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面向下一代战争的雷达系统与技术

时间:10-18 00:00 阅读:5946次 转载来源:战略前沿技术

远望智库:与智者同行,为创新加速

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转自:现代雷达

作者:王建明

摘要:随着军事科技的快速发展,下一代战争成为当前军事领域的热门话题。本文在研究下一代战争的定义和特点的基础上,提出了下一代战争对雷达系统的需求。针对下一代战争对雷达系统的需求,从面向下一代战争的雷达系统和面向下一代战争的雷达技术两个主要方面对未来主要雷达系统的形态和应用以及关键技术的概念内涵和发展方向进行了分析与总结,并给出了发展建议。本文对于未来一段时期雷达系统的发展和关键技术的研究具有一定的指导意义。

引言

从20世纪初诞生以来,雷达的发展经历了简单脉冲雷达、脉冲多普勒雷达、相控阵雷达、数字阵雷达等重要发展阶段。雷达发明的最初目的是测量敌方来袭飞机的距离和方向,为己方拦截航空兵提供预警和指示信息。随着信号产生技术、高功率发射技术、天线技术、信息处理技术等电子信息技术的发展,雷达的作用距离、测量精度、分辨力不断提高。当前先进的雷达不仅能够远程探测隐身飞机、弹道导弹、地上兵力、海上编队,还能够精确控制打击武器对目标跟踪制导,以及对重点区域进行连续的侦查监视,获取高清晰战场情报。雷达融入“观察-确认-决策-打击”(OODA)作战流程环的程度越来越深,在信息化联合作战中发挥着举足轻重的作用。

近年来,雷达技术的发展进入新阶段。美国防部2014年发起“第三次抵消战略”,试图通过作战概念创新、颠覆性技术创新、武器装备创新,谋求在2030年以前形成新一轮绝对军事优势。我国也在过去五年进行了广泛深入的军事改革,组织编制、军事科技、武器装备、作战训练焕然一新。党的十九大报告中习总书记提出我国要在2035年基本实现国防和军队的现代化,到本世纪中叶把人民军队建成世界一流军队的宏伟目标。在此背景下,下一代战争作战样式、前沿创新技术、颠覆性武器装备成为军事和科技界的热门话题,对这些问题深入思考对于雷达系统需求分析、指标论证和部署使用具有十分重要的意义。

1.下一代战争对雷达系统的需求

1.1.  下一代战争的定义

在科学技术发展的推动下,基于战争手段和作战能力的不断变更,人类经历了冷兵器战争、热兵器战争、机械化战争和信息化战争四个阶段,目前正处于信息化战争的后半期。基于军事强国下一代战斗机、下一代轰炸机、高超声速打击武器、动能打击武器、定向能打击武器、网络攻击等雷达主要威胁的发展规划,本文将下一代战争定义为2030年之后一段时期的战争,这一时期代表信息化战争的高级阶段。

1.2.  下一代战争的特点

信息化战争高级阶段的作战在作战空间、打击时间、技术形态都将表现出不同的特点。

作战空间全域化。作战武器可能从太空、临近空间、空中、陆地、水上、水下等发起全高度、多方位、全距离、多样式的攻击。

作战时间敏捷化。高超声速飞行器、高能微波、高能激光武器将显著压缩从信息获取到目标摧毁的时间,实现敏捷打击。

作战对象隐身化。作战对象除前向隐身外,侧向和后向隐身将得到增强,隐身频段得到扩展。

作战平台无人化。各种体积、重量、用途的无人平台将得到应用,无人平台承担更多的作战任务。

作战方式协同化。有人无人平台、空空平台、空面平台等通过信息共享、任务协同实现高效作战。

作战效果精确化。基于高精度探测、定位、跟踪、制导等手段,实现外科手术式精准“点穴”打击,降低附带损伤。

作战背景复杂化。作战区域杂波类型多样,自然干扰、无意干扰、欺骗式干扰、压制式干扰、主瓣干扰、副瓣干扰等电磁干扰交织。

1.3.  下一代战争对雷达系统的需求

针对下一代战争的特点和雷达完成远程探测、稳定跟踪、精确制导和武器攻击的使命任务,雷达系统需要具有体系协同、多功能多任务、精细处理、智能决策的能力。

功能上从感知平台扩展到感知打击一体化平台。感知打击一体化平台可在态势感知和目标攻击模式间快速切换,实现发现后“零时延”打击,实现OODA的闭环。

性能上战术指标显著提高。通过发展新体系、新体制、新频段、新处理技术,提高雷达灵敏度,增加对隐身目标等低可观测目标的探测距离,提高对高超声速目标的跟踪稳定性,改善对远程小尺寸目标的分辨力,提升复杂环境下的杂波干扰抑制能力和识别效果,满足不同任务场景作战需求。

雷达与平台和谐共生。通过发展共形阵、机会阵、分布式相参阵列,增加孔径面积,降低雷达对承载平台空间、功率的需求,提高平台适装性。

2.面向下一代战争的雷达系统

2.1.  面向下一代战争的预警探测体系

针对下一代雷达探测目标全域打击、高超机动、隐蔽精准的特点,以及对雷达远程探测、全维监视、精确识别、精准制导的任务需求,只有从预警探测体系着眼,构建分布式高度协同的雷达探测网络,才能适应下一代战争的任务需求。

2.1.1.反导作战

反导作战体系着眼于战略级、战术级导弹防御,依托天基预警卫星、地基远程预警雷达、地基多功能雷达、海基防空反导雷达,为弹道导弹拦截提供助推段、中段和末段的多层次信息保障。

2.1.2.全球监视和打击作战

全球监视和打击体系依托天基预警卫星、多功能侦查卫星、探干侦通多功能卫星、高超声速平台载雷达,为全球高价值目标的侦察、监视和快速打击提供信息保障。

2.1.3.战区联合作战

战区联合作战通过情报雷达、战术多功能雷达、空防空管雷达、无源雷达、预警机雷达、传感器飞机雷达等传感器间多层次信息融合与控制,构建网络化群雷达系统,实现从传感器到射手的直接交连。

2.1.4.远洋作战

远洋作战在缺乏地基情报支援下,在天基监视系统的支持下,依靠舰载预警机雷达、舰载直升机雷达、舰载无人机多功能雷达、航母多功能雷达、驱逐舰多功能雷达、水下目标探测等装备,构建编队协同探测系统,为远洋护航和目标精确打击提供情报支撑。

2.2.  面向新一代战争的雷达系统

针对下一代武器装备功能性能特征,探索智能集群、多功能一体化、天基海洋监视雷达、临近空间无人机预警雷达、凝视雷达、广域监视无源雷达等新一代雷达系统,构建应对下一代威胁的装备体系。研究高超声速平台载雷达、毫米波有源相控阵导引头雷达、探攻一体雷达,提高超高速、超精确、“零延时”打击能力。

2.2.1.智能集群探测系统

智能集群探测系统自组织形成灵活多变的编队构型,采用数据融合、信号融合和孔径综合等多层次信息联合处理,提高预警机编队、战斗机编队、有人无人混合编队、无人机蜂群等的协同能力,提升编队探测威力、测量精度、目标识别、电子对抗能力。

智能集群探测系统随智能控制、数据传输、信息处理能力的发展而进步,从初期的情报级协同发展到信号级协同,从有人平台之间的协同发展到有人无人平台之间的协同以及将来无人自主平台之间的协同,从同类型同频段传感器之间的协同发展到异质传感器间协同,将极大地提高战场态势感知能力,催生崭新的作战方式。

2.2.2.多功能一体化探测系统

多功能一体化探测系统利用电磁波承载信息的本质,发掘探干侦通管评等功能条件下信号、信道、信息的同构性及差异性,实现资源集约化、功能互增强、能力自重构和装备活性化的下一代军事电子系统。

为解决作战平台上天线数量众多导致的电磁干扰、遮挡、大RCS、维护困难等问题,美国空军、海军、DARPA等单位从20世纪80年代以来开展了ASAP、MARFS、InTop、宝石柱、ISS、MIRFS、RECAP等项目,开展综合射频技术的研究,相关技术成果已在美国四代机、先进舰艇上使用。

综合射频系统使用宽带技术解决了在同一孔径上雷达、通信、电子战同时工作的问题,随着频谱资源的紧张,使用同一波形、同一频段同时完成雷达、通信等功能的综合化波形体制逐渐引起重视,这种波形在雷达波形上调制通信数据或在通信波形上调制雷达信号,或者将独立的雷达波形和通信波形叠加合成,形成综合化波形。接收时,使用通信接收机和雷达接收机分别提取通信信息和雷达探测信息。

2.2.3.星载海洋监视雷达

星载海洋监视雷达依托组网卫星平台,能够克服地球曲率和领土主权的限制,实现对全球海域特别是大洋深处全天时、全天候、大范围、低重访间隔监视。星载海洋监视雷达不需要目标辐射电磁信号就可实现对目标的探测,不会受到战时目标无线电静默和无线电欺骗战术的影响。星载海洋监视雷达的主要问题在于雷达工作需要较大的功率孔径积,因此需要卫星平台具有较高的初级电源和承重能力。当前高效太阳能电池已可提供10kW左右的初级电源,有能力支撑雷达来监视海洋中活动的大中型船只。

2.2.4.临近空间太阳能无人机预警雷达

临近空间太阳能无人预警机将机载预警雷达与临近空间太阳能无人机一体化设计,发挥雷达反隐身探测和无人机平台“高空、长航时、无人化”的“亚卫星”特性,能够弥补现有预警机滞空时间短和预警卫星重访周期长的不足,实现对威胁地区持续预警。当前,美国国家航空航天局(NASA)临近空间太阳能无人机已发展了四代,第四代“太阳神”预计最迟到2026年之前可在30km高空进行长达6个月的昼夜飞行。临近空间太阳能无人机预警雷达与传感器飞机、临近空间飞艇载雷达协同,可结合临近空间飞艇平台速度慢,面杂波频谱展宽小,对地面低速目标检测性能好的优势,实现对战场空中和地面各类低动态和高动态目标的实时大范围监视。

2.2.5.基于星载辐射源的广域监视雷达

基于星载辐射源的外辐射源雷达除具有常规外辐射源雷达生存能力强、反隐身、结构简单都优势外,还有接收天线俯仰角高,受地杂波及多径干扰影响小,以及战时辐射源不易受到攻击,生存能力强等优势[20]。与使用通信卫星、星载雷达信号相比,使用全球导航定位系统(包括GPS、GALIEO、GLONASS)的外辐射源雷达具有信号全球覆盖、系统同步简单等特点,可将接收机放置在舰船、飞机、飞艇、无人机等平台上,实现对偏远地区和远洋的持续监视。

在欧盟地平线2020研究和创新项目的资助下,英国伯明翰大学联合意大利罗马大学开展了基于GALIEO卫星机会照射源的外辐射源雷达系统研究,开发了试验样机,并进行了实际海上目标捕获实验,验证了方案的可行性。南京理工大学通过对北斗卫星信号的模糊函数和回波信噪比的分析,论证了北斗卫星信号作为外辐射源对目标进行有效定位的可行性。

2.2.6.凝视雷达

凝视雷达是针对临近空间高超声速飞行器探测需求而提出的雷达系统,利用全向发射和覆盖整个观测空域的多个接收波束,通过长时间相参积累提高动目标检测性能。由于临近空间高超声速目标飞行速度快、机动能力强、隐身性能好,信号特征微弱,且存在跨波束、跨距离单元和多普勒单元等“三跨”现象。针对“三跨”问题,提出了Keystone、Dechirping、Radon-分数傅里叶变换(RFRFT)等补偿技术实现长时间积累。

2.2.7.高超声速飞行器制导雷达

高超声速飞行器制导雷达以高超声速飞行器为平台,为高超声速平台提供远程探测、目标定位、成像识别、跟踪制导等功能,是高超声速打击平台态势感知和精确打击的重要手段。高超声速飞行器飞行高度高,面临的杂波和干扰范围大;飞行速度快,雷达工作频率高,杂波多普勒频谱范围大,同时存在距离和多普模糊与折叠;高超声速飞行器的狭小空间、热约束、对天线罩的烧蚀也对制导雷达的体积、温控和视线误差补偿提出了特殊要求。

2.2.8.毫米波宽带有源相控阵导引头雷达

毫米波宽带有源相控阵导引头探测距离远、测量精度高、目标识别能力强,是导弹武器实现远程打击、精确打击和智能打击的重要保障;毫米波雷达集成度高,体积小,重量轻,功耗低,易与平台集成。目前,美国、俄罗斯、德国和英国已经在毫米波雷达导引头引入了相控阵技术。毫米波宽带有源相控阵导引头要满足捷联去耦天线指向精度,一次性使用低成本、高效散热、高效算法等导弹平台要求。

2.2.9.探攻一体雷达

探攻一体雷达通过雷达和微波武器功能的结合,利用宽带AESA和空间功率合成技术生成大功率。作战时,先用雷达模式对目标进行探测和识别,确认威胁目标后立即切换到高功率微波武器模式,对目标进行干扰或摧毁。探攻一体雷达颠覆了传统完全基于火力打击的攻击模式,彻底解决信息链、打击链分割独立的问题。早在2005年,美国空军就确认正研制具有攻击能力的有源相控阵雷达。对E-10飞机AESA雷达的计算表明该雷达具有对雷达、通信、导航等系统敏感器件性能降低和失效的能力。探攻一体雷达需要解决的关键问题是高功率微波源小型化以及雷达与高功率天线的集成。

3.面向下一代战争的雷达技术

回溯战争的发展史,无数的科幻变成了现实,今天的科幻同样有发展成未来科技的可能。脉冲压缩技术、脉冲多普勒技术、单脉冲技术、相控阵技术、合成孔径技术等催生了一代代雷达体制,也构成了雷达基本工作方式和功能生成模式。立足现在展望的雷达技术有可能成为下一代战争中雷达系统的实用科技。

3.1.  基于新理论、新机理、新频段的雷达系统

3.1.1.人工智能雷达

人工智能是将人工智能技术与雷达技术结合产生的新一代雷达系统,采用闭环系统架构,以学习积累知识为核心,以信息熵为理论,以自适应优化发射接收为手段,以目标特征为探测依据,以精确化、高精度、自主化感知目标和环境为目的。能够基于数据提取特征,减轻模型误差,提升探测识别能力;能够自主学习优化,提升环境适应能力;能够融合历史数据和多源数据,实现精细化处理。在2017年海洋环境下信息技术交流大会上,南京电子技术研究所作了“人工智能雷达研究进展”的报告,首次系统完整地论述了人工智能雷达的概念,将人工智能技术嫁接到雷达领域。

3.1.2.量子雷达

量子雷达将量子技术引入雷达探测领域,通过对量子资源的利用,实现高灵敏度检测和高维度量子态调制,解决传统雷达在抗干扰、反隐身及目标识别等方面的技术瓶颈。量子雷达具有探测距离远、发射功率低、探测手段丰富、抗干扰能力强等优势,在新型机载远程反隐身预警系统、无人机反导系统等领域具有潜在应用前景。南京电子技术研究所使用基于超导单光子探测器的量子雷达系统在青海湖开展了真实大气环境下的探测试验,对目标的探测距达132km。目前,国内外对量子雷达的试验验证均集中在光频段,微波频段虽进行了理论探讨,但由于该波段单光子能量低,尚未开展实验验证。量子探测理论架构、量子元器件等基础科技有待攻关,量子雷达的实用化还有一段距离。

3.1.3.微波光子雷达

微波光子雷达用微波光子技术代替传统雷达中基于电子技术的射频微波链路,能有效克服传统电子器件的技术瓶颈,满足多频段、大带宽、抗干扰、可重构和多功能的雷达技术需求,是新一代多功能、软件化雷达的基础。能够实现轻量小型化的雷达阵面,可作为下一代战斗机、无人飞艇的智能蒙皮。美国、俄罗斯、意大利、中国等对微波光子雷达进行了研究。近期意大利双波段微波光子雷达现场试验中,成功检测到多个海上目标,并精确跟踪了8海里外的船只,最小可检测信号在S和X频段分别达-122dBm和-124dBm,与最先进的相参雷达系统相当。俄罗斯透露成功研制出微波光子雷达收发样机,南京航空航天大学、南京电子技术研究所、中国科学院也研制出微波光子实时成像验证系统。

3.1.4.软件化雷达

软件化雷达是具有通用开放式体系架构,系统功能可通过软件定义、扩展和重构的新一代雷达。软件化雷达以面向任务为核心,软硬件充分解耦,任务部署和功能配置具有高度的灵活性,适合未来雷达多任务、多功能、快速升级的需求。美国成立开放式雷达系统架构(ROSA)研究工作组推动软件化的发展,相关研究成果已经在3DELRR雷达上进行了验证,并被林肯实验室成功应用于靶场雷达的升级改造。诺﹒格公司对其机载软件化雷达进行了飞行测试,在GMTI和SAR等工作模式表现出优良性能。

3.1.5.视频合成孔径雷达(ViSAR)

ViSAR是一种工作在极高频段能够以视频流形式成像的合成孔径雷达。ViSAR每0.2秒就可对场景完成成像,成像分辨率达0.2m,集成度高、体积小、重量轻,能够安装在可活动的万向节上;具有隐身目标探测能力,可对未来战场上的隐身舰船、隐身坦克、隐身装甲车有效探测;ViSAR不受烟雾、沙尘、云层等的遮挡,对复杂的战场环境有更好的适应性。ViSAR高帧率、高分辨、高精度、高集成以及全天候、全天时工作的优势将显著改善武装直升机、无人机、对地攻击机等平台对地面目标、海面目标等的侦查定位、成像识别和跟踪打击能力,引领下一代对空地、空海协同作战的潮流。DARPA开发的ViSAR搭载DC-3运输机已成功进行飞行测试,成功获取了被云层遮蔽的地面目标的实时、全运动视频图像,标志着ViSAR项目由研制阶段进入试飞验证阶段。

3.2.  基于新型阵列的雷达系统

3.2.1.机会阵雷达

机会阵雷达是美国海军研究生院2000年为下一代隐身反导驱逐舰DD(X)提出的新型雷达概念,该雷达以平台隐身设计为核心,以数字阵列雷达为基础,在平台上机会式布置天线。机会阵雷达能够突破传统天线阵列孔径的布局和尺寸限制,提高雷达探测威力、覆盖范围,改善平台隐身性、机动性和作战能力。当前国内外的研究集中在机会阵雷达波束优化、信号处理、波形设计等方面。

3.2.2.频控阵雷达

频控阵雷达是在每个天线阵元使用不同频率信号的阵列雷达,能够形成具有距离依赖性的发射波束指向,克服了传统相控阵雷达不能有效控制发射波束的距离指向问题,具有射频隐身、检测和分辨能力强等优势。自2006年ANTONIK等人首次提出频控阵雷达概念以来,国内外学者对频控阵雷达的方向图特征、波束形成、波形设计、参数估计、自适应目标检测和跟踪算法做了研究,并提出将频控阵应用于雷达成像等领域。

3.2.3.MIMO雷达

MIMO雷达是利用多个发射天线同步发射特定波形,使用多个接收天线接收回波信号并集中处理的新体制雷达系统。MIMO雷达具有更大的自由度,能够平滑RCS起伏、提高空间分辨力和参数估计精度。根据MIMO雷达天线的间隔距离,MIMO雷达分为相干MIMO雷达(又称分布式相干雷达)和统计MIMO雷达,相干MIMO雷达最大可获N3倍单个子雷达的信噪比增益,相干的关键在于通道回波时间对齐和相位补偿精度,需要子雷达具有较高的信噪比。密歇根大学联合应用物理实验室提出“开环相干分布阵列”概念,通过精确测量天线节点间距离、单元指向,每个单元精确时间同步,分布式节点不需要外部输入信号即可实现相干协同工作。

3.2.4.孔径级同时收发阵列雷达

孔径级同时收发阵列雷达利用单元级数字阵波束形成和优化技术,形成高隔离度收发波束,并在接收端使用自适应信号处理技术去除接收机中的直达波和干扰,在单个雷达孔径的不同区域上同时实现同频段发射和接收,解决了传统连续波雷达近距离隔离难题。林肯实验室已开发出八通道同时收发数字相控阵雷达样机,进行了实验验证。

3.2.5.理想波束方向图

无副瓣、宽带宽角扫描无损耗等理想特性的波束方向图是天线研究人员的一致追求。美国罗切斯特大学电气与计算机工程部发明了一种针形波束方向图,针形脉冲波束方向图向空间传播过程中不断缩小,无副瓣,避免了传统上杂波和干扰从副瓣进入的可能途径。林肯实验室先进能力与系统团队开发出一种新的电扫天线,其电磁偶极子沿矢量排列,且相互正交,能够在方位和仰角任意方向(4π立体角)发射不会产生任何扫描损失的波束。

3.3.  雷达信息处理技术

3.3.1.微弱目标检测

雷达目标检测是跟踪、识别、制导等后续行动的前提。面向下一代战争,目标探测的复杂性一方面来自探测目标的小尺寸、隐身、距离远、速度快、机动能力强等特征,还与电磁环境和杂波背景有关。微弱目标的共同特点是目标在距离和多普勒分辨单元中的信杂(噪)比低,与杂波和干扰竞争中处于劣势。提高微弱目标检测能力的重要手段是增加目标信号能量,这通常通过增加积累时间来实现,相参积累将回波信号矢量相加,是一种理想的积累手段,但随着雷达距离分辨力的提高和目标的机动,回波包络的距离徙动和目标的多普勒徙动导致回波能量发散,降低了相参积累增益,针对该问题的解决方法成为微弱目标检测技术的研究热点。针对距离徙动补偿,提出了包络相关法、Keystone变换(KT)、Radon傅里叶变换(RFT)等;针对多普勒徙动补偿,提出了De-chirp法、Chirp-傅里叶变换法、多项式相位法和分数阶傅里叶变换法(FRFT)等。

3.3.2.杂波抑制

机载预警雷达、星载监视雷达等运动平台对地对海观测时会产生严重的地面杂波,杂波的强度不仅远远强于目标回波,还具有时间非平稳、空间非均匀等特性,随着平台速度的增加,杂波的杂波谱展宽,降低了对空中、海面、陆上等重要目标的探测能力。对杂波的抑制技术经历了时域抑制、空域抑制、频域抑制、极化抑制、自适应抑制等阶段,当前和今后的一段时间基于知识和学习的智能化抑制将成为杂波抑制的研究热点。基于环境认知的雷达系统利用环境先验信息,建立环境知识库,获得先验地理环境信息,提升非均匀杂波条件下的空时极化自适应杂波抑制性能,提升雷达在城市、丘陵、山区、海上等背景中的探测能力。

3.3.3.干扰对抗

雷达和干扰作为一对矛盾体,相伴而生,在对立中不断发展。当前压制式干扰、欺骗式干扰、灵巧式干扰已在战场中广泛使用,能够对雷达造成全方位、全频段、全样式的干扰,主瓣干扰是雷达面临的难题。下一代战争中电子侦察会更灵敏更精细,干扰功率会更强,干扰手段会更丰富,干扰效果会更明显,不仅会造成软杀伤,还可能导致应摧毁。除了大力发展无源雷达、分布式雷达、量子雷达等新体制雷达外,采用盲源分离、认知处理等新的信号处理理论和技术,通过对干扰更好地感知和估计,优化干扰对抗手段,对提升下一代雷达复杂电磁环境对抗能力具有重要作用。

3.3.4.目标识别

下一代战争需要的不是影响指挥员决策效率和决心的海量概要信息,而是面向应用和任务的确切情报,目标识别将成为拨开战场迷雾的重要手段。雷达目标识别技术经过几十年的发展,从窄带识别发展到宽带识别、成像识别和微多普勒特征识别,成为反导反卫、对空情报、对海侦查、精确制导判断真假目标和敌方行动意图的核心技术。下一代战争智能化、精确化、无人化的特征必将推动雷达走向自主、智能,目标识别技术将成为支撑智能雷达自主决策、快速决策的关键。在今后一段时间,针对远距离识别难题的低信噪比目标识别技术、针对非完备库目标识别问题的电磁仿真技术、减少人工干预和判读的自动化识别技术将成为目标识别重要研究方向。

3.3.5.前视超分辨

战斗机、无人机、导弹等运动平台前视探测时,由于探测区域方位向多普勒带宽几乎为零,不满足多普勒波束锐化(DBS)和合成孔径成像技术处理的条件,方位分辨率由天线3dB波束宽度决定,将制约高超声速临近空间飞行器、导弹等体积受限平台对目标的准确识别能力和精确打击能力。近年来,双基SAR、前视SAR、稀疏布阵高精度测角和限制迭代解卷积技术成为前视超分辨技术的研究热点。

3.4.  前沿交叉学科技术

学科是人类为了方便认识自然和社会而人为划分的研究领域,而知识本身没有学科的界限。借助其他学科特别是交叉学科对科研创新具有重要作用,雷达技术的发展也可从今天快速发展的生物学、脑科学、数学等得到启发。

3.4.1.仿生学

世界著名动物学家Nachtigall将仿生学定义为“学习自然界的现象作为技术创新模式的科学”,路甬祥院士将仿生学定义为“仿生学是研究生物系统的结构、性状、原理、行为以及相互作用,从而为工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成的科学技术”[55]。雷达技术本身与蝙蝠回声定位的原理非常类似,近年来,各种各样的仿生学方法用在雷达天线设计、杂波抑制和SAR图像处理中。西安电子科技大学提出将基于生物免疫机制的方法用于SAR图像分割,将遗传算法用于星载天线干扰抑制,空军预警学院提出了将改进遗传算法用于天波超视距雷达二维阵列稀疏优化设计等。国外将仿生学技术在雷达和声纳中的应用做了系统研究,在2012年的“IET雷达、声纳与导航”杂志上连续刊发了7篇专题文章,论述蝙蝠、海豚等生物的感知机理及在雷达与声纳高精度定位、高分辨、精确识别、杂波抑制、SAR图像边缘检测中的应用;在2017年的IEEE国际雷达会议上,AETHER公司提出仿生苍蝇复眼结构的“复眼雷达”概念,英国国防研究院克兰菲尔德大学提出了一种类似于蝙蝠听觉系统的频谱相关转换(SCAT)接收机,用于研究类蝙蝠信号处理在目标分辨方面的优劣。

3.4.2.信息几何

信息几何是近年来发展起来的用微分几何的方法研究统计学问题的一门学科,已在神经网络、信息理论、系统理论等多个领域得到广泛应用。在雷达信号处理领域,Barbaresco将信息几何应用于多普勒雷达CFAR检测、STAP等领域,改善了多普勒雷达成像和检测性能。国防科大对信息几何理论在信息分辨、信号检测、参数估计、传感器网络等雷达信号处理问题中的应用进行了研究,为雷达信号处理提供了新途径。

3.4.3.其他

信息融合技术将雷达数据与光学、ESM、敌我识别等传感器获得的数据协同处理,相互印证,可以减少雷达电磁辐射,提高雷达工作的隐蔽性,提高信息准确度;大数据、云计算能够将数据优势和计算优势转化成信息优势;增强现实、脑机接口能够增强雷达操作员对信息的理解和判断,提高反应速度和决策科学性。将这些前沿性交叉技术与雷达技术结合,将为雷达适应下一代战争提供新途径。

3.5.  雷达基础支撑技术

雷达数字化仿真设计技术、智能制造技术、集成工艺、封装技术、散热技术、测试技术等基础性技术作为雷达装备实物成形的基础,是支撑下一代雷达发挥作战效能的重要保证。

3.5.1.数字化设计

雷达数字化样机能够根据对下一代战争设定的作战场景、作战任务、作战对象、工作环境以及客观条件,事先进行作战场景分析和仿真验证,确定雷达具体功能,并将雷达战术指标分解为较为可信的技术指标,形成技术指标体系,为构建雷达系统架构和确定关键技术提供支撑。雷达数字化样机是雷达物理样机功能和电性能在计算机内的一种映射,能够全面、准确地反映真实雷达在功能、电性能等方面的特征,能够在虚拟环境下仿真测试。数字化样机代替物理样机对产品进行设计、测试和评估,具有开发成本低、周期短、灵活性强、设计质量高、验证充分、用户体验度高等特点。

3.5.2.微系统

微系统以更高的系统集成度、功率密度和智能程度,将成为改变雷达作战形态和技术形态的重要支撑,扮演着微纳尺度撬动大战争的作用。微系统将传感、通信、处理、执行、微能源等功能单元在维纳尺度上采用异构、异质方法集成在一起,顺应了雷达系统芯片化发展的潮流。在微系统的发展上,DARPA提出了两个“100倍”目标,及探测能力、带宽和速度比目前的电子系统提高100倍以上,体积、重量和功耗下降到目标电子系统的1/100-1/1000。需要解决高密度堆叠、光电互联、散热等多项技术难题。

3.5.3.超材料

具有人工复合结构的左手材料、光子晶体、超磁性材料等超材料具有天然材料所不具备的超常物理性质,对于提高雷达射频隐身能力、减少天线单元间的干扰、提高天线方向性具有重要作用。2017年3月,美国杜克大学对基于动态超材料表面孔径的合成孔径雷达进行了2D和3D成像测试,通过控制超表面,能够形成窄波束增强信号强度,或在方向图上形成零点回避干扰,也可使用宽波束观察大范围区域,甚至可以同时形成多个波束探测多个位置。

4.结束语

本文从讨论下一代战争的特点出发提出未来战争对雷达的需求,并总结分析了可能在未来战争中发挥重要作用的雷达系统和技术。作战需求和技术发展作为雷达创新的一体两翼,驱动雷达在百年历程中螺旋发展,遵循从低级到高级、从简单到复杂、由量变到质变的发展主线,深刻把握这一发展规律有助于更好地认识和发展雷达技术。

回顾雷达的发展和应用,可以发现雷达本质上是一种信息装备,本身无军用和民用之分,雷达可用于军事安全,也可为经济建设服务。随着我国“全球命运共同体”、“一带一路”、“人工智能发展战略”、“国家大数据战略”、“网络强国战略”、“国家安全战略”、“海洋强国”、“中国制造2025”、“军民融合”等新型发展理念和发展战略的提出和推进,雷达的技术开发和装备使用也应主动与国家战略对接,服务国家战略需求,这本身对于雷达的发展也具有巨大的推动作用。

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