雷达侦查与监视技术

    在军事领域中，雷达是一种侦察与监视中最常用最广泛的手段。Wikipedia给雷达下了一个定义：雷达是通过电磁波获取目标距离、角度和速度的检测系统。根据这个定义，可以分析出三点：第一，雷达依赖电磁波进行探测；第二，雷达本质上是一个检测系统；第三，这个定义还对雷达的功能做了一个直接归纳，雷达主要就是获取目标的距离、角度和速度信息，也就是常说的测距、测角、测速三大功能。

    对这三点进行简单的扩展。雷达依赖电磁波进行探测，一个物体，只要它能够反射电磁回波，就可以作为雷达的目标。这种反射包括散射、绕射、后向散射等，其中以后向散射为主。在军事应用中，对电磁波反射敏感的目标不仅有金属介质为主的飞机、船只、导弹、车辆，还有非金属介质的云雨、植物、动物等等。这种特质与电磁波所在频段有直接关系，例如X波段的电磁波照在树木上时会像光波一样反射，C波段的雷达可以穿透一部分叶簇，而更低的L、UHF、VHF波段可以穿透叶簇照到树干。

    表1列举了常见雷达的工作频段与功能应用。不同的频段具有不同的特征，适合不同的应用。粗略地来说，频段越低，天线尺寸越大，穿透与绕射传播的效应越明显，频段越高天线尺寸越小，穿透能力有所减弱。

表1.雷达工作频段与功能表

    雷达作为一种机械与电子部件构成的复杂系统，具有强大的功能，它的基本原理类似于蝙蝠。蝙蝠通过嘴巴发出一连串人耳听不到的超声波灵巧地躲避障碍，捕捉到自己感兴趣的目标。所不同的是蝙蝠采用的媒介是声波，而雷达的媒介是无线电波。典型的雷达主要由发射天线、接收天线、发射电磁波的发射机、接收电磁波的接收机、信号处理机以及显示终端等组成，如图1所示。通常雷达的收发天线需要隔离，例如传统的连续波雷达。无源雷达不需要主动发射电磁波，不需要发射机和发射天线。如果雷达发射与接收的信号可以从时序上分开，收发天线就可以共用，如典型的脉冲体制雷达。此时，发射机和接收机之间加入一个收发转换开关。当雷达发射信号时，这个开关就使发射机与天线相连，形成发射通道。当雷达接收信号时，这个开关将天线和接收机相连，形成接收通道。

    图1.雷达系统基本组成

    雷达的基本组成可以按照功能进一步划分。雷达以电磁波为媒介，利用电磁波对特定信号展开调制，需要产生特定的雷达波形，这一部分通常由信号源实现。信号源发出的信号功率比较小，难以满足雷达的作用距离，无法覆盖雷达的威力作用范围。提高作用距离最有效的一个途径是提高雷达的发射功率，需要加入放大器对信号源产生的信号进行功率放大。这一功能通常由发射机实现的。发射机放大的信号经过发射天线照射到目标，再返回给接收机。对于相干处理的雷达系统，发射机还会将信号返回给接收机及信号处理部分作为后续信号处理的参考信号。电磁波在空间传播中，是有衰减、损耗的，实际通过天线进入雷达的接收信号功率相比发射信号要小得多，而且可能还混有杂波与噪声。因此接收机接收的信号通常要经过前置的低噪声放大或者滤波，并对信号进行解调，进行信号处理，最终显示给操作人员相关的检测结果。

    雷达在实际发射电磁波探测目标时，不仅会收到目标的回波，也会收到目标所处环境中的杂波、干扰与噪声。杂波包括地杂波、云雨杂波等，干扰可能有人为的箔条干扰，也可能有复杂电磁空间中的射频信号，都是检测时不感兴趣的目标。典型的雷达检测采用的是门限方法，如果门限设置过高如图2(a)所示，那么雷达有可能发现不了目标，产生漏警。如果门限设置过低如图2(b)，那么雷达有可能把杂波、干扰、噪声等信号误认为是目标，产生虚警。门限的划定是一个经典的检测问题。实际中为了取得更好的效果，还会进行相关的雷达信号处理，尽可能的消除干扰、抑制杂波。

（a）判决门限过高

（b）判决门限过低

图2.门限检测示意图

    当雷达探测到目标时，雷达可以获取目标的距离、角度和速度信息，具有测距、测角、测速三大功能。如果在一段时间内能够测量获得目标到雷达之间的距离，就可以将目标确定在以雷达为圆心的一个球面上；如果能获得目标的方位角，则能够将目标确定在垂直地平面的一个平面上；如果能获得目标的俯仰角，那么就可以将目标确定在以雷达为顶点的一个圆锥面上面。获得了目标的距离、角度信息就可以将目标的空间三维位置标定出来，如图3所示。如果能继续确定目标的运动速度，那么就可以获得目标的基本信息。

图3.用坐标系表示目标位置

    以上述基本参数为核心，可以将雷达的功能进一步扩展。首先是目标探测，在整个空间中去搜索、发现目标，判断目标是否存在，解决目标的有无问题。其次，对目标的基本参数距离、角速度的测量，即实现测距、测角、测速三大功能。在此基础上，还需要进一步识别目标，分辨目标的形状、尺寸，通过目标的特征测量判断目标类型，甚至对它的威胁等级进行评估。所有的雷达在设计的时候，都希望能够尽可能实现这三大任务中一种或者几种。