1.1　对雷达的新需求与相控阵雷达技术的发展

在第二次世界大战中，雷达发挥了很大的作用，对战争进程有很大影响；第二次世界大战之后，中、小规模战争不断，刺激雷达技术不断发展。经过“海湾战争”“波黑战争”“沙漠之狐”“科索沃战争”“伊拉克战争”之后，高技术条件下的局部战争已给广大雷达用户、雷达研制工作者留下了深刻印象，雷达在高科技条件下战争中的作用更加明显。特别是在2003年“伊拉克战争”中，促使人们从“信息战”角度来看待雷达在信息获取、情报侦察、远程打击、精确打击中的作用，认真对待雷达在信息对抗中的位置与其所处恶劣电磁环境的影响。至今，对雷达的需求主要还是来自军事应用，来自国防建设的需求。近年来，以军用为主的雷达技术在国民经济建设中的应用日益增多，不断扩大其民用范围。雷达技术在经济建设、科学研究方面出现的新的需求也是雷达技术包括相控阵雷达技术发展的推动力，而且将日益增强。

雷达是一门综合性的科学技术装备，雷达相关科学技术上的创新与进步通常都很快地被移植到雷达的设计与制造之中，使雷达性能不断提高，可完成更多的任务，并相应地降低研制与生产成本。

1.1.1　对雷达观测任务的新需求

雷达作为可主动地远距离实现信息获取的手段，其观测任务是不断增加的。作为雷达的对立面，雷达观测目标的发展与雷达工作电磁环境的恶化对雷达发展有重大影响。在电子战（EW）、信息战、信息对抗条件下，雷达应满足一些不断增加的新需求。

1. 雷达观测目标的发展

雷达系统设计中首先要明确的问题是该雷达要观测什么目标或哪几类目标。如果说第二次世界大战期间雷达要观测的目标主要是飞机、舰船的话，现代雷达要观测的目标范围已大为扩展，这对雷达的系统设计制造提出了许多具有挑战性的问题。

以探测系统中的雷达为例，雷达要观测的主要军用目标包括以下三类：

1）武器平台类目标

（1）巡航导弹；

（2）隐身飞机、战斗机、轰炸机、武装直升机；

（3）地-地导弹（TBM、ICBM）、潜射导弹（SLBM）；

（4）反辐射导弹（ARM）、反辐射无人机、无人作战飞机；

（5）激光制导炸弹，带精密引信的钻地炸弹，如GBU-28；

（6）诱饵目标。

雷达在观察这一类目标时所遇到的突出问题有：低雷达散射截面积（RCS），如隐身目标、导弹目标；目标距离远，如弹道导弹目标；目标飞行高度低，如巡航导弹。

2）进行情报侦察、电子对抗与通信的目标

（1）预警机、指挥控制飞机（例如，E-2A、E-3A和E-8A）；

（2）电子战飞机（侦察/干扰机）；

（3）侦察卫星与侦察飞机（合成孔径雷达、光学和红外侦察等）；

（4）通信卫星；

（5）无人侦察机。

其中无人侦察机等也存在目标反射截面积降低的问题；观测卫星目标则要求极大地提高雷达作用距离。

3）远距离地面/海面目标

（1）地面军事设施、军事基地；

（2）导弹发射场、发射井、发射车；

（3）后勤基地，军事枢纽；

（4）舰队目标。

观察这类目标要求雷达具有在地面与海面背景中检测军事目标的能力和成像能力。

随着上述各类目标性能的完善，如随着它们的速度提高、RCS的降低、低空性能的改进、机动能力的提高、多目标的出现、假目标掩护、电子战与信息战的配合等，相应地对雷达提出了更多的新要求，这些要求对相控阵雷达系统设计有重大影响。

这些新要求是导致采用相控阵技术和用相控阵雷达代替机械扫描雷达的一个重要原因。正确分析雷达观测目标特性对雷达提出的要求，是相控阵雷达系统设计中的一个重要问题。

2. 雷达观测任务的增加

赋予雷达的观测任务是逐渐增加的，主要受军事需求的影响，同时也受到当时能实现的技术条件的限制。

早期雷达的主要任务是发现人眼看不见的物体，测量其距离与方位。自1880年赫兹（Heinrich Hertz）发现电磁波（无线电波）以来，直至1912年泰坦尼克（Titanic）号轮船撞击冰山沉没，促进了利用无线电波对人眼看不见的物体进行探测和定位的发展，直到20世纪30年代，才出现实用的雷达设备。从雷达的命名即可了解初期人们赋予雷达的任务，雷达英文原文为“Radar”（Radio Detection and Ranging），强调的是探测和测距；俄文称雷达为“Радиолокатор”（Radiolocator），即无线电定位器。探测（Detection）亦常称为检测，主要指用无线电手段判断远处有无物体或目标的存在，测距（Ranging）则是实现目标定位的必要条件。

第二次世界大战中雷达的主要观测目标是飞机与舰船。最早大量应用的雷达是英国的Chain Home雷达（CH雷达）与CHL雷达，主要用于发现德国来袭飞机并对其定位；1941年12月，珍珠港事件后，美国航空母舰装备了工作频率为200MHz的对空监视雷达，主要也是观测飞机。第二次世界大战后期，盟军装备的微波空对面雷达（Air-to-Surface Radar）的主要作用是观测水面舰船，在反德国潜艇作战中起了重大作用。盟军1944年开始装备S波段的SCR-584炮瞄火控雷达，其观测对象也是飞机。

第二次世界大战之后的重大雷达技术进展，如动目标显示、脉冲压缩、单脉冲测角、脉冲多普勒（PD）技术、相控阵技术等，均与提高雷达检测性能和定位性能密切相关。因此，普遍认为雷达的两大任务是：目标检测与目标参数估计或目标参数提取。

由于上述目标种类的增多，目标性能的提升，如低空飞行、隐身等，对雷达目标检测与参数估计都提出了许多新要求。

需要强调的是，雷达目标检测与参数估计均是在存在杂波背景与干扰，特别是在人为强干扰的条件下进行的，这给雷达设计提出了更高的要求。

1）目标检测方面的要求

雷达在实现目标检测方面，面临的突出问题有：

（1）探测低可观测目标。除了隐身目标，还包括具有RCS小的目标，如反辐射导弹（ARM）、空-空导弹、诱饵目标、各类无人机、小型分布式干扰飞行器等。

（2）探测低空飞行目标。检测低空目标遇到的一个重点问题是强杂波抑制；另外，它也导致要求将雷达平台升空或研制天基雷达平台。

（3）弹道导弹与卫星观测。因这类目标作用距离远，所以面临增加发射功率与天线面积乘积（功率孔径积）和增加相参积累时间等问题。

（4）空间碎片（Space Debris）观测。为解决航天活动飞行安全，研究卫星发射与航天活动中如何减少空间碎片产生，以及航天器对空间碎片的防护措施等均需要加强对空间碎片的观察。观察空间碎片时，观测物体再入大气层现象、进行真假弹头识别研究都很有意义。

（5）射击效果评估。对反弹道导弹、地-空导弹拦截效果进行评估，必须观测拦截成功后目标与拦截弹产生的众多碎片，并进行脱靶量估计。

（6）在强杂波与干扰环境下检测目标。

（7）在分散多站条件下检测目标。

2）目标参数提取方面的要求

早期雷达要提取的目标参数主要是：

（1）目标的位置参数。目标的位置参数包括目标的方位与距离（ φ , R ）（如对二坐标雷达），方位、仰角与距离（ φ ， θ , R ）或方位、高度与距离（ φ , h , R ）（对三坐标雷达）。

（2）目标的运动参数。跟踪随时间变化的 φ （ t ）， θ （ t ）, R （ t ），测量它们随时间的变化率 ，包括目标运动产生的距离上的速度、加速度和角速度、角加速度等，由此掌握目标飞行航迹，确定卫星、导弹等目标的轨道参数，为预测下一时刻或下一观测周期时的目标位置提供依据。

事实上，至今大多数情报雷达在目标参数估计上提取的目标信息还不够多，上述目标参数测量的要求多数是对导弹预警与制导雷达、火控雷达以及测控雷达提出的。

与检测方面面临的问题类似，在目标参数提取方面面临的一些重要问题包括：

（1）提高雷达测量的分辨率。这个问题来自对多目标进行测量，区分多目标，特别是对远距离多目标进行分类与识别的要求，由于角度分辨率取决于天线孔径尺寸，距离分辨率取决于雷达信号带宽，而速度分辨率则取决于对目标的总的观测时间，因此，这一要求对雷达系统设计，特别是天线与信号波形设计有重要影响，也增加了信号处理的难度。

（2）提高测量参数的精度。这一要求主要来自对精确定位、精确拦截、精确打击的实现。提高测量参数的精度与提高雷达分辨率有密切关系。

（3）目标特征参数的提取。这是为适应目标分类、识别提出的新要求。除了上述目标运动参数等可以作为目标分类、识别的目标特征，还有其他可用于目标分类与识别的特征参数。例如，高分辨一维距离像（HRR）或高分辨一维距离剖面（Range Profile）可用于对目标分类的识别；又如其提供的目标长度信息即是对目标分类识别的一个很有用的特征参数。目标自旋或目标相对于雷达的旋转运动，被用于对雷达目标进行二维成像。目标的二维成像是进行目标分类和识别的一个重要特征参数。

要获得目标的高分辨一维像与二维像，必须采用大瞬时带宽信号，它对雷达目标参数提取提出了许多新的课题。

（4）“衍生参数”。所谓“衍生参数”是指根据雷达测量获得的目标回波数据推演出的有关目标的参数，在气象雷达中许多“气象产品”即由目标回波数据推演而来，如在具有变极化能力的气象雷达中，可以根据椭圆极化轴比的测量值估计出雨滴尺寸的大小 [1] 。

（5）目标事件测量。雷达要观察的目标事件可能有多种，常见的有目标分离事件、目标爆炸事件等。目标分离事件的例子有，当在战斗机上发射空-空导弹、反辐射导弹（ARM）或发射拖曳式诱饵时，雷达观察的目标突然由一个变为两个，在刚发射时，两个目标回波在角度上、距离上还不能分辨，但雷达回波结构却发生了变化。当导弹从外层空间进入大气层之前，人为地分离出多个诱饵也是一种目标事件。根据对雷达回波参数的分析、检测，分离出小目标，对确定威胁目标和进行目标识别有重要意义。目标爆炸，也是一种目标事件，如成功拦截目标之后，根据雷达目标回波结构的变化有可能确定是否有爆炸发生，这被用于判断拦截是否成功。

（6）雷达成像与雷达图像解释。当对地面、海面进行成像时，整个成像地区作为雷达要观察的感兴趣的目标，它们的回波并不被当作一种干扰信号，而是有用信号。

采用宽带信号及合成孔径、逆合成孔径等方法进行高分辨雷达测量后，可以获得目标的一维或二维成像。用干涉合成孔径雷达技术还可以获得地面高程模型（DEM），即地面三维雷达图像。雷达图像是地面目标不同散射点RCS的响应，它与光学照片不同，是无色的，只具有不同的灰度等级。对目标的雷达图像进行解释是一种求逆过程，即判断所获得的某种图像是由何种地面或地面覆盖物生成的。

由于成像区域内一个点目标在纵向距离维的响应受信号瞬时带宽的限制，其响应函数不可能是一个 δ 函数；一个点目标在方位向的响应，即横向距离方向的响应函数，由于等效合成孔径长度有限，也不可能是一个 δ 函数。亦即在纵向与横向距离方向，一个点目标的像都受限于二维距离分辨率。因此，逆过程存在不确定性，可能得到多种解释，因为不同地物有可能具有同样的RCS。

显然，雷达图像分辨率越高，越易区分不同地段之间的分界线，这为利用图像纹理特征进行图像解释提供便利。在图像分辨率提高的基础上，从地物背景中分离出地面静止与运动的人工目标，如车辆、建筑物、工事等，也变得有可能实现。这属于利用合成孔径雷达检测地面静止与运动目标的课题。

（7）在强干扰背景中进行目标参数提取与雷达目标成像。有源干扰雷达目标参数提取除了要在存在箔条干扰和诱饵目标等无源干扰条件下进行，还需在有源干扰条件下进行。有源干扰包括有源噪声干扰和应答式欺骗干扰。在强杂波背景中提取目标参数对机载与星载预警探测雷达是一个重要课题。

要解决上述对雷达任务提出的新要求，在实现雷达检测与参数估计两方面任务面临的新要求中，采用相控阵雷达技术均有重要作用。

1.1.2　对雷达性能的一些新要求

与现有实际使用的雷达相比，正在研制或将要问世的新一代雷达，应满足许多新的要求。当然，不同类型、不同用途的雷达各有其特殊的要求，这里讨论的主要是与相控阵雷达有关的一些新要求。

军用雷达大体上分为四大类：第一类是各种防空/防天系统及C 3 I系统中的雷达；第二类是各种作战平台（飞机、舰船、战车、导弹等）上的雷达；第三类是各种战略、战术武器系统性能的测试、评估手段，包括电子战（EW）、信息战（IW）的性能评估及与雷达有关的仿真过程中需要的雷达；第四类为各种作战保障要求的雷达，如军用气象雷达，军用空中交通管制雷达，战场侦察雷达，军事侦察雷达，如星载、机载、无人机载合成孔径雷达等。

1. 对现代雷达的一些新要求

对上述四类雷达的要求，虽然在程度上可能有所不同，但有一些是共同的。

1）对低可观测目标的探测能力

低可观测目标是指雷达截面积（RCS）很小的目标。隐身飞机及其他隐身目标是大家熟知的低可观测目标。探测隐身目标是当前雷达面临的突出问题。空-空导弹、空-地/海导弹、巡航导弹、反辐射导弹（ARM）、反辐射无人机、小型无人侦察机等成了雷达，特别是防空雷达和武器平台上的雷达要观测的重要目标，但它们的RCS比常规飞机目标一般要低10～20dB，甚至更低，因此也是低可探测目标。对空间监视雷达来说，低可观测目标包括能对卫星及航天器造成严重安全隐患的“空间垃圾”，如直径1～5cm的碎片。而对于空中交通管制（ATC）雷达、炮位侦察雷达来说，观测与过滤飞鸟等目标则是必须具备的功能。

2）对低空目标及远距离低空目标的探测

除低空进入的飞机与掠海飞行导弹外，巡航导弹是另一类需要观察的低空目标。探测远距离的海面目标是当今雷达应解决的一个重要问题。

3）多目标跟踪、多功能及自适应工作方式

先进的防空雷达及一些武器平台雷达，如采用先进的相控阵天线的雷达，则可同时完成原来由多部雷达分别完成的功能，并具有同时跟踪多目标的能力。雷达可根据当时的观测任务、目标状态差异（目标RCS的大小、目标的威胁度、目标离雷达站的不同距离等）而自适应地改变雷达本身的工作方式、工作参数、信号波形和信号能量的分配。

对第三类用于靶场测量、性能评估的雷达，要求具有多目标、多功能、宽频带、多工作模式等要求，以便满足发展新型武器系统的需要。

4）目标识别和雷达成像

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，而且在各类防空雷达中这一要求也变得日益突出。例如，为了分辨机型和确定架次，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，也要求引导雷达和制导雷达具有一定的目标分类和识别能力。

雷达成像是目标分类、识别的一个重要手段，也是全天候实时侦察的重要手段，在实施精确打击中有着重要作用。

5）在硬打击下的生存能力

为对付敌精确打击手段，如反辐射导弹（ARM）、反辐射无人机、激光制导炸弹、巡航导弹及战术弹道导弹（TBM），提高雷达生存能力成了突出问题。解决这一问题的技术措施之一便是采用先进的相控阵技术。

6）在恶劣电磁环境条件下的工作能力

抗各类有源干扰和无源杂波是需要不断深入研究解决的老问题。近年来，对付多种欺骗干扰的任务变得特别突出。此外，应对高功率电磁脉冲对雷达接收系统的破坏也成了对雷达的一种新要求。随着雷达系统中计算机与通信设备的比重增加，雷达系统必须具备应付各种信息战的手段。在解决这些问题中采用相控阵技术也会带来很大好处。

7）系统综合能力

雷达系统综合能力包括雷达组网能力与构成综合电子系统的能力。

新的雷达应具有可分散布置并组成双/多基地雷达系统，方便进入雷达观测网的能力，可与其他雷达协调工作与共享观测数据。多部雷达的观测数据与其他传感器（例如，无源探测雷达、红外无源探测器、激光雷达、光学电视跟踪器等）的数据要进行多传感器数据融合（MSDF）。这对提高整个雷达网的抗干扰能力与抗毁能力，改善目标航迹跟踪精度，以及实现目标分类和识别都有重要作用。

雷达系统应与电子战（EW）中的干扰接收机、雷达告警器等结合，这有利于快速实现雷达的各种捷变能力，降低自适应过程的调整时间。

在机载火控雷达设计中，已经出现雷达与通信、导航等进行一体化设计的要求。例如，新一代机载火控有源相控阵雷达的天线应具有倍频程的带宽，除完成雷达天线功能外，同时还兼作ESM、干扰机和数据通信的天线。随着宽带、超宽带雷达技术的进展，这一趋势必将在地面常规雷达和地面相控阵雷达中得到推广。

8）有源雷达与无源探测结合

雷达需要发射高功率信号才能探测目标，故易被敌方雷达信号侦察设备侦收和定位，而雷达发射天线的波束常具有较高的副瓣电平，这有利于增加敌方侦察距离，使敌方雷达侦察、定位和打击手段更易发挥作用，造成对雷达平台和雷达载机的极大威胁。因此除了对一些武器作战平台的发射信号要进行射频辐射管理（RFRM），要尽可能降低雷达信号发射时间，改变雷达发射照射源位置，在空间上由多个发射源快速闪烁工作，将有源雷达与无源雷达进行综合，统一设计，发挥无源探测静默工作方式和作用距离较远等优点，有利于提高整个雷达系统的性能。

9）低成本

低成本是推广应用相控阵雷达的重要条件。要实现这一点，必须采用先进的工艺，贯彻标准化、模块化设计原则，采用批量生产技术。这有赖于与相控阵技术有关的基础技术的发展和雷达设计思想的突破。降低成本当然与雷达研制、生产过程管理有关，但在很大程度上也是一个技术问题。

2. 相控阵雷达技术在实现上述新要求中的作用

相控阵雷达技术为满足上述对雷达性能的新要求提供了巨大的潜力。如何充分满足对雷达提出的这些新要求，是相控阵雷达技术发展的需求牵引因素，也是相控阵雷达系统设计中一个重要论证课题。

采用相控阵雷达技术，使雷达探测系统在以下几个方面具有更大潜力：

（1）增加雷达作用距离、对付低可探测目标（包括隐身目标）：

①增加雷达功率孔径乘积（ P av A r ）（对搜索雷达）及有效功率孔径乘积（ P av G t A r ）（对跟踪雷达）；

②合理利用雷达信号能量（如合理分配搜索与跟踪状态下的信号能量）；

③正确选择信号波长；

④改善雷达信号处理（如可采用序列检测）；

⑤空间功率合成的应用。

（2）对付高速、高机动目标（利用相控阵雷达的波束扫描灵活性及高速空间采样能力）。

（3）利用自适应空间滤波能力，抑制干扰与杂波，提高抗干扰、抗杂波能力。

（4）可对付多目标，具有多种功能。

（5）便于靠山、进洞，抗冲击波、抗轰炸。

（6）便于实现分布式雷达系统。 AbaiiAaufDgaaCZk/euiNXeE3Iosym4IkfaazZttganiSPRLfy5n+pqh1zfjJiCL