔条或雷达诱饵,发射反击火力或者采取机动飞行闪避动作......等等。这样的雷达装置,一般安装在先进的战斗机、轰炸机和侦察/干扰机上,往往成为机载电子对抗子系统的一个组成部分。

二、火控/制导雷达设备

    这类雷达设备,类型是比较多的。常常被安装在战斗机、强击机和轰炸机等飞机的前方或前下方,进行前视或前视/下视照射，具有很高的测距和测角精度,专门用来探测敌方的空中目标和地面目标,并且控制飞机的火力系统(机炮,火箭与炸弹)和对导弹实施制导。因此这类雷达设备又常被称为“机载攻击雷达”。这类雷达系统的重要技术指标是精度、截获距离和反应速度。在这三项指标方面,我国自己研制的类似设备与世界先进水平相比,还有很大的差距,必须急起直追。
   这类雷达设备往往除火控外,还兼有地形跟踪功能。例如B-1B上装的新型双通道攻击雷达系统,就同时具备火控与地形跟踪功能。工作在X波段,作用距离为10~120公里可以代替B-1A型飞机上的APQ-146型地形跟踪雷达和APQ-144型目标探测与火控雷达。两个通道采用一具有公共的电子扫瞄相控阵前/下视天线。相控阵天线可以用自动/手动两种模式工作,使管理“攻击电子系统”的空勤人员得到任务所要求的导航、地图测绘和瞄准目标等信息。该相控阵天线,安装在B-1B型飞机机头的雷达罩内,前倾角45°,不仅是为了提供前视和下视照射,而且是考虑了“隐身慨念”的,因为这样一来,比老式的安装天线方式,可以减少飞机的雷达截面积,从而降低被敌方探测的可能性。
   以上是先进的具有攻击与地形跟踪双重功能的雷达的例子。在一般的战斗机上攻击雷达并没有这样复杂,它们多半是安装在战斗机部的采用小型抛物面天线(口径0.5~0.7米不等),进行圆锥扫瞄的火控与制导雷达。其截获距离一般是20~50公里,也有更大或更小者。国产的火控与制导雷达的技术指标,与国际先进水平的差距较大,有待提高。
   顺便说明,有时攻击雷达(即火控制导雷达)往往同光学、激光、红外线或电视瞄准设备,组合成复合的机载瞄准/攻击系统。

三、机载气象雷达

    也许有的读者会问:“怎么飞机上装起气象雷达来了?它们是干什么用的?”
   是的,在国外先进的大型旅客机、运输机、轰炸机、战斗/轰炸机，预警机和侦察/干扰飞机上,确实装有气象雷达。例如,美国的RDS-82型机载气象雷达,就是这类设备的典型代表之一。它能探测并用彩色屏幕显示暴雨、大雪、飓风区域,以及隐藏在近地大气层中的风切变与大气涡流,以保证飞机的飞行安全。
    我国的军用飞机和民用飞机,也是必须装备机载气象雷达的。

四、机载多普勒导航雷达

例如,美国的“火蜂I”,型无人驾驶侦察机上,就装备有连续波的多普勒导航雷达。它有一左一右两个前下视的照射波束,可以感知相对于地面的真实水平速度,通过积分计算电路便得出航线的里程。与程序电路配合起来,便可以引导无人机按预定的航线飞行和转弯。

五、盲目着陆雷达

    在“全天候”军用飞机以及大型旅客机上,一般都装有盲目着陆雷达,其功能是保证在夜间,以及大雨、大雪或浓雾等恶劣条件下,进行盲目着陆,保障飞机安全。
   对于民航机来说,有时候这类雷达又兼有空中交通管制功能。
   对于军用机来说,有些飞机的盲目着陆功能,是由火控/攻击雷达来兼任的。

六、机载雷达高度表

    机载雷达高度表,实际上是一部小型化的测高雷达,有脉冲式和连续调频式等类型。
   其功能是保障飞机安全可靠地进行超低空飞行,对军用机来说是保证超低空突防。
   这种雷达设备,有时候结合在超低空地形跟踪系统中当“拐杖”,有时是单独工作,有时又被结合在盲目着陆系统中。
   以上所述,是能够独立工作机载雷达设备。下面,将粗略地介绍几类同地面或空中雷达配合起来协同工作的雷达设备。

七、信标机、应答机与敌我识别器

    信标机(Beam)和应答机〈Transponder〉的区别在于:前者是不间断地主动发射信号的,而后者,则必须在接到询问信号后才转发回答信号。如果在应答机的询问信号和回答信号中加入密码,则这类应答机便成为敌我识别器了。有时,一般应答机的询问与回答信号也加入简单的密码。
   适合于做敌我识别的密码，一般采用脉冲位置编码（PPCM），或者采用特定的伪随机序列（PN序列）来做询问/回答密码。在装备了遥控、遥测和定位“三合一”系统的无人驾驶飞机上，应答机或敌我识别的功能，便由遥测发射机和遥控接收机来兼任；此时，利用遥测发射机和遥控接收机中的桢同步码，来做询问/回答密码。
   敌我识别器通常用于两种情况:(l)在空对空和地对空作战时,区分敌机和我机。(2)在特殊任务中,区分特定目标。例如,在导弹靶试任务中,往往在靶机上装备敌我识别器,以便将它同在空中执行监控任务的其他飞机区分开来避免打错了目标。
   信标机和应答机的作用主要是为己方雷达提供一个能量稳定的“点”辐射源一一其效果相当于加大飞机的雷达回波并消除飞机回波的“等效反射中心”的空间闪烁。
   由于飞机外形是一个复杂几何体,它们对雷达照射的反射(或后向散射)能力,是各向异性的；并且,随方位和姿态的不同而剧烈地起伏。因而,由飞机表面反射(或后向散射)的回波能量是随时间剧烈地起伏的并且其合成后的“视在反射中心”是有一定飘摆的。加装信标机或应答机后,由于信标机发射的或应答机回答的信号,其能量是稳定的,而且是由天线集中发出的,可以较好地近似为一个“点”源,所以,不仅可以加大雷达回波中的稳定部份的能量,而且可以较好的消除反射中心的空间飘摆。这样便可提高雷达的测量精度、跟踪可靠度和作用距离。

八、雷达回波增强器

    雷达回波增强器一般分为有源和无源两大类。
   无源式回波增强器是器件本身不需供给电源,它们只有当被雷达波照射后,才反射回波,所以,又常被称为被动式回波增强器。诸如各种类型的角反射器、介质透镜球(所谓“龙伯透镜”就是典型的无源回波增强器。它们的作用,是能把雷达的照射波聚集在一定的空间角范围内,朝向雷达照射波的入射方向反射回去。因而,比起飞机外形这种复杂几何体的乱反射所形成的后向散射波能量要大得多所以能起回波增强作用。
   此外,某些小型靶机和诱饵飞机,其机身和机翼蒙皮上所粘贴或喷涂的无源天线阵列,在给定的波段范围内.有增大雷达回波的后向散射作用因而也可以看成是无源式回波增强器的一种类型。
   经过特殊加工的轻薄金属街条或者镀上和涂上了金属薄层的塑料箔条,大量投放后在空中飞散开来,也能造成增强雷达回波,一般是在电子战中作为干扰手段使用的。
   有源雷达回波增强器就其技术本质来说实质上是一类宽频带的应答转发器。它们包含了一部简单的雷达接收机和一部简单雷达讯号发射机和一具发射天线。因为它们必须消耗电源并且能主动发射回波能量,所以被叫做有源的“雷达回波增强器”。
   工作时,它的接收机收到雷达的照射电波后,立即检测出它的射频与脉冲参数,然后进行放大,再由发射机发出去以增强雷达回波能量。这类回波增强器的作用空间方位,取决于它们的天线的类型。如果是全方向性天线则它对各个空间方位上入射的雷达波均可接收和转发,即对每个方向都可增强。但一般视需要情况而定常常设计得只能在一定空间角范围内起增强作用。例如,在“火蜂”型靶机和“长空”,型靶机上,安装在尾部的有源雷达回波增强器的天线方向图形,其有效范围,大体为对称于机身轴线(尾向)的±45º或60±º。这样做,是为了与雷达头导引的导弹的有效攻击区相适应。
   以上两类雷达回波增强器,一般用在几种情况下:(1)安装在无人驾驶的靶机或拖靶机上,以模拟敌方飞机的回波特征,(因为,一般情况下,靶机、靶弹和拖靶的外廓尺寸,远小于真实的敌机和敌弹的外廓尺寸?因而其等效的雷达反射面积和回波能量也就小于敌机和敌弹,所以必须采用有源或无源的雷达回波增强器来加强靶机、靶弹和拖靶的等效的雷达反射面积。)用来在打靶试验时,考验我方导弹和雷达的跟踪和捕获能力。(2)作战时,用来安装在我方的电子干扰机和诱饵飞机上,模拟我方飞机,以便干扰、引诱和消耗敌人的导弹和雷达系统,在战术上造成“虚虚实实”的效果。(3)有源和无源的回波增强器,还常常用来安装在地面的靶车和水上的靶艇上,用来试验武器系统的能力(4)有时还装在有人驾驶飞机上，用来校测我方雷达系统的各项战术技术指标。

九、雷达目标特性与飞机的“隐身术”

    “雷达目标特性”,就是研究雷达的回波同目标的几何形状、几何尺寸、材料性质和物理状态之间的关系的一门科学,它在军事和民用方面的价值都很大。
    1.“等效雷达反射面积”
   它又简称“雷达载面积”,英文缩写为RCS或记之为；单位是平方米。它的测定不是以一个平方米的金属镜面平板来对比的,而是以一个截面积为一平方米的标准金属圆球作计量基准来对比的。它同目标的形状、大小和表面材料状态有关。
   对于像飞机这样的复杂几何物体来说,其各个空间方位上的回波能力,亦即雷达等效反射面积(或RCS)的大小是差别很大的。因此,一般是以该飞机的最弱反射能力区域中某一角度范围(例如3球面度,5球面度)内的平均值来表示某飞机的“雷达等效反射面积”或“雷达截面积”的。因为这个最小值,决定了雷达对它的跟踪捕获能力的下限。
    2.回波强度的起伏与闪烁特性
   这个特性,又分为静态特性与动态特性两个方面。“静态起伏特性',是静态测试情况下,用目标的等效反射面积随角度而变化的方向性图形来表示的。较复杂一点的静态起伏特性,除了给出上述方向性图形(此时,将目标的回波全部归化成一个“点辐射源”来处理)之外,还要给出各个主要方向上的反射“辉点”的情况(将目标按“体目标”作为“面辐射源”来处理。
   “动态闪烁特性”是指目标在运动情况下,其回波能量(或等效反射面积),随方位和时间的起伏函数,以及复杂目标的等效反射中心的空间几何坐标与角度和时间的关系函数,同时还要表明各反射辉点的相消相长同时间的关系。
    3.“隐身技术”
   雷达的跟踪和截获能力,主要与目标的最小雷达反射面积有关。因此,如果减小目标的最小等效反射面积,就可以减少我方的飞机或其他目标被敌方雷达的发现概率和截获距离,这是具有重大战术价值的措施。飞机对雷达的“隐身术'就是建立在降低等效反射面积基础上的。
   降低雷达等效反射面积的主要措施有:(1)控制飞机(或其他目标)的外形结构,减小棱角和互成直角的结合部;改变发动机进气道和尾喷管的形状......等等。例如,美制B-1B型轰炸机,其外廓尺寸同B-52型轰炸机差不多大,但在采取了一系列上述措施之后,其最小雷达等效反射面积,降低到了B-52型的1/12。(2)改变飞机表面材料的物理特性。具体的办法是:尽可能多采用非金属复合材料特别是能吸收电磁波的复合材料。在金属表团涂附或蒙上吸收电磁波的材料等等。
   飞机的全面的“隐身技术',还包括机身外表的反光学涂料,降低发动机噪音,减小发动机的红外线辐射当量.等措施。这里就不多谈了。
    4.目标识别能力
   有经验的雷达操纵员能够凭肉眼观察荧光屏上的回波的大小、起伏特性和回波光点附近的干涉条纹,区别空中目标是那一种型号的敌机和我机。这是建立在经验基础上的人工识别能力。
   随着电子技术的发展,可以采取多种办法,对雷达回波的辐度动态特性和相位动态特性进行分析,将它们同己知的情报数据在计算机中进行对比便可以自动检测并大略显示出空中目标的类型及其外观轮廓。关于这个课题,已经发展出许多种识别模式和检测理论。
    5.目标特性与诱饵机
   捕获与反捕获,识别与反识别,是一对矛盾。为了干扰敌方雷达系统的视听,常常利用雷达目标特性的研究成果来制造诱饵机。也就是利用某些类型的有源和无源的雷达回波增强器,将它们安装在某些廉价的无人飞机上,使之在雷达影像上模拟我方的某些类型的飞机或机群。故意“示形于敌',引诱敌方的雷达和导弹系统上当这就是“诱饵机”技术。在大范畴上讲,这也属于机载电子技术。

　