战斗机雷达的探测距离与隐身

战斗机雷达的探测距离与隐身
拨开认知的迷雾
无线电看不见摸不着，总让人觉得扑朔迷离，难以接近。

笔者回想上大学时，很多同学都觉得那些“看上去很美”的麦克斯韦电磁场方程就像玛雅文字一般。

作为无线电技术最为复杂的应用之一，雷达的不为人知其实是一件再正常不过的事。

而随着社会分工的越来越细，在大大促进专业技术发展的同时，“隔行如隔山”的说法似乎比任何时候听起来都更像一句简单的真理。

下面我就列出一些与雷达技术有关的典型错误认识，大家不妨对照看一看，这些错误所涉及的知识，你都理解正确了吗？
相控阵比脉冲多普勒更先进吗？
这种说法在很多科普媒体上都出现过，甚至有些航空专家在讲到机载雷达的时候也这样讲。

还好，雷达专家没有这样的说法。

因为这种说法是错误的。

如果把关于雷达新技术的很多错误理解编一个排行榜的话，这种说法绝对可以排名第一。

从前面的介绍可以知道，相控阵和脉冲多普勒是没有关系的两个概念，二者不能比较。

相控阵是指雷达波束的扫描方式，脉冲多普勒则是指雷达利用速度去区分目标回波和地面（海面）回波（即杂波）。

无论是否
采用相控阵技术（如早期三代机上的火控雷达，大部分都不是相控阵的），为了反杂波，都必须采用脉冲多普勒技术；而如果不需要反杂波，无论是否采用相控阵技术（例如地面的机械扫描雷达），也都可以不采用脉冲多普勒技术，而直接采用更为简单的“普通脉冲”技术。

如果要进行相关的比较，应该是把相控阵和机械扫描进行比较，而把脉冲多普勒同普通脉冲技术相比较。

出现这种错误理解的原因，恐怕是相控阵在脉冲多普勒技术之后出现，虽然如此，相控阵并不是用以替代脉冲多普勒的。

实际上，从前面展示的雷达发展画卷还可以看到，单脉冲技术是在脉冲多普勒技术之前，同样不能认定脉冲多普勒比单脉冲更先进。

雷达发展到现在，绝大部分都已经采用单脉冲技术，不管是脉冲多普勒的，还是相控阵的；为了把角度测得更准，就需要采用单脉冲技术。

提高功率一定能让雷达看得更远吗？
这种说法基本上是正确的，但为了更好地理解天线副瓣对于雷达反杂波的影响，我们不妨学究一些，认为这种说法是不严格的。

我们在前面介绍过，正是由于在强杂波下目标回波功率拼不过杂波功率，所以需要采用脉冲多普勒技术。

也许有读者会问，为什么不能提高发射机的功率，来增强雷达的入射波打在飞机上以后回来的回波强度呢？这对于发现目标不是有益的吗？
首先，通过提高发射机的功率来提高雷达的探测距离，是一种并不经济的做法。

雷达发射机的功率要经受雷达波来回双程的衰减，功率衰减量与作用距离的四次方成正比，所以衰减极其迅速。

也就是说，雷达发射机功率增大16倍，作用距离才能增加1倍；或者说，雷达发射机功率增大1倍，作用距离只增加2的四次方根倍（约18%）。

而雷达发射机功率增加1倍，必然要求电源的发电量增加1倍，由此，电源的重量和体积都要成倍增加。

由于雷达发射机是大功率设备，对于机载火控雷达来说，由于空间极其有限，重量要求又极其苛刻，所以，发射机的冷却又是一个极大的难题。

因此，机载雷达提高发射机功率代价很大。

当然，相对机载雷达来说，地面雷达更容易通过提高功率的办法来增加作用距离，因为主要是在地面上有更多的空间容纳更多的和个头更大的设备。

其次，对于波束向上探测高空目标（也就是天线波束不打地）的机载雷达来说，增加发射机的功率是可以拓展雷达作用距离的，因为进入雷达接收机的，除了不可消除的电子噪声以外，只有目标的回波。

所以，发射功率大了以后，目标反射回来的功率也就大了。

但是，对于天线波束需要打地的机载雷达来说，由于发射机功率需要通过天线辐射出来，而天线是有主瓣和副瓣的，增加了发射机的功率，通过主瓣和副瓣射出的功率也会增加，这会增加地面杂波或海面杂波的功率，从而为杂波中检测目标带来困难。

因此，要想让雷达在自由空间（也就是无杂波空间，例如雷达波束往上打的情况）中看得更远，提高发射机功率是可行的；而如果要让雷达在强杂波地形中看得更远，需要努力降低天线的副瓣，而不是简单地提高发射机的功率。

战斗机的雷达到底能看多远？
距离测量是雷达最古老同时也是最重要的功能。

可以说，迄今为止，雷达已经发明70余年了，但是仍然没有哪一种设备在测距方面比雷达测得又快又好。

但是，影响雷达距离的因素有很多很多，要准确地表达它的最远探测距离，需要有很多条件。

如果这些条件不交代清楚，人们很有可能就会对雷达的威力感到莫名其妙或者惊诧不已。

曾经有消息报道，说F/A-18的机载雷达最远能够看到300千米以外的目标。

也许有读者奇怪，小小的战斗机雷达，怎么能看这么远？看完了下面的内容，你就会找到答案。

要准确地回答雷达能看多远，至少要限定两个方面的条件。

一是在什么样的杂波背景下，地形是影响杂波强度的主要因素。

对于需要下视的机载雷达来说，海面是一类地形，沙漠是一类地形，平原是一类地形，山区
是一类地形，城市又是一类地形。

这些地形下，地面反射越来越强，也就是杂波越来越强，因此，总体上来说，雷达的探测距离就会越来越近。

在雷达的电波照射后，各类地形所能反射回去的电波强度（也就是杂波功率）是不同的。

如果杂波功率越小，自然对雷达发现目标的干扰就越少，雷达的探测距离就会更远。

二是对于多强反射能力的目标，这可能比说清楚杂波背景还要重要。

我们在说一部雷达能看多远时，必须要说清楚雷达所要探测的目标雷达散射截面（RCS）是多大。

一般情况下，把小型战斗机作为典型目标，它的RCS一般在3～10平方米量级。

但是，同样是小型战斗机，有人认为法国的“幻影”Ⅴ的RCS就是5平方米，而俄罗斯的苏-27，其RCS超过10平方米，而我国的某二代主战飞机，其RCS只有3平方米。

由于雷达的探测距离与RCS的四次方根成正比，所以，在说雷达对小型战斗机能看多远时，数值上最大有可能相差10除以3再开4次方根即1.35倍。

而如果在说雷达看多远时，根本没有指出探测的对象，那距离数值的水分就可能很大。

例如前面提到的F/A-18的例子。

假设F/A-18对3平方米RCS的小型战斗机探测距离为100千米，这是常规火控雷达的典型威力，如果目标的RCS为300平方米（对应于大型轰炸机、运输机或预警机等），那么，对应的探测距离正好超过300千米。

这也就是雷达生产商在推销产品时常常使用的小伎俩。

在这方面，中国的设计师要远比西方设计师来得实在。

我们曾经有一型地面雷达是瞄着美国的先进雷达做的，在用目标机做飞行考核时，试飞结果一直达不到美国雷达说明书和广告上的距离，到后来才弄清楚，原来
美国人所理解的小型战斗机和我们所理解的小型战斗机，其RCS对应的数值并不一样，我们的标准要比美国人的标准小接近一半。

而如果按照美国的RCS标准，我们雷达的探测距离还要远数十千米。

还有一点，那就是扫描时间。

距离的拓展，有时候也需要占用时间资源。

例如，如果机载火控雷达扫描120度空域用时20秒，相比于用时10秒，雷达波束扫过目标的时间就会增加，相应的回波个数也就会增多，这些回波能量加起来，就能够增加雷达的探测距离。

对于机械扫描雷达，它扫描既定的空域，时间一般是固定的；而相控阵雷达的扫描时间则可以延长，一般来说，对于机载脉冲多普勒雷达，扫描时间每增加1倍，探测距离约增加15%。

F-22上的火控雷达，研制厂商宣称对1平方米RCS目标，探测距离达到200千米，指的就是在自由空间、用20秒扫描120度空域的情况。

到底应该用I/J，还是应该用X
雷达工作频率，也就是雷达发射的无线电波频率，是雷达最为重要的参数之一。

因为频率和波长之间只差一个光速，所以，雷达工作频率也可以用工作波长来描述。

在雷达中，常常用字母表示波长，这是雷达领域应用电磁波的一个重要特点。

这种习惯始于第二次世界大战期间的保密需要。

当然，雷达在70余年的发展过程中，这种表示方法早已不再有保密的意义，但已约定俗成，不但方便，而且这样表示后，每个字母所表示的波长都有自身的技术特点，符合雷达的应用规律，所以一直在使用。

虽然最权威的电磁波频率划定，是国际电信联盟的规定，并且与雷达频段的划分并不一致，但是，雷达有它自己的习惯。

当人们用波长来表示雷达工作的无线电波的波长范围时，就称“波段”。

当用频率来表示无线电波的频率范围时，就称“频段”。

由于雷达领域的这些表示方法并不便于记忆，21世纪初，美国电子对抗领域的工程师开始推出新型的表示方法，将雷达工作频率按从低至高的顺序，从字母A开始编号，一直编到M。

这种方法看起来方便，其实不然。

因为雷达领域原有的频率表示方法毕竟影响太大，而新的编号方法将原来一个字母就能表示清楚的波段，必须用两个字母来表示，最典型的就是X波段，分别用I/J来表示，而这正是机载火控雷达最常使用的频段，这无疑是不方便的。

另外还有S波段，被拆成了E和F两个波段，C波段被拆成了G和H波段，所以，这种新的编号方法在2005年前停止使用，可是现在有的出版物上仍使用这种方法。

由于在雷达里经常要进行波长和频率的转换，所以，掌握相应的心算方法是有必要的。

有一个简单的经验公式——波长（用厘米表示）等于
30除以用吉赫兹为单位表示的频率数。

例如，X波段的频率范围为8～12吉赫兹，其中心频率为10吉赫兹，用30去除以10，得到3厘米，X波段就是3厘米波段；S波段的频率范围为2～4吉赫兹，其中心频率为3吉赫兹，用30去除以3，得到10厘米，S波段就是10厘米波段。

雷达的工作频率越高越好吗？
回顾机载雷达的发展史，我们可以看到，最早的雷达是HF（高频/短波）频段的，最早的机载雷达则工作在UHF（甚高频/超短波）频段。

这样的频段因为对应的波长在米量级，所以称为米波波段；随后，磁控管的发明使得雷达工作到微波波段，也就是波长在分米、厘米或毫米的波段。

频段升高以后，天线可以做得很小，从而为雷达装机突破了障碍。

但是，如果据此认为，机载雷达的工作频率越高越好，则是不正确的。

雷达在选择工作波长时，至少要考虑4个因素。

一是要考虑把雷达的探测距离做到多远。

雷达的工作频率越高（即波长越短），则在传播时由于大气吸收损失的能量就越多，也就是衰减越快。

因此，越不适用于远距离传输。

以美国的“铺路爪”地面远程雷达为例，其探测距离超过3000千米，采用的就是超短波频段；而毫米波雷达，其工作波长在毫米量级，典型的探测距离只有10千米左右。

二是要考虑把天线波束做得有多窄。

你要想在更短的时间内能够更像
一个雷达专家，你需要记住的第二个公式是，波束宽度与天线的大小（即天线尺寸或天线面积）成反比，与波长成正比。

显然，波束宽度越窄，增益越高。

而如果天线不可能做得很大，但又要求有一定的增益，就要选择较短的工作波长，或者说，较高的工作频率。

由于在地面上的雷达，其空间更为宽敞，相比于战斗机的机身表面，更容易安装更大的天线，因此，地面雷达的工作波长，除非有特定的用途，一般情况下总是比战斗机上安装的火控雷达的工作波长要大很多。

三是硬件实现的难易。

这一点我们在机载雷达的早期发展史中应该有深刻体会了。

在雷达中少不了“放大”的环节。

从发射过程来看，为了使得电波能够传播更远，能够承受更多的衰减，必须要提高功率，所以，要进行功率放大；在接收时，由于从飞机目标返回的回波一般要比发射出去的电波强度低百万倍以上，所以也要进行放大。

如果工作频段很高，电波的放大必须从一个比较低的频率（称为基准频率）一级一级电路地进行，在逐步升高频率的过程中逐步放大，这会导致设备重量大幅度增加，而且在放大的过程中，还会产生很多“杂质”，即不需要的电波频率，这些电波频率可能会对各级电路产生严重的干扰，因此必须要过滤掉。

工作频率高了以后，对放大和滤波都会带来巨大的困难，直至影响到雷达是否能够制造出来。

综合起来看，虽然频段的提高对于机载火控雷达来说有它的好处（其工作频率一路攀升），但至X波段后不再继续提高，这自然有它的道理。

四是反隐身。

雷达需要接收目标反射回来的电波。

目标把雷达照射过来的电波再反射回雷达的能力称为雷达反射截面积，即RCS。

如果某个物体的RCS是5平方米，这个物体反射雷达波的能力就相当于一个最大截面积为5平方米的金属圆球反射雷达波的能力。

雷达的探测距离与RCS的四次方根成正比。

如果把战斗机RCS从5平方米降到0.01，缩减了500倍，雷达的探测距离将减少到500的四次方根分之一，也就是只有原来的20%。

这就是“隐身”的依据。

当目标尺寸和雷达工作波长差不多时，电波照射到目标后会由于产生电磁谐振，目标反射雷达电波的能力会显著增强，从而造成雷达回波的强度显著增大，这能够增加雷达发现目标的距离。

这就是反隐身的主要技术依据。

对于超短波（UHF）波段，以其频率300兆赫兹计算，对应的波长为1米，与战斗机的大小在一个数量级上；而对于S波段，以其频率3000兆赫兹（即3吉赫兹）计算，对应的波长为10厘米，与战斗机的几何尺寸相差较大；对于X波段，对应的波长为3厘米，与战斗机的几何尺寸相差更大。

所以，同一个目标，在这三种波段情况下，应该是X波段的RCS 最小，S波段稍大，UHF波段最大。

绝对隐身？相对隐身？
这个话题并非与雷达直接相关，而与雷达的“敌人”有关。

如今的雷
达，面临着四大威胁，即隐身、低空突防、电子对抗和反雷达导弹。

雷达一直以来都是在追求如何看得更远，雷达的敌人们则是在追求如何让“千里眼”变成“近视眼”。

人们在谈论隐身特征时，实际上存在很多误区。

有的媒体上有四代机谋求“绝对”隐身和“适度”隐身的说法。

其实，做这种区分，从雷达技术角度而言并不必要。

所谓隐身，是指降低战斗机本身对外来电磁波的反射特征，或者是自身辐射电磁波的特征。

因为电磁波所覆盖的频率范围太宽，从几兆赫兹到成千上万个吉赫兹，要想战斗机在这么宽的频率范围内都做到隐身，是绝对不可能的，所以，要隐身只能是适度隐身。

我们常讲F-22有多隐身，其实，它号称只有0.01平方米的雷达反射截面积，主要指的是对于X波段（8～12吉赫兹）的雷达反射比较小，世界上所有的战斗机，其雷达基本上都在这个波段工作。

如果换一个别的波段，特别是米波波段，其雷达截面积可能达到0.3平方米以上，这是其一。

其二，战斗机本身的隐身特性，跟电磁波照射到的飞机部位有很大关系。

F-22的这个数值，指的是飞机的鼻锥方向，或者说是迎头方向；如果是侧面方向，雷达截面积要大1～2个数量级都是有可能的。

因此，讲隐身，一是要看频段，二是要看方向。

要降低战斗机的雷达截面积，主要有两个办法：一是外形设计，使得对方的雷达波照过来，反射回去的方向不是对方雷达的方向；二是吸波，使得对方的雷达波照射过来以后，反射的雷达波能量很小。

但从外形设计上说，要想在所有雷达的所有探测方向
上都做到隐身，是不可能的。

从吸波材料上来说，要想在所有雷达的所有工作频段都做到隐身，也是不可能的；即使可以，可能用户买得起战斗机，但也买不起这样的吸波材料。

（作者曹晨）。