“本土鏈”雷達主要性能分析及啟示

劉育才 馬曉靜 雷 紅

(1.中國電子科技集團公司第三十八研究所 合肥 230088；2.國防科技大學 合肥 230031；3.中國人民解放軍63861部隊 遼寧錦州 121000)

0 引言

1935年6月，瓦特領導的團隊研制出了世界上的第一部雷達，稱為“本土鏈”(Chain Home)，1936年5月，英國空軍決定在本土大規模部署這種雷達，1937年4月，“本土鏈”雷達工作狀態趨于穩定，1939年初投入使用的雷達站增加到20個，形成貫通英國南北的無線電波防線。1939年二戰爆發后，英德之間的不列顛空戰成為雷達大顯身手的舞臺?！氨就伶湣崩走_網多次探測到德軍的空襲，并為己方攔截機提供引導信息，為贏得戰爭發揮了關鍵作用。

“本土鏈”雷達室外設備由多座高塔組成，高塔之間掛列著平行放置的發射、接收天線。外部特征顯著。由于當時雷達技術、雷達裝備屬于新生事物，尚未獲得廣泛應用，其裝備形態、主要功能、戰術指標等掌握在極少數國家，因而具有極強的隱蔽性，雖然外部特征明顯，卻在相當長的時間內未能引起德國人重視并對“本土鏈”雷達裝備進行轟炸或干擾。該雷達成為一種威力巨大的秘密武器，有效探測到德國對英國的轟炸行動，使英國的防空截擊行動變得極其高效，德空軍損失慘重。

目前，雖然雷達技術已經獲得長足的發展，在軍事、民用等眾多領域獲得了非常廣泛的應用，雷達裝備形態也有了很大的不同，但是面對日趨復雜的對抗環境，在反干擾、抗摧毀等方面仍然存在短板弱項。了解世界上第一部投入實用的雷達的設計思想，對雷達裝備技術追根溯源，分析其主要性能，對未來雷達裝備發展仍具有一定的啟示意義。本文主要根據相關公開資料闡述“本土鏈”雷達基本方案，分析其探測距離、空域覆蓋范圍等主要性能，并提出其對未來雷達裝備發展的啟示。

圖1 “本土鏈”雷達室外設備及架設陣地示意圖

1 基本組成及主要指標

“本土鏈”雷達工作頻率在20MHz～30MHz之間，波長15m～10m，因此天線尺寸比較大，是一種雙基地體制的遠程預警雷達，之所以采用這種技術體制，一是當時大功率收發開關尚未發明出來；二是借鑒了無線電通信臺的接收站、發射站分置體制。

發射天線采用3座或4座高度約為110m的鋼塔作為支架，發射天線架設在鋼塔之間，塔與塔之間的距離約為55m，即塔高的一半[5]。發射天線有兩組，分別稱為主發射天線組和補盲用發射天線組，由兩部相同的發射機分別饋電。主發射天線組由8個從高到低排列的端饋式半波長水平極化偶極子組成，相鄰的偶極子間距為5m～7.5m，即波長的1/2。主發射天線組的中心點離地約65.6m，在偶極子的后方裝有反射體，從而在雙塔間連線的垂直線上，也就是來襲敵機方位上形成一個方位波束寬度約為100°的水平發射波瓣。由于受地/海面反射影響，主發射天線組的垂直發射波瓣呈花瓣狀，形成多個發射盲區，通過補盲發射天線組解決該問題，兩個天線組通過相位中心高度錯開，使兩個天線組發射波瓣受地面反射影響后的波峰、凹口互補。補盲發射天線組由4個從高到低排列的端饋式半波長水平極化偶極子組成，相鄰的偶極子間距為5m～7.5m，即波長的1/2，補盲發射天線組的中心點離地約29m，在偶極子的后方裝有反射體。

圖2 “本土鏈”雷達發射天線系統示意圖

接收天線采用4座高度為73.2m的木質塔作為支架，接收天線直接架設在木塔之上，與發射塔距離幾百米，收發分置，接收偶極子天線分為3組，從高到低排列，分別稱為A接收組、B接收組和C接收組，中心離地高度分別為65.6m、29m和13.7m。從結構上看，A組接收天線和B組接收天線相同，各有上下兩個中心饋電的十字形半波水平偶極子，偶極子的間距也為5m～7.5m，即波長的1/2。C組接收天線比較簡單，只有兩個簡單的半波水平偶極子，偶極子的間距為1/2波長。A接收組、B接收組相互補盲，C接收組用于輔助測高。

圖3 “本土鏈”雷達接收天線系統示意圖

天線相關參數具體見表1所示。

表1 “本土鏈”雷達發射、接收天線系統參數表

其他主要參數如下：

工作頻段：短波波段，20MHz～30MHz；

威力：目標為第二次世界大戰初期德軍中型轟炸機(Heinkel-111型)時，有效探測距離約為250km；

脈沖寬度：6μs、20Ms；

脈沖重復頻率：12.5Hz、25Hz；

峰值功率：早期為350kW，后期為750kW。

2 俯仰維方向圖覆蓋性能分析

下面結合“本土鏈”雷達部署位置、工作環境，分析“本土鏈”雷達空域覆蓋性能，“本土鏈”雷達主要部署在沿海地區，其反射區域主要為海面，由于“本土鏈”雷達波長長，因此其反射特性可近似為理想的鏡面反射模型。

由表面反射引起的干涉方向圖傳播因子見式(1)。

Fi=|f(θt)+f(-ψ)ρexp(-jα)|

(1)

其中f(θ)為天線的電壓方向圖，相對于軸向增益；ρ為反射系數的幅值；θt為目標仰角，在平坦地面條件為

(2)

ψ為掠射角，在平坦地面條件下為

(3)

α為反射波的相位，由式(4)可得

(4)

一般情況下，為了不用一個特定天線方向圖描述傳播效應，假設直達波和反射波路徑上f(θ)基本相等，傳播因子可以簡化為

Fi=|1+ρexp(-jα)|

(5)

Fi2=|1+ρexp(-jα)|2=|1+ρcos(α)-jsin(α)|2=(1+ρcos(α))2+(ρsin(α))2=1+(ρcos(α))2+2ρcos(α)+(ρsin(α))2=1+2ρcos(α)+(ρcos(α))2+(ρsin(α))2=1+ρ2+2ρcos(α)

(6)

將式(2)、式(4)帶入式(6)可得

(7)

根據第1節發射天線陣列排布方式、單元個數、工作頻率、架設高度等相關參數，對海面反射條件下發射、接收方向圖進行仿真，工作頻率取30MHz，單元間距取5m，仿真結果如下。

圖4 主發射、補盲發射天線俯仰方向圖

圖5 主發射、補盲發射天線俯仰方向圖外包絡

圖6 A、B接收天線組俯仰方向圖

圖7 A、B接收組天線俯仰方向圖外包絡

將俯仰方向發射、接收方向圖外包絡相乘，得到俯仰方向綜合方向圖，如下圖所示。

圖8 俯仰方向綜合方向圖

3 探測距離分析

根據相關資料顯示，目標為第二次世界大戰初期德軍中型轟炸機(Heinkel-111型)時，該雷達有效探測距離約為250km。按照下列雷達方程估算雷達最大探測距離[2]。

(8)

根據第一節相關工作參數，并對該雷達工作方式進行適當推測，該雷達相當于工作在凝視探測模式，方位上用一個固定寬波束覆蓋約100°方位扇區，假設其單個波位駐留時間按照1s計算，脈沖重復頻率25Hz，每個波位25個脈沖之間視頻積累，發射脈沖寬度20μs，根據發射、接收天線規模、頻段分別計算其發射天線、接收天線增益，根據工作頻率估算天線噪聲溫度[8]。

Heinkel-111型目標RCS按照20m2估算，對雷達探測距離計算如下。Pt為發射峰值功率，取350kW；τ為發射脈沖寬度，取20μs；Gt為發射天線增益，取20dB(考慮地面反射影響)；Gr為接收天線增益，取14dB(考慮地面反射影響)；σ為目標截面積，取20m2；f為工作頻率，取30MHz；Ts為等效噪聲溫度，取53034.45；D0為檢測力因子，取2.57dB(Pfa=10-6，Pd=0.5，SW-I，25脈沖)；CB為帶寬校正因子，取0.5dB；LΣ為系統損耗，取4.7dB。按照上述參數計算得到，最大探測距離為252km。

根據海面反射條件下的垂直方向圖，結合上述最大距離計算，繪制“本土鏈”雷達威力圖，如圖9所示。

圖9 “本土鏈”雷達俯仰方向威力覆蓋圖

由威力圖可知，該分析結果和相關資料顯示的最大探測距離基本吻合，最大探測距離可達250km以上，通過天線陣列架設高度上的分集，15000m以下高度覆蓋基本連續，有部分凹口，該問題可以通過多站之間相互補盲解決，基本可以滿足二戰期間對主要作戰對象的監視需求。

4 對未來雷達裝備發展的啟示

“本土鏈”雷達作為世界上第一部真正意義上的投入實用的雷達，從誕生至今已經過去80多年，在這80多年里，在不斷增長的軍事需求牽引以及相關技術持續發展的推動下，雷達技術獲得了蓬勃的發展，在防空預警、武器制導、靶場測量、戰略預警、戰場監視等領域獲得了廣泛的應用，在使用平臺上也從地面走向機載、艦載、星載、彈載等各類平臺，同時也面臨著同樣快速發展的反輻射導彈、電子干擾等反雷達利器的嚴重威脅，實戰條件下戰場生存能力存在明顯短板。

反輻射導彈作為現代戰爭中防空壓制和突防不可缺少的進攻和自衛性武器，已經成為防空武器系統所面臨的最致命的威脅之一 ，因而也就成為世界各軍事強國導彈武器系統研制和發展的一個重要方面。從60 年代初美國研制出第一代反輻射導彈“百舌鳥”至今，反輻射導彈已經發展了三代[6]。據報道，新一代的反輻射導彈也正處于工程研制之中。隨著導彈及其相關技術的發展, 可以預計在不久的將來，反輻射導彈技術將會邁上一個新的臺階。

有源電子干擾技術的干擾頻率范圍已達到0.5～20GHz，電子干擾已由作戰保障手段上升為重要的作戰手段，可貫穿戰爭全過程[7]。電子干擾的方式、手段趨于多樣化。星載、機載、艦載和車載電子設備應有盡有， 有源和無源相結合， 壓制性干擾和欺騙性干擾并舉，作戰中靈活應用。電子干擾的范圍也不斷擴大，干擾功率不斷增強?？偟膩碚f，現代電子干擾設備干擾的頻帶寬、干擾功率大、干擾反應速度快、干擾決策智能化，并形成了全頻域、全時域、全空域、大功率干擾。

如引言部分所述，“本土鏈”雷達之所以在在相當長的時間內未能引起德國人重視并對“本土鏈”雷達裝備進行轟炸或干擾，主要得益于當時雷達技術、雷達裝備屬于新生事物，尚未獲得廣泛應用，具有極強的隱蔽性。另外，從技術體制、工作頻率方面來看，該雷達也具有較強的隱蔽性，在技術體制方面，“本土鏈”雷達受限于當時的技術水平，采用了收、發分置的雙基地體制，在工作頻率方面，其工作在短波頻段，和短波通信頻段接近。也就是說，“本土鏈”雷達能夠在實戰中生存并發揮重要的預警引導作用，主要得益于其隱蔽性，否則將被敵方重點轟炸，難以生存。

5 結束語

在新的戰場環境條件下，面臨先進的反輻射、電子偵察、電子干擾設備，如何實現雷達裝備的隱蔽性值得我們深入思考，這關系到雷達設備能否在實戰條件下能夠生存并發揮作用的現實問題。

無論是反輻射武器，還是電子戰設備，都依賴于對雷達輻射信號的偵察，其攻擊對象本質上為輻射源，因此，面對上述兩類威脅，雷達裝備的隱蔽，關鍵是雷達輻射信號的隱蔽。常規預警雷達系統一般包括發射、接收設備，其覆蓋范圍和功率孔徑積(即發射平均功率和接收天線孔徑面積的乘積)成正比，可以考慮將發射、接收設備分開放置，形成雙、多基地雷達，同時合理分配平均發射功率和接收天線孔徑資源，采用分布式、小規模的發射設備以及較大規模的接收天線孔徑，分布式多點發射，實現發射站冗余設計，降低實戰中損毀概率，同時由于單站規模小，有利于提高損毀后恢復或修復的速度；而接收站不發射信號，具有天然的電磁隱蔽性，可通過偽裝等方式進一步提高其外形隱蔽性。

目前正在發展的外輻射源雷達、雙多基地雷達、MIMO雷達等具備典型的收、發分置特征，在反偵察、抗干擾、抗摧毀等方面具有明顯優勢，值得進一步深入發展。