精品课程：雷达探测与对抗-机载火控雷达的功能

精品课程：雷达探测与对抗-机载火控雷达的功能

当载机到达指定的作战空域时，在空空搜索时方位扫描有多种选择，比如方位±10°，20°，30°，60°，同时俯仰做1行、两行或者4行扫描。

固定式的相控阵天线，其最大的扫描角度都被限制在了以雷达天线中心点为中轴线的±60°（120°）范围内。因为一旦雷达探测角度超过这个数字，就容易出现诸如天线增益降低、波束展宽等导致雷达探测能力下降的问题。简单点讲，其原理其实与人的眼睛类似，即如果我们头保持不动，仅用眼球或余光去观察其他方向的话，是很难看清楚东西的。

而为了解决这个问题，在更新的一些机载相控阵火控雷达上，设计师们又不得不把机械扫描装置或者旋转台给请了回来。这些相控阵雷达在引入了与传统平板缝隙天线一样的机械扫描模式后，原本堪堪±60°（120°）的探测角度限制，一下子就突破到了±100°（200°）的级别，甚至还具备了一定的后视能力。当然，为此付出的代价也就是前面提到的传统机械扫描雷达的缺点。

扇区搜索：

扇区搜索是机载火控雷达的主要搜索方式，能为载机提供较大空域范围的态势感知信息。扇区搜索一般分为多种角度范围的搜索模式。每一种搜索模式具有俯仰扫描行数的选择，扇区方位和俯仰中心的调节，以便根据作战的需要选择不同的空域覆盖范围进行搜索。机载火控雷达空空搜索通常采用的是笔状波束，以获得更高的角度测量精度，同时俯仰多行扫描扩大俯仰覆盖范围。扇区扫描还能提供多种重复频率的波形选择或者扫描行间交替，以实现对全向进入目标的探测。

引导搜索：

扇区搜索采用大范围的空域搜索方式获得态势信息，是一种自主性较强的搜索模式 。但是在需要隐身作战的条件下，增加了暴露自身的危险。

所谓引导搜搜就是利用载机平台其他传感器信息（电子战、红外传感器）或者载机平台外的信息（数据链）的引导，对制定区域进行小范围的搜索功能。一般这个范围很小，比如2°*2°的范围，小范围搜索提高了探测发现目标的概率和距离，同时降低了雷达信号被敌方截获的可能。

引导搜索要求波束指向快速敏捷，这是相控阵雷达固有的优势。

猝发探测功能:

猝发探测是指短时的发射信号对目标进行探测的功能，通常是在引导信息下进行的确认性质的雷大短时探测，猝发探测的特点是突然和短时，以减少雷达发射的暴露时间，降低截获的概率。

目标跟踪功能:

目标跟踪功能仅能提供目标的点迹信息，没有目标准确的运动参数和运动轨迹信息，只能满足战场态势感知的需求。

目标跟踪通过对目标的连续或者间断测量并通过跟踪滤波处理，获得目标的运动参数和运动轨迹信息，即航迹信息。

有源相控阵雷达可以提供两种精度的目标跟踪能力，其一是态势感知精度的目标跟踪，跟踪目标的数量更多，雷达奥勃抒回照目标的间隔周期更长

一种是武器制导精度的目标跟踪，精确的目标航迹信息可以用于引导武器攻击目标，这时候跟踪的目标数量更少，雷达波束回照目标的间隔周期更短。

IRST是远距离机载红外搜索跟踪系统的简称，EODAS系统是机载光电分布式孔径系统的简称，两者都是依赖红外被动探测静默工作，这种东西无视干扰，发现敌人了也不会像雷达一样被报警，敌方目标根本就不知道。

IRST探测距离远，如果性能优异的最远可达上百公里，不知道歼20有没有这么厉害的距离，俄罗斯得战机的雷达系统性能一直与西方国家有差距，因此在西方三代机取消IRST探测情况下，俄罗斯一直将这套系统当作雷达探测的补充设备，如今俄罗斯的IRST最远可达上百公里了。他还有一个优点就是分辨率高，缺点是只能像指定方向探测。而EODAS系统虽然分辨率没有这么高，探测距离也没有这么远，但是他是全向无死角探测，与作为IRST的补充搭配，这样就能实现较大的战场感知能力。 

空－空功能是机载火控雷达的基本功能，主要针对的是各类空中目标，典型的目标是战斗机、轰炸机、运输机、无人机等以螺旋桨或喷气发动机推进的飞机。随着现代战争形式的不演化，先进的空－空功能已开始将悬翼直升机、巡航导弹、气球或飞艇等威胁已方平台或设施安全的新旧威胁都列入了搜索目标。 

从空－空功能的作战过程来看，一个完整的空－空任务至少包含搜索、截获和跟踪三种子功能，虽然有些雷达将截获功能也列为一种专门方式，但是它本质上是个过渡过程，雷达工作的主功能就是搜索和跟踪，而这些功能又对应了不同的功能子模式。 

(1)边搜索边测距模式(RWS)

RWS功能主要用于对感兴趣的空域范围进行扫描搜索，此模式因其能对外提供目标的距离而得名，实际上RWS往往还提供目标的粗略方位角、俯仰角(高度)以及速度等信息。在RWS方式下飞行员可以干预控制的方位范围、俯仰范围(高度范围)以及距离量程。 

当搜索的目标高度高于本机时，习惯上称上视搜索，反之称下视搜索；当重点搜索的是迎头目标时，又称前半球搜索，反之称后半球搜索。RWS模式往往还引伸出子模式的划分，即所谓正常搜索和增程搜索，增程搜索主要用于飞机上有较为完善的自动引导系统(如数据链)的情况，此时由于雷达得到的目标引导信息相对准确，就可以自动设置较小的角度搜索范围以利于尽早发现特定距离、特定高度和方位上的目标。

(2)边搜索边跟踪模式(TWS)

TWS模式是机载火控雷达空－空功能的另一主要工作方式，它的基本工作原理与RWS相同，但是扫描模式的选择往往相对固定，飞行员可干预的选项相对较少。另外，当搜索过程中发现目标后，它还会自动建立起对数个目标(具体数量由指标规定)的跟踪，并将其中最危险的两个目标标志为高优先级目标和次优先级目标，对危险目标自动调整雷达天线扫描范围，予以尽可能覆盖，这时往往天线的扫描中心不能完全由飞行员控制，但是危险目标的排序选择可以由人工干预改变。 

需要指出的是，TWS模式下的“跟踪”主要是指航迹连续更新，角度范围内自动覆盖危险目标，但是这种“跟踪”所提供的目标数据一般情况下精度偏低，往往构不成武器发射的条件。 

边搜索边跟踪(TWS)的工作模式通过搜索得到一帧数据，进行数据的关联、滤波、预测等数据处理，以完成多目标跟踪的任务。

TWS模式下，搜索占主导地位，跟踪不额外占用专门的跟踪波束对目标进行照射。天线以某个固定速率进行扫描，每次扫描能够获得目标的距离、角度和速度信息。在搜索方式下，每次扫描的结果独立，各帧之间不进行相关处理；而跟踪的区别之处在于，雷达需要判定当前目标是否是新目标，故需对帧间的目标数据进行相关处理，以实现对目标的确认和跟踪。跟踪与搜索同步进行，所以二者的数据率也相同，都等于扫描帧数据率，从而可由扫描窗口的大小和每个波位的驻留时间计算得出。因此，受数据率的限制，跟踪精度较低。

机载火控雷达采用高、中、低三种脉冲重复频率波形，其中HPRF由于存在一段杂波清晰区，非常利于高速迎头目标的检测，于是现代雷达大都设计了利用HPRF波形专门检测高速迎头目标的模式，但是此种模式与RWS不同，它不能提供目标的距离信息，故称速度搜索模式。 

VS模式由于不具备测距能力，因此使用上有诸多限制，一般主要用于远距离高速目标的前期检测，起“警示”的作用，它必须与其它工作模式配合才能最后完成武器攻击的制导任务，随着相控阵雷达的出现，此种模式有可能最终会变为雷达的一个处理过程，而不是一个可供飞行员使用的模式。 

ACM主要用于近距离空战格斗，此时作战双方距离很近并且伴随较大的机动动作，谁掌握先机，谁就赢得胜利。因此，为适应近距离交战这一特点，ACM相对于RWS和TWS模式的主要区别有以下几点：一是虚警率要求严格，一般高于常规搜索数倍以上，相应不太强调远距离；二是要求对一定距离上的目标自动截获，且截获速度要快；三是扫描图形甚至扫描速度有严格限制；四是在近距离格斗时，载机和目标机的相对机动大幅度提高，要求雷达在保证一定数据精度的要求下仍然保持稳定跟踪。 

该模式为相控阵雷达所特有，能够充分发挥相控阵天线波束捷变的潜力，但同时也将耗费更多的雷达资源。这是由于相控阵雷达波束扫描的灵活，雷达的搜索任务与跟踪任务可利用时间的分割相对独立的完成，也就是以时间交替的方式合理安排搜索波束与跟踪波束。假设雷达监视空域内有2个目标，相控阵雷达对这2个目标的跟踪数据率比搜索数据率要高，搜索任务执行一次的时间，可以将跟踪时间安插到搜索时间，在需要执行跟踪任务时中断搜索任务，调整参数将天线波束用于目标跟踪，跟踪完毕后再继续进行搜索。

基于相控阵雷达的电子扫描控制的无惯性以及搜索和跟踪不同的数据率，在维持对规定区域内的搜索能力的同时还有“空闲”去执行多任务、多目标，甚至在跟踪目标时还可以根据目标的RCS大小和目标的距离以及目标的威胁程度来合理安排交替的时间和能量的分配。

TAS与TWS模式的完全扫描范围和搜索/截获窗口相同，搜索图形的基本框架也相同，波形参数选择策略和搜索事件信号处理等过程均相同。TAS与TWS模式的主要区别在于雷达时间资源的分配和波束调度方面。

区别在于TAS在其中穿插了大量的跟踪任务波束。雷达将部分时间和波束资源用于照射已发现的需要跟踪的目标，以达到跟踪数据率要求，波束指向由目标位置或预测位置来控制，而TWS则仅仅依照预先设定的波位编排方式和扫描图形进行顺序扫描。

TWS模式将搜索与跟踪捆绑在一起，而TAS模式跟踪与搜索波束独立，跟踪任务按照一定的数据率安排专门的照射波束，得到目标信息后立即进入数据处理，具有很高的实时性。TAS模式利用相控阵雷达波束捷变和能量可控的特点，对资源的配置和调度更加灵活多变，可以按目标机动等情况进行调整，达到较高的跟踪数据率，从而大幅度提高跟踪精度和稳定性。

跟踪功能发挥作用的前提是雷达在搜索阶段发现目标，并成功进行目标截获，跟踪功能的子模式划分一般与雷达能同时跟踪目标的个数有关。 

(1)单目标跟踪模式(STT) 

STT是机载火控雷达空－空方式的一种常用工作状态，在此状态下，雷达自动控制天线保持对空中目标的持续或基本持续的定点照射，同时向武器系统提供精确的目标参数，这些数据较为精确地反映作战目标在空中的相对或绝对坐标，以及目标相对于本机的有关运动趋势信息。 

(2)双目标跟踪模式(DTT) 

DTT模式的出现为飞行员同时攻击两个目标提供了可能，在这种模式下，雷达能保持对两个空中目标的同时跟踪，一般情况下天线的运动模式为“点到点”。实际上DTT可以看成两个STT目标对雷达资源的时分复用(不同时段传输不同信号)。 

(3)多目标跟踪模式(MTT) 

由于现代雷达的技术水平日益增长，特别是高速处理技术和相控阵技术的引入，使得火控雷达的设计人员已不再满足于同时对两个目标的跟踪，开始研制具有MTT功能的雷达，为飞行员同时攻击两个以上的目标提供了可能，至少有利于飞行员掌握空中态势并随时切换攻击对象。 

空-空功能（A-A）-跟踪加搜索功能

即雷达在跟踪一个或数个目标的同时还能保持对特定空域的搜索，它是跟踪功能与搜索功能的结合，显然对于作战 使用有着无可比拟的优越性，但是它对雷达自动处理能力的要求极高，一般更多见于新开发的相控阵雷达。 

加强对地面目标的精确打击能力是现代战斗机火控雷达大力持续开发的功能之一，机载火控雷达对地功能包括成像、固定目标及动目标检测跟踪、成像叠加动目标等子功能模式。 

(1)真实波束地图模式(RBM) -real beam mapping

这种模式直接用雷达接收到的回波强度数据来绘制地面的无线电对比图，方位分辨率接近于实际的雷达波束宽度，因此而得名。RBM是最简单最原始的识别地面目标、地形地貌和导航的雷达手段。当飞行员选择对某一成像区域进行扩展时，就引出了地图扩展子模式，它可以放大显示RBM的局部；当飞行员需要冻结成像画面时，就引出了地图冻结子模式，此时画面冻结，载机运动轨迹在地图画面上更新。 

(2)多普勒波束锐化模式(DBS) -doppler beam sharpening

根据波束内不同角度地块产生不同的多普勒频率的基本原理，将真实波束的角度进一步细分(即所谓锐化)，从而可以获得更高分辨率的地图，用来准确地确认地面导航标志和分辩地面目标，作为一种辅助导航及对地精确打击的重要手段。相应DBS的主要衡量指标为“锐化比”。 

(3)合成孔径模式(SAR) 

利用载机的平台运动，通过先进的信号处理技术来合成等效长的天线孔径，从而得到更高分辨率的地图，现代先进火控雷达已能做到约0.5～5米的分辨率。 

(I)空－地测斜距模式(AGR) 

雷达波束根据飞行员控制指向地面特定区域，自动测出载机到地面指向的斜距，为攻击地面目标提供数据。 

(2)固定目标跟踪模式(FTT) 

这种方式可以用游标在RBM和DBS形成的地图上手动选择位置已知的固定目标进行跟踪。当跟踪实施后，游标固定在被跟踪目标上，不可再移动，目标位于游标十字叉中心。一旦目标被探测到发生移动，或在背景中不再显著可识别，雷达自动放弃目标。如果此时实施“冻结”，雷达发射机停止发射，目标位置保持不变，同时进行载机的运动补偿。当从“冻结”状态退出时，雷达返回搜索模式。 

(3)地面运动目标指示跟踪模式 

雷达检测地面上有一定运动速度的目标，主要用于指示各类交通运输工具。当对目标进行截获操作后，即转入地面运动目标跟踪。 

(4)地面动目标跟踪 

该模式自动维持对运动目标的精确跟踪，用于武器投放。该模式仅仅能够从GMTI模式进入。在GMTI模式下检测到的动目标可以用GMTT方式进行截获和跟踪。。 

对机载火控雷达而言，空－海功能基本类似于部分空－地功能，只是所检测的背景特指海面而已。 

(I)海Ｉ方式(SEAI) 

在海浪低于0.91m时(三级以下海情)，雷达工作在海Ｉ方式，用来检测海面上的运动目标，类似空－地功能的RBM模式。 

(2)海Ⅱ方式(SEAII) 

在海浪大于三级海情时，为检测海上有一定运动速度的目标，雷达工作于海Ⅱ方式，系统大都采用脉冲多普勒技术，类似于DBS模式。 

实际上所有成像模式都兼有导航的功能，此处不再重复描述。 

导航功能

(1)信标模式(BCN) 

机载火控雷达工作在信标方式时，雷达发射特定频率的信标询问信号，与地面的信标台联系，地面信标台收到询问信号后，自动发射另一特定频率的信号，雷达收到信标台的回波信号后，经过解码将信标台的方位和距离以PPI格式显示，为飞行员飞行或对地面目标轰炸提供必要的数据和引导。 

(2)载机测速模式 

雷达天线在俯仰上进行扫描，根据来自地面不同点回波的多普勒信息来测量载机的精确对地速度，这一方式在载机速度出现异常的情况下使用，一般情况下不用。 

(3)地形跟随模式(TF) 

地形跟随是载机沿地表纵向曲线(地形纵向轮廓线)的航线飞行，雷达随着天线在俯仰上的扫描进行空一地测距，描画出地球的剖面轮廓图。通常将地形跟随和自动驾驶仪相结合，为飞行员提供地形信息，做出“绕过”或“通过”的选择。 

(4)地形回避模式(TA) 

地形回避指的是贴近地面飞行的能力，通常在低空作战和低空空防时使用，飞行员根据地面标志，充分利用地形条件掩护自己，避开地形障碍，避开敌方防空火力网的攻击，突然接近敌方军事目标，实施有效的对敌攻击。 

(5)气象回避(WA) 

雷达通过探测前方航路上的气象回波来提示飞行员选择安全性的航线，避开恶劣天气区域。

电子对抗功能

有源相控阵雷达在雷达的频率带宽内探测到威胁的时候，雷达可以生产干扰能量波束对对抗敌方的雷达。

(1)高增益电子支援

利用有源相控阵的高增益天线和高精确度的测角能力，在敌方雷达波束覆盖空域和频率探测范围内，实现无源侦察兵完成对侦收信号的分析鉴别，为载机提供远距离、更高精度的无源探测和识别能力。

(2)功率电子对抗

利用有源相控阵天线的高增益和大功率，在雷达波束覆盖的空域和频率范围内，提供大功率压制干扰。

上图显示了F-22战斗机将空空作战边界划分和对应的需求。从图中可以看出，依据目标/威胁的远近，F-22将空空作战区域划分为态势感知、交战/回避决策、超视距攻击、威胁回避、威胁对抗等区域，每个区域都有明确的边界和对传感器的要求。 

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