雷达可以直接锁定战时战斗机,并引导导弹对其发起攻击,雷达是如何做到的呢?雷达监测的原理你知道吗?
在空旷的山谷中大喊一声,声音接触到对面的山壁,就会被反射回来,反射回来的声音再传入人耳,所以我们听到了回声。
雷达监测战斗机也是利用这样的原理。
雷达一词的英文名称是“Radar”,这是无线电监测以及测距两个词英文首字母的缩写。可以看出,雷达生来就是为监测和测距而生,这种监测与测距主要通过电磁波来完成。
雷达之所以能实现对目标距离等方位信息的探测,与电磁波的传播特性密切相关:
电磁波在空气中以接近光的速度传播。
电磁波在空气中通常是以恒定的速度沿直线传播,但会因大气和气候条件的改变而略有不同。
电磁波的反射现象,当电磁波遇到障碍物的时候会发射回来。
通过对电磁波回波的探测,根据电磁波的性质,对电磁波进行数据处理和分析即可得到所测量目标的方位信息。
最简单的雷达由发射机和接收机组成。发射机的主要工作内容就是朝着特定的方向连续发射无限信号,接收机主要负责的是监测发射机发出的信号在途中遇到物体而反射回来的“反射信号”。当然,在这个过程中,还需要发射天线、接收天线以及数据处理设备相配合。
主要流程如下:
脉冲雷达发射机产生短时高功率射频脉冲。
收发开关在发射机与接收机之间交替切换电线,因此只需要使用一根天线就可以完成发射和接收。
发射的脉冲由天线以电磁波的形式辐射到空中,这种波以恒定的速度沿直线传播并被目标反射。
天线接收目标后向散射回波信号(只要目标被雷达波照射,就会产生一种漫反射,即可以在许多方向上发生反射。反射信号也叫做散射,反向散射就是与入射信号方向相反的反射)。
在接收信号期间,收发开关将微弱的回波信号引导至接收机。
接收机将放大和解调接收到的射频信号,并将其转换为视频信号输出。
输出设备将呈现连续、易于理解的目标相对位置的图像。
雷达有很多种工作模式,其中最主要的就是搜索和跟踪。所谓搜索就是我们所说的探测,跟踪就是锁定。
先来看搜索。
顾名思义,搜索就是在一定范围内进行大规模的循环扫描,就像是我们在一些电影中看到的转圈的雷达显示屏,在不停地转圈的过程中,一旦雷达波接触到了物体,就会显示出来一个亮点。不过战斗机雷达一般只可以扫描前方的一个锥形空间。
一、搜索原理
当战斗机从雷达监测范围内经过时,由发射机发射出的电磁波接触到战斗机之后会反射回来,反射回来的电磁波信号由雷达天线接收,从发射电磁波到接收电磁波的这一段时间就是从雷达天线到战斗机这一段路程电磁波所需要的传输时间。
电磁波在空中的传输速度一般都是3*10^8米/秒,当传输时间已知的情况下,就可以计算出地面雷达距离战斗机的直线距离。
雷达装置、战斗机以及战斗机与地面的垂直距离可以被看成是一个直角三角形,而上面计算出的雷达与战斗机之间的直线距离就是这个三角形的斜边。
雷达天线的仰角,也就是直角三角形斜边夹角已知,三角形斜边已知,根据勾股定理可以计算出直角三角形的直角边,也就是战斗机与地面的垂直距离。
由此,战斗机的方位,高度等数据已经全部得到。
二、战斗机飞行速度快。
那战斗机的速度是怎样测算的呢?
这就要说到多普勒频率。因为战斗机在不断前进,雷达自身与战斗机之间会有相对运动,产生多普勒频率,简单来说就是雷达收到的回波频率与雷达发射频率之间的差值。
前面提到过,雷达天线发射机发射出的电磁波束是在不间断进行循环扫描,也就是说,雷达并不是只能监测到一次战斗机数据,雷达监测过程中,只要电磁波束接触到了战斗机表面,就会反射回来电磁波,持续不断为接收机提供数据。
战斗机是运动的,根据两次反射雷达波之间战斗机的距离与反射的时间,就能知道战斗机的飞行速度。
根据两次雷达监测到的战斗机位置,可以根据勾股定理计算出战斗机距离雷达的水平距离,两次水平距离之差就是战斗机在雷达监测是时间段内运动的距离(图中红线位置),已知两次监测的时间差,根据时间路程与速度之间的关系,就可以计算出战斗机的飞行速度。
如此,战斗机的径向速度、方位以及高度等数据均会被雷达获悉,并且在雷达监测到战斗机出现的时候,会持续不断向该战斗机发射电磁信号以获取其数据,雷达接收机接收到的反射信号越多,监测到的战斗机数据就越准确。
但是雷达的扫描搜索有一个弊端,就是雷达的波束宽度是有限的,就类似于我们的眼睛只能看到一定区域的东西,会存在一定的盲区。雷达想要对整个空间都完成扫描,需要花费不少时间,可能需要几秒钟或者是更久才能够重新扫描一块区域,这就是我们所说的“刷新率”太低。
因此在雷达监测到战斗机的时候,就会自动对这个战斗机进行跟踪监测,也就是我们所说的锁定,对该战斗机进行持续监测,获取到战斗机的准确数据,在将其数据传输给导弹发射系统。
这就有了我们看到的导弹对战斗机进行精准打击的画面。
可是这种雷达监测系统也会有一个弊端,就是如果在雷达监测到战斗机信号之后,战斗机同时监测到了这个电磁频率,并采取了相应的反制措施,这种情况下,导弹所获得的数据就很可能会有所偏差,降低导弹的命中率。
比如脉冲多普勒体制的雷达为了滤除地面杂波会去除掉相对本机速度与地速相同的目标,因此被敌机锁定时转向与敌机航向成九十度使径向相对速度接近0可以大大提高敌方跟踪难度。
因此,现在的导弹上一般都装有雷达装置。
也就是说,导弹上的雷达装置可以自动识别跟踪战斗机的信号,跟踪战斗机位置,最终实现精准打击。
三、导弹雷达装置
导弹上面的雷达制导装置有半主动雷达制导和主动雷达制导两种。
半主动雷达制导就是指导弹上不搭载雷达发射机,依靠舰载雷达或者是照射器进行照射,导弹上的接收机接收反射波的一种制导方式。从工作原理上就可以看出来,半主动雷达制导这种制导方式需要舰载机雷达持续跟踪目标,如果战斗机可以探测到这种持续跟踪的雷达信号,就意味着已经被锁定。
标准2系列以来军舰专门的连续波照射雷达进行制导,只要被连续波照射器照上就意味着已经被锁定。
对无线电指令制导(雷达发射以及接收、弹道解算等全在地上,导弹只是被遥控操纵)、TVM(雷达发射机在地上,接收机在导弹上,在导弹接收到反射波之后再向地面传输数据进行解算,之后地面将解算完成的数据传送回导弹完成导弹发射)以及半主动雷达制导系统而言,一般情况下照射工作是由专门的火控雷达进行,我军的防空导弹打U-2的时候,就是搜索雷达随便看,火控照射雷达一开机根本没有机会完成跟踪锁定敌机就已经溜出射程了。
对于战斗机来说,照射有直接用舰载雷达的,也有像麻雀一样用专用照射器的,但是无论是哪种,都需要在攻击之前一直用舰载机雷达照射,而机载雷达有角度范围限制,所以半主动雷达制导的空空导弹发射后会严重限制载机机动。
这种情况下,半主动雷达制导的导弹在对战过程中多目标交战的命中率无法得到有效保障。
主动雷达制导就是在导弹上安装有整套的雷达发射机和接收机,发射信号与接收信号都通过导弹完成。理想状态下载机在预计到目标位置以及弹道之后将导弹打出去,剩下的就是我们在电影上看到的导弹追着战斗机跑。
这种制导方式大大放宽了载机机动的限制,并且因为引导要求的降低大大提高了同时攻击多个目标的可能性,雷达锁定多少目标导弹就可以攻击多少目标,美国的宙斯盾舰都是可以锁定上百个目标,但是因为伯克级驱逐舰只有3个照射雷达,最多只能同时引导12枚标准2,但是使用标准6就没有数量限制。
现在雷达已经发展到了有源相控阵雷达(AESA),歼10C搭载就是有源相控阵雷达,与歼10B的无源相控阵雷达(PESA)相比,AESA的电路设计简单的多,信噪比也比较好,也就是说AESA的灵敏度比PESA高很多。
就像看东西,一个是近水楼台,一个是雾里看花。
这是AESA的扫描方式,它在产生多个波束的同时可以扫描多个目标,与传统的机械式扫描不同,AESA通过电子扫描来完成,并且产生的这些不同的波束还会做不同的工作,比如一个波束对空,一个对地,另一个电子战等等。
然而PESA发射机数量有限,产生波束数量有限,这样扫描目标就受到了很大的限制,只能通过来回不断进行扫描,迅速转移波束来扫描多个目标,这种情况下就只能选择一个目标,无法进行不同的目标扫描。
这种情况下,PESA的火力通道是有限的,而AESA在理论上可以有很多个火力通道。例如阿利伯克级的火力通道有12个,而D的火力通道在理论上来说是无限的,注意是火力通道无限,弹药还是有限的,但是两者的多目标能力都比普通雷达强。比如装备型三坐标雷达的A就只有8个火力通道。
在探测距离方面,在各种条件相同的情况下,AESA的探测距离比PESA远,例如阿利伯克级驱逐舰的SPY-1D型PESA雷达对空探测距离为KM左右,而D装备的A型AESA雷达对空探测距离据说超过了KM。
AESA与PESA的区别就像智能手机与普通手机的区别。俄罗斯近几年在研制AESA上也下了不少功夫,比如MiG-35一开始计划用的就是甲虫-AE智能有源相控阵雷达,但现在又改回传统的机械式扫描了。
从平板缝隙雷达到无源相控阵雷达再到有源相控阵雷达,现在已经可以实现同时追踪多个目标,对空、对地、火控以及电子战等监控需求可以同时满足,极大地提高了雷达监控效率。
结语
雷达利用电磁波反射原理实现战斗机定位、监测以及跟踪,现在的导弹一般自带雷达装置,利用主动雷达制导可以实现电影中导弹追着战斗机打的画面。
现在我国也在搞一些新体制雷达、新雷达算法,雷达发展也已经逐渐明晰,期待更全面、更高效的雷达体制的出现。