一文读懂战斗机空战的胜负手——火控雷达

传感器技术 2019-03-11 18:00

文 | 传感器技术


近日,印度与巴基斯坦的一场空中战斗引起了全世界的关注,虽然关于空战结果双方各执一词,但有一点可以确定的是,印方至少一架米格战机被击落,飞行员跳伞后被俘。



据击落对方战斗机的巴方飞行员哈桑称,印度空军的米格战斗机编队出现在枭龙战斗机的雷达屏幕上之后,枭龙战斗机凭借着超远距离的雷达锁定能力,便用霹雳-5空空导弹将其锁定。印度飞行员在得知自己被锁定之后,试图做出规避动作并释放干扰弹,然而在巴基斯坦的电子干扰之下米格战斗机的座舱都已经失灵。枭龙战斗机一个横滚之后便射出了导弹,印度飞行员只能眼睁睁的看着自己的座驾被导弹击中,此时他们唯一能做的就是赶紧按下弹射按钮逃生。



通过以上描述可以得知,利用本方战机雷达锁定对手是取得空战胜利的关键所在,那么,战斗机雷达是如何锁定目标的?对方飞行员又是如何知道自己被锁定的呢?


下面就由小编带您对现代战斗机的机载火控雷达系统作一个初步普及和解读。


机载火控雷达诞生于第二次世界大战,到现在已经走过了七十多年的历程,它是现代战斗机火控系统的关健设备之一。


1941年10月,美国辐射试验室开始着手世界上第一部机载火控雷达的研制工作,并于1944年将其装备在美国海军战斗机F-6F、F-7F上,这部雷达具有空-空上视搜索、测距和跟踪等机载火控雷达的最基本功能。


二战后,随着航空电子技术的快速发展,机载火控雷达的功能和性能不断得到提升,其作用越来越受到重视,但是早期的机载火控雷达在进行下视搜索时,会遇到很强的地面杂波而难以搜索到目标,作战效能受到严重制约。对机载火控雷达下视功能的迫切需求催生了脉冲多普勒体制的机载火控雷达。



70年代初,第一部实用型机载脉冲多普勒火控雷达AWG-9由美国休斯公司研制成功,并装备在美国海军的F-14战机上。随后,机载脉冲多普照勒火控雷达得到迅速发展,几乎成为先进战斗机火控雷达的惟一选择,是第三代战斗机的重要指标之一,它使现代先进战斗机真正具有了远程、全天候、全方位和全高度攻击能力。


20世纪90年代以来,在数字技术和微电子技术的推动下,对机载雷达多目标攻击、抗干扰以及一体化等功能和性能的更高要求使得相控阵技术开始应用于机载火控雷达,又进一步促使了机载火控雷达更多功能的开发,现代机载火控雷达的发展已经步入了相控阵时代。


机载火控雷达功能从最初的只具有简单的空-空搜索、测距和跟踪等简单功能开始,发展到了现在的空-空、空-地、空-海、导航等四大类共几十种子功能(有些资料将空-地、空-海等功能统称为空-面功能),所制导的武器由原来的机炮发展到各种导弹和精确制导炸弹,使战斗机真正具有了远程、全天候、全方位和全高度的攻击能力。


空-空功能(A-A)


空-空功能是机载火控雷达的基本功能,主要针对的是各类空中目标,典型的目标是战斗机、轰炸机、运输机、无人机等以螺旋桨或喷气发动机推进的飞机。随着现代战争形式的不演化,先进的空-空功能已开始将悬翼直升机、巡航导弹、气球或飞艇等威胁已方平台或设施安全的新旧威胁都列入了搜索目标。


从空-空功能的作战过程来看,一个完整的空-空任务至少包含搜索、截获和跟踪三种子功能,虽然有些雷达将截获功能也列为一种专门方式,但是它本质上是个过渡过程,雷达工作的主功能就是搜索和跟踪,而这些功能又对应了不同的功能子模式。



搜索功能


1、边搜索边测距模式(RWS)


RWS功能主要用于对感兴趣的空域范围进行扫描搜索,此模式因其能对外提供目标的距离而得名,实际上RWS往往还提供目标的粗略方位角、俯仰角(高度)以及速度等信息。在RWS方式下飞行员可以干预控制的方位范围、俯仰范围(高度范围)以及距离量程。


当搜索的目标高度高于本机时,习惯上称上视搜索,反之称下视搜索;当重点搜索的是迎头目标时,又称前半球搜索,反之称后半球搜索。RWS模式往往还引伸出子模式的划分,即所谓正常搜索和增程搜索,增程搜索主要用于飞机上有较为完善的自动引导系统(如数据链)的情况,此时由于雷达得到的目标引导信息相对准确,就可以自动设置较小的角度搜索范围以利于尽早发现特定距离、特定高度和方位上的目标。


2、边搜索边跟踪模式(TWS)


TWS模式是机载火控雷达空-空功能的另一主要工作方式,它的基本工作原理与RWS相同,但是扫描模式的选择往往相对固定,飞行员可干预的选项相对较少。另外,当搜索过程中发现目标后,它还会自动建立起对数个目标(具体数量由指标规定)的跟踪,并将其中最危险的两个目标标志为高优先级目标和次优先级目标,对危险目标自动调整雷达天线扫描范围,予以尽可能覆盖,这时往往天线的扫描中心不能完全由飞行员控制,但是危险目标的排序选择可以由人工干预改变。


需要指出的是,TWS模式下的“跟踪”主要是指航迹连续更新,角度范围内自动覆盖危险目标,但是这种“跟踪”所提供的目标数据一般情况下精度偏低,往往构不成武器发射的条件。


3、速度搜索模式(VS)


机载火控雷达采用高、中、低三种脉冲重复频率波形,其中HPRF由于存在一段杂波清晰区,非常利于高速迎头目标的检测,于是现代雷达大都设计了利用HPRF波形专门检测高速迎头目标的模式,但是此种模式与RWS不同,它不能提供目标的距离信息,故称速度搜索模式。


VS模式由于不具备测距能力,因此使用上有诸多限制,一般主要用于远距离高速目标的前期检测,起“警示”的作用,它必须与其它工作模式配合才能最后完成武器攻击的制导任务,随着相控阵雷达的出现,此种模式有可能最终会变为雷达的一个处理过程,而不是一个可供飞行员使用的模式。


4、空战格斗模式(ACM)


顾名思义,ACM主要用于近距离空战格斗,此时作战双方距离很近并且伴随较大的机动动作,谁掌握先机,谁就赢得胜利。因此,为适应近距离交战这一特点,ACM相对于RWS和TWS模式的主要区别有以下几点:一是虚警率要求严格,一般高于常规搜索数倍以上,相应不太强调远距离;二是要求对一定距离上的目标自动截获,且截获速度要快;三是扫描图形甚至扫描速度有严格限制;四是在近距离格斗时,载机和目标机的相对机动大幅度提高,要求雷达在保证一定数据精度的要求下仍然保持稳定跟踪。


跟踪功能


跟踪功能发挥作用的前提是雷达在搜索阶段发现目标,并成功进行目标截获,跟踪功能的子模式划分一般与雷达能同时跟踪目标的个数有关。


1、单目标跟踪模式(STT)


STT是机载火控雷达空-空方式的一种常用工作状态,在此状态下,雷达自动控制天线保持对空中目标的持续或基本持续的定点照射,同时向武器系统提供精确的目标参数,这些数据较为精确地反映作战目标在空中的相对或绝对坐标,以及目标相对于本机的有关运动趋势信息。


2、双目标跟踪模式(DTT)


DTT模式的出现为飞行员同时攻击两个目标提供了可能,在这种模式下,雷达能保持对两个空中目标的同时跟踪,一般情况下天线的运动模式为“点到点”。实际上DTT可以看成两个STT目标对雷达资源的时分复用(不同时段传输不同信号)。


3、多目标跟踪模式(MTT)


由于现代雷达的技术水平日益增长,特别是高速处理技术和相控阵技术的引入,使得火控雷达的设计人员已不再满足于同时对两个目标的跟踪,开始研制具有MTT功能的雷达,为飞行员同时攻击两个以上的目标提供了可能,至少有利于飞行员掌握空中态势并随时切换攻击对象。



4、跟踪加搜索功能


即雷达在跟踪一个或数个目标的同时还能保持对特定空域的搜索,它是跟踪功能与搜索功能的结合,显然对于作战使用有着无可比拟的优越性,但是它对雷达自动处理能力的要求极高,一般更多见于新开发的相控阵雷达。


空-地功能(A/G)


加强对地面目标的精确打击能力是现代战斗机火控雷达大力持续开发的功能之一,机载火控雷达对地功能包括成像、固定目标及动目标检测跟踪、成像叠加动目标等子功能模式。


成像功能


1、真实波束地图模式(RBM)


这种模式直接用雷达接收到的回波强度数据来绘制地面的无线电对比图,方位分辨率接近于实际的雷达波束宽度,因此而得名。RBM是最简单最原始的识别地面目标、地形地貌和导航的雷达手段。当飞行员选择对某一成像区域进行扩展时,就引出了地图扩展子模式,它可以放大显示RBM的局部;当飞行员需要冻结成像画面时,就引出了地图冻结子模式,此时画面冻结,载机运动轨迹在地图画面上更新。


2、多普勒波束锐化模式(DBS)


根据波束内不同角度地块产生不同的多普勒频率的基本原理,将真实波束的角度进一步细分(即所谓锐化),从而可以获得更高分辨率的地图,用来准确地确认地面导航标志和分辩地面目标,作为一种辅助导航及对地精确打击的重要手段。相应DBS的主要衡量指标为“锐化比”。


3、合成孔径模式(SAR)


利用载机的平台运动,通过先进的信号处理技术来合成等效长的天线孔径,从而得到更高分辨率的地图,现代先进火控雷达已能做到约0.5~5米的分辨率。



检测跟踪功能


1、空-地测斜距模式(AGR)


雷达波束根据飞行员控制指向地面特定区域,自动测出载机到地面指向的斜距,为攻击地面目标提供数据。


2、固定目标跟踪模式(FTT)


这种方式可以用游标在RBM和DBS形成的地图上手动选择位置已知的固定目标进行跟踪。当跟踪实施后,游标固定在被跟踪目标上,不可再移动,目标位于游标十字叉中心。一旦目标被探测到发生移动,或在背景中不再显著可识别,雷达自动放弃目标。如果此时实施“冻结”,雷达发射机停止发射,目标位置保持不变,同时进行载机的运动补偿。当从“冻结”状态退出时,雷达返回搜索模式。


3、地面运动目标指示跟踪模式


雷达检测地面上有一定运动速度的目标,主要用于指示各类交通运输工具。当对目标进行截获操作后,即转入地面运动目标跟踪。


4、成像叠加动目标模式


成像叠加动目标模式,简单地说就是在成像画面上叠加显示地面运动指示符号。最典型的工作模式为合成孔径模式,叠加地面动目标显示,在SAR地图背景上。


空-海功能(A/S)


对机载火控雷达而言,空-海功能基本类似于部分空-地功能,只是所检测的背景特指海面而已。


1、海I方式(SEAI)


在海浪低于0.91m时(三级以下海情),雷达工作在海I方式,用来检测海面上的运动目标,类似空-地功能的RBM模式。


2、海Ⅱ方式(SEAII)


在海浪大于三级海情时,为检测海上有一定运动速度的目标,雷达工作于海Ⅱ方式,系统大都采用脉冲多普勒技术,类似于DBS模式。


导航功能(NAV)


实际上所有成像模式都兼有导航的功能,此处不再重复描述。


1、信标模式(BCN)


机载火控雷达工作在信标方式时,雷达发射特定频率的信标询问信号,与地面的信标台联系,地面信标台收到询问信号后,自动发射另一特定频率的信号,雷达收到信标台的回波信号后,经过解码将信标台的方位和距离以PPI格式显示,为飞行员飞行或对地面目标轰炸提供必要的数据和引导。


2、载机测速模式


雷达天线在俯仰上进行扫描,根据来自地面不同点回波的多普勒信息来测量载机的精确对地速度,这一方式在载机速度出现异常的情况下使用,一般情况下不用。


3、地形跟随模式(TF)


地形跟随是载机沿地表纵向曲线(地形纵向轮廓线)的航线飞行,雷达随着天线在俯仰上的扫描进行空一地测距,描画出地球的剖面轮廓图。通常将地形跟随和自动驾驶仪相结合,为飞行员提供地形信息,做出“绕过”或“通过”的选择。



4、地形回避模式(TA)


地形回避指的是贴近地面飞行的能力,通常在低空作战和低空空防时使用,飞行员根据地面标志,充分利用地形条件掩护自己,避开地形障碍,避开敌方防空火力网的攻击,突然接近敌方军事目标,实施有效的对敌攻击。


5、气象回避(WA)


雷达通过探测前方航路上的气象回波来提示飞行员选择安全性的航线,避开恶劣天气区域。


战斗机是如何

知道自己被火控雷达锁定的?



战斗机或者防空系统的雷达在锁定目标时,会连续的向目标发射一定模式的无线电波,从而连续不断的获得目标的方位距离速度。这令战斗机或防空系统能够进而发起攻击。


这一无线电波作用模式,与搜索状态有明显的区别,例如搜索时无法连续不断的向一个目标发射无线电波,需要间隔一段时间才能扫描一次,以实现覆盖全视角的搜索能力。要知道自己被对方雷达锁定,首先需要能够分辨出相关无线电特征。而得到对方雷达锁定信号特征的方法,主要依靠平时侦察获得对方的锁定信号,进行记录分析,然后存储到己方战斗机电子告警系统之中。这样,在战时可以根据对方雷达发射来的无线电波特征,判断对方工作状态,确定自身是不是已经被雷达锁定。甚至能精确到知道具体是哪一种雷达在用哪一种模式进行探测。


具体的探测设备,包括了战斗机自身的雷达告警设备,以及外挂的电子战吊舱等等,以及伴随己方战机飞行、实施保护的专用电子战飞机。一旦发现威胁较大的敌方雷达信号,例如战斗机火控雷达锁定的信息,相关设备就会向飞行员告警。如果无法识别出特定的信号,那么就需要根据既定的策略,按照已经规划好的算法和逻辑,进行对这一信号的初步判断,进而向飞行员提供相关决策信息。


飞行员或者战机自动化电子战自卫设备,能够根据获得的信息,做出如何进行自卫的决策,包括了规避、投放干扰弹、实施电子干扰、召唤专用电子战飞机进行干扰或者打击等措施。



为适应战争的需要,机载火控雷达的多功能发展趋势从它诞生之日起就没有停止,在可以预见的未来,机载火控雷达作为先进战斗机的关健传感器的地位不会动摇,因此这种多功能发展的趋势也必将继续,但是随着作战观念的更新、作战体系的变革,机载火控雷达的多功能发展也将呈现更鲜明的高技术特色。


传感器技术 制造业的未来是智能化,智能化的基础就是传感器; 互联网的方向是物联网,物联网的基石也是传感器; 关注传感器技术,获得技术资讯、产品应用、市场机会,掌握最黑科技,为中国工业导航。
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