“本土鏈”雷達(dá)主要性能分析及啟示

劉育才 馬曉靜 雷 紅

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 合肥 230088；2.國防科技大學(xué) 合肥 230031；3.中國人民解放軍63861部隊(duì) 遼寧錦州 121000)

0 引言

1935年6月，瓦特領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)研制出了世界上的第一部雷達(dá)，稱為“本土鏈”(Chain Home)，1936年5月，英國空軍決定在本土大規(guī)模部署這種雷達(dá)，1937年4月，“本土鏈”雷達(dá)工作狀態(tài)趨于穩(wěn)定，1939年初投入使用的雷達(dá)站增加到20個(gè)，形成貫通英國南北的無線電波防線。1939年二戰(zhàn)爆發(fā)后，英德之間的不列顛空戰(zhàn)成為雷達(dá)大顯身手的舞臺(tái)。“本土鏈”雷達(dá)網(wǎng)多次探測(cè)到德軍的空襲，并為己方攔截機(jī)提供引導(dǎo)信息，為贏得戰(zhàn)爭發(fā)揮了關(guān)鍵作用。

“本土鏈”雷達(dá)室外設(shè)備由多座高塔組成，高塔之間掛列著平行放置的發(fā)射、接收天線。外部特征顯著。由于當(dāng)時(shí)雷達(dá)技術(shù)、雷達(dá)裝備屬于新生事物，尚未獲得廣泛應(yīng)用，其裝備形態(tài)、主要功能、戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)等掌握在極少數(shù)國家，因而具有極強(qiáng)的隱蔽性，雖然外部特征明顯，卻在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)未能引起德國人重視并對(duì)“本土鏈”雷達(dá)裝備進(jìn)行轟炸或干擾。該雷達(dá)成為一種威力巨大的秘密武器，有效探測(cè)到德國對(duì)英國的轟炸行動(dòng)，使英國的防空截?fù)粜袆?dòng)變得極其高效，德空軍損失慘重。

目前，雖然雷達(dá)技術(shù)已經(jīng)獲得長足的發(fā)展，在軍事、民用等眾多領(lǐng)域獲得了非常廣泛的應(yīng)用，雷達(dá)裝備形態(tài)也有了很大的不同，但是面對(duì)日趨復(fù)雜的對(duì)抗環(huán)境，在反干擾、抗摧毀等方面仍然存在短板弱項(xiàng)。了解世界上第一部投入實(shí)用的雷達(dá)的設(shè)計(jì)思想，對(duì)雷達(dá)裝備技術(shù)追根溯源，分析其主要性能，對(duì)未來雷達(dá)裝備發(fā)展仍具有一定的啟示意義。本文主要根據(jù)相關(guān)公開資料闡述“本土鏈”雷達(dá)基本方案，分析其探測(cè)距離、空域覆蓋范圍等主要性能，并提出其對(duì)未來雷達(dá)裝備發(fā)展的啟示。

圖1 “本土鏈”雷達(dá)室外設(shè)備及架設(shè)陣地示意圖

1 基本組成及主要指標(biāo)

“本土鏈”雷達(dá)工作頻率在20MHz～30MHz之間，波長15m～10m，因此天線尺寸比較大，是一種雙基地體制的遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)，之所以采用這種技術(shù)體制，一是當(dāng)時(shí)大功率收發(fā)開關(guān)尚未發(fā)明出來；二是借鑒了無線電通信臺(tái)的接收站、發(fā)射站分置體制。

發(fā)射天線采用3座或4座高度約為110m的鋼塔作為支架，發(fā)射天線架設(shè)在鋼塔之間，塔與塔之間的距離約為55m，即塔高的一半[5]。發(fā)射天線有兩組，分別稱為主發(fā)射天線組和補(bǔ)盲用發(fā)射天線組，由兩部相同的發(fā)射機(jī)分別饋電。主發(fā)射天線組由8個(gè)從高到低排列的端饋式半波長水平極化偶極子組成，相鄰的偶極子間距為5m～7.5m，即波長的1/2。主發(fā)射天線組的中心點(diǎn)離地約65.6m，在偶極子的后方裝有反射體，從而在雙塔間連線的垂直線上，也就是來襲敵機(jī)方位上形成一個(gè)方位波束寬度約為100°的水平發(fā)射波瓣。由于受地/海面反射影響，主發(fā)射天線組的垂直發(fā)射波瓣呈花瓣?duì)?，形成多個(gè)發(fā)射盲區(qū)，通過補(bǔ)盲發(fā)射天線組解決該問題，兩個(gè)天線組通過相位中心高度錯(cuò)開，使兩個(gè)天線組發(fā)射波瓣受地面反射影響后的波峰、凹口互補(bǔ)。補(bǔ)盲發(fā)射天線組由4個(gè)從高到低排列的端饋式半波長水平極化偶極子組成，相鄰的偶極子間距為5m～7.5m，即波長的1/2，補(bǔ)盲發(fā)射天線組的中心點(diǎn)離地約29m，在偶極子的后方裝有反射體。

圖2 “本土鏈”雷達(dá)發(fā)射天線系統(tǒng)示意圖

接收天線采用4座高度為73.2m的木質(zhì)塔作為支架，接收天線直接架設(shè)在木塔之上，與發(fā)射塔距離幾百米，收發(fā)分置，接收偶極子天線分為3組，從高到低排列，分別稱為A接收組、B接收組和C接收組，中心離地高度分別為65.6m、29m和13.7m。從結(jié)構(gòu)上看，A組接收天線和B組接收天線相同，各有上下兩個(gè)中心饋電的十字形半波水平偶極子，偶極子的間距也為5m～7.5m，即波長的1/2。C組接收天線比較簡單，只有兩個(gè)簡單的半波水平偶極子，偶極子的間距為1/2波長。A接收組、B接收組相互補(bǔ)盲，C接收組用于輔助測(cè)高。

圖3 “本土鏈”雷達(dá)接收天線系統(tǒng)示意圖

天線相關(guān)參數(shù)具體見表1所示。

表1 “本土鏈”雷達(dá)發(fā)射、接收天線系統(tǒng)參數(shù)表

其他主要參數(shù)如下：

工作頻段：短波波段，20MHz～30MHz；

威力：目標(biāo)為第二次世界大戰(zhàn)初期德軍中型轟炸機(jī)(Heinkel-111型)時(shí)，有效探測(cè)距離約為250km；

脈沖寬度：6μs、20Ms；

脈沖重復(fù)頻率：12.5Hz、25Hz；

峰值功率：早期為350kW，后期為750kW。

2 俯仰維方向圖覆蓋性能分析

下面結(jié)合“本土鏈”雷達(dá)部署位置、工作環(huán)境，分析“本土鏈”雷達(dá)空域覆蓋性能，“本土鏈”雷達(dá)主要部署在沿海地區(qū)，其反射區(qū)域主要為海面，由于“本土鏈”雷達(dá)波長長，因此其反射特性可近似為理想的鏡面反射模型。

由表面反射引起的干涉方向圖傳播因子見式(1)。

Fi=|f(θt)+f(-ψ)ρexp(-jα)|

(1)

其中f(θ)為天線的電壓方向圖，相對(duì)于軸向增益；ρ為反射系數(shù)的幅值；θt為目標(biāo)仰角，在平坦地面條件為

(2)

ψ為掠射角，在平坦地面條件下為

(3)

α為反射波的相位，由式(4)可得

(4)

一般情況下，為了不用一個(gè)特定天線方向圖描述傳播效應(yīng)，假設(shè)直達(dá)波和反射波路徑上f(θ)基本相等，傳播因子可以簡化為

Fi=|1+ρexp(-jα)|

(5)

Fi2=|1+ρexp(-jα)|2=|1+ρcos(α)-jsin(α)|2=(1+ρcos(α))2+(ρsin(α))2=1+(ρcos(α))2+2ρcos(α)+(ρsin(α))2=1+2ρcos(α)+(ρcos(α))2+(ρsin(α))2=1+ρ2+2ρcos(α)

(6)

將式(2)、式(4)帶入式(6)可得

(7)

根據(jù)第1節(jié)發(fā)射天線陣列排布方式、單元個(gè)數(shù)、工作頻率、架設(shè)高度等相關(guān)參數(shù)，對(duì)海面反射條件下發(fā)射、接收方向圖進(jìn)行仿真，工作頻率取30MHz，單元間距取5m，仿真結(jié)果如下。

圖4 主發(fā)射、補(bǔ)盲發(fā)射天線俯仰方向圖

圖5 主發(fā)射、補(bǔ)盲發(fā)射天線俯仰方向圖外包絡(luò)

圖6 A、B接收天線組俯仰方向圖

圖7 A、B接收組天線俯仰方向圖外包絡(luò)

將俯仰方向發(fā)射、接收方向圖外包絡(luò)相乘，得到俯仰方向綜合方向圖，如下圖所示。

圖8 俯仰方向綜合方向圖

3 探測(cè)距離分析

根據(jù)相關(guān)資料顯示，目標(biāo)為第二次世界大戰(zhàn)初期德軍中型轟炸機(jī)(Heinkel-111型)時(shí)，該雷達(dá)有效探測(cè)距離約為250km。按照下列雷達(dá)方程估算雷達(dá)最大探測(cè)距離[2]。

(8)

根據(jù)第一節(jié)相關(guān)工作參數(shù)，并對(duì)該雷達(dá)工作方式進(jìn)行適當(dāng)推測(cè)，該雷達(dá)相當(dāng)于工作在凝視探測(cè)模式，方位上用一個(gè)固定寬波束覆蓋約100°方位扇區(qū)，假設(shè)其單個(gè)波位駐留時(shí)間按照1s計(jì)算，脈沖重復(fù)頻率25Hz，每個(gè)波位25個(gè)脈沖之間視頻積累，發(fā)射脈沖寬度20μs，根據(jù)發(fā)射、接收天線規(guī)模、頻段分別計(jì)算其發(fā)射天線、接收天線增益，根據(jù)工作頻率估算天線噪聲溫度[8]。

Heinkel-111型目標(biāo)RCS按照20m2估算，對(duì)雷達(dá)探測(cè)距離計(jì)算如下。Pt為發(fā)射峰值功率，取350kW；τ為發(fā)射脈沖寬度，取20μs；Gt為發(fā)射天線增益，取20dB(考慮地面反射影響)；Gr為接收天線增益，取14dB(考慮地面反射影響)；σ為目標(biāo)截面積，取20m2；f為工作頻率，取30MHz；Ts為等效噪聲溫度，取53034.45；D0為檢測(cè)力因子，取2.57dB(Pfa=10-6，Pd=0.5，SW-I，25脈沖)；CB為帶寬校正因子，取0.5dB；LΣ為系統(tǒng)損耗，取4.7dB。按照上述參數(shù)計(jì)算得到，最大探測(cè)距離為252km。

根據(jù)海面反射條件下的垂直方向圖，結(jié)合上述最大距離計(jì)算，繪制“本土鏈”雷達(dá)威力圖，如圖9所示。

圖9 “本土鏈”雷達(dá)俯仰方向威力覆蓋圖

由威力圖可知，該分析結(jié)果和相關(guān)資料顯示的最大探測(cè)距離基本吻合，最大探測(cè)距離可達(dá)250km以上，通過天線陣列架設(shè)高度上的分集，15000m以下高度覆蓋基本連續(xù)，有部分凹口，該問題可以通過多站之間相互補(bǔ)盲解決，基本可以滿足二戰(zhàn)期間對(duì)主要作戰(zhàn)對(duì)象的監(jiān)視需求。

4 對(duì)未來雷達(dá)裝備發(fā)展的啟示

“本土鏈”雷達(dá)作為世界上第一部真正意義上的投入實(shí)用的雷達(dá)，從誕生至今已經(jīng)過去80多年，在這80多年里，在不斷增長的軍事需求牽引以及相關(guān)技術(shù)持續(xù)發(fā)展的推動(dòng)下，雷達(dá)技術(shù)獲得了蓬勃的發(fā)展，在防空預(yù)警、武器制導(dǎo)、靶場測(cè)量、戰(zhàn)略預(yù)警、戰(zhàn)場監(jiān)視等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，在使用平臺(tái)上也從地面走向機(jī)載、艦載、星載、彈載等各類平臺(tái)，同時(shí)也面臨著同樣快速發(fā)展的反輻射導(dǎo)彈、電子干擾等反雷達(dá)利器的嚴(yán)重威脅，實(shí)戰(zhàn)條件下戰(zhàn)場生存能力存在明顯短板。

反輻射導(dǎo)彈作為現(xiàn)代戰(zhàn)爭中防空壓制和突防不可缺少的進(jìn)攻和自衛(wèi)性武器，已經(jīng)成為防空武器系統(tǒng)所面臨的最致命的威脅之一 ，因而也就成為世界各軍事強(qiáng)國導(dǎo)彈武器系統(tǒng)研制和發(fā)展的一個(gè)重要方面。從60 年代初美國研制出第一代反輻射導(dǎo)彈“百舌鳥”至今，反輻射導(dǎo)彈已經(jīng)發(fā)展了三代[6]。據(jù)報(bào)道，新一代的反輻射導(dǎo)彈也正處于工程研制之中。隨著導(dǎo)彈及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展, 可以預(yù)計(jì)在不久的將來，反輻射導(dǎo)彈技術(shù)將會(huì)邁上一個(gè)新的臺(tái)階。

有源電子干擾技術(shù)的干擾頻率范圍已達(dá)到0.5～20GHz，電子干擾已由作戰(zhàn)保障手段上升為重要的作戰(zhàn)手段，可貫穿戰(zhàn)爭全過程[7]。電子干擾的方式、手段趨于多樣化。星載、機(jī)載、艦載和車載電子設(shè)備應(yīng)有盡有， 有源和無源相結(jié)合， 壓制性干擾和欺騙性干擾并舉，作戰(zhàn)中靈活應(yīng)用。電子干擾的范圍也不斷擴(kuò)大，干擾功率不斷增強(qiáng)。總的來說，現(xiàn)代電子干擾設(shè)備干擾的頻帶寬、干擾功率大、干擾反應(yīng)速度快、干擾決策智能化，并形成了全頻域、全時(shí)域、全空域、大功率干擾。

如引言部分所述，“本土鏈”雷達(dá)之所以在在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)未能引起德國人重視并對(duì)“本土鏈”雷達(dá)裝備進(jìn)行轟炸或干擾，主要得益于當(dāng)時(shí)雷達(dá)技術(shù)、雷達(dá)裝備屬于新生事物，尚未獲得廣泛應(yīng)用，具有極強(qiáng)的隱蔽性。另外，從技術(shù)體制、工作頻率方面來看，該雷達(dá)也具有較強(qiáng)的隱蔽性，在技術(shù)體制方面，“本土鏈”雷達(dá)受限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平，采用了收、發(fā)分置的雙基地體制，在工作頻率方面，其工作在短波頻段，和短波通信頻段接近。也就是說，“本土鏈”雷達(dá)能夠在實(shí)戰(zhàn)中生存并發(fā)揮重要的預(yù)警引導(dǎo)作用，主要得益于其隱蔽性，否則將被敵方重點(diǎn)轟炸，難以生存。

5 結(jié)束語

在新的戰(zhàn)場環(huán)境條件下，面臨先進(jìn)的反輻射、電子偵察、電子干擾設(shè)備，如何實(shí)現(xiàn)雷達(dá)裝備的隱蔽性值得我們深入思考，這關(guān)系到雷達(dá)設(shè)備能否在實(shí)戰(zhàn)條件下能夠生存并發(fā)揮作用的現(xiàn)實(shí)問題。

無論是反輻射武器，還是電子戰(zhàn)設(shè)備，都依賴于對(duì)雷達(dá)輻射信號(hào)的偵察，其攻擊對(duì)象本質(zhì)上為輻射源，因此，面對(duì)上述兩類威脅，雷達(dá)裝備的隱蔽，關(guān)鍵是雷達(dá)輻射信號(hào)的隱蔽。常規(guī)預(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)一般包括發(fā)射、接收設(shè)備，其覆蓋范圍和功率孔徑積(即發(fā)射平均功率和接收天線孔徑面積的乘積)成正比，可以考慮將發(fā)射、接收設(shè)備分開放置，形成雙、多基地雷達(dá)，同時(shí)合理分配平均發(fā)射功率和接收天線孔徑資源，采用分布式、小規(guī)模的發(fā)射設(shè)備以及較大規(guī)模的接收天線孔徑，分布式多點(diǎn)發(fā)射，實(shí)現(xiàn)發(fā)射站冗余設(shè)計(jì)，降低實(shí)戰(zhàn)中損毀概率，同時(shí)由于單站規(guī)模小，有利于提高損毀后恢復(fù)或修復(fù)的速度；而接收站不發(fā)射信號(hào)，具有天然的電磁隱蔽性，可通過偽裝等方式進(jìn)一步提高其外形隱蔽性。

目前正在發(fā)展的外輻射源雷達(dá)、雙多基地雷達(dá)、MIMO雷達(dá)等具備典型的收、發(fā)分置特征，在反偵察、抗干擾、抗摧毀等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，值得進(jìn)一步深入發(fā)展。