机载预警雷达概论

机载预警雷达概论

机载预警雷达概论

一、预警机在现代信息化战争中的地位和作用

1. 预警机是一种装有远距离搜索雷达、数据处理、敌我识别以及通信导航、指挥控制、电子对抗等完善的电子设备，集预警、指挥、控制、通信和情报于一体，用于搜索、监视与跟踪空中和海上目标，并指挥、引导己方飞机执行作战任务的作战支援飞机[1]。

2. 预警机于第二次世界大战结束时问世，曾被用于越南战争，但直到上世纪八十年代初中东战争中的“贝卡谷地”之战，预警机创造了一边倒的军事奇迹，才受到世界军事强国的密切关注。1982年6月6日，以色列90架战斗机在E-2C预警机的指挥下，向黎巴嫩贝卡谷地发起进攻。E-2C预警机先敌发现前来支援的近百架叙利亚战斗机，适时干扰、遮断它们与地面指挥部的联系，以损失1架战斗机的代价，一举击落、击伤叙利亚战斗机79架和7架。

3. 预警机已成为军队信息化的重要标志，是现代战争整个作战体系的神经中枢。1991年海湾战争期间，美国动用了27架E-2C和11架E-3预警机参战。E-2C预警机出动1183架次，飞行4700小时，用于预警和通信中继。E-3预警机共出动448架次，飞行5546小时，指挥控制各型飞机9万架次的飞行。由于空战中有预警机指挥控制，以美国为首的多国部队未损失1架参战飞机，伊拉克飞机则被击落40余架 [1]。

二、世界现役主要预警机及其机载雷达介绍

4. 美国E-2C ，中高空目标探测距离480km，低空目标探测距离270km，可在复杂背景中同时跟踪300个目标，引导己方数十架飞机实施拦截。“鹰眼”预警机。它是目前世界上最先进的舰载预警机，1968年开始研制，1973年交付使用，主要任务是掌握空情，对进犯的战斗机和导弹进行预警，配合航空母舰或地面指挥所完成对己方战斗机的作战指挥。E-2C预警机先后使用了AN/APS-138、139和145三种型号的监视雷达，工作在超高频（UHF）波段，具有对空、对海、对地三种工作方式，方位覆盖360

5. 美国E-3 ，小型低空目标探测距离300km，大型高空目标探测距离600km，可在复杂背景中同时跟踪600个目标，引导己方上百架飞机实施拦截，并具有良好的对抗各种人为干扰的能力。“望楼”预警机。它是波音公司根据美国空军“空中警戒和控制系统（AWACS）”计划研制的全天候远程预警机，1977年研制成功，共推出了E-3A、E-3B、E-3C、E-3D和E-3F五种型号。E-3系列预警机先后使用了AN/APY-1和AN/APY-2两种型号的监视雷达，均属S波段PD体制，方位覆盖360 ，在巡航高度值勤时的典型作用距离：小型低空目标230km，大型高空目标600km，最多跟踪50个目标，引导和指挥己方10~12架飞机作战，整体性能略逊于E-3。6. 俄罗斯A-50“中坚”预警机。它是前苏联于二十世纪七十年代中期开始研制的全天候远程预警机，1986年开始装备部队，目前为止已有21架在俄罗斯空军服役。A-50预警机的监视雷达也是S波段PD体制，方位覆盖360

7. 以色列Phalcon“费尔康”预警机。它是以色列ELTA公司于二十世纪九十年代开始研制的远程预警机，其最大特点是采用L波段共形相控阵天线，可提供360°全向覆盖，能够全方位搜索和监视陆地、水面和空中目标。在巡航高度值勤时的典型作用距离：大型高空目标670km，中型目标445km，低空小型目标370km。

8. 瑞典Erieye“埃里眼”预警机。它是瑞典Ericsson公司1982开始研制的一种小型预警机，其最大特点是采用平衡木形的背鳍式相控阵天线，不能实现360°全方位覆盖，在7km高度执勤时的典型作用距离：大型机300km，小型战斗机200km，巡航导弹100km，可同时跟踪300个目标。

9. 俄罗斯Ka-31预警直升机。它是前苏联卡莫夫设计局1987年研制成功的一种舰载预警直升机。装备的E-801“眼睛”雷达工作在分米波段，采用安装在机身下可旋转的平板天线，具备360°全方位探测能力，3500m高度巡航时的典型作用距离：水面舰船250km，4570~3200m高度的空中目标200km，可同时跟踪20个目标。

三、机载预警（AEW）雷达的目标探测原理和技术难点[3]

10. 预警机系统由载机与飞行保障分系统、任务电子分系统和地面保障分系统三部分组成。任务电子分系统是以下八个分系统的总称，即

监视雷达分系统

数据处理与显控分系统

任务软件分系统

电子侦察（ESM）和通信侦察（CSM）分系统

导航分系统

通信分系统

二次雷达分系统

自卫电子分系统

其中，监视雷达是整个预警机系统的最主要传感器，预警机的绝大部分功能都依靠监视雷达提供的信息来完成。 11. 众所周知，由于受到地球曲率和地形遮挡的影响，地面雷达存在低空探测盲区。如果仅考虑地球曲率的影响，雷达视距Rmax与天线高度ha、目标飞行高度ht之间存在如下关系：

（米）

假设巡航导弹在海上的飞行高度为10米，速度为1马赫，雷达天线架高到100米，可算出雷达视距为54公里，只能得到最多2.7分钟的预警时间。因此，架高天线不仅无法从根本上解决岸/海基雷达的低空探测盲区问题，而且会严重影响雷达的机动能力。为此，把地面/舰载预警雷达搬到飞机、气球等升空平台上是必然的选择。

12. 将雷达从地面和舰上搬到高速运动的飞机上，不仅使雷达的体积、重量与天线形式受载机的容积、载荷与天线安装条件的限制，而且导致AEW雷达的杂波环境具有以下特色：

雷达对低空和海面目标是下视方式观察，目标背景上有地面或不平静海面产生的强反射杂波，杂波功率远远大于目标回波功率。只有在很平静的海面上，雷达波以较小的角度照射时，海面呈镜面反射，基本不产生后向散射杂波；

雷达随载机一起高速运动，使得地/海杂波即使是由固定地物产生的，仍有多普勒频移 是雷达波的指向与载机航向的夹角。根据多普勒频移公式，由于与载机航向的夹角不同，波束中心与波束边缘的杂波谱会有差异，这就形成了杂波多普勒频谱的一定宽是雷达发射信号波长，。其中，v是载机的飞行速度，度。

13. AEW雷达天线的主瓣和旁瓣照射到地/海面都会产生杂波。常见的机载雷达下视杂波谱与目标回波信号多普勒谱分布情况如下图：

从图中可以看出，当目标回波从天线主瓣进入时，只要目标与载机有相对运动速度（目标的多普勒频率不与高度线杂波重合），而且此速度值又与天线主瓣杂波的相对速度不重合，则仍有可能通过频率滤波分离和提取目标回波。AEW雷达就是通过这一基本原理实现下视情况下的目标检测的。

14. AEW雷达必须采用多种工作体制，以适应不同的目标类型及所处的杂波环境：

当目标的距离大于雷达的地平线距离时，目标回波的时延大于任何地/海面杂波时延，此时AEW雷达可以采用与地面警戒雷达一致的低重频脉冲体制，通过简单地设置距离波门达到杂波抑制的目的。

当目标的距离小于雷达的地平线距离时，除雷达主瓣不触及地/海面的仰视工作方式，和目标背景为平静水面两种特殊情况外，目标回波与强杂波在时域重叠，只能依靠频域滤波实现杂波抑制，也就是必须采用脉冲多普勒（PD）体制。

当目标的距离小于雷达的地平线距离时，对于海面运动速度较低，而雷达散射截面积（RCS）又很大的舰船，由于海杂波相对地杂波较弱，AEW雷达一般采用普通低重频脉冲体制。为了提高积累后的信杂比，常采用载频捷变实现脉冲间海杂波的去相关。

15. 地平线距离内的飞机、巡航导弹等各类飞行器的探测是AEW雷达面临的主要任务，因此，PD体制是AEW雷达的最主要工作模式。PD模式可根据采用的脉冲重复频率（PRF）的高低分为低重频、中重频和高重频三种类型，它们在构成上和技术上都有差异。

16. 低重频PD体制的脉冲重复周期T（=1/RPF）对应的距离Rt（=cT/2）大于雷达的最大作用距离Rm。低重频PD体制的特点是：目标回波时延对应目标的真实距离，不存在距离模糊，但目标回波的多普勒频率会出现以RPF为周期的模糊，产生速度模糊。当目标的模糊多普勒频率落在主瓣杂波频谱范围内时，为了抑制主瓣杂波设置的频率滤波器也会滤除目标回波，使得目标被主瓣杂波遮挡。为了消除速度模糊和主瓣杂波遮挡，低重频PD模式必须采用3个以上不同的PRF顺序工作。E-2C的监视雷达就是采用低重频PD体制。

17. 低重频PD体制的主要优点：

距离上不模糊，测定目标距离只需一次PRF；

由高度线杂波与旁瓣杂波组成的近距离杂波不干扰中远距离上的目标检测，可以降低雷达系统对天线旁瓣电平的要求。E-2C雷达天线的旁瓣电平平均值为-35dB；

对近距离回波（包括杂波和目标）可在接收机前端采用灵敏度-时间控制（STC）电路抑制其幅度值，从而降低回波的动态范围，既便于后续的数字处理，又减少了近距离强杂波引起的虚警。

18. 低重频PD体制的主要缺点：

一般需采用脉冲压缩技术，以便在有限的峰值发射功率下，用低重频仍能得到足够的平均发射功率，满足雷达探测威力的需要；

频率上严重模糊。测定目标径向速度必须有几个不同的PRF。同时，旁瓣杂波谱宽度远大于PRF，旁瓣杂波在频域上多重叠加，虽然近距离旁瓣杂波不干扰中远距离目标的检测，但对近距离的巡航导弹之类的小RCS目标的检测会带来较大影响；

主瓣杂波可能遮挡目标，当PRF由雷达的威力决定以后，遮挡概率与主瓣杂波谱宽度成正比，当遮挡概率很高时，即使使用几个不同的PRF也可能导致雷达无法正常工作。因此，根据多普勒频率的表达式 ，作用距离很远的机载低重频PD雷达要求采用飞行速度较低的载机并工作在较低的频段，E-2C正是如此；

低速运动的地面车辆目标会出现在频域全周期内，不能用简单的方法滤除，会对陆上飞行器的检测带来大量的虚警。因此，低重频PD体制不适宜机载雷达对地工作。尽管采用了一些补救措施，E-2C的对地观测性能仍然不佳就是这个道理。

19. 高重频PD体制的RPF大于所有目标和杂波的多普勒频率。因此频域上不存在模糊，但由于脉冲重复周期T对应的距离Rt远小于雷达的最大作用距离Rm，目标与杂波在距离上都是模糊的。同时，由于雷达在发射脉冲时不能接收信号，当目标距离对应的时延正好是脉冲重复周期的整数倍时，雷达接收不到目标回波，导致大量的探测盲区。为了解距离模糊和消除探测盲区，高重频PD雷达也必须采用3个以上的PRF。E-3预警机的监视雷达对地工作模式就是采用高重频PD体制。

20. 高重频PD体制的主要优点：

一般不需要采用脉冲压缩技术提高探测威力；

存在无杂波区，对高径向速度目标的检测极为有利；

频域上目标回波落在主瓣杂波内被遮挡的概率很低；