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无源雷达与隐身技术之争
[ 发布时间:2013-09-29 ]   [ 字号: ]

面对战机隐身技术不断扩散的局面,世界各国都在寻求对抗隐身技术的方案,其中一项就是低成本高效无源雷达。无源雷达是一种利用外辐射源的纯接收系统。无源雷达接收机呈网状布局,构成一套综合系统后可以探测、跟踪和瞄准有人和无人隐身系统,并引导防空武器系统对它们进行攻击。无源雷达不发射信号,可以在城市和乡村地形中严密地伪装。进攻系统不能从友军雷达预警接收机上获得任何无源雷达侦察信号的提示,因此很难确定这种雷达的位置并对其攻击。面对无源雷达的威胁,美国会发现很难再以可接受的代价夺取制空权。目前,无源雷达技术的发展不能使美军利用传统手段摧毁对手的防空系统,因此面对装备无源雷达的对手时,美军夺取制空权的难度增大,美军需要改变思维以保持力量投送能力。
  
  飞机与雷达的斗争史
  
  克劳塞维兹在战争论中指出,防御是比进攻优越的一种形式。19世纪末期的静态战和1914~1918年的一战似乎证实这一观点。不过杜黑在1921年断言,飞机将改变战争形态,扩大进攻优势,同时削弱了防御优势。杜黑没有想到在他的著作出版后几十年里地空武器系统会得到飞速发展,对空中力量持批评态度的人士同样未想到。
  虽然德国工程师Hulsmeyer早在1904年就为雷达申请专利,但是直到1935年,雷达才显示出强大的作战潜力。英国的罗伯特沃森瓦特在德文垂进行的实验中使用雷达发现了8英里以外的“黑福德”轰炸机。沃森-瓦特继续研制本土链状雷达系统,该雷达在1940年不列颠战争中为打败德国空军发挥了重要的作用。
  在第二次世界大战中,飞机压倒性的进攻力量受到雷达和现代防空系统的严重削弱。空中力量并不是一种不可对抗的全能进攻武器,轰炸机往往并不能突破敌防空系统。轴心国和盟国双方的防空系统都先进且灵活性很强。作战飞机只有付出很大代价破坏敌人的防空系统才能获得局部的制空权。这一情形从二战一直持续至冷战期间。
  尽管沃森一瓦特在德文垂的试验取得技术上的突破,但那次试验也反映了无源雷达存在的一些问题,包括信号强度时强时弱,以及因为无源雷达的几何排列而不能确定目标的位置和对目标的跟踪不确定等。无源雷达是一种收发分置雷达,意味着接受机与发射机之间有一定的距离。1 936年,科学家通过共享天线对接收机和发射机进行配置,从而解决了几何排列问题,即单基地雷达,后来通用的常规雷达都采用这种配置。
  雷达是防空作战系统的基础,如越战中,北越军队使用防空雷达瞄准美军战机,而美军战机则对北越雷达实施干扰和发射反辐射导弹。由于北越成功组织了防空,因此美国只能暂时在北越局部地区建立起制空权。越战期间,北越利用50年代的俄式地空导弹击落了190架美军战机。
  20世纪70年代,洛克希德·马丁公司的“臭鼬”工厂开始研制F-117隐身战斗机。F-117在1983年担负起作战任务,1989年参与在巴拿马的作战行动,1990年参加海湾战争。在海湾战争中,美空军使用F-117攻击伊拉克防守最严密的目标。尽管伊拉克配置强劲的防空系统,但是美空军在海湾战争中没有损失1架F-117战机。相比之下,美军有32架非隐身战机被伊拉克防空火炮或地空导弹击落。实际上在最近几年进行的战争中,包括1999年的“盟军行动”和2003年“伊拉克自由行动”,隐身飞机都保持了压倒性的优势。
  尽管美国的隐身计划取得全面的成功,但是1999年美空军1架F-117在巴尔干上空被塞尔维亚地空导弹击落。虽然有些人认为该机被击落只是一种偶然现象,但该事件还是引起了争议,有人认为这是隐身技术被打败的一种证明。这一事件表明隐身技术并不会使飞机变得不可见,它只是一种零和游戏。
  
  未来的隐身战机
  
  事实正相反,F-117在南斯拉夫上空被击落更向美国表明隐身技术的重要性。美国将隐身技术作为最优先发展的一种技术,如采购新型隐身战机,或是对隐身战机进行改进。总之,隐身技术成为美国夺取制空权的核心手段。
  随着隐身系统变得越来越普通,非隐身系统的数量则越来越少。隐身技术更多地应用到了新研制的军用飞机,舰只和地面战斗系统上,世界各国在隐身技术的研究和发展方面投入了大量资金。由于F-117战机已经于2008年从美空军退役,现在美空军的隐身作战飞机数量短缺。当前美空军装备的隐身战机有20架B-2轰炸机、187架F-22战斗机,而联合打击战斗机F-35预计要到2012年才能装备部队。根据计划,美国将采购2456架联合打击战斗机,交付周期达28年之久。与此同时,俄罗斯、中国、印度、日本等国正在研制隐身战机。简言之,各国对隐身技术需求很大且技术在不断发展。

  
  隐身技术
  
  隐身是通过一系列技术才得以实现的,它可使一个平台难以被发现和攻击。一般来说,它需要减少飞机的主动信号和被动信号特征。主动信号是隐身平台散发的所有可见信号:而被动信号是隐身平台在外部照射下散发的所有可见信号。减少主动信号一般采用低截获概率(LPI)技术,减少被动信号一般采用低可探测性(LO)技术。
  隐身技术设计人员努力使信号技术取得平衡。例如,如果在距离20千米处通过红外传感器就可发现该机,那么在5英里处使飞机变得不可见的努力是徒劳的。在减少低截获概率时设计人员更注重减少飞机雷达和红外传感器散发的信号。在降低可探测性时,设计人员主要关注减少雷达频谱的反射,即雷达横截面积。
  设计人员主要通过改进机身形状和采用雷达吸波材料减少雷达横截面积。机身可以反射雷达信号,使其偏离发射机的方向。改进机身形状主要是针对传统雷达而言,传统雷达的接收机与发射机配置在一起,它针对收发分置雷达的效果较差。雷达吸波材料通过吸收雷达能量和减小雷达回波的强度来增强机身隐身性能。未来可以通过转播雷达能量或使对机身周围的边界空气进行电离,使隐身飞机主动取消雷达回波。
  
  反隐身技术系统
  
  在介绍无源雷达之前,这里首先要介绍一下具有反隐身能力的雷达和传感器系统。其中一种最重要的反隐身雷达,即二战时期发明、并且至今仍在使用的甚高频和超高频远程对空侦察雷达。多数的低可侦测设备使用的技术都是防止被厘米波长级别的搜索雷达和火控雷达发现。甚高频和超高频雷达是波长为分米至米级别的雷达。一般来说,飞机的雷达横截面积随着照射雷达波长的增加而变大。此外,当雷达波长与飞机或飞机某一部件处于同一数量级时,雷达波与飞机发生共振,从而扩大飞机的雷达横截面积。较长的波长和共振现象使甚高频和超高频雷达发现隐身飞机成为可能。但是由于这两种雷达的侦察角度和距离的分辨率较低,因此不能提供准确的瞄准和火控信息。

海湾战争以后,俄罗斯雷达部队采取
多种措施对甚高频和超高频雷达系统进行数字化改造,以提高这类雷达的反隐身能力。现在,俄罗斯老式雷达的分辨率和信号处理能力得到极大的改善,一些新研制的雷达如Nebo车载甚高频自适应电扫描阵列雷达可能拥有极强的反隐身能力。
  其它一些新研制的常规雷达可能也具有反隐身能力,如洛克希德马丁公司的战区高空区域防空雷达,以色列的“绿松”雷达系统(最近卖给了印度)。这些系统在超高频L波段上具有很长的探测距离和很高的分辨率。泰利斯制造的信号多波段搜索雷达是另一种反隐身系统。
  被动监听系统,如电子支持措施和定向系统,能够发现隐身雷达、电台和数据链发射装备,并可将这些信息发送给侦察雷达。低截获概率技术能削弱电子支持措施和定向系统,阻止它们发挥作用,但是俄罗斯的Kolchuga系统仍是隐身系统的一种强大威胁,该系统可得到数字化处理方面的升级。
  另一项反隐身技术是红外,光电系统,包括红外搜索、跟踪和高放大率光学设备,这些系统探测的空域受限,并且必须由其它传感器引导。此外,红外,光电系统的探测能力受云层、光照条件的影响较大。隐身飞机可通过热信号管理、飞行剖面和吸波涂料等来应对红外,光电设备的侦察。
  另一项具有潜力的反隐身技术是毫米波成像设备,该设备应用所有目标自然发出的无线电信号。毫米波能穿透云层和低能见度区域。雷达可以传送波形,然后接收和处理回波。AH-64D“长弓”火控雷达是旧式毫米波雷达的一个典型。俄罗斯防务工业已经研制出毫米波防空导弹导引头,其它国家也在开展类似的研究。
  虽然上述一些技术设备具有强大的反隐身能力,但是它们的一些缺陷限制了他们的防空效力。传统的雷达易受电子战和空地武器侦察和攻击,监听系统并不能提供跟踪信息,而红外/光电/微米波系统的侦察效力有限。相比之下,无源雷达隐蔽能力强,能在全天候条件下工作,可以进行中程和远程侦察活动,在侦察、跟踪和瞄准隐身飞机方面具有强大的潜力。因此,它是反隐身技术中最有发展前景的技术。
  
  无源雷达
  
  随着计算技术网络和无源雷达技术的发展,它们在对抗隐身空中平台方面蕴藏的极大潜力很可能会被美国的竞争对手利用起来。此外,这些系统成本不仅低,而且可以现货供应,因而对许多非竞争对手也具有很大的吸引力。
  无源雷达使用外辐射源,潜在的波形包括调频(FM)和调幅(AM)电台、电视、数字音频,视频广播,蜂窝电话网络。今天,无源雷达配备一个或多个发射机和接收机,可很方便地配置成多基地雷达系统。
  无源雷达通过综合多种方式确定目标位置并进行跟踪。雷达可根据收发分置距离和接收机至目标的方位测定目标位置,同时利用其他技术手段,如进一步测量多普勒频移(即相对运动引起的波形压缩或展开),来确定目标的方位、速度,再通过进行信号更新来对其进行跟踪。
  先进的信号处理技术可使无源雷达利用多个接收机中的数据,删除信号干扰,从叠影回波和杂波中区分真正的目标,并得到目标航迹,这在以前还被认为是不可能的。这样的处理需要极高的计算能力,目前大多数无源雷达系统都使用商业DOS计算机技术。
  依靠这些技术,一些国家已经研制出几种系统,如洛克希德·马丁公司的“寂静哨兵”系统,英国罗克·曼勒研究公司的“蜂窝雷达”(Celldar),泰利斯-雷声公司的“本土警报器”。中国、法国、瑞典和俄罗斯也开发出类似的一些系统。
  高频、甚高频和超高频波段的几种波形已经显示出作为无源雷达的潜力,并且表现出反隐身特征。在甚高频波段,调频电台以相对高的功率广播,并且在人口密集地区中布置了多个发射机。模拟信号电视(甚高频波段)同样提供有用的照射,世界各国广泛使用的数字音频广播亦如此。数量在全球越来越多的高清电视则在超高频提供宽波段高功率波形。在高频波段,世界数字电台(短波调幅电台数字形式)同样具有用作无源雷达的潜力。
  这些波形在反隐身方面有着不同程度的效能。模拟信号电视和调频电台具有强大的照射能力,并且侦察距离较远,如调频电台侦察距离约为120公里,但前者信号易受干扰,后者信号易中断。高清电视可以提供连续信号,侦察距离在120千米。利用数字电台可开展超视距侦察,但是它的分辨率较低而不能用作为预警雷达。数字音频广播的波形虽然可以多次使用,但是功率低,侦察距离仅为36千米。可以将以上波形组合起来使用,现有的一些系统已能够在多个波形中提供准确的三维侦察能力,如调频电台、模拟信号电视和数字电视。更重要的是,上述所有波形频率在3至450兆赫内,波长在分米至米级别,这些波形会增加雷达的横截面积,并与飞机相互作用产生共振效应。由共振产生的雷达横截面积很大程度上取决于机身形状,简言之,这一频谱内的雷达天性就是反隐身的。
  因为无源雷达具有侦察、定位和跟踪功能,它可以履行目标识别功能,目前正在发展的一些措施是使用多基地超高频波段反向合成口径雷达开展目标照射活动。此外,现有的被动目标识别措施,包括电子支持措施和定向很可能会作为无源雷达的补充手段。如果成功地确定了目标的轨迹并识别了目标,无源雷达就可以引导地空导弹系统或空基武器系统。武器系统的引导需要通信基础设施。对于秘密系统来说,这意味需要为陆基武器建立起局域网络,为空中平台建立起低截获概率数据链。
  对于指令制导模式地空导弹来说,无源雷达可以通过数据链提供中段制导,为了跟上无源雷达系统的发展,被动导弹导引头,如红外、光电、毫米波或多传感器可以用于终端制导,以完成整个杀伤环节。
  无源雷达相对便宜,并且隐蔽性强,具有进行隐蔽攻击的能力。未来的竞争对手将寻求使用无源雷达,或无源雷达与主动侦察雷达协同工作的方式来对抗美国的隐身优势。他们可能会对商业媒体采取严密的控制措施,并将其用作无源雷达,还可能会制造多基地甚高频和超高频雷达接收机网络,并将这些系统与城市中的垂直建筑物融为一体,就是在没有架设媒体广播的偏远地区,他们也可以分散部署一次性低成本发射机网络,执行区域侦察照射活动,并对其进行综合运用,快速有效地进行指挥和控制。所有这些,再加上对手可能正在努力研制或采购的具有低可探测性的地空导弹,以及部署在高空,中空的无人器,都将对美军战机在这些区域的活动形成极大的威胁。
  
  对抗无源雷达
  
  对抗无源雷达难度较大,对手使用无源雷达不会有任何明显的迹象,在这种情况下很难为战机提供敌地面火力的预警能力。由于没有相关的电子情报,使用非直接手段(如人力情报、地面侦察、计算机网络战和节点分析等)来确定无源雷达的接受机的难度也会很大。这是一件艰难的任务。
  如果找不到指挥控制节点和接收机,美军可以集中攻击一些可疑的发射机,如调频电台。电视和高清电视网络。不过这些目标位置特殊,摧毁它们带来的附带损伤可能会导致不可预期的战略后果。
  在战术层面上,友军可能会针对地空导弹的发射和飞行使用反应性防御措施,通过电子攻击、远程打击武器,定向能武器等手段反击相应的威胁系统。不过这种措施会耗费大量的时间和资源,不可能获得低空和中空的控制权。
  电子战手段可能会使无源雷达暂时变得无效。但是因为接收机位置不明,干扰设备需要在宽广的频谱上发射信号,从而不可避免地会减少干扰信号的强度。此外,因接收机位置不明,运用欺骗性干扰对抗无源雷达的效果也不会很好。其它对抗无源雷达的手段包括特种作战和计算机网络攻击。

总之,在有限战中,攻击无源雷达系统的难度可能会非常大。发现导弹系统,如机动地空导弹系统,无人机和便携式防空系统的可能要比发现无源雷达要容易一些。对手很可能部署大量的被动防空系统,因此美军确定和摧毁这些系统将是一个长期、繁杂的过程。
  建造新一代隐身飞机是一种可行方案,但随着反隐身技术的发展,美国保持隐身优势的努力将会越来越难成本也会越来越高。
  
  影响
  
  毫无疑问,无源雷达已成为对手对抗美国空中优势的核心技术。隐身将继续是战术飞机一大特征,但美国的竞争对手会越来越多地使用无源雷达和武器系统去侦察、搜索、跟踪和瞄准空中隐身平台。面对这样的系统,隐身本身不能为有人驾驶飞机、无人机和导弹提供有效的保护。为了更好地对美国的未来进行定位,美国的军事战略和战役决策者必须清醒地认识到目前正在出现的对抗美国空中隐身优势的技术,这些技术的核心就是无源雷达。美军必须采取适当的措施来保护美国,例如:
  
  成为无源雷达领域的领导者
  美军必须掌握无源雷达知识,不只是在理论上,或在小规模的研究和发展计划中,而是付诸专门的努力,不能再像过去那样专注于常规雷达系统的研制。也许有人会问为什么在没有直接的隐身竞争对手时就要发展反隐身技术?答案就是竞争对手正在研制这项技术,美国不能在隐身技术上花费了数十亿美元,却不能对抗敌人的系统。美军必须提高无源雷达研究和发展的优先程度,并在美国的训练场部署无源雷达系统,以用作美国隐身飞行员和系统的训练工具,试验反制措施和战术,并进行系统的性能评估。
  探索多种方式以削弱对手无源雷达的效用
  美军应针对无源雷达重点发展多层电子战能力,持续发展战机和无人机的多层防御措施。
  
  在未取得制空权时为军事行动的开展做准备
  美军应研制无源雷达,削弱对手的空中优势,继续整合有人系统与无人机系统,在没有制空权和仅有局部制空权时,制定应急军事行动计划和开展相应的训练。

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