本期特约本文2009208213收到,田锦昌系中国航天科工集团三院三部高级工程师合成孔径雷达在军事上的应用分析田锦昌摘 要 合成孔径雷达(S AR )研制关键技术已取得重大突破,由于S AR 优点突出,各军事强国已在争先研制、装备S AR 。
以平台划分,详细分析了机载S AR 、星载S AR 、弹载S AR 在军事上的具体应用情况。
关键词 合成孔径雷达 军事应用 分析引 言伊拉克战争中,美国利用6颗高分辨率成像侦察卫星,对伊拉克国土进行密切监视,几乎每一个小时就有一颗成像侦察卫星光顾伊拉克的领空。
在这6颗成像侦察卫星中,有3颗合成孔径雷达卫星(又称雷达成像卫星),分别是长曲棍球22(La 2cr osse 22)、长曲棍球23(Lacr osse 23)和长曲棍球24(Lacr osse 24)。
这3颗S AR 卫星分时、分区域对伊拉克重点地区进行侦察,为美英联军提供伊拉克军事活动的三维图像。
长曲棍球系列卫星是世界上最早的军用雷达成像侦察卫星,它是美国21世纪初空间雷达成像侦察的主要工具,不仅特别适于跟踪舰船的活动,监视机动式弹道导弹的动向,而且还能发现经伪装的武器装备,甚至能发现藏在地下数米深处的设施。
长曲棍球卫星具有多频段、多极化工作能力,空间分辨率优于1m 。
自从1951年美国Good Year 公司的Carl W iley 提出合成孔径概念以后,S AR 技术得到了迅速发展。
这主要是合成孔径雷达能克服云、雾、雨、雪和夜暗条件的限制对地面目标成像,可以全天时、全天候、高分辨率、大幅面对地观测,能够在军事侦察、军事测绘及诸多民用领域发挥重要作用,因此,自20世纪末以来,S AR 技术的军事应用受到世界各国高度重视,并得到迅速发展。
1 S AR 的性能S AR 是利用雷达对地辐射的后向散射微波来分辨不同物体的。
不同的物体一般具有不同的导电系数,导致不同物体对微波的后向散射系数不同。
因此,雷达接收不同物体反射的微波辐射强度不同。
S AR 将孔径合成技术、脉冲压缩技术和信号处理技术相结合,使用孔径较小的天线,在距离向和方位向获得较高的图像分辨率。
S AR 具有很高的距离向和方位向分辨率,方位向分辨率的信号处理技术是S AR 与传统雷达的根本区别之一。
利用一个小孔径雷达,采用合成孔径技术,可以在空间合成一个等效的大雷达孔径,从而可以获得高方位向分辨率。
S AR 在距离向采用了脉冲压缩技术,同样提高了距离向分辨率。
目前,S AR 的空间分辨率可以达到1m 。
S AR 具有很好的目标分辨能力,辐射分辨力达到2d B ,可以把集结在一块的坦克和运兵车区分开。
S AR 的动态范围很大,达到80dB ,可以区分同一地域中后向散射系数差别很大的物体,且保证成像清晰。
S AR 针对不同物体对微波的极化响应特性不同,采用多极化工作方式(HH,HV,VH,HH ),增强了S AR 的成像性能。
此外,S AR 还采用多频段工作方式(L 频段,C 频段,X 频段),可以保证不同本期特约的侦察目的。
S AR 可以全天候、全天时工作。
由于S AR 利用微波成像,而微波传输受大气条件影响很小,可在云、雨、雾、雪、沙尘、烟雾等恶劣气象条件下对地侦察,甚至因为具有一定的穿透能力,可以透过地表和自然植被对地表浅层下的物体进行侦察。
1981年,美国的SI R 2A 型合成孔径雷达卫星就发现了埋藏在地下的尼罗河古河道。
由于S AR 靠接收辐射回波成像,因此S AR 卫星弥补了光学成像卫星不能全天候、全天时工作、侦察距离近的不足,提高了侦察卫星的综合侦察能力。
2 SAR 在军事上的应用近年来,随着合成孔径雷达关键技术的不断发展,S AR 成像分辨率不断提高、信号处理能力不断增强、数据传输速率不断增加、设备体积不断减小、质量不断降低,S AR 在军事上尽显优势,可广泛应用于军事侦察、情报搜集、战场监视、攻击引导、打击效果评估等。
S AR 从其诞生到现在五十多年的时间,技术上已经取得了长足的进步与发展,在国防领域发挥着巨大的作用。
S AR 可以装备在各式各样的作战平台上,用以完成战略、战役、战术等不同层次的任务。
从作战平台角度划分,S AR 可以分为机载S AR 、星载S AR 和弹载S AR 等。
2.1 机载S AR 作为最为成熟的飞行平台,S AR 率先在有人驾驶飞机上进行装备,包括侦察机、战斗机和轰炸机等。
在实现小型化后,S AR 又在无人机上大量装备。
早在1988年,美国就研制出了波音707飞机作为平台的E 28JST ARS (联合监视目标攻击雷达系统),配置了由诺格公司研制的X 波段AN /APY 23合成孔径相控阵雷达。
雷达天线装在机身前端腹部的一个7.93m 长的天线罩内,天线采用水平极化,有极低的方位和俯仰副瓣电平,具有高精度的方位跟踪能力,天线尺寸为7.3m ×0.61m 。
方位向采用456个铁氧体移相器进行±60°的电子扫描,在俯仰向作±100°的机械扫描。
阵面由456个辐射单元组成28个线缝阵列,并与12个带有铁氧体移相器、补偿延迟线和扭转/匹配器的波导双模馈源连接。
E 28JST ARS 在海湾战争和波黑维和行动中均发挥了重要作用,受到世界各国的重视。
目前,美国的U 22和SR 271侦察机、T R 21A 高空战术侦察机、U 22R 战略侦察机、F 215和F 216战斗机、F /A 218战斗轰炸机和B 22轰炸机等均配备了合成孔径雷达。
典型的有U 22R 高空侦察机上搭载的AN /UP D 2X 侧视合成孔径雷达、F 216飞机上装备的AN /APG 268(V )X M 火控合成孔径雷达。
美军2008年进行了3架多传感器指挥控制飞机飞行试验,波音飞机以7472400ER 为平台,机上配装MP 2RTI P 合成孔径雷达。
英国雷锡恩公司研制的机载防区外合成孔径雷达(AST OR )集成在全球快车飞机上,已于2005年开始装备部队。
北约的“联合地面监视”计划是最大的机载合成孔径雷达计划,已于2005年开始飞行试验。
随着无人机技术的迅速发展,合成孔径雷达逐渐成为无人机的主要载荷。
美军的全球鹰高空远程无人机装备的休斯综合监视与侦察系统(H I S AR)合成孔径雷达质量为290kg,功耗6k W,频率X波段、带宽600MHz。
在条带式模式下,作用距离220km,分辨率可到1m,每天可覆盖13800km2;在聚束式模式下,作用距离20km～200km,分辨率为0.3m;在移动目标指示模式下,覆盖范围优于200k m,可检测速度为4k m/h～70km/h的运动目标。
诺格公司生产的Ku波段战术增强合成孔径雷达(TES AR)安装在捕食者无人机上,质量76kg;在条带模式下,作用距离25km时,分辨率可达1m。
诺格公司在TES AR的基础上,研制出战术无人机雷达(T UAVR)。
T UAVR为合成孔径雷达/活动目标指示体制,工作在Ku波段,质量小于30kg,在聚束式模式下分辨率可达0.3m。
通用原子公司研制生产的AN/APY28山猫(lynx)合成孔径雷达,可安装在捕食者、蚋蚊等系列无人机上。
AN/APY28工作在Ku波段,质量小于52kg,分辨率可达0.1m。
2002年欧洲E ADS公司研制的微型合成孔径雷达(M iniS AR)工作在Ku波段,质量4kg,功耗60W,分辨率可达0.5m。
E ADS公司开发的类星体(QuaS AR)多功能机载合成孔径雷达工作波段覆盖L、S、C、X、Ku,具有广域、条带、聚束及活动目标指示等多种成像模式,质量为30kg,分辨率可达0.3m。
荷兰研制的调频连续波合成孔径雷达(F MC W S AR)工作在35GHz,分辨率可达0.14m。
2.2 星载S AR星载S AR由于工作不受空间限制,可以对全球进行24h不间断侦察和监视。
美军已经发射了4颗Lacr osse卫星,现在长曲棍球21已经退役,在轨的S AR卫星是长曲棍球22、长曲棍球23和长曲棍球24。
长曲棍球卫星具有多频段、多极化工作能力,空间分辨率小于1m。
其中后2颗是在前2颗基础上的改进型,雷达成像质量有所改善。
2颗长曲棍球卫星配对工作可以反复侦察地面目标。
长曲棍球24卫星主体呈八棱体,长为8m,直径约4m,一对太阳能电池帆在轨道上展开后跨度为45.1m,可提供10k W以上的电力。
天线呈矩形,长14.4m,宽3.6m,由3个平面天线阵组成,每个天线阵含4个长度相等的子阵。
美国正在发展的“天基雷达”计划,是美国空军实施的一项具有空间力量增强战略的计划。
美国按该计划将于2020年前在太空部署20颗S AR卫星,组成天基雷达星座,提高星载合成孔径雷达的侦察能力。
天基S AR数据将与E28C“联合星”、无人侦察机和其它平台所搜集的数据相融合,为作战部队提供侦察地区的清晰图像。
俄罗斯正在研制一颗名为秃鹰22E(Kondor2E)的S波段小型雷达卫星。
秃鹰22E卫星质量仅800kg,由于采用质量极轻的6m折叠式抛物面天线,有效载荷质量仅约250kg,信号带宽200MHz,分辨率约为1m～2m,卫星轨道为800km高的极地轨道。
S AR2Lupe项目是德国第一个专用成像侦察卫星项目,由5颗卫星组成,分辨率高达0.5m。
Ter2 raS AR2X是一颗商用雷达成像卫星,质量1023kg,信号带宽300MHz,聚束模式高分辨率图像产品地面分辨率为1.3m。
德国航空航天中心最近还启动了Tan DE M2X雷达卫星的研究工作,这颗卫星是第二颗TerraS AR2X卫星,它与第一颗TerraS AR2X卫星在轨道协同工作,为德国军方提供数字高程模型。
意大利研制的COS MO2Sky Med星座,是一个低轨道、军民两用地球观测卫星星座,由4颗X波段工作的合成孔径雷达成像卫星组成,雷达工作在X波段(9.6GHz,波长3.1c m)。
日本已经拥有2颗雷达成像侦察卫星,分别是雷达21号和雷达22号,分辨率南北方向为1m,东西方向为3m。
2.3 弹载S AR弹载S AR作为导弹的精确制导导引头,实现景象匹配制导,可以有效提高导弹的突防能力。
1992年,美国洛勒尔和雷锡恩公司已经研制出两个小型合成孔径雷达巡航导弹导引头样机。
雷锡恩公司的小型S AR制导系统工作在Ka波段(33GHz～36GHz)。
(下转第8页)器研制打下基础。
NAS A基础航空学项目和美国空军科研办公室计划5年内投资3000万美元。
这项联合投资计划能够支持大学基础科学或工程研究,更好地了解高超声速飞行。
当前,许多发达国家都将研制高超声速飞行器作为未来国家的战略目标,在这个领域的研究已走过50多年的历史,但由于对超声速燃烧推进系统的基础理论研究还有欠缺,直至今日仍在继续对其基础理论进行研究。