毛二可院士訪談錄：軍用雷達(dá)縱橫

今年4月20日,美國國會(huì)批準(zhǔn)了LRDR新型陸基反導(dǎo)預(yù)警雷達(dá)的設(shè)計(jì)方案,這是繼『薩德之眼』AN/TPY-2雷達(dá)后,美國最先進(jìn)的反導(dǎo)雷達(dá),它將成為美國陸基中段反導(dǎo)系統(tǒng)的重要基礎(chǔ)。據(jù)報(bào)道,LRDR 雷達(dá)將是基于氮化鎵組件技術(shù)研制的相控陣?yán)走_(dá)。為此,本刊就相控陣?yán)走_(dá)的先進(jìn)性,空警 500 等國產(chǎn)雷達(dá)的發(fā)展,專訪了毛二可院士。

毛二可 中國工程院院士,雷達(dá)系統(tǒng)、雷達(dá)信號(hào)處理專家。1956年畢業(yè)于北京工業(yè)學(xué)院(現(xiàn)北京理工大學(xué))。現(xiàn)任北京理工大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師。在雷達(dá)雜波抑制和新體制雷達(dá)方面取得重大科研成果,對我國動(dòng)目標(biāo)顯示、動(dòng)目標(biāo)檢測技術(shù)做出了重大貢獻(xiàn)。曾獲得國家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)1項(xiàng)、二等獎(jiǎng)2項(xiàng)、三等獎(jiǎng)2項(xiàng)、四等獎(jiǎng)1項(xiàng);獲得政府特殊津貼、北京市優(yōu)秀教師獎(jiǎng)、何梁何利基金科學(xué)與技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)等;所領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)獲得“國防科技工業(yè)優(yōu)秀科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)”、“全國教育系統(tǒng)先進(jìn)集體”等榮譽(yù)。

軍隊(duì)的傳感器

“雷達(dá)是二戰(zhàn)時(shí)期戰(zhàn)勝法西斯的一件法寶。”這是丘吉爾 對雷達(dá)的評(píng)價(jià),概括了雷達(dá)在二戰(zhàn)中的重要作用。同盟國的雷達(dá)技術(shù)高于德國、日本,對贏得戰(zhàn)爭功不可沒。例如,二戰(zhàn)初期,美國在太平洋戰(zhàn)場上并不占優(yōu)勢,但是憑借先進(jìn)的雷達(dá)技術(shù),先敵發(fā)現(xiàn),先敵采取措施,在很多戰(zhàn)役中占據(jù)上風(fēng), 如航母之間的對抗。

雷達(dá)為扭轉(zhuǎn)英國被動(dòng)作戰(zhàn)的局面也發(fā)揮了重要作用。 不列顛之戰(zhàn)中,英國在英倫海峽部署了雷達(dá),能夠及早發(fā)現(xiàn)來襲的德國飛機(jī)。另外,為防御德國U型潛艇在大西洋戰(zhàn)場 襲擊英國商船,多數(shù)飛機(jī)和水面艦艇都裝備了雷達(dá),能搜索到晚上浮出水面充電的德國潛艇,使得盟國飛機(jī)可以在很大范圍內(nèi)打擊德國潛艇。德國潛艇受到重創(chuàng),因而不得不撤出大西洋,導(dǎo)致德國破壞英國海上運(yùn)輸以迫使英國屈服的戰(zhàn)略失敗。

可以說,雷達(dá)在戰(zhàn)爭中的作用在二戰(zhàn)中表現(xiàn)最為充分, 對二戰(zhàn)的進(jìn)程和最后的結(jié)果起到了很大的推動(dòng)作用。除了二戰(zhàn),以色列能夠在多次戰(zhàn)爭中掌握戰(zhàn)局主動(dòng),跟以色列裝備了型號(hào)較全的雷達(dá)密不可分。

中國軍用雷達(dá)發(fā)展史

我國的軍用雷達(dá)事業(yè)萌芽于解放前。當(dāng)時(shí)的國民黨政府 在南京成立了一個(gè)雷達(dá)修理所,美國為它提供一些設(shè)備、零件等。南京快解放時(shí),國民黨政府將雷達(dá)修理所遷到杭州,并希望能將這些人才帶到臺(tái)灣,但這批人才最終選擇留了下來,并在解放后又回到南京,因此南京可以說是我國雷達(dá)事業(yè)發(fā)展的起始地,雷達(dá)修理所也是中國電子科技集團(tuán)公司第十四研究所 (以下簡稱14所)的前身。

之后,我國從事雷達(dá)事業(yè)的技術(shù)隊(duì)伍不斷壯大,20世紀(jì)50 年代我國雷達(dá)事業(yè)走上獨(dú)立自主發(fā)展之路,自主研制的雷達(dá)被用在了抗美援朝戰(zhàn)場上,14所也成長為國內(nèi)最大的雷達(dá)研究所,對我國雷達(dá)事業(yè)做出了有目共睹的重大貢獻(xiàn)。我國幾個(gè)主要的國營雷達(dá)大廠都有14所的基因。

院校方面,1952年,地處張家口市的中國人民解放軍通信工程學(xué)院(現(xiàn)西安電子科技大學(xué))開設(shè)雷達(dá)專業(yè),成為我國第一個(gè)設(shè)立雷達(dá)專業(yè)的軍事院校。

1953年,我校(現(xiàn)北京理工大學(xué))在蘇聯(lián)專家的協(xié)助下設(shè)立雷達(dá)專業(yè),成為第一個(gè)設(shè)立雷達(dá)專業(yè)的地方院校。1954年, 我們第一批雷達(dá)專業(yè)學(xué)生去14所生產(chǎn)實(shí)習(xí),見到了一些美國遺留下來的還能用的雷達(dá),這是我第一次看到雷達(dá)實(shí)物。1956年我畢業(yè)留校任教,從事雷達(dá)專業(yè)的教學(xué)和研究。從那時(shí)起, 我校雷達(dá)專業(yè)與南京14所經(jīng)常有業(yè)務(wù)合作,還多次聘請張直中院士來校短期授課。

▼▼▼

?中國雷達(dá)工業(yè)的發(fā)源地——中國電子科技集團(tuán)公司第十四研究所

?北京理工大學(xué)的前身——北京工業(yè)學(xué)院

1958-1959年間,國家特別撥了3套蘇聯(lián)進(jìn)口的大型雷達(dá)給我校,具體型號(hào)是п20雷達(dá)、сон9、сон4雷達(dá)。п20雷達(dá)是搜索雷達(dá),由7輛卡車組成,包括電源車、天線車等。與3部雷達(dá)一起還運(yùn)來了一大車美國遺留下來的雷達(dá)零件。這些雷達(dá)裝備運(yùn)來后,雷達(dá)專業(yè)的老師同學(xué)們克服各種困難摸索雷達(dá)的裝配、運(yùn)行、改進(jìn),還把一些小的像空載、機(jī)載雷達(dá)不太全的零件配全,通電做實(shí)驗(yàn)。我校雷達(dá)專業(yè)的建立和成長過程離不開蘇 聯(lián)專家的援助、國家的扶持、與兄弟院所的相互支持。與其它后來陸續(xù)建設(shè)起來的地方院校雷達(dá)專業(yè)相比,我校的雷達(dá)專業(yè)從一出生就帶有鮮明的國防特色,帶有為國防建設(shè)解決重大工程問題的基因。

1964年,國外許多國家開始如火如荼地研究相控陣?yán)走_(dá), 國防科委也要求我校和14所提出一個(gè)能探測到幾千千米外目標(biāo)的大型相控陣預(yù)警雷達(dá)方案。當(dāng)時(shí)我們對相控陣?yán)走_(dá)的原理還不太清楚,做大型設(shè)備又沒有經(jīng)驗(yàn),于是南京14所派了10 名技術(shù)骨干參與研發(fā),這些技術(shù)骨干就包括當(dāng)時(shí)剛從俄羅斯回國、現(xiàn)在已是院士的張光義、賁德等同志。我們學(xué)校主要負(fù)責(zé)提出方案思路,做一些原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。就在此時(shí),文革開始,我校相控陣?yán)走_(dá)的研發(fā)工作因此基本中斷,大部分工作改由14 所完成。

不過我們雷達(dá)專業(yè)技術(shù)團(tuán)隊(duì)還是希望在技術(shù)上多為國家做些工作。在雷達(dá)工程實(shí)踐中,我們意識(shí)到雜波對雷達(dá)性能的重要影響,于是主動(dòng)開始研究雷達(dá)動(dòng)目標(biāo)顯示技術(shù)。加裝了我們研制的動(dòng)目標(biāo)顯示模塊的炮瞄雷達(dá),在1977年的一次軍隊(duì)演習(xí)中,能透過箔條干擾顯示在箔條云中運(yùn)動(dòng)的飛機(jī),領(lǐng)導(dǎo)的結(jié)論是“有效果”(注:相關(guān)成果獲得1978年科技大會(huì)多項(xiàng)獎(jiǎng)勵(lì))。

▼▼▼

?“紅旗” -2制導(dǎo)雷達(dá),采用機(jī)械掃描體制,1967年我軍使用該型防空武器系統(tǒng)首次在干擾條件下?lián)袈淙肭值腢-2高空偵察機(jī)

?我軍現(xiàn)役“紅旗” -9制導(dǎo)雷達(dá),采用相控陣體制,是我國自主研制的第一種第三代遠(yuǎn)程區(qū)域防空武器系統(tǒng)。

動(dòng)目標(biāo)顯示的概念是美國在二戰(zhàn)時(shí)提出的,當(dāng)時(shí)美國用的是模擬電路,利用電感、電容或超聲波做延時(shí)。比如通過超聲 波在水銀里傳播,這邊發(fā)射,那邊接收,水銀延遲線的長度不同,對超聲波的延時(shí)也不同。美國是在二戰(zhàn)中第一次應(yīng)用這種水銀延時(shí)線,由于水銀對管壁腐蝕較厲害,要不斷地清洗,使用很不方便。70年代后,美國開始用熔融石英做成一定的形狀, 讓超聲波在里面來回折射后出來。我們團(tuán)隊(duì)當(dāng)時(shí)也利用熔融石英研發(fā)出延時(shí)線技術(shù)?，F(xiàn)在這種雷達(dá)信號(hào)處理技術(shù)已數(shù)字化了,利用數(shù)字電路板就可以完成。

新體制雷達(dá)

毛二可

相控陣?yán)走_(dá)天線通常是一個(gè)面陣,面陣由很多行很多列排 列起來構(gòu)成,每個(gè)陣元或子陣都對應(yīng)有一個(gè)收發(fā)(T/R)組件。 每一個(gè)收發(fā)組件既是一個(gè)小的發(fā)射機(jī),也是一個(gè)小的接收機(jī), 實(shí)際上就是一部小雷達(dá)。通過計(jì)算機(jī),可以控制每個(gè)T/R組件 移相器的相位。如果每個(gè)T/R組件的移相相同,天線波束的波前就垂直于天線陣面。如果按照一定規(guī)律設(shè)定每個(gè)T/R組件 移相器的相位,使得有的相位超前,有的相位滯后,波前就會(huì)偏離垂直方向,就可以控制天線波束按照設(shè)定的方式掃描。通過相位控制的方法,在相控陣天線陣面不動(dòng)的條件下,天線波束現(xiàn)在能做到正負(fù)60度掃描,而且掃描速度很快,高速的話是微秒量級(jí),慢速也在毫秒量級(jí)。這樣很靈活,探測者可以在整個(gè)空域里按自己的意愿監(jiān)控目標(biāo),比如對已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的目標(biāo),目標(biāo)速度也已經(jīng)測出來了,雷達(dá)波束就不再需要連續(xù)照射這個(gè)目標(biāo),只需要根據(jù)先前測的位置間或照射并進(jìn)行跟蹤修正,就可以掌握它的情況,多出來的時(shí)間資源雷達(dá)就可以用于探測其它目標(biāo)。利用這種策略,相控陣?yán)走_(dá)可以對整個(gè)空域內(nèi)成百上千的目標(biāo)情況都了如指掌,這是它的先進(jìn)性之一。

另一個(gè)先進(jìn)性是每個(gè)T/R組件功率不大,但數(shù)量很多,每個(gè)組件單獨(dú)發(fā)射,在空間合成波束,多個(gè)組件的合成功率就可以做得比較大。

此外,過去非相控陣?yán)走_(dá)的發(fā)射機(jī)需要通過天線饋線將功率傳輸?shù)教炀€,導(dǎo)致發(fā)射功率額外的損耗。而相控陣?yán)走_(dá)的 每個(gè)T/R組件很小,可以直接做在天線陣面上,發(fā)射接收都在天線上,因此它的傳輸損耗小。再結(jié)合T/R組件數(shù)量多的優(yōu)勢,相控陣?yán)走_(dá)的總發(fā)射功率就可以做得很大,這也是為什么相控陣?yán)走_(dá)可以看得遠(yuǎn)的原因。

相控陣?yán)走_(dá)的可靠性也很高。因?yàn)樗谐汕先f個(gè)T/R組件,即使少量T/R 組件損壞,整個(gè)雷達(dá)功能不會(huì)受損,性能也損失很小。比如原來能探測100千米, 現(xiàn)在探測90千米,對作戰(zhàn)影響不大。

由于相控陣?yán)走_(dá)的優(yōu)點(diǎn)越來越多,不但在飛機(jī)上如預(yù)警機(jī)用,導(dǎo)彈等武器預(yù)警也用它,不再像過去用很大的拋物面天線。拋物面天線現(xiàn)在主要用來持續(xù)跟蹤單個(gè)變化不快的目標(biāo),它的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜。

相控陣?yán)走_(dá)恰恰相反,它的最大缺點(diǎn)是T/R組件多,導(dǎo)致價(jià)格昂貴,影響更廣泛的應(yīng)用,所以目前軍方并沒有全部應(yīng)用相控陣?yán)走_(dá)。但貴是相對的,它由半導(dǎo)體技術(shù)的水平高低決定。比如美國的雷達(dá)生產(chǎn)量大,同樣一種波段的T/R組件年產(chǎn)百萬,成本就低。而我國只生產(chǎn)幾萬個(gè)或幾十萬個(gè),成本相對就高。隨著技術(shù)的進(jìn)步,半導(dǎo)體水平會(huì)逐漸提高。像現(xiàn)在的第三代半導(dǎo)體材料氮化鎵,微波輸出功率的效率高達(dá)40%~50%,而過去砷化鎵能做到 20%~30%就已經(jīng)很不錯(cuò)了。效率一高,功耗就小了,相對的散熱也小了。這個(gè)技術(shù)對相控陣?yán)走_(dá)的整體和加速發(fā)展起到了很大的推動(dòng)作用,目前很多雷達(dá)都有應(yīng)用。

毛二可

▼▼▼

?空警500是我國最新一代預(yù)警機(jī),采用全固態(tài)數(shù)字陣列天線,雷達(dá)探測能力較空警 2000得到顯著提升,是中國電子科技集團(tuán)“小平臺(tái),大預(yù)警”理念的首次嘗試

毛二可

另外,預(yù)警機(jī)還有一個(gè)很重要的職責(zé)就是看低空飛機(jī)。對低空目標(biāo),地面雜波的影響很強(qiáng):如果對地面雜波處理得好,接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍擴(kuò)大,雷達(dá)也可以看得更遠(yuǎn)。

▼▼▼

?國慶60周年大閱兵中,空警2000領(lǐng)銜空中梯隊(duì)接受檢閱?？站?000預(yù)警機(jī) 裝備了中國電子科技集團(tuán)第十四研究所研制的三坐標(biāo)有源相控陣?yán)走_(dá),以 3個(gè)陣面覆蓋360度,無需機(jī)掃輔助

毛二可

毛二可

就雷達(dá)發(fā)展速度而言,我國發(fā)展很快,甚至超過英美,例如大型相控陣?yán)走_(dá),尤其是氮化鎵材料我們跟得很快,突破并擁有了相關(guān)技術(shù)。但是到目前為止,我國的雷達(dá)整體水平還有差距,需要一段時(shí)間才能趕上去。例如,我國曾經(jīng)進(jìn)口了一些航管雷達(dá),這些雷達(dá)雖然技術(shù)比較老,但是質(zhì)量、可靠性、元器件 比國內(nèi)好一些,更重要的一點(diǎn)就是雷達(dá)的設(shè)計(jì)思想、概念比我們理解得深,所以使用效果很好。

毛二可

毛二可

雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別是一門很深很廣的技術(shù),同樣的一個(gè)信號(hào), 技術(shù)水平高識(shí)別得就好。另外一方面,怎么利用雷達(dá)信號(hào)獲得更多的目標(biāo)信息,也是雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別發(fā)展的一個(gè)方向。我認(rèn)為,目標(biāo)識(shí)別要取得實(shí)實(shí)在在的突破性進(jìn)展,基礎(chǔ)還是通過提高雷達(dá)分辨率,即距離高分辨、角度高分辨,得到目標(biāo)更多的信息,在此基礎(chǔ)上研究目標(biāo)識(shí)別的問題。利用高清晰的分辨率獲得更多的目標(biāo)信息是今后雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別的一個(gè)突破口。二是雷達(dá)可以跟光學(xué)互補(bǔ),去研究發(fā)揮雷達(dá)的潛力,進(jìn)行目標(biāo)識(shí) 別。光學(xué)成像、雷達(dá)成像機(jī)理不同,在分辨率相等的情況下,光學(xué)成像對人眼來說更直觀些,因?yàn)槿搜凼枪鈱W(xué)的反應(yīng),雷達(dá)看到的是反射的強(qiáng)弱。另一方面,雷達(dá)能夠利用雷達(dá)信號(hào)的相位等更多信息用于識(shí)別目標(biāo),在這種情況下比光學(xué)有優(yōu)勢。

▼▼▼

? 地基X波段雷達(dá) (GBR)和?；?X 波段雷達(dá)(SBX) 是美國國家導(dǎo)彈防御系統(tǒng) (NMD)的重要組成部分,在彈道中段目標(biāo)識(shí)別中發(fā)揮著核心作用

另一個(gè)需要指出的是,現(xiàn)在國內(nèi)雷達(dá)越做越大,還沒有特別重視控制雷達(dá)的功耗。現(xiàn)在我們的雷達(dá)看得遠(yuǎn),功率大,一個(gè)雷達(dá)需要的電源經(jīng)常上兆瓦,耗電量非常大;此外雷達(dá)處理跟計(jì)算機(jī)一樣每秒萬億次的運(yùn)算,功耗也非常大。因此我認(rèn)為提高雷達(dá)效率、普及綠色雷達(dá)概念,是雷達(dá)的一個(gè)發(fā)展趨勢。

最后軍用雷達(dá)反干擾也是很重要的一個(gè)問題,在這方面我認(rèn)為通過寬帶雷達(dá)波形設(shè)計(jì)反干擾大有潛力。

▼▼▼

?美軍現(xiàn)役EA-18G “咆哮者”電子攻擊機(jī),其掛載的核心干擾吊艙ALQ-99可以對防空武器系統(tǒng)的制導(dǎo)雷達(dá)施行精確定向干擾

記:“科學(xué)決不是也永遠(yuǎn)不會(huì)是一本寫完了的書” ,雷達(dá)追求卓越的腳步也不會(huì)停歇。衷心感謝您接受本刊專訪!

■ (特別感謝劉峰老師、任麗香老師給予本次采訪的大力幫助!)