雷達(dá)探測(cè)與毀傷一體化設(shè)計(jì)

潘栓龍 季 帥

（西安導(dǎo)航技術(shù)研究所，陜西 西安 710068）

0 引言

現(xiàn)代高科技戰(zhàn)爭(zhēng)中，信息已成為作戰(zhàn)的核心和關(guān)鍵，戰(zhàn)場(chǎng)軍事通信系統(tǒng)一旦遭到破壞，將嚴(yán)重威脅整個(gè)作戰(zhàn)體系的生存情況，故安全穩(wěn)定的通信網(wǎng)絡(luò)和電子系統(tǒng)已成為戰(zhàn)場(chǎng)命脈，電磁戰(zhàn)已成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的新型戰(zhàn)場(chǎng)。欲在戰(zhàn)爭(zhēng)中取得主動(dòng)權(quán)，必須取得制電磁權(quán)，一方面要避免己方受到電磁干擾；另一方面要積極干擾敵方電子設(shè)備。電磁攻擊與抗干擾已成為現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)重要手段[1]。

雷達(dá)是現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)的信息探測(cè)中樞，高功率微波武器（HPMW）是一種用于目標(biāo)電磁攻擊的新概念武器，二者的共同點(diǎn)使一體化兼容性設(shè)計(jì)成為可能。完成雷達(dá)和HPMW 一體化設(shè)計(jì)，可以為裝備的更新?lián)Q代提供參考，為國土防御體系提供新的思路。將雷達(dá)探測(cè)與毀傷實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)，雷達(dá)在實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測(cè)的同時(shí)，利用高功率微波武器實(shí)現(xiàn)對(duì)敵方作戰(zhàn)平臺(tái)的電磁打擊，從而使我部雷達(dá)系統(tǒng)在完成探測(cè)的同時(shí)取得電磁戰(zhàn)場(chǎng)的控制權(quán)，進(jìn)而在現(xiàn)代信息化戰(zhàn)場(chǎng)取得主動(dòng)權(quán)。實(shí)現(xiàn)雷達(dá)探測(cè)與毀傷實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)，可以充分利用雷達(dá)探測(cè)的工作效能和高功率微波武器的威力，在現(xiàn)代信息化戰(zhàn)場(chǎng)立于不敗之地[2-3]。

1 高功率微波武器的概念

HPMW 與傳統(tǒng)常規(guī)武器在工作原理、作戰(zhàn)方式和殺傷破壞機(jī)理上顯著不同，是一種可以大幅度提高作戰(zhàn)效能的新概念定向能武器。HPMW 利用定向發(fā)射大功率電磁波束以光速對(duì)攻擊目標(biāo)產(chǎn)生電效應(yīng)、熱效應(yīng)等，從而完成干擾、殺傷或摧毀等任務(wù)；可用于攻擊軍事衛(wèi)星，洲際導(dǎo)彈，巡航導(dǎo)彈，空中、地（海）面上的作戰(zhàn)平臺(tái)、雷達(dá)、通信系統(tǒng)、C4ISR 系統(tǒng)等，尤其對(duì)指揮通信樞紐、作戰(zhàn)聯(lián)絡(luò)網(wǎng)等重要的信息戰(zhàn)節(jié)點(diǎn)威脅極大，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行物理性破壞，使其喪失作戰(zhàn)效能。HPM 的特征在于[4]；

（1）發(fā)出的射頻波束可照射整個(gè)目標(biāo)，故對(duì)目標(biāo)的瞄準(zhǔn)和跟蹤精度要求比常規(guī)武器低得多，擊中概率高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，可實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)同時(shí)攻擊；

（2）微波射束以光速傳送，攻擊速度快，可實(shí)現(xiàn)全天候作戰(zhàn)，適應(yīng)不同大氣條件；

（3）微波射束的殺傷機(jī)理是破壞其作戰(zhàn)平臺(tái)；針對(duì)各作戰(zhàn)平臺(tái)火力與指揮控制系統(tǒng)的電子設(shè)備，或?qū)棇?dǎo)引頭的電子系統(tǒng)，使它們喪失控制和作戰(zhàn)能力，或在空中引爆導(dǎo)引頭以達(dá)到摧毀的目的；

（4）HPMW 具有雷達(dá)武器化的潛能，在對(duì)目標(biāo)實(shí)施探測(cè)、跟蹤后增大發(fā)射功率，進(jìn)而完成電磁干擾和定向摧毀，成為一種具備雷達(dá)探測(cè)功能并兼顧超級(jí)干擾機(jī)、定向能武器功能的多功能作戰(zhàn)平臺(tái)。

美國空軍已開始對(duì)可實(shí)現(xiàn)電子攻擊的有源相控雷達(dá)的研制，通過對(duì)現(xiàn)役有源相控陣?yán)走_(dá)的T/R 組件上加裝微型傳輸接收器，可同時(shí)完成多任務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)敵方電子設(shè)備的電磁攻擊。改裝的AESA 雷達(dá)可針對(duì)不同目標(biāo)完成不同功能，目前F-22、F-35、EA-18G 等戰(zhàn)斗機(jī)都裝備了該型遠(yuǎn)程主動(dòng)AESA 雷達(dá)，其缺點(diǎn)在于發(fā)射微波能量較強(qiáng)，難以隱身，易成為被攻擊目標(biāo)，預(yù)計(jì)美國正發(fā)展相應(yīng)技術(shù)以改善這一缺陷。

在美國國防部HPM 武器發(fā)展的總規(guī)劃中，其工作年度計(jì)劃里主要研究工作在于開發(fā)緊湊型寬帶源、天線系統(tǒng)及相關(guān)應(yīng)用，旨在于為機(jī)載電子攻擊項(xiàng)目方案選擇一種適用型G 瓦級(jí)HPM 源。在近兩年公布的定向能技術(shù)計(jì)劃中看，任務(wù)重點(diǎn)在于繼續(xù)發(fā)展彈載目標(biāo)識(shí)別應(yīng)用系統(tǒng)，適用于機(jī)載電子攻擊和反臨時(shí)湊合爆炸裝置的HPM/RF 武器，內(nèi)容包括[5-7]；

（1）開發(fā)緊湊型重復(fù)脈沖的G 瓦級(jí)HPM 源及相關(guān)脈沖功率部件、機(jī)載蒙皮共形相控陣天線技術(shù)，利用納米技術(shù)控制HPM 源的體積和重量；

（2）改進(jìn)超寬帶天線及高壓開關(guān)；

（3）設(shè)計(jì)緊湊、高效磁通量壓縮發(fā)生器，改進(jìn)其相關(guān)絕緣特性及構(gòu)件功能；

（4）演示重頻G 瓦級(jí)HPM 源與天線的集成系統(tǒng)平臺(tái)，控制該系統(tǒng)對(duì)機(jī)載平臺(tái)的影響，改善波束控制組件以滿足機(jī)載平臺(tái)小型化的要求。

2 HPMW 的實(shí)現(xiàn)方法和作用機(jī)理

目前HPMW 主要分兩類；一類是微波炸彈，另一類是電磁脈沖炮。

2.1 微波炸彈（E 彈）

E 彈的主要作用機(jī)理是在常規(guī)火藥炸彈的前級(jí)加裝電磁發(fā)射設(shè)備形成微波炸彈。作戰(zhàn)時(shí)，將E 彈由火炮或?qū)椡渡渲林付▍^(qū)域，利用爆炸產(chǎn)生的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成高能電磁波輻射出去，對(duì)指定地區(qū)實(shí)現(xiàn)干擾和電子摧毀。其工作機(jī)理如圖1 所示，利用電源將電磁能量注入同軸電容內(nèi)，以產(chǎn)生高壓；再將這一高壓瞬間與流量產(chǎn)生器內(nèi)的螺旋狀導(dǎo)線導(dǎo)通，并在導(dǎo)通電流最大的瞬間，起爆在螺旋狀導(dǎo)線內(nèi)的炸藥，以壓縮磁通量的方式提升螺旋狀導(dǎo)線上的電流；接著將此電流導(dǎo)入虛陰極管，以諧振方式產(chǎn)生高頻電磁波；最后由微波天線對(duì)指定方向進(jìn)行發(fā)射。

高能微波武器有兩級(jí)磁通量壓縮發(fā)射器。第一級(jí)產(chǎn)生爆炸的啟動(dòng)電流，當(dāng)爆炸啟動(dòng)后，爆炸將使電樞管膨脹變形，使之與線圈形成短路，將會(huì)壓縮電磁場(chǎng)并減少線圈的電感，使線圈中的電流直線上升，直到發(fā)射器崩潰為止，電流上升時(shí)間為數(shù)納秒。峰值電流幾百兆安，于是產(chǎn)生巨大的電流脈沖，激勵(lì)虛陰極管產(chǎn)生電磁脈沖。

2.2 電磁脈沖炮

電磁脈沖炮的主要作用機(jī)理是通過高功率微波器件產(chǎn)生兆瓦乃至G 瓦級(jí)的輸出功率，通過高增益定向天線發(fā)射出去。電磁脈沖炮一般由能源系統(tǒng)、高功率重頻強(qiáng)流電子加速器、高功率微波源和定向天線構(gòu)成，其基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 微波炸彈內(nèi)部組成框圖

2.2.1 能源系統(tǒng)

高功率微波炮的能源系統(tǒng)一般由初級(jí)能源、高功率恒流充電裝置、重頻脈沖高功率開關(guān)和重頻控制系統(tǒng)組成，其關(guān)鍵技術(shù)是重頻脈沖高功率開關(guān)。

現(xiàn)階段重頻脈沖高功率開關(guān)一般采用氣體火花開關(guān)，但當(dāng)其在有限空間內(nèi)以某頻率工作時(shí)，特別是在大電流、高電壓、大電荷轉(zhuǎn)換等情況下，前脈沖放電過程產(chǎn)生的等離子產(chǎn)生的高溫、高電離狀態(tài)將影響下次脈沖放電前電路的充電過程?？朔撨@問題最有效的措施就是使氣體流動(dòng)，清除帶電粒子。

2.2.2 高功率重頻強(qiáng)流電子加速器

高功率重頻強(qiáng)流電子加速器的作用是將能量進(jìn)行壓縮，形成脈寬約100ns 左右，數(shù)百千伏、數(shù)十千安的強(qiáng)流電子束流，該部分體積將直接決定微波脈沖炮的體積。一種典型的高功率重頻強(qiáng)流電子加速器如圖2 所示。

圖2 微波虛陰極管及天線框圖

圖3 電磁脈沖炮框圖

圖4 Tesla 變壓器型相對(duì)論電子加速器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2.3 高功率微波源

高功率微波源的功率值是電磁脈沖炮的關(guān)鍵性能指標(biāo)。目前，適合于高阻抗高功率重頻微波源主要基于O 型器件；返波管和相對(duì)論速調(diào)管。目前，X 波段返波管單次工作最高功率為1.7G 瓦；相對(duì)論速調(diào)管功率達(dá)1.5G 瓦，頻率500MHz-5GHz。

2.2.4 天線

對(duì)于電磁脈沖炮而言，天線一般采用尖銳波束天線，天線形式主要采用陣列天線或喇叭天線等。

2.2.5 應(yīng)用方式

電磁脈沖炮可安裝在無人機(jī)、預(yù)警機(jī)等機(jī)載平臺(tái)中，飛行過程中進(jìn)行電磁殺傷或干擾；也可放置在低軌道衛(wèi)星站（約500～916m 高）中，對(duì)地可干擾敵方電子設(shè)備，空間中可干擾軌道衛(wèi)星，進(jìn)而徹底摧毀敵方的網(wǎng)絡(luò)通訊。

3 UWBR 和HPMW 一體化設(shè)計(jì)

3.1 無源探測(cè)雷達(dá)與E 彈協(xié)同作戰(zhàn)

利用巡航導(dǎo)彈將E 彈發(fā)射至敵部防區(qū)（空間、領(lǐng)空、領(lǐng)海），利用爆炸產(chǎn)生窄帶微波脈沖，燒毀敵方雷達(dá)接收機(jī)或防空系統(tǒng)中的靈敏部件，完成電磁戰(zhàn)攻擊；上述窄帶微波脈沖信號(hào)經(jīng)敵方作戰(zhàn)平臺(tái)反射，經(jīng)我方同頻段無源被動(dòng)探測(cè)雷達(dá)接收，通過對(duì)直達(dá)波和目標(biāo)回波相干處理，得到敵方作戰(zhàn)平臺(tái)目標(biāo)特性（包括方位、距離、俯仰等），由我方常規(guī)武器系統(tǒng)對(duì)敵方作戰(zhàn)平臺(tái)進(jìn)行精確摧毀性打擊。該種作戰(zhàn)方式主要關(guān)鍵技術(shù)包括[8]；

3.1.1 頻率特性可控的高功率微波彈頭設(shè)計(jì)

E 彈是將常規(guī)炸藥的爆炸能由微波器件轉(zhuǎn)換為高功率微波輻射能的新型炸彈，所產(chǎn)生的電磁脈沖現(xiàn)象與雷電類似，該脈沖的電場(chǎng)強(qiáng)度急劇上升至峰值后急劇下降，故具有寬頻譜范圍和高幅值，其頻率范圍包含了l0kHz 至l00GHz 的超寬帶頻率成分，幅值比普通無線電波強(qiáng)百萬倍。

但該方式產(chǎn)生的電磁頻譜范圍太廣，具有相當(dāng)大的隨機(jī)性，不利于雷達(dá)利用其目標(biāo)散射回波進(jìn)行探測(cè)，故需開展對(duì)E 彈爆炸時(shí)所產(chǎn)生的微波頻譜特性進(jìn)行深入研究，找到利于雷達(dá)探測(cè)的頻率分量，并對(duì)E 彈的諧振腔體進(jìn)行設(shè)計(jì)，進(jìn)而控制其爆炸時(shí)所產(chǎn)生微波的頻譜特性，針對(duì)不同作戰(zhàn)場(chǎng)景，應(yīng)對(duì)不同作戰(zhàn)任務(wù)，可采用不同頻譜特性的E 彈，一方面可以高效完成作戰(zhàn)任務(wù)，另一方面可以利用不同頻段的無源雷達(dá)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)特性探測(cè)。

3.1.2 探測(cè)信號(hào)同步技術(shù)

為了發(fā)揮無源探測(cè)系統(tǒng)優(yōu)的越探測(cè)性能，需完成系統(tǒng)與照射源信號(hào)特征的同步匹配，本系統(tǒng)的信號(hào)同步情況變得十分復(fù)雜，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，只能得到發(fā)射波形的部分參數(shù)，并由此估計(jì)其他未知參數(shù)。實(shí)際應(yīng)用中，由E 彈起爆裝置控制實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，利用空域?yàn)V波和頻率搜索獲得發(fā)射信號(hào)信息，根據(jù)其頻率信息完成頻率同步，最后通過天線波束形成完成空域同步。

3.1.3 直達(dá)波信號(hào)的提取技術(shù)

該探測(cè)系統(tǒng)中設(shè)置有參考通道，其接收天線指向E 彈起爆位置（炸點(diǎn)由系統(tǒng)控制）。參考通道的直達(dá)波信號(hào)主要完成以下兩個(gè)方面功能：（1）直達(dá)波信號(hào)作為自適應(yīng)對(duì)消算法的參考信號(hào)，用于偵察通道中目標(biāo)回波信號(hào)的對(duì)消去雜波過程；（2）直達(dá)波信號(hào)為空時(shí)二維相關(guān)檢測(cè)提供參考信號(hào)。

參考通道所獲取直達(dá)波中必然會(huì)混入傳輸過程中的多徑雜波，故需有效抑制多徑干擾。目前采用的方法主要有空間投影法和盲均衡法。其中，空間投影法主要通過將接收信號(hào)投影到與多徑雜波相正交的子空間上，以達(dá)到抑制多徑的目的，該方法計(jì)算量較大，不易實(shí)現(xiàn)；盲均衡算法主要依據(jù)照射源波形所具有的恒模特性實(shí)現(xiàn)直達(dá)波提取，該方法簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)，但性能有待進(jìn)一步提高。

3.2 跟蹤雷達(dá)與電磁脈沖炮共平臺(tái)一體化設(shè)計(jì)

將電磁脈沖炮與雷達(dá)共平臺(tái)設(shè)計(jì)構(gòu)成一體化系統(tǒng)，在對(duì)目標(biāo)實(shí)施探測(cè)、跟蹤后增大發(fā)射功率，進(jìn)而完成電磁干擾和定向摧毀，對(duì)目標(biāo)實(shí)施硬殺傷或?qū)δ繕?biāo)的電子設(shè)備實(shí)施破壞，使作戰(zhàn)人員喪失戰(zhàn)斗能力。一體化平臺(tái)示意圖如圖5 所示。實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)的主要關(guān)鍵技術(shù)包括[9]；

圖5 雷達(dá)電磁脈沖炮一體化平臺(tái)示意圖

3.2.1 脈沖功率微波源技術(shù)

脈沖功率源是電磁脈沖炮的主要功能部件，主要利用常規(guī)化學(xué)能或電能產(chǎn)生高功率脈沖為后端微波系統(tǒng)供能。目前最常用的加速器有Marx 發(fā)生器、Tesla 變壓器、磁流體發(fā)電機(jī)、磁通壓縮發(fā)生器等，需根據(jù)不同設(shè)計(jì)需要進(jìn)行選擇和參數(shù)調(diào)整。

脈沖功率源的作用機(jī)理是利用高功率電脈沖產(chǎn)生高能電子束流，在特殊設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)內(nèi)與電磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生高功率微波脈沖。目前主要發(fā)展的高功率微波源有：回旋管振蕩器、自由電子激光器、相對(duì)論磁控管振蕩器、虛陰極振蕩器、返波振蕩器、速調(diào)管振蕩器、固體功率源等。

此外，新近出現(xiàn)的等離子體脈沖功率源有PASTRON 高功率脈沖功率源、耦合腔鏈(CCC)-TWT 和直流射頻轉(zhuǎn)換源(DARC)。隨著對(duì)等離子體性能深入理解，此類新興脈沖功率源必將在未來扮演更加重要的角色。

3.2.2 高功率脈沖開關(guān)技術(shù)

脈沖功率源產(chǎn)生的脈沖的各項(xiàng)參數(shù)一般不適合高功率微波源的正常運(yùn)作，通常不能直接用于激勵(lì)高功率微波源，需通過脈沖開關(guān)來調(diào)整脈沖峰值、上升前沿和脈寬，完成激勵(lì)作用，并實(shí)現(xiàn)整鏈路的阻抗匹配，提高能量轉(zhuǎn)換效率。

3.2.3 高增益超低副瓣天線技術(shù)

用于高功率電磁脈沖炮的天線既要實(shí)現(xiàn)高增益，提高作戰(zhàn)殺傷性，又需要盡量抑制副瓣，避免對(duì)己方人員和設(shè)備造成不良影響；同時(shí)，由于脈沖功率的高峰值，天線還必須具有較強(qiáng)的耐壓特性，避免發(fā)生電擊穿。此外，天線結(jié)構(gòu)不能過大，需控制其重量以保證其靈活性。

3.2.4 高精度跟蹤瞄準(zhǔn)技術(shù)

電磁脈沖炮屬于高定向性電磁武器，其作戰(zhàn)效能取決于系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)精度，瞄準(zhǔn)精度主要由以下兩方面決定；高精角跟蹤雷達(dá)技術(shù)和精密控制伺服轉(zhuǎn)臺(tái)技術(shù)。雷達(dá)跟蹤掃描與電磁脈沖炮共用發(fā)射天線，利用高增益超低副瓣天線可提升高精角跟蹤雷達(dá)的探測(cè)精度。

3.2.5 跟蹤雷達(dá)與電磁脈沖炮協(xié)同技術(shù)

由于電磁脈沖炮超大功率的特性，若不加以保護(hù)處理，會(huì)對(duì)本部電子設(shè)備造成不可估量的嚴(yán)重后果。為實(shí)現(xiàn)對(duì)敵方的電磁摧毀任務(wù)而不對(duì)本部電子設(shè)備造成危害，需采用智能中央處理器，對(duì)電磁攻擊任務(wù)進(jìn)行評(píng)估，對(duì)本部相關(guān)電子設(shè)備進(jìn)行必要的斷電保護(hù)。除此之外，智能中央處理器還擔(dān)負(fù)著切換跟蹤雷達(dá)與電磁脈沖炮一體化平臺(tái)工作狀態(tài)的任務(wù)。跟蹤雷達(dá)與電磁脈沖炮一體化設(shè)計(jì)平臺(tái)實(shí)施低功率探測(cè)，在對(duì)目標(biāo)實(shí)施探測(cè)、高精度跟蹤后增大發(fā)射功率，進(jìn)而完成電磁干擾和定向摧毀，成為一種具備雷達(dá)探測(cè)功能并兼顧超級(jí)干擾機(jī)、定向能武器功能的多功能作戰(zhàn)平臺(tái)。

4 結(jié)束語

作為極具潛力的新型武器，將對(duì)未來戰(zhàn)爭(zhēng)產(chǎn)生重大影響，HPMW具有無限的發(fā)展前景。對(duì)于雷達(dá)而言，HPMW 既是生存挑戰(zhàn)，又是發(fā)展機(jī)遇。通過分析HPMW 的作用機(jī)理，進(jìn)而提出了雷達(dá)探測(cè)與毀傷一體化設(shè)計(jì)的可行性，構(gòu)想出雷達(dá)與HPMW 協(xié)同作戰(zhàn)的平臺(tái)系統(tǒng)，可為“雷達(dá)武器”由概念提出到實(shí)施方案提供思路和參考。目前，雷達(dá)探測(cè)與毀傷一體化設(shè)計(jì)還面臨著許多技術(shù)難題，故亟須開展對(duì)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的研究。

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