毛二可院士訪談錄：軍用雷達縱橫

今年4月20日,美國國會批準了LRDR新型陸基反導預警雷達的設計方案,這是繼『薩德之眼』AN/TPY-2雷達后,美國最先進的反導雷達,它將成為美國陸基中段反導系統(tǒng)的重要基礎。據(jù)報道,LRDR 雷達將是基于氮化鎵組件技術研制的相控陣雷達。為此,本刊就相控陣雷達的先進性,空警 500 等國產(chǎn)雷達的發(fā)展,專訪了毛二可院士。

毛二可 中國工程院院士,雷達系統(tǒng)、雷達信號處理專家。1956年畢業(yè)于北京工業(yè)學院(現(xiàn)北京理工大學)。現(xiàn)任北京理工大學教授、博士生導師。在雷達雜波抑制和新體制雷達方面取得重大科研成果,對我國動目標顯示、動目標檢測技術做出了重大貢獻。曾獲得國家技術發(fā)明獎一等獎1項、二等獎2項、三等獎2項、四等獎1項;獲得政府特殊津貼、北京市優(yōu)秀教師獎、何梁何利基金科學與技術進步獎等;所領導的團隊獲得“國防科技工業(yè)優(yōu)秀科技創(chuàng)新團隊”、“全國教育系統(tǒng)先進集體”等榮譽。

軍隊的傳感器

“雷達是二戰(zhàn)時期戰(zhàn)勝法西斯的一件法寶?！边@是丘吉爾 對雷達的評價,概括了雷達在二戰(zhàn)中的重要作用。同盟國的雷達技術高于德國、日本,對贏得戰(zhàn)爭功不可沒。例如,二戰(zhàn)初期,美國在太平洋戰(zhàn)場上并不占優(yōu)勢,但是憑借先進的雷達技術,先敵發(fā)現(xiàn),先敵采取措施,在很多戰(zhàn)役中占據(jù)上風, 如航母之間的對抗。

雷達為扭轉英國被動作戰(zhàn)的局面也發(fā)揮了重要作用。 不列顛之戰(zhàn)中,英國在英倫海峽部署了雷達,能夠及早發(fā)現(xiàn)來襲的德國飛機。另外,為防御德國U型潛艇在大西洋戰(zhàn)場 襲擊英國商船,多數(shù)飛機和水面艦艇都裝備了雷達,能搜索到晚上浮出水面充電的德國潛艇,使得盟國飛機可以在很大范圍內(nèi)打擊德國潛艇。德國潛艇受到重創(chuàng),因而不得不撤出大西洋,導致德國破壞英國海上運輸以迫使英國屈服的戰(zhàn)略失敗。

可以說,雷達在戰(zhàn)爭中的作用在二戰(zhàn)中表現(xiàn)最為充分, 對二戰(zhàn)的進程和最后的結果起到了很大的推動作用。除了二戰(zhàn),以色列能夠在多次戰(zhàn)爭中掌握戰(zhàn)局主動,跟以色列裝備了型號較全的雷達密不可分。

中國軍用雷達發(fā)展史

我國的軍用雷達事業(yè)萌芽于解放前。當時的國民黨政府 在南京成立了一個雷達修理所,美國為它提供一些設備、零件等。南京快解放時,國民黨政府將雷達修理所遷到杭州,并希望能將這些人才帶到臺灣,但這批人才最終選擇留了下來,并在解放后又回到南京,因此南京可以說是我國雷達事業(yè)發(fā)展的起始地,雷達修理所也是中國電子科技集團公司第十四研究所 (以下簡稱14所)的前身。

之后,我國從事雷達事業(yè)的技術隊伍不斷壯大,20世紀50 年代我國雷達事業(yè)走上獨立自主發(fā)展之路,自主研制的雷達被用在了抗美援朝戰(zhàn)場上,14所也成長為國內(nèi)最大的雷達研究所,對我國雷達事業(yè)做出了有目共睹的重大貢獻。我國幾個主要的國營雷達大廠都有14所的基因。

院校方面,1952年,地處張家口市的中國人民解放軍通信工程學院(現(xiàn)西安電子科技大學)開設雷達專業(yè),成為我國第一個設立雷達專業(yè)的軍事院校。

1953年,我校(現(xiàn)北京理工大學)在蘇聯(lián)專家的協(xié)助下設立雷達專業(yè),成為第一個設立雷達專業(yè)的地方院校。1954年, 我們第一批雷達專業(yè)學生去14所生產(chǎn)實習,見到了一些美國遺留下來的還能用的雷達,這是我第一次看到雷達實物。1956年我畢業(yè)留校任教,從事雷達專業(yè)的教學和研究。從那時起, 我校雷達專業(yè)與南京14所經(jīng)常有業(yè)務合作,還多次聘請張直中院士來校短期授課。

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?中國雷達工業(yè)的發(fā)源地——中國電子科技集團公司第十四研究所

?北京理工大學的前身——北京工業(yè)學院

1958-1959年間,國家特別撥了3套蘇聯(lián)進口的大型雷達給我校,具體型號是п20雷達、сон9、сон4雷達。п20雷達是搜索雷達,由7輛卡車組成,包括電源車、天線車等。與3部雷達一起還運來了一大車美國遺留下來的雷達零件。這些雷達裝備運來后,雷達專業(yè)的老師同學們克服各種困難摸索雷達的裝配、運行、改進,還把一些小的像空載、機載雷達不太全的零件配全,通電做實驗。我校雷達專業(yè)的建立和成長過程離不開蘇 聯(lián)專家的援助、國家的扶持、與兄弟院所的相互支持。與其它后來陸續(xù)建設起來的地方院校雷達專業(yè)相比,我校的雷達專業(yè)從一出生就帶有鮮明的國防特色,帶有為國防建設解決重大工程問題的基因。

1964年,國外許多國家開始如火如荼地研究相控陣雷達, 國防科委也要求我校和14所提出一個能探測到幾千千米外目標的大型相控陣預警雷達方案。當時我們對相控陣雷達的原理還不太清楚,做大型設備又沒有經(jīng)驗,于是南京14所派了10 名技術骨干參與研發(fā),這些技術骨干就包括當時剛從俄羅斯回國、現(xiàn)在已是院士的張光義、賁德等同志。我們學校主要負責提出方案思路,做一些原理驗證實驗。就在此時,文革開始,我校相控陣雷達的研發(fā)工作因此基本中斷,大部分工作改由14 所完成。

不過我們雷達專業(yè)技術團隊還是希望在技術上多為國家做些工作。在雷達工程實踐中,我們意識到雜波對雷達性能的重要影響,于是主動開始研究雷達動目標顯示技術。加裝了我們研制的動目標顯示模塊的炮瞄雷達,在1977年的一次軍隊演習中,能透過箔條干擾顯示在箔條云中運動的飛機,領導的結論是“有效果”(注:相關成果獲得1978年科技大會多項獎勵)。

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?“紅旗” -2制導雷達,采用機械掃描體制,1967年我軍使用該型防空武器系統(tǒng)首次在干擾條件下?lián)袈淙肭值腢-2高空偵察機

?我軍現(xiàn)役“紅旗” -9制導雷達,采用相控陣體制,是我國自主研制的第一種第三代遠程區(qū)域防空武器系統(tǒng)。

動目標顯示的概念是美國在二戰(zhàn)時提出的,當時美國用的是模擬電路,利用電感、電容或超聲波做延時。比如通過超聲 波在水銀里傳播,這邊發(fā)射,那邊接收,水銀延遲線的長度不同,對超聲波的延時也不同。美國是在二戰(zhàn)中第一次應用這種水銀延時線,由于水銀對管壁腐蝕較厲害,要不斷地清洗,使用很不方便。70年代后,美國開始用熔融石英做成一定的形狀, 讓超聲波在里面來回折射后出來。我們團隊當時也利用熔融石英研發(fā)出延時線技術?，F(xiàn)在這種雷達信號處理技術已數(shù)字化了,利用數(shù)字電路板就可以完成。

新體制雷達

毛二可

相控陣雷達天線通常是一個面陣,面陣由很多行很多列排 列起來構成,每個陣元或子陣都對應有一個收發(fā)(T/R)組件。 每一個收發(fā)組件既是一個小的發(fā)射機,也是一個小的接收機, 實際上就是一部小雷達。通過計算機,可以控制每個T/R組件 移相器的相位。如果每個T/R組件的移相相同,天線波束的波前就垂直于天線陣面。如果按照一定規(guī)律設定每個T/R組件 移相器的相位,使得有的相位超前,有的相位滯后,波前就會偏離垂直方向,就可以控制天線波束按照設定的方式掃描。通過相位控制的方法,在相控陣天線陣面不動的條件下,天線波束現(xiàn)在能做到正負60度掃描,而且掃描速度很快,高速的話是微秒量級,慢速也在毫秒量級。這樣很靈活,探測者可以在整個空域里按自己的意愿監(jiān)控目標,比如對已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的目標,目標速度也已經(jīng)測出來了,雷達波束就不再需要連續(xù)照射這個目標,只需要根據(jù)先前測的位置間或照射并進行跟蹤修正,就可以掌握它的情況,多出來的時間資源雷達就可以用于探測其它目標。利用這種策略,相控陣雷達可以對整個空域內(nèi)成百上千的目標情況都了如指掌,這是它的先進性之一。

另一個先進性是每個T/R組件功率不大,但數(shù)量很多,每個組件單獨發(fā)射,在空間合成波束,多個組件的合成功率就可以做得比較大。

此外,過去非相控陣雷達的發(fā)射機需要通過天線饋線將功率傳輸?shù)教炀€,導致發(fā)射功率額外的損耗。而相控陣雷達的 每個T/R組件很小,可以直接做在天線陣面上,發(fā)射接收都在天線上,因此它的傳輸損耗小。再結合T/R組件數(shù)量多的優(yōu)勢,相控陣雷達的總發(fā)射功率就可以做得很大,這也是為什么相控陣雷達可以看得遠的原因。

相控陣雷達的可靠性也很高。因為它有成千上萬個T/R組件,即使少量T/R 組件損壞,整個雷達功能不會受損,性能也損失很小。比如原來能探測100千米, 現(xiàn)在探測90千米,對作戰(zhàn)影響不大。

由于相控陣雷達的優(yōu)點越來越多,不但在飛機上如預警機用,導彈等武器預警也用它,不再像過去用很大的拋物面天線。拋物面天線現(xiàn)在主要用來持續(xù)跟蹤單個變化不快的目標,它的優(yōu)點是價格便宜。

相控陣雷達恰恰相反,它的最大缺點是T/R組件多,導致價格昂貴,影響更廣泛的應用,所以目前軍方并沒有全部應用相控陣雷達。但貴是相對的,它由半導體技術的水平高低決定。比如美國的雷達生產(chǎn)量大,同樣一種波段的T/R組件年產(chǎn)百萬,成本就低。而我國只生產(chǎn)幾萬個或幾十萬個,成本相對就高。隨著技術的進步,半導體水平會逐漸提高。像現(xiàn)在的第三代半導體材料氮化鎵,微波輸出功率的效率高達40%~50%,而過去砷化鎵能做到 20%~30%就已經(jīng)很不錯了。效率一高,功耗就小了,相對的散熱也小了。這個技術對相控陣雷達的整體和加速發(fā)展起到了很大的推動作用,目前很多雷達都有應用。

毛二可

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?空警500是我國最新一代預警機,采用全固態(tài)數(shù)字陣列天線,雷達探測能力較空警 2000得到顯著提升,是中國電子科技集團“小平臺,大預警”理念的首次嘗試

毛二可

另外,預警機還有一個很重要的職責就是看低空飛機。對低空目標,地面雜波的影響很強:如果對地面雜波處理得好,接收機動態(tài)范圍擴大,雷達也可以看得更遠。

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?國慶60周年大閱兵中,空警2000領銜空中梯隊接受檢閱?？站?000預警機 裝備了中國電子科技集團第十四研究所研制的三坐標有源相控陣雷達,以 3個陣面覆蓋360度,無需機掃輔助

毛二可

毛二可

就雷達發(fā)展速度而言,我國發(fā)展很快,甚至超過英美,例如大型相控陣雷達,尤其是氮化鎵材料我們跟得很快,突破并擁有了相關技術。但是到目前為止,我國的雷達整體水平還有差距,需要一段時間才能趕上去。例如,我國曾經(jīng)進口了一些航管雷達,這些雷達雖然技術比較老,但是質量、可靠性、元器件 比國內(nèi)好一些,更重要的一點就是雷達的設計思想、概念比我們理解得深,所以使用效果很好。

毛二可

毛二可

雷達目標識別是一門很深很廣的技術,同樣的一個信號, 技術水平高識別得就好。另外一方面,怎么利用雷達信號獲得更多的目標信息,也是雷達目標識別發(fā)展的一個方向。我認為,目標識別要取得實實在在的突破性進展,基礎還是通過提高雷達分辨率,即距離高分辨、角度高分辨,得到目標更多的信息,在此基礎上研究目標識別的問題。利用高清晰的分辨率獲得更多的目標信息是今后雷達目標識別的一個突破口。二是雷達可以跟光學互補,去研究發(fā)揮雷達的潛力,進行目標識 別。光學成像、雷達成像機理不同,在分辨率相等的情況下,光學成像對人眼來說更直觀些,因為人眼是光學的反應,雷達看到的是反射的強弱。另一方面,雷達能夠利用雷達信號的相位等更多信息用于識別目標,在這種情況下比光學有優(yōu)勢。

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? 地基X波段雷達 (GBR)和?；?X 波段雷達(SBX) 是美國國家導彈防御系統(tǒng) (NMD)的重要組成部分,在彈道中段目標識別中發(fā)揮著核心作用

另一個需要指出的是,現(xiàn)在國內(nèi)雷達越做越大,還沒有特別重視控制雷達的功耗?，F(xiàn)在我們的雷達看得遠,功率大,一個雷達需要的電源經(jīng)常上兆瓦,耗電量非常大;此外雷達處理跟計算機一樣每秒萬億次的運算,功耗也非常大。因此我認為提高雷達效率、普及綠色雷達概念,是雷達的一個發(fā)展趨勢。

最后軍用雷達反干擾也是很重要的一個問題,在這方面我認為通過寬帶雷達波形設計反干擾大有潛力。

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?美軍現(xiàn)役EA-18G “咆哮者”電子攻擊機,其掛載的核心干擾吊艙ALQ-99可以對防空武器系統(tǒng)的制導雷達施行精確定向干擾

記:“科學決不是也永遠不會是一本寫完了的書” ,雷達追求卓越的腳步也不會停歇。衷心感謝您接受本刊專訪!

■ (特別感謝劉峰老師、任麗香老師給予本次采訪的大力幫助!)