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無源雷達與隱身技術之爭
[ 發布時間:2013-09-29 ]   [ 字號: ]

面對戰機隱身技術不斷擴散的局面,世界各國都在尋求對抗隱身技術的方案,其中一項就是低成本高效無源雷達。無源雷達是一種利用外輻射源的純接收系統。無源雷達接收機呈網狀布局,構成一套綜合系統后可以探測、跟蹤和瞄準有人和無人隱身系統,并引導防空武器系統對它們進行攻擊。無源雷達不發射信號,可以在城市和鄉村地形中嚴密地偽裝。進攻系統不能從友軍雷達預警接收機上獲得任何無源雷達偵察信號的提示,因此很難確定這種雷達的位置并對其攻擊。面對無源雷達的威脅,美國會發現很難再以可接受的代價奪取制空權。目前,無源雷達技術的發展不能使美軍利用傳統手段摧毀對手的防空系統,因此面對裝備無源雷達的對手時,美軍奪取制空權的難度增大,美軍需要改變思維以保持力量投送能力。
  
  飛機與雷達的斗爭史
  
  克勞塞維茲在戰爭論中指出,防御是比進攻優越的一種形式。19世紀末期的靜態戰和1914~1918年的一戰似乎證實這一觀點。不過杜黑在1921年斷言,飛機將改變戰爭形態,擴大進攻優勢,同時削弱了防御優勢。杜黑沒有想到在他的著作出版后幾十年里地空武器系統會得到飛速發展,對空中力量持批評態度的人士同樣未想到。
  雖然德國工程師Hulsmeyer早在1904年就為雷達申請專利,但是直到1935年,雷達才顯示出強大的作戰潛力。英國的羅伯特沃森瓦特在德文垂進行的實驗中使用雷達發現了8英里以外的“黑福德”轟炸機。沃森-瓦特繼續研制本土鏈狀雷達系統,該雷達在1940年不列顛戰爭中為打敗德國空軍發揮了重要的作用。
  在第二次世界大戰中,飛機壓倒性的進攻力量受到雷達和現代防空系統的嚴重削弱。空中力量并不是一種不可對抗的全能進攻武器,轟炸機往往并不能突破敵防空系統。軸心國和盟國雙方的防空系統都先進且靈活性很強。作戰飛機只有付出很大代價破壞敵人的防空系統才能獲得局部的制空權。這一情形從二戰一直持續至冷戰期間。
  盡管沃森一瓦特在德文垂的試驗取得技術上的突破,但那次試驗也反映了無源雷達存在的一些問題,包括信號強度時強時弱,以及因為無源雷達的幾何排列而不能確定目標的位置和對目標的跟蹤不確定等。無源雷達是一種收發分置雷達,意味著接受機與發射機之間有一定的距離。1 936年,科學家通過共享天線對接收機和發射機進行配置,從而解決了幾何排列問題,即單基地雷達,后來通用的常規雷達都采用這種配置。
  雷達是防空作戰系統的基礎,如越戰中,北越軍隊使用防空雷達瞄準美軍戰機,而美軍戰機則對北越雷達實施干擾和發射反輻射導彈。由于北越成功組織了防空,因此美國只能暫時在北越局部地區建立起制空權。越戰期間,北越利用50年代的俄式地空導彈擊落了190架美軍戰機。
  20世紀70年代,洛克希德·馬丁公司的“臭鼬”工廠開始研制F-117隱身戰斗機。F-117在1983年擔負起作戰任務,1989年參與在巴拿馬的作戰行動,1990年參加海灣戰爭。在海灣戰爭中,美空軍使用F-117攻擊伊拉克防守最嚴密的目標。盡管伊拉克配置強勁的防空系統,但是美空軍在海灣戰爭中沒有損失1架F-117戰機。相比之下,美軍有32架非隱身戰機被伊拉克防空火炮或地空導彈擊落。實際上在最近幾年進行的戰爭中,包括1999年的“盟軍行動”和2003年“伊拉克自由行動”,隱身飛機都保持了壓倒性的優勢。
  盡管美國的隱身計劃取得全面的成功,但是1999年美空軍1架F-117在巴爾干上空被塞爾維亞地空導彈擊落。雖然有些人認為該機被擊落只是一種偶然現象,但該事件還是引起了爭議,有人認為這是隱身技術被打敗的一種證明。這一事件表明隱身技術并不會使飛機變得不可見,它只是一種零和游戲。
  
  未來的隱身戰機
  
  事實正相反,F-117在南斯拉夫上空被擊落更向美國表明隱身技術的重要性。美國將隱身技術作為最優先發展的一種技術,如采購新型隱身戰機,或是對隱身戰機進行改進。總之,隱身技術成為美國奪取制空權的核心手段。
  隨著隱身系統變得越來越普通,非隱身系統的數量則越來越少。隱身技術更多地應用到了新研制的軍用飛機,艦只和地面戰斗系統上,世界各國在隱身技術的研究和發展方面投入了大量資金。由于F-117戰機已經于2008年從美空軍退役,現在美空軍的隱身作戰飛機數量短缺。當前美空軍裝備的隱身戰機有20架B-2轟炸機、187架F-22戰斗機,而聯合打擊戰斗機F-35預計要到2012年才能裝備部隊。根據計劃,美國將采購2456架聯合打擊戰斗機,交付周期達28年之久。與此同時,俄羅斯、中國、印度、日本等國正在研制隱身戰機。簡言之,各國對隱身技術需求很大且技術在不斷發展。

  
  隱身技術
  
  隱身是通過一系列技術才得以實現的,它可使一個平臺難以被發現和攻擊。一般來說,它需要減少飛機的主動信號和被動信號特征。主動信號是隱身平臺散發的所有可見信號:而被動信號是隱身平臺在外部照射下散發的所有可見信號。減少主動信號一般采用低截獲概率(LPI)技術,減少被動信號一般采用低可探測性(LO)技術。
  隱身技術設計人員努力使信號技術取得平衡。例如,如果在距離20千米處通過紅外傳感器就可發現該機,那么在5英里處使飛機變得不可見的努力是徒勞的。在減少低截獲概率時設計人員更注重減少飛機雷達和紅外傳感器散發的信號。在降低可探測性時,設計人員主要關注減少雷達頻譜的反射,即雷達橫截面積。
  設計人員主要通過改進機身形狀和采用雷達吸波材料減少雷達橫截面積。機身可以反射雷達信號,使其偏離發射機的方向。改進機身形狀主要是針對傳統雷達而言,傳統雷達的接收機與發射機配置在一起,它針對收發分置雷達的效果較差。雷達吸波材料通過吸收雷達能量和減小雷達回波的強度來增強機身隱身性能。未來可以通過轉播雷達能量或使對機身周圍的邊界空氣進行電離,使隱身飛機主動取消雷達回波。
  
  反隱身技術系統
  
  在介紹無源雷達之前,這里首先要介紹一下具有反隱身能力的雷達和傳感器系統。其中一種最重要的反隱身雷達,即二戰時期發明、并且至今仍在使用的甚高頻和超高頻遠程對空偵察雷達。多數的低可偵測設備使用的技術都是防止被厘米波長級別的搜索雷達和火控雷達發現。甚高頻和超高頻雷達是波長為分米至米級別的雷達。一般來說,飛機的雷達橫截面積隨著照射雷達波長的增加而變大。此外,當雷達波長與飛機或飛機某一部件處于同一數量級時,雷達波與飛機發生共振,從而擴大飛機的雷達橫截面積。較長的波長和共振現象使甚高頻和超高頻雷達發現隱身飛機成為可能。但是由于這兩種雷達的偵察角度和距離的分辨率較低,因此不能提供準確的瞄準和火控信息。

海灣戰爭以后,俄羅斯雷達部隊采取
多種措施對甚高頻和超高頻雷達系統進行數字化改造,以提高這類雷達的反隱身能力。現在,俄羅斯老式雷達的分辨率和信號處理能力得到極大的改善,一些新研制的雷達如Nebo車載甚高頻自適應電掃描陣列雷達可能擁有極強的反隱身能力。
  其它一些新研制的常規雷達可能也具有反隱身能力,如洛克希德馬丁公司的戰區高空區域防空雷達,以色列的“綠松”雷達系統(最近賣給了印度)。這些系統在超高頻L波段上具有很長的探測距離和很高的分辨率。泰利斯制造的信號多波段搜索雷達是另一種反隱身系統。
  被動監聽系統,如電子支持措施和定向系統,能夠發現隱身雷達、電臺和數據鏈發射裝備,并可將這些信息發送給偵察雷達。低截獲概率技術能削弱電子支持措施和定向系統,阻止它們發揮作用,但是俄羅斯的Kolchuga系統仍是隱身系統的一種強大威脅,該系統可得到數字化處理方面的升級。
  另一項反隱身技術是紅外,光電系統,包括紅外搜索、跟蹤和高放大率光學設備,這些系統探測的空域受限,并且必須由其它傳感器引導。此外,紅外,光電系統的探測能力受云層、光照條件的影響較大。隱身飛機可通過熱信號管理、飛行剖面和吸波涂料等來應對紅外,光電設備的偵察。
  另一項具有潛力的反隱身技術是毫米波成像設備,該設備應用所有目標自然發出的無線電信號。毫米波能穿透云層和低能見度區域。雷達可以傳送波形,然后接收和處理回波。AH-64D“長弓”火控雷達是舊式毫米波雷達的一個典型。俄羅斯防務工業已經研制出毫米波防空導彈導引頭,其它國家也在開展類似的研究。
  雖然上述一些技術設備具有強大的反隱身能力,但是它們的一些缺陷限制了他們的防空效力。傳統的雷達易受電子戰和空地武器偵察和攻擊,監聽系統并不能提供跟蹤信息,而紅外/光電/微米波系統的偵察效力有限。相比之下,無源雷達隱蔽能力強,能在全天候條件下工作,可以進行中程和遠程偵察活動,在偵察、跟蹤和瞄準隱身飛機方面具有強大的潛力。因此,它是反隱身技術中最有發展前景的技術。
  
  無源雷達
  
  隨著計算技術網絡和無源雷達技術的發展,它們在對抗隱身空中平臺方面蘊藏的極大潛力很可能會被美國的競爭對手利用起來。此外,這些系統成本不僅低,而且可以現貨供應,因而對許多非競爭對手也具有很大的吸引力。
  無源雷達使用外輻射源,潛在的波形包括調頻(FM)和調幅(AM)電臺、電視、數字音頻,視頻廣播,蜂窩電話網絡。今天,無源雷達配備一個或多個發射機和接收機,可很方便地配置成多基地雷達系統。
  無源雷達通過綜合多種方式確定目標位置并進行跟蹤。雷達可根據收發分置距離和接收機至目標的方位測定目標位置,同時利用其他技術手段,如進一步測量多普勒頻移(即相對運動引起的波形壓縮或展開),來確定目標的方位、速度,再通過進行信號更新來對其進行跟蹤。
  先進的信號處理技術可使無源雷達利用多個接收機中的數據,刪除信號干擾,從疊影回波和雜波中區分真正的目標,并得到目標航跡,這在以前還被認為是不可能的。這樣的處理需要極高的計算能力,目前大多數無源雷達系統都使用商業DOS計算機技術。
  依靠這些技術,一些國家已經研制出幾種系統,如洛克希德·馬丁公司的“寂靜哨兵”系統,英國羅克·曼勒研究公司的“蜂窩雷達”(Celldar),泰利斯-雷聲公司的“本土警報器”。中國、法國、瑞典和俄羅斯也開發出類似的一些系統。
  高頻、甚高頻和超高頻波段的幾種波形已經顯示出作為無源雷達的潛力,并且表現出反隱身特征。在甚高頻波段,調頻電臺以相對高的功率廣播,并且在人口密集地區中布置了多個發射機。模擬信號電視(甚高頻波段)同樣提供有用的照射,世界各國廣泛使用的數字音頻廣播亦如此。數量在全球越來越多的高清電視則在超高頻提供寬波段高功率波形。在高頻波段,世界數字電臺(短波調幅電臺數字形式)同樣具有用作無源雷達的潛力。
  這些波形在反隱身方面有著不同程度的效能。模擬信號電視和調頻電臺具有強大的照射能力,并且偵察距離較遠,如調頻電臺偵察距離約為120公里,但前者信號易受干擾,后者信號易中斷。高清電視可以提供連續信號,偵察距離在120千米。利用數字電臺可開展超視距偵察,但是它的分辨率較低而不能用作為預警雷達。數字音頻廣播的波形雖然可以多次使用,但是功率低,偵察距離僅為36千米。可以將以上波形組合起來使用,現有的一些系統已能夠在多個波形中提供準確的三維偵察能力,如調頻電臺、模擬信號電視和數字電視。更重要的是,上述所有波形頻率在3至450兆赫內,波長在分米至米級別,這些波形會增加雷達的橫截面積,并與飛機相互作用產生共振效應。由共振產生的雷達橫截面積很大程度上取決于機身形狀,簡言之,這一頻譜內的雷達天性就是反隱身的。
  因為無源雷達具有偵察、定位和跟蹤功能,它可以履行目標識別功能,目前正在發展的一些措施是使用多基地超高頻波段反向合成口徑雷達開展目標照射活動。此外,現有的被動目標識別措施,包括電子支持措施和定向很可能會作為無源雷達的補充手段。如果成功地確定了目標的軌跡并識別了目標,無源雷達就可以引導地空導彈系統或空基武器系統。武器系統的引導需要通信基礎設施。對于秘密系統來說,這意味需要為陸基武器建立起局域網絡,為空中平臺建立起低截獲概率數據鏈。
  對于指令制導模式地空導彈來說,無源雷達可以通過數據鏈提供中段制導,為了跟上無源雷達系統的發展,被動導彈導引頭,如紅外、光電、毫米波或多傳感器可以用于終端制導,以完成整個殺傷環節。
  無源雷達相對便宜,并且隱蔽性強,具有進行隱蔽攻擊的能力。未來的競爭對手將尋求使用無源雷達,或無源雷達與主動偵察雷達協同工作的方式來對抗美國的隱身優勢。他們可能會對商業媒體采取嚴密的控制措施,并將其用作無源雷達,還可能會制造多基地甚高頻和超高頻雷達接收機網絡,并將這些系統與城市中的垂直建筑物融為一體,就是在沒有架設媒體廣播的偏遠地區,他們也可以分散部署一次性低成本發射機網絡,執行區域偵察照射活動,并對其進行綜合運用,快速有效地進行指揮和控制。所有這些,再加上對手可能正在努力研制或采購的具有低可探測性的地空導彈,以及部署在高空,中空的無人器,都將對美軍戰機在這些區域的活動形成極大的威脅。
  
  對抗無源雷達
  
  對抗無源雷達難度較大,對手使用無源雷達不會有任何明顯的跡象,在這種情況下很難為戰機提供敵地面火力的預警能力。由于沒有相關的電子情報,使用非直接手段(如人力情報、地面偵察、計算機網絡戰和節點分析等)來確定無源雷達的接受機的難度也會很大。這是一件艱難的任務。
  如果找不到指揮控制節點和接收機,美軍可以集中攻擊一些可疑的發射機,如調頻電臺。電視和高清電視網絡。不過這些目標位置特殊,摧毀它們帶來的附帶損傷可能會導致不可預期的戰略后果。
  在戰術層面上,友軍可能會針對地空導彈的發射和飛行使用反應性防御措施,通過電子攻擊、遠程打擊武器,定向能武器等手段反擊相應的威脅系統。不過這種措施會耗費大量的時間和資源,不可能獲得低空和中空的控制權。
  電子戰手段可能會使無源雷達暫時變得無效。但是因為接收機位置不明,干擾設備需要在寬廣的頻譜上發射信號,從而不可避免地會減少干擾信號的強度。此外,因接收機位置不明,運用欺騙性干擾對抗無源雷達的效果也不會很好。其它對抗無源雷達的手段包括特種作戰和計算機網絡攻擊。

總之,在有限戰中,攻擊無源雷達系統的難度可能會非常大。發現導彈系統,如機動地空導彈系統,無人機和便攜式防空系統的可能要比發現無源雷達要容易一些。對手很可能部署大量的被動防空系統,因此美軍確定和摧毀這些系統將是一個長期、繁雜的過程。
  建造新一代隱身飛機是一種可行方案,但隨著反隱身技術的發展,美國保持隱身優勢的努力將會越來越難成本也會越來越高。
  
  影響
  
  毫無疑問,無源雷達已成為對手對抗美國空中優勢的核心技術。隱身將繼續是戰術飛機一大特征,但美國的競爭對手會越來越多地使用無源雷達和武器系統去偵察、搜索、跟蹤和瞄準空中隱身平臺。面對這樣的系統,隱身本身不能為有人駕駛飛機、無人機和導彈提供有效的保護。為了更好地對美國的未來進行定位,美國的軍事戰略和戰役決策者必須清醒地認識到目前正在出現的對抗美國空中隱身優勢的技術,這些技術的核心就是無源雷達。美軍必須采取適當的措施來保護美國,例如:
  
  成為無源雷達領域的領導者
  美軍必須掌握無源雷達知識,不只是在理論上,或在小規模的研究和發展計劃中,而是付諸專門的努力,不能再像過去那樣專注于常規雷達系統的研制。也許有人會問為什么在沒有直接的隱身競爭對手時就要發展反隱身技術?答案就是競爭對手正在研制這項技術,美國不能在隱身技術上花費了數十億美元,卻不能對抗敵人的系統。美軍必須提高無源雷達研究和發展的優先程度,并在美國的訓練場部署無源雷達系統,以用作美國隱身飛行員和系統的訓練工具,試驗反制措施和戰術,并進行系統的性能評估。
  探索多種方式以削弱對手無源雷達的效用
  美軍應針對無源雷達重點發展多層電子戰能力,持續發展戰機和無人機的多層防御措施。
  
  在未取得制空權時為軍事行動的開展做準備
  美軍應研制無源雷達,削弱對手的空中優勢,繼續整合有人系統與無人機系統,在沒有制空權和僅有局部制空權時,制定應急軍事行動計劃和開展相應的訓練。

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