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獲國家最高科學技術獎的新體制對海雷達是個啥?

1月8日,劉永坦(前右)、錢七虎(前左)在2018年度國家科學技術獎勵大會上。




(北京十一日電)1月8日,根據《國家科學技術獎勵條例》的規定,經國家科學技術獎勵評審委員會評審、國家科學技術獎勵委員會審定和科技部審核,中國國務院批准並報請國家主席習近平簽署,授予劉永坦院士、錢七虎院士國家最高科學技術獎。這兩位院士的研究方向並不相同,劉永坦院士的主要成就是對海探測雷達,錢七虎院士主要方向是爆炸防護相關工程技術。
官方對劉永坦院士的獲獎原因是這樣介紹的,主要成就:對海探測新體制雷達理論和技術的奠基人、引領者,1991年和2015年兩次獲得國家科技進步一等獎。率領團隊全面自主創新,實現對海新體制探測理論、技術的重大突破,在工程應用中發揮重要作用。
這種說法比較模糊,什麼叫做對海探測新體制雷達?劉院士的新體制雷達和以往雷達有何不同?
通常而言,我們常見的對海探測雷達主要有三種:
普通的三坐標對海搜索雷達,工作在微波波段,雷達波接近直線傳播,作用距離受到地球曲率限制通常只能看到50公里以內的海面目標。(架設高度20米的雷達對50米高度目標的探測距離約為47公里)這種雷達通常比較小,可以直接安裝在軍艦上。
第二種是工作頻率在3~15MHz的高頻雷達。這種雷達波的繞射能力比較強,在沿海平面傳播時衰減較小,可以用來對地平線以下的海面目標進行檢測,通常其探測距離可以遠達300公里以上。主要缺點是受海面雜波干擾大,雷達天線陣列龐大,通常只能在地面進行固定架設。
第三種是超視距天波雷達,這種雷達的工作頻率更低,波長更長。長波信號可以在海面和電離層之間多次反射形成「波導通道」中穿過,所以其可視範圍非常遠,也被稱為「天波」。探測範圍通常高達3~4000公里。缺點是無法探測近距離目標,存在較大盲區,探測精度非常差,通常達到千米級,而且非常依賴氣象條件,大氣波導通道可不是想有就有的。
劉院士的主要工作成就在第二種地波超視距雷達(SWOTHER)上。波長數十米的電磁波與海洋的相互作用產生繞射現象在1955年被發現,為超視距檢測海上艦船奠定了理論基礎。地波超視距雷達利用高頻段(2~30MHz)垂直極化電磁波沿海面超水平線傳播時損耗很低,可以在300公里以上的距離檢測艦船和飛機。這種雷達的探測距離正好可以彌補微波雷達和天波雷達之間的探測距離空白。而且由於工作波長較長,對隱身技術並不敏感,所以世界各國都對其加以研究和應用。
當然,這種雷達也有不少缺點需要克服。
首先是雜波問題,海面上可不是風平浪靜的。海浪的波長尺寸通常也恰好和地波雷達的波長接近,和艦艇的物理尺寸也很接近,因此海浪形成的反射信號的尖峰對信號篩選產生干擾,甚至淹沒目標信號。所以在對信號進行濾波處理的時候需要按海浪的分佈規律對回波信號進行處理對消,才能使目標信號顯現出來。一般而言,海浪高度是按高斯分佈,而產生的雜波幅度則按照瑞利分佈。通過海浪信號的觀測和積累,可以在很大程度上抵消海浪帶來的不利影響。
消除了海浪的影響,還有一種自然影響就是雷電。雷電產生的信號強度並不穩定,有時候混在雜波中,有時候異軍突起讓人錯以為是目標。所以也需要開發多重標準的虛警檢測器來對其進行處理。
除了自然的影響,還有另一種嚴重的干擾:.由於高頻雷達工作的短波波段存在著密集的短波通信業務, 同時還有大量的工業和民用信號如無線電通信、廣播等產生的干擾, 使得工作環境十分惡劣, 很難找到一個能夠保證雷達長時間穩定工作的頻率。所以需要對頻率使用情況進行實時監測,並為雷達找到最佳的頻率「寂靜通道」。在這個通道內,干擾信號要比海面雜波信號低得多,同時頻率區間還得足夠大,可以讓雷達在頻率捷變模式下工作。
排除了各種雜波干擾和濾波問題,還有雷達工作波長特性本身決定的回波信號弱、探測精度低等問題需要解決。
由於艦船的航行速度都較低,產生的雷達回波頻譜隱藏在海浪的二階雜波內,信號強度不到雜波峰值的百分之一。這需要非常複雜的算法並配合頻率捷變和經過特殊設計的檢測器來檢出信號。此外還需要建立相關的規則庫來進行比對,以對目標進行真假分類。
地波雷達通常採用寬波束發射天線來保證搜索效率,可以同時進行多個回波信號的接收。但是受到電磁波本身瑞麗效應的影響,其角分辨率低,測角精度差。必須發展多種超分辨法來消除這個不利影響。通常而言都需要依靠更多的天線進行信號的收發,以高效的算法配合高速的計算機來進行信號處理。
劉永坦主持建設的中國第一個地波雷達站投入使用,獲1991年國家科技進步一等獎
當然,隨著技術的進步,計算機信息處理能力大幅增強、雷達天線的靈敏度也獲得了極大的提高,以往地波雷達難以涉及到的空中目標現在也可以進行探測了。由於波長尺度大於普通戰鬥機,接近戰略轟炸機和運輸機的尺寸級別,具備發現B-2級別隱身轟炸機的能力。這是「網紅」米波反隱雷達所不具備的優勢。
另外,雷達的設計規律也對地波雷達不利:發射天線的尺寸比工作波長越大,信號的指向性越好,測量精度越高。地波雷達的波長已經達到米級尺寸,所以雷達天線通常也是高達數米。而且為了保證角分辨率和天線互相干擾的問題間隔也需要做的很大。這樣一來天線陣列就會變得無比龐大,對雷達的選址和建造提出了很高的要求。同時也意味著這些高性能雷達難以機動部署,在戰時的抗損能力很差。而可機動部署的小型化雷達的探測精度大打折扣,性能遠不如固定部署的。
地波雷達作為海防探測體系中不可或缺的一環,各強國都很重視發展。地波雷達和天波雷達共同建立起的陸基遠程海洋預警體系可以提供遠離海岸5000公里級別距離內的目標信息。雖然由於長波雷達本身的測量精度缺陷並不能直接引導武器攻擊,但是可以大幅增加預警時間,為我方艦隊和地面單位做出應對部署爭取時間,可以說意義非凡。
從單純的理論研究到一整套體系的建立,還將探測範圍拓展到傳統理論範圍之外。同時在工程上克服了大量的難題,擺脫了傳統地波雷達站的形式,發展出分佈式和小型化等創新技術。以更小的系統規模和功耗實現了比國外同類雷達更強的性能。劉永坦院士獲此殊榮,確實是名至實歸。

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