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新体制雷达,捕捉隐形战机的“鹰眼”

1月8日,刘永坦院士荣获2018年度国家最高科学技术奖。他设计并研制的对海探测新体制雷达,一时引起国内外关注。

本期简介

作者:崔原豪 知乎作者、北京邮电大学信息与通信工程在读博士

 

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天波超视距雷达工作原理示意图

1月8日,刘永坦院士荣获2018年度国家最高科学技术奖。他设计并研制的对海探测新体制雷达,一时引起国内外关注。

对公众来说,雷达早已不是一个陌生词,它可以通过发射电磁波并分析目标处的回波来判断目标类型、速度等信息。那新体制雷达又是什么呢?它是靠哪些优点斩获国家最高科学技术奖的?

从相关报道中得知,这种新体制雷达的主要特点是“超视距”,即超越地球曲率导致的雷达探测距离极限。

在传统科幻小说中,雷达站总是建在荒无人烟的山头上。这是因为电磁波在自由空间的传输呈直线状,而地球本身是一个球体,受地球曲率影响,电磁波无法照射到低于地平线的区域,这被称为雷达视野盲区。为了解决这个问题,传统想法是把雷达设置得尽可能高一点。

“高”的另外一种方法,就是利用被称作“空中指挥中心”的预警机,把雷达放在空中平台,就可以克服地球曲率,从而扩大探测面积。但科学家并不满足:如果雷达本身可以通过信号处理算法获得超视距能力,岂不是再好不过?这就是超视距雷达诞生的原因。

超视距雷达对国防意义重大,在目前所有雷达体系中,它探测低空、远距离目标能力最强,单位覆盖面积所占成本最低,而且能够探测隐身飞行器。美国国防部已经将超视距雷达列入关键技术计划项目中,它将是21世纪最重要的应用雷达之一。

其实,早在20世纪50年代,超视距雷达的研究就已经开始,并在70年代左右投入使用。美国、法国、澳大利亚等国家都开发了自己的超视距雷达。根据采用频段和设计机制的不同,可以分为天波超视距雷达和地波超视距雷达。

美国海军部署在德克萨斯的AN/TPS--71、澳大利亚的金达利就是天波超视距雷达。这类天波超视距雷达主要工作在3-30MHz的高频频段,波长通常为数米到数十米,通过电离层反射雷达波束获得“超视距”。正常情况下,电磁波经过电离层一次反射,探测距离可达3000公里,经过电离层二次反射,探测距离可达6000公里。

但天波雷达也存在一些缺点。它的设备普遍过大,功率高,造价贵,并且严重依靠电离层反射效应,导致近距离目标存在盲区,同时电离层变化会影响测量精度。这时候就要提到地波雷达了。

地波雷达一般工作在3-15MHz的短波频段。它体积相对较小,重量轻,是水面预警体系中最重要的远程探测设备,可以弥补天波雷达存在近百公里的视野盲区、信号传输不稳定等缺点。由于地面上存在诸多障碍物,电磁波会严重衰减,所以地波雷达主要用于远程海洋探测。刘永坦院士研发的新体制雷达就被称作“海防千里眼”。

天波和地波超视距雷达在国家远程预警体系中的地位日益突出。将它们结合起来使用,可以建立起全天候、全时段的远程预警体系,对国家远大陆架海洋和领空监控发挥重要作用。