無源雷達技術

無源雷達技術是指自身不輻射電磁波的新體制雷達。這種藉助非協同外部輻射源進行探測和定位的被動式雷達。

人們在一般情況下提到的雷達，指的是有源雷達。這是一種自身定向輻射出電磁脈衝照射目標，進行探測，定位和跟蹤的傳統雷達。有源雷達發射的電磁信號會被敵方發現，定位，暴露自己。引來“殺身之禍”，子是人們開始研究自身不輻射電磁波的新體制雷達。這種藉助非協同外部輻射源進行探測和定位的被動式雷達，就是無源雷達。
無源雷達的特性及沿革
無源雷達本身並不發射能量，而是被動地接收目標反射的非協同式輻射源的電磁信號，對目標進行跟蹤和定位。所謂非協同式外部輻射源，是指輻射源和雷達“不搭界”，沒有直接的協同作戰關係。這樣就使得探測設備和反輻射飛彈不能利用電磁信號對無源雷達進行捕捉、跟蹤和攻擊。
無源雷達系統簡單，尺寸小，可以安裝在機動平台上、易於部署，訂購與維護成本低。無源雷達不發射照射目標的信號，因此不易被對方感知，一般不存在被干擾的問題。它可以晝夜、全天候工作：可連續檢測目標，一般為每秒一次，信號源是40—400兆赫的低頻電磁波，有利於探測隱身目標和低空目標：不需頻率分配，因此可部署在不能部署常規雷達的地區。
無源雷達自身不發射信號，既帶來優點也帶來缺點。由於依賴於第三方發射機，操作員對照射器無法主動控制，在被探測目標保持無線電靜默、照射器又不工作的情況下，無源雷達就成了無源之水，不能發揮作用。此外，一些發射機的有效輻射功率較低，易受干擾和空射誘餌的影響而且要求發射機與目標、目標與接收機以及接收機與發射機之間信號不受阻擋，限制了無源雷達的使用。
其實無源雷達並不是新概念，它的歷史幾乎與雷達技術本身一樣悠久。1935年，羅伯特·沃森·瓦特曾在單基地無源系統中利用英國廣播公司發射的短波射頻，照射10千米以外的“海福特”轟炸機。在第二次世界大戰中也試驗過預警無源雷達，如德國的“克萊思·海德堡”(Kleine Heidelberg)系統。但當時的系統缺乏足夠的處理能力，不能計算出目標的精確坐標。
當前，有很多國家熱衷於無源技術的套用研究。美國洛克希德·馬丁公司是最先涉足該領域的公司之一，據稱依靠電視和無線發射機，其無源系統的探測距離達到220千米以上。美國國防部國防高級研究計畫局以及華盛頓大學、喬治亞技術大學等高校和雷聲等公司，都開展了這一領域的研究。在歐洲，法國也進行了相應的技術研究工作、義大利演示了樣機系統、英國正在研究無源相干雷達和“蜂窩’雷達(Celldar)，俄羅斯和捷克也在進行類似研究。
無源雷達的分類
無源雷達系統可以依據探測對象或配置方式來分類。依據配置方式，無源雷達分為固定式(地基)和機動式(安裝在潛艇、艦船、飛機、地面車輛等平台上)兩大類。無源雷達的探測對象可以是雷達、通信電台或其他無線輻射源，也可以是僅僅反射無線電信號的目標。無源雷達可以依據探測對象的不同，分為利用被探測目標的自身輻射進行探測和跟蹤，以及利用外照射源發射的電磁波進行探測和跟蹤兩大類。
利用被探測目標的自身輻射
在被探測目標本身就是輻射源或攜帶了輻射源的情況下，無源雷達利用探測目標自身輻射的電磁波進行探測和跟蹤。可能的輻射源包括雷達、通信電台、應答機、有源干擾機、導航儀等電子設備。捷克研製的“維拉”系列無源雷達就屬於這類無源雷達。
利用外照射源發射的電磁波
這類無源雷達探測的目標本身不直接輻射電磁能量。無源雷達在工作時，通過天線接收來自外部的非協同輻射源(第三方)的直射波，以及該外部輻射源照射目標後形成的反射波或散射波，利用其攜帶的都卜勒頻移、多站接收信號的時間差和到達角等信息，經處理後提取目標信息並消除無用信息和干擾，從而完成對目標的探測、定位和跟蹤。
可能的非協同方包括廣播電台、電社台、通信台站、直接廣播系統(DBS)、全球定位系統(GPS)、各種平台上的有原雷達等。美國研製的“沉默哨兵”(Silent Sentry)雷達就是這類雷達。利用全球移動通信系統(GSM)發射機的作用距離只有20千米，利用調頻無線基站的距離可達100-150千米，而大功率電視發射台的作用距離更遠。利用其他雷達發射機的無源系統的作用距離與所用雷達相當。
幾款典型的無源雷達
美國的“沉默哨兵”霄達
美國洛克希德·馬丁公司從1983年開始研究非協同式雙基地無源雷達，於1998年研製出新型的“沉默哨兵”被動探測系統。這種無源雷達利用商業調頻無線電台和電視台發射的50～80兆赫連續波信號，檢測、跟蹤、監視區內的運動目標。該系統由大動態範圍數字接收機、相控陣接收天線、每秒千兆次浮點運算的高性能並行處理器及其軟體組成。試驗證明，它對雷達反射面積10米2目標的跟蹤距離可達180千米，改進後可達220千米，能同時跟蹤200個以上目標，分辨間隔為15米。
“沉默哨兵”可安裝在建築物和固定結構上，也可安裝在飛機、卡車及方艙上以便快速部署。洛·馬公司還試驗過安裝在水面艦艇和潛水艇上的兩種系統，這它們一般利用沿海地區的廣播系統作為照射源。在潛艇上的系統安裝在潛望鏡上，採用全向天線，提供直升機或海岸偵察機告警。
固定式“沉默哨兵”系統可實現全空域覆蓋，對目標進行實時三維跟蹤與監視，數據每秒更新8次，不受氣候條件影響，系統成本和維護費用低。相控陣天線採用商用部件，安裝在建築物上，天線尺寸2．3×2．5米。該系統有120°的觀察範圍，採用數字波束形成技術實現整個扇區覆蓋，可跟蹤固定翼飛機、旋翼機、巡航飛彈和彈道飛彈。
快速部署系統用於進行實時數據收集和處理，目前部署在有電力自給能力的拖車上。該拖車安置在大篷內，相控陣天線安裝在大蓬側面，參考天線安裝在大蓬頂部。這種特殊材質的大篷起到類似法拉第筒的作用，可防止車內處理器的電磁輻射干擾接收天線的正常工作。拖車內，加固式接收機、處理器和控制站占一半空間，空調系統和發電機放在另一半。
英國的“蜂窩”霄達
英國的“蜂窩”雷達系統可探測、跟蹤和識別陸上、海上和空中的移動目標，包括在樹叢中運動的車輛，它理論上能夠探測野外環境中10～15千米的地面目標和100千米的大型飛機。當目標進入探測區域後，引起蜂窩電話輻射波的反射，這些反射被一部或多部蜂窩電話雷達探測到。檢測數據通過通信網路實時傳送到中央控制系統，數據在這裡進行處理，從而確定目標的位置和速度。該雷達系統除了反射蜂窩電話基站的輻射信號外，還可利用聲感測器探測到目標輻射出的噪聲，有助於確定目標位置。
“蜂窩”雷達在用於地面
防空時，其相控陣接收機能夠採用展開式結構，或集成在偽裝網中：在用於無源預警時，可以集成在坦克中或預警機上。該系統還可以用於海岸監視、戰場偵察、特種情報收集(例如對機場活動進行秘密的無人監控)、邊防安全及近海作戰等。沿海岸線部署的“蜂窩”雷達可用於艦船檢測、輔助搜救、領航、告警等任務。還可將其安裝在預警機上形成無源預警能力，隱蔽地監視空域，探測100千米以外的飛機。
“維拉-E”雷達
“維拉”系列無源雷達由捷克研製。“維拉-E”是該系列的最新型號，可探測定位、識別和跟蹤空中、地面和海上目標，對空探測的最大距離為450千米，並可識別目標、生成空中目標圖像。
“維拉-E”系統由4部分組成：分析處理中心居中，3個信號接收站呈圓弧線狀分布在周圍，站與站之間距離在50千米以上。分析處理中心部署在方艙車內，有完整的計算機系統以及通信、指揮和控制系統。信號接收站用重型汽車運載，可靈活部署。接收天線支架豎起時高17米，占地面積9×12米，3個人在1小時內即可豎起天線、進入監視狀態。天線外形為圓柱體結構，功耗低、可靠性極高，平均無故障間隔時間達2000小時，可抵禦30米／秒的大風。
無源雷達的未來發展
無源雷達系統(尤其是利用外部非協同輻射源的無源雷達)，可能是今後10～20年的一個重要的發展方向。隨著幾大國際通信衛星計畫的實施，未來將有1000多顆通信衛星在軌。其中將有許多能發射出足夠高的射頻能量，地面上大多數地點均會同時受到幾個星載輻射源的照射，無源雷達系統可充分利用這些照射源進行目標探測和跟蹤。總的來看，無源雷達將會在以下幾個方面得到發展：
(1)擴展可用外輻射源的種類。外部的非協同輻射源從最早的電視信號、調頻信號，到現在的移動通信信號、全球定位系統衛星信號，以及將來多種衛星信號和其他各種可能的輻射源，可供選擇利用的外輻射源種類將日漸增多。
(2)雷達目標的傅立葉成像。伊利諾斯州大學的研究人員已證實，可用無源多基地雷達產生飛機目標的合成孔徑圖像。利用不同頻率和不同位置的多部發射機，就可為某個目標建立一個傅立葉域的稠密數據集合，通過逆傅立葉變換就可以重構該目標的圖像。
(3)不同平台無源雷達的組網。由於可供使用的外輻射源信號種類繁多，不同的輻射源信號占據了不同的頻段，同一目標在不同頻段會有不同的雷達特性。因此，為儘可能地提高對目標的探測能力，可以將不同平台的無源雷達進行組網。
(4)無源雷達與有源雷達相結合。當外界電磁輻射設備關機或無法利用時，無源雷達就無法對目標進行探測定位。因此，可考慮將無源雷達與有源雷達結合使用。如以雙／多基地方式合理布設無源和有源雷達，當外界電磁輻射不存在或無法利用時，利用無源雷達接收己方有源雷達的直射信號與目標的反射信號，對目標進行探測。這樣既提高了無源雷達的利用率，又增強了有源雷達的隱蔽性和生存能力。