国土安全：雷达感知-国土安全

4．2．1　雷达工作原理

“雷达”一词是英文Radar（Radio　Detection　and　Ranging）的音译，意思是“无线电探测和测距”，即通过无线电波对目标进行参数测量的设备。雷达可用来测量目标的方位、仰角、速度、距离，甚至包括目标的形状。一部雷达通常包括发射机、接收机系统、天线、收发转换开关、天线伺服系统、电源、显示器等部分。图4．3是单基地脉冲雷达组成原理框图。

图4．3　单基地脉冲雷达组成原理框图

雷达发射机产生足够的电磁能量，经过收发转换开关传送给天线。天线将这些电磁能量辐射至大气中，集中在某一个很窄的方向上形成波束，向前传播。电磁波遇到波束内的目标，将沿着各个方向产生反射，其中的一部分电磁能量反射回雷达的方向，被雷达天线获取。天线获取的能量经过收发转换开关送到接收机，形成雷达的回波信号。在传播过程中，电磁波会随着传播距离而衰减，雷达信号非常微弱，几乎被噪声所淹没。接收机放大微弱的回波信号，经过信号处理机处理，提取出包含在回波中的信息，送到显示器，显示出目标的距离、方向、速度等［2］。

为了测定目标的距离，雷达准确测量从电磁波发射时刻到接收到回波时刻的延迟时间，这个延迟时间是电磁波从发射机到目标，再由目标返回雷达接收机的时间。根据电磁波的传输速度，可以确定目标的距离为：S＝CT／2。其中，S为目标距离，T为电磁波从雷达到目标的往返传播时间，C为光速。

雷达测定目标的方向是利用天线的方向性来实现的。通过机械和电气上的组合作用，雷达把天线指向雷达要探测的方向，一旦发现目标，雷达读出天线的指向角，就是目标的方向角。两坐标雷达只能测定目标的方位角，三坐标雷达可以测定方位角和俯仰角。

测定目标的运动速度是雷达的一个重要功能。雷达测速运用了多普勒原理，当目标和雷达之间存在着相对位置的运动时，目标回波的频率就会发生改变，频率的改变量称为多普勒频移，用于确定目标的相对径向速度。通常，具有测速能力的雷达，例如脉冲多普勒雷达，要比一般雷达复杂得多。

雷达的战术指标主要包括作用距离、威力范围、测距分辨力与精度、测角分辨力与精度、测速分辨力与精度、系统机动性等。其中，作用距离是指雷达刚好能够可靠发现目标的距离，它取决于雷达的发射功率与天线口径的乘积，并与目标本身反射雷达电磁波的能力等因素有关。威力范围是指由最大作用距离、最小作用距离、最大仰角、最小仰角及方位角范围所确定的区域。雷达的天线对电磁能量在方向上的聚束力用波束宽度来描述，波束越窄，天线的方向性能越好。但是在设计和制造过程中，雷达天线不可能把所有的能量都集中在理想的波束能力范围之内，在其他方向上存在着泄露能量的问题。由于能量集中在主波束中，我们常常形象地把主波束称为主瓣。为了覆盖更广的空间，需要通过天线的机械转动或电子控制，使雷达波束在探测区域内扫描。

雷达的分类方法多种多样，既可按其战术用途来分类，也可按其采用的体制和技术来分类。从体制和技术上分，雷达可分为脉冲雷达、连续波雷达、脉压缩雷达、脉冲多普勒雷达、捷变频雷达、圆锥扫描雷达、隐蔽锥扫雷达、相控阵雷达等。

概括起来，雷达的技术参数主要包括工作频率（波长）、脉冲重复频率、脉冲宽度、发射功率、天线波束宽度、天线波束扫描方式、接收机灵敏度等。表4．1给出了雷达频率、波长与频带代号。

表4．1　雷达频率／波段表

4．2．2　边防警戒雷达

边防警戒雷达是国土安全感知的重要探测手段，主要有岸防雷达、对空警戒雷达和地面监视雷达。

（1）岸防雷达

岸防雷达用于对海防御探测和岸防武器控制，是岸防指挥控制系统的组成部分，包括海岸警戒雷达、岸舰导弹制导雷达和岸炮炮瞄雷达等，通常应具备较好的抗海浪杂波干扰的能力。其安装形式有固定式和机动式两种。固定式安装在永备工事内，或用气球悬空;机动式安装在车辆上。图4．4为典型岸防雷达监视系统。

图4．4　岸防雷达监视系统

在2011年10月举行的巴黎国际军警设备展上，德国卡斯迪安公司（Cassidian）展示了其新型SPEXER－1000雷达，该雷达专门用于边境保护和安全工作。该公司推出的与之相对应的岸防雷达是SPEXER－2000（图4．5）^[1]，该雷达基于有源电子扫描阵列技术，对行人的探测距离为18km左右，对装甲车和低空直升机的探测距离达到36km左右。SPEXER系列雷达的一个引人注目的特点是，这些型号的雷达可以很容易地集成到更大的沿海安全系统之中，与光电传感器、蛙人防御系统和基于计算机的指挥与控制设备协同工作。

图4．5　SPEXER－2000海岸监视雷达

图4．6　Seaker雷达

图4．6为法国泰勒斯公司的Seaker雷达，其探测距离为48km。 Seaker雷达专门用于一般沿海监视和探测非常小的目标，并用于加强港口和码头的保护。Seaker雷达探测小型目标的能力在打击可以携带非法入境者的小船或毒品走私的斗争中特别引人注目。法国泰勒斯公司已经将调频连续波技术用于这种雷达，使其能够提供高度准确的距离和位置。此外，Seaker雷达的最大输出功率为1W左右，这使得它特别难以被探测到。除了海上目标，Seaker雷达也可以使用X波段频率探测高杂波环境中低空飞行的空中目标。这种雷达的轻质结构使其可以很容易地安装在许多不同的地形中，还可以无线传输雷达数据。

（2）对空警戒雷达

对空警戒雷达主要用于搜索、监视与识别空中目标并确定其坐标和运动参数。它所提供的雷达情报，主要用于发布防空警报、引导歼击机截击敌方航空器以及为防空武器系统指示目标，也用于保障飞行训练和飞行管制。

对空警戒雷达的性能主要包括：探测目标的最大距离和高度，测定目标的精度和分辨力，反干扰能力，机动性等。其中，反干扰能力是对空警戒雷达的关键性能，通常采用多种反干扰技术来提高雷达抑制有源和无源干扰的能力，还可采用多部不同频率的雷达交错配置和对干扰源交叉定位等措施，对抗敌电子干扰。对空警戒雷达通常具有良好的可靠性和维修性，即具有较长的平均故障间隔时间和较短的平均故障修复时间，以保证长时间的连续工作。

在战斗使用中，对空警戒雷达常采用不同性能的多部雷达组成雷达网，各雷达的探测范围互相衔接构成一定的对空警戒和引导空域。雷达站测得的目标情报，上报到各级雷达情报中心。

近年来，欧美等国为使对空雷达能满足现代作战需要，适应日趋复杂的作战环境，改善目前落后于反雷达的状况，仍在加紧开发高新技术。

法国Thomson－CSF公司（Thales公司前身）在Tiger低空雷达的基础上，研制了TRS　2105和TRS　2106机动式雷达。这两种雷达均工作在G波段，采用相干发射、频率捷变、脉冲压缩、动目标指示、恒虚警率等技术。两者均具有很高的抗电子干扰性能并装有一个数据处理装置，该处理装置的特点是使雷达能很好地适应环境并自动预定和跟踪本地目标。TRS　2105安装在一辆两轴拖车上的方舱中。该方舱上架设了一个可折叠的8m天线杆，支承一部1．6m天线。该雷达工作在G波段（550MHz），峰值功率为70kW，平均功率为1kW，作用距离65～100km，天线转速5．5～ 11r／min，能自动跟踪60个目标。TRS　2106是TRS　2105的变型，其工作频率为550MHz，作用距离50km，峰值功率8kW，平均功率250W，水平波束宽度1．7°。该雷达采用转速为30r／min的平面阵天线，能自动跟踪90个目标。之后，法国又研制成功了三坐标低空监视雷达RAC。RAC雷达工作在G／H波段（4～8GHz），提供了作用距离在100km范围内大气层衰减、发射功率、分辨率和天线尺寸与小目标探测间的最佳折中。RAC采用了一种现代化的超低副辨平面相控阵天线，运用了数字脉压和动目标检测等先进技术，具有很强的抗干扰能力。它的作用距离可达100km，可探测速度为900m／s的目标，距离精度为15m，方位／仰角精度小于5mrad。

4．2．3　地面监视雷达

4．2．3．1　STALKERⅡ移动观察系统

由以色列Rafael Advanced Defense Systems公司推出的STALKERⅡ是用于平台安装的第二代移动观察系统（MOS），适用于收集信息、观察及目标探测。

该观察及目标探测系统可以安装在任何种类的平台上，包括轮式和履带式的武装车辆。它包括一个固定的电子光学系统（EOS），一个雷达以及一个点操作的伸缩套管式天线，天线高度可伸展达10m。电子光学系统包括一个SSD摄像机、一个红外摄像机和一个激光测距仪。雷达为多普勒雷达。装备箱体中包括加固的基于PC的命令和控制系统，一个基于GPS的导航系统，以及一个自带发电机。图4．7所示的为STALKERⅡ侦察车及其车内装备。(www.xing528.com)

图4．7　STALKERⅡ侦察车及其车内装备

显示大屏包含了地图功能，地图标有战术符号等其他信息。态势信息由战术符号表达，包括ID、速度、方向向量等相关轨迹图。符号的颜色由可疑级别确定。地图可分割成四个区域，由四个相同窗口显示，然后由操作人员选择。

通信系统主要包括VHF，UHF及HF频带的无线数据链。电脑被连接到至少一个通信接口单元，接口单元控制数据链的启用。

STALKERⅡ的主要功能及性能：

（1）检测和鉴别范围（依赖于目标尺寸）：人员10km，车辆／船只35km;

（2）自动搜索;

（3）自动跟踪;

（4）持续更新数据;

（5）同时多目标管理;

（6）高精确度目标定位;

（7）高精确度导航。

4．2．3．2　车载监视系统（RVSS）

由加拿大General　Dynamics公司研制的车载监视系统可以提供全天候的人员及移动车辆监测。该系统由一套集成于侦察车的远程传感设备组成，其监测范围高达10km以上，对传感器的所有操作均可在车辆关机并隐藏后进行。该系统可提供两种配置方式，既可快速部署于带有9．5m天线的车辆，也可在地面部署附加屏幕的版本。两种配置方式均可由一名士兵通过RVSS的控制台进行操作。控制台可以安装在侦察车辆上，也可以安装在建筑物内或固定场所中，从而实现更多持续性的监视任务。

传感器均使用最新设备，适应远程应用。系统组成包括：

（1）一个轻便的可单人携带的战场监视雷达，该设备采用全固体形态，低功耗／低拦截率设计，菜单操作，平面显示，自动报警，多种扫描及存储模式，监测距离达24km。

（2）一个带有TV输出8～12μm红外热像仪，其具有低噪声、整体冷却器、可调节的放大率／场所视角、快速冷却等特点，全天候识别目标范围达12km。

（3）一个高分辨率的可视光谱摄像机结合一个电荷耦合传感器，一个宽光照条件下可用的图像传感设备，包括可调光圈／放大率，可调焦距，自动曝光，并能提供白天／夜间的鉴定和识别，范围可达18km。

（4）具备符合当前美军标准的视力无害激光测距仪，能适应远程操作和多范围输出，10km（±5cm）范围下光电辐射为1mrad，能够快速充放电，限制错误返回。

（5）一个快速、精确、机动化的PTZ云台，可以低速平滑地运动，可由操纵杆控制，并具备水平修正及轴线适应传感器。

为了适应传感器在其系统使用期间的升级，监视系统的各个界面及接口均采用模块化、标准化设计，并且其内部控制及通信均由软件配置。附加功能是操作人员控制台提供的高级特性，例如，随车携带的图像增强、保持及视频图像抓取、理解、传送功能，附加传感器及辅助操作助手等。用于记录视频及图像的外部数据库也被纳入系统，以便将数据传输至更高级别的终端。

RVSS系统的主要指标：

（1）监视雷达：便携，电池供能;Ku－band高频头，多普勒雷达;设计检测人员及车辆。

（2）雷达模式：①监视模式：扫描率18°／s，最大割幅180°，峰值输出4W;②探测模式：1×1km2区域，10m分辨率，B范围（9°／s扫描率）。

（3）白天／夜间TV摄像机：连续光圈;NFOV　31×23mrads;WROV 296×222mrads;高分辨率。

（4）激光测距仪：铒激光，视觉无害激光;测距范围达10km，精确度±5m;方向角及俯仰角平台;遥控盘;360°监视能力;长距离精确控制LRF目标命中。

（5）操作位：提供所有系统控制和监视;Hi－8VCR;高分辨率黑白显示器;整个系统的电源调节与控制;结实的铝质底盘。

图4．8和图4．9分别为RVSS系统的传感设备和雷达机操控板。

图4．8　远程配置型RVSS传感设备

图4．9　远程配置型战场雷达机操控板