不算泄密：三坐標(biāo)米波雷達(dá)并不神秘，我們來看看它是如何工作的

首先要說的一件事，也是一個(gè)老生常談的事情，就是軍迷真的沒必要盲目自大。我們?cè)谲娛骂I(lǐng)域中并沒有真的“遙遙領(lǐng)先”，有的時(shí)候只是一些生活中不常見的名詞出現(xiàn)在武器裝備上，就就能觸動(dòng)某些人的嗨點(diǎn)，不由自主的顱內(nèi)高了那么一下。但如果是真的打起仗來，這種想法注定是要吃大虧的。

最近盤點(diǎn)一下，讓軍迷自嗨的一個(gè)詞匯叫做“三坐標(biāo)氮化鎵米波相控陣?yán)走_(dá)”。

在2016年，中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所研制的米波三坐標(biāo)雷達(dá)獲得國家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

但是，咱們得說一點(diǎn)潑冷水的話，這只是2016年評(píng)選出的120個(gè)國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)之中的一個(gè)，而且是一個(gè)“二等獎(jiǎng)”。

如何看待這個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)呢？就像說一個(gè)人很牛，不能憑空的說，又找不到具體的事情的時(shí)候就得看這個(gè)人身邊的朋友了。“2016年國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)”的這個(gè)賽道中，特等獎(jiǎng)?lì)C給了TD-LTE，也就是中國移動(dòng)的4G電話技術(shù)。一等獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給了“北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)重大改造工程”，獲獎(jiǎng)?wù)呤侵袊茖W(xué)院高能物理研究所，還有一個(gè)一等獎(jiǎng)?lì)C發(fā)給了“前置前驅(qū)8檔自動(dòng)變速器（8AT）研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化”項(xiàng)目，獲獎(jiǎng)?wù)呤鞘⑷饌鲃?dòng)股份有限公司——其實(shí)就是一個(gè)8AT汽車變速箱……在二等獎(jiǎng)的獲獎(jiǎng)名單中甚至包括《全民健康十萬個(gè)為什么》系列叢書……

我們得明白，這個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)的含金量遠(yuǎn)沒有很多人以為的那么高。2016年，國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)一共有整整120個(gè)，平均到全國各個(gè)行業(yè)和系統(tǒng)，幾乎是“只要有單位，排隊(duì)都能分一個(gè)”。這不是貶低科技人員的努力，而是提醒我們這個(gè)獎(jiǎng)項(xiàng)的“評(píng)比門檻”并不等同于國際一流科研成果的認(rèn)證。為什么會(huì)這樣？是因?yàn)槲覀兊膰姨罅耍袠I(yè)太多了，“國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)”并不是真正意義上的頂尖科研比拼，而更像是一種“行業(yè)內(nèi)進(jìn)步達(dá)標(biāo)”的表彰制度。只要你在原有的基礎(chǔ)上取得了進(jìn)步，有成果，有推廣，有效益，就有可能獲得一個(gè)進(jìn)步獎(jiǎng)。這種制度有它的合理性，但不能誤讀為“誰獲獎(jiǎng)?wù)l就在世界上遙遙領(lǐng)先”。當(dāng)然，也不能過于沖動(dòng)的認(rèn)為8檔AT汽車變速箱要比咱們的國之重器米波雷達(dá)還牛。

反而，基于38所三坐標(biāo)米波雷達(dá)的技術(shù)，在2023年度中國電子學(xué)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)的自然科學(xué)二等獎(jiǎng)的“空間機(jī)動(dòng)目標(biāo)雷達(dá)認(rèn)知成像與識(shí)別關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”，對(duì)于雷達(dá)專業(yè)領(lǐng)域來說含金量就更大了！

以上是背景信息，驚不驚喜？意不意外？奇不奇怪？提一些可能大家不太關(guān)心的背景信息實(shí)際上就是為了讓大家能清楚的認(rèn)識(shí)我們自己。也同樣要清晰的看待每一件武器裝備和技術(shù)。

那么，現(xiàn)在我們要開始討論技術(shù)了。

首先，客觀的來說，米波雷達(dá)并不是一個(gè)先進(jìn)的技術(shù)。

米波——波長(zhǎng)1米左右，頻率幾十到幾百M(fèi)Hz，早在冷戰(zhàn)初期就是各國雷達(dá)系統(tǒng)的“第一代波段”。它的優(yōu)點(diǎn)很明確：波長(zhǎng)長(zhǎng)，衍射強(qiáng)，抗遮蔽能力強(qiáng)，不容易被隱身戰(zhàn)機(jī)規(guī)避。而缺點(diǎn)也一清二楚：分辨率低，設(shè)備龐大，抗干擾能力差，測(cè)角不精。

注意看上面的這張圖片，這是早期典型的米波雷達(dá)，很重要的特點(diǎn)是雷達(dá)天線使用了“八木-宇田”天線陣列。名字雖然很高大上，但這個(gè)東西在某一時(shí)期特別常見：

在早早年間，有線電視還不普及的時(shí)候，很多居民接受電視信號(hào)都會(huì)在房頂上放置這種天線。用以接受電視甚高頻（VHF）無線電信號(hào)。

這種天線主要由一個(gè)有源振子進(jìn)行驅(qū)動(dòng)、一個(gè)反射器和多個(gè)引向器組成，通過計(jì)算合理的尺寸設(shè)計(jì)和排列，實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁波的定向發(fā)射和接收，從而提高信號(hào)強(qiáng)度和方向性。

在二戰(zhàn)末期直至冷戰(zhàn)中期，這種雷達(dá)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輕便，同時(shí)只需要大功率電子管和簡(jiǎn)單的分立元件就可以驅(qū)動(dòng)起來。所以無論是前蘇聯(lián)的“П-12”、我們仿制的“602”、“603”，還是更早的美制SCR系列雷達(dá)，幾乎都采用了這一技術(shù)路線。

“抗遮蔽強(qiáng)”這一米波的優(yōu)勢(shì)又給這種雷達(dá)真正實(shí)際上的優(yōu)勢(shì)。簡(jiǎn)單說一下：米波段波長(zhǎng)在0.3米至1.5米之間，具有極強(qiáng)的繞射能力，在面對(duì)丘陵、建筑甚至低空飛行目標(biāo)時(shí)，不容易出現(xiàn)電磁“陰影”區(qū)；對(duì)對(duì)地波/天波傳播能力遠(yuǎn)優(yōu)于厘米波/毫米波，可以在低天線高度下實(shí)現(xiàn)超視距探測(cè)。同時(shí)，二戰(zhàn)中期開始，隨著轟炸機(jī)群、巡航導(dǎo)彈的出現(xiàn)，“低空突防”逐漸成為空襲主流戰(zhàn)術(shù)，恰恰也成了這種雷達(dá)的用武之地。

但是，米波雷達(dá)精度差！以П-12雷達(dá)為例，距離精度大約為1-5公里，方向角精度最高也在3?以下。這也是為什么很多人說米波雷達(dá)精度差的基本原因。如果只說上面兩個(gè)數(shù)字，精度差到哪種程度大家還很難建立概念。看裝備！

這東西只能作為警戒雷達(dá)使用，而無法指示目標(biāo)，因此在指引火力的用途上往往是和探照燈相互配合的，用雷達(dá)大致的確定某一個(gè)空域上有可疑目標(biāo)，再打開探照燈去搜索并確認(rèn)這個(gè)目標(biāo)真實(shí)的存在。

那么為什么米波雷達(dá)的精度低？這是和當(dāng)時(shí)的技術(shù)相關(guān)的。雷達(dá)的角分辨率 ≈ 波長(zhǎng) / 天線孔徑，米波波長(zhǎng)長(zhǎng)（0.3–1.5米），你就得配個(gè)幾十米的大天線才有可能和厘米波抗衡；距離分辨率 ≈ c / (2 × 脈沖帶寬)，而帶寬又 ≈ 發(fā)射頻率范圍，米波雷達(dá)頻率低、帶寬窄，所以脈沖寬度很難做得很短，也就測(cè)不出細(xì)微的目標(biāo)距離差異，這就是為什么米波雷達(dá)精度低的根本原因。

當(dāng)然了，這一切都是集中在模擬信號(hào)雷達(dá)的時(shí)代。雷達(dá)以一個(gè)固定的時(shí)間間隔發(fā)送一個(gè)無線電脈沖，接收到目標(biāo)回波后計(jì)算。當(dāng)時(shí)的技術(shù)也是自洽的，和雷達(dá)旋轉(zhuǎn)角度相同的頻率被輸入到模擬顯示屏的偏轉(zhuǎn)線圈上：

經(jīng)過濾波器的回波信號(hào)的高電平也就可以直接在屏幕上投影：

也就可以方便的看到來襲目標(biāo)的預(yù)警信息了。

但隨著數(shù)字技術(shù)的不斷發(fā)展，米波雷達(dá)的這種工作形式就不方便了，逐漸被分辨率更高精度更高的厘米波（3–30 GHz）毫米（30–300 GHz）波雷達(dá)所取代。先天的劣勢(shì)讓米波雷達(dá)在方向角精度、距離分辨率、抗干擾能力上全面落后。特別是在精確制導(dǎo)、攔截控制領(lǐng)域，米波雷達(dá)基本無法勝任——這個(gè)時(shí)間就來到了上世紀(jì)80-90年代，米波雷達(dá)就成了落后的裝備。而以S波段（2–4 GHz）、X波段（8–12 GHz）為主的高頻雷達(dá)系統(tǒng)成為主力，特別是海軍艦載與空中預(yù)警系統(tǒng)的核心。

然而，這個(gè)時(shí)間點(diǎn)上又“變天”了！——隱身飛機(jī)出現(xiàn)了！

針對(duì)于S波段和X波段的雷達(dá)波，隱身飛機(jī)可以通過特有的扁平機(jī)身表面設(shè)計(jì)折射雷達(dá)波到另一個(gè)方向上。

這就導(dǎo)致了雷達(dá)可以接收到的有效回波強(qiáng)度大幅度減少。當(dāng)年大部分軍用雷達(dá)就很難探測(cè)到隱身飛機(jī)了。

那么米波是不是對(duì)隱身飛機(jī)先天就有探測(cè)能力呢？答案是肯定的。

隱身飛機(jī)之所以能“隱身”，本質(zhì)上是對(duì)高頻雷達(dá)波段（尤其是X波段、Ku波段）進(jìn)行反射方向控制和吸收處理。這些處理手段主要包括：表面反射控制，通過斜面、倒角、復(fù)合曲率等外形設(shè)計(jì)，使雷達(dá)波入射后以非直線反射路徑散射出去，避免回波返回雷達(dá)接收器；雷達(dá)吸波材料，對(duì)于波長(zhǎng)在幾厘米以內(nèi)的高頻波，材料吸收效率較高，能顯著減少返回的電磁能量；邊緣衍射干預(yù)，特定位置的倒角和形狀設(shè)計(jì)能削弱邊緣散射效應(yīng)，進(jìn)一步壓低RCS。但是，上述措施全都建立在一個(gè)前提下：雷達(dá)波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于飛機(jī)尺寸（典型戰(zhàn)機(jī)長(zhǎng)度10–20米，X波段波長(zhǎng)2.5–3.75厘米）。在這樣的比例下，飛機(jī)可以“操控”雷達(dá)波的反射路徑。

而米波，恰恰打破了這一比例關(guān)系。

米波的波長(zhǎng)在0.7米到1.5米之間，接近甚至超過飛機(jī)的部分結(jié)構(gòu)尺寸，比如垂尾、高度、主翼后掠段等。于是出現(xiàn)以下幾個(gè)“隱身失效”的現(xiàn)象：電磁共振散射，米波波長(zhǎng)與機(jī)體結(jié)構(gòu)相當(dāng)，會(huì)激發(fā)雷達(dá)反射的結(jié)構(gòu)共振，RCS反而上升；繞射增強(qiáng)效應(yīng)，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，電磁波的繞射能力越強(qiáng)，越容易在飛機(jī)背后、側(cè)后、側(cè)前形成強(qiáng)反射角，即使飛機(jī)“躲避”雷達(dá)波，也會(huì)被繞回來；吸波材料失效，RAM材料在米波段的吸收性能極差，甚至可以被視為“透明體”；雷達(dá)反射模型失效，原本用于建模的“幾何光學(xué)模型”在米波下適用性下降，隱身飛機(jī)的散射行為變得難以預(yù)測(cè)，也難以規(guī)避。

別高興太早！縱使米波雷達(dá)在探測(cè)隱身飛機(jī)的可能性上更大，但是并沒有因?yàn)樗堋翱吹健彪[身飛機(jī)而讓人不去忽略掉它的固有缺點(diǎn)。雖然在世界上有米波雷達(dá)指引導(dǎo)彈擊落隱身飛機(jī)的戰(zhàn)例，但那次實(shí)戰(zhàn)成績(jī)其實(shí)是“撞大運(yùn)”。如果不能解決米波自身的缺陷，那么米波雷達(dá)依舊是不可用的。

再來看我們新的米波雷達(dá)：

密密麻麻的發(fā)射單元已經(jīng)和之前的幾根“八木-宇田”天線不一樣了。

很多人就會(huì)脫口而出——相控陣?yán)走_(dá)。然后想到波束賦形技術(shù)：

依靠給編每個(gè)不同發(fā)射單元的信號(hào)相位通過無線電波的干涉衍射改變最終的波束方向。但這僅僅是相控陣?yán)走_(dá)的一個(gè)最基本的入門技術(shù)，解決的僅僅是雷達(dá)天線不用旋轉(zhuǎn)來掃描更大區(qū)域的問題——并不能解決米波雷達(dá)的精度問題。

首先簡(jiǎn)單的說波束成型，這是一個(gè)算法問題。無論是有源還是無源相控陣?yán)走_(dá)，上面都密密麻麻布滿了發(fā)射接收單元

我們可以構(gòu)造一個(gè)M X N 個(gè)陣元的天線陣列（M行、N列）：

這時(shí)候，我們就可以構(gòu)建出一個(gè)方向向量：

然后對(duì)所有方向進(jìn)行“加權(quán)疊加”，輸出功率最大的位置就是目標(biāo)方向。

通過數(shù)學(xué)方法簡(jiǎn)化計(jì)算：

在電路上就可以依靠DSP的加法器和乘法器進(jìn)行快速的計(jì)算。

從而高效的控制相控陣?yán)走_(dá)的陣列雷達(dá)波發(fā)射和接收指向。

又因?yàn)閙? X n? 是大陣列（MXN）的子集，我們就可以通過給 m? X n? 獨(dú)特的相位參數(shù)讓m? X n?這個(gè)子陣列和主要的陣列指向不同——這就是為什么一個(gè)高端的相控陣?yán)走_(dá)可以在搜索的同時(shí)再同時(shí)跟蹤十幾個(gè)目標(biāo)的原因了。

米波雷達(dá)利用相控陣技術(shù)進(jìn)行信號(hào)發(fā)送和接收也就是解決了“指向”問題，但是對(duì)探測(cè)精度是沒有任何改善的。

那么如何改善精度問題呢？這里就得引入一個(gè)相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)的先天優(yōu)勢(shì)了。

這是一個(gè)傳統(tǒng)的雷達(dá)波波形，我們可以看到在探測(cè)到信號(hào)的時(shí)候雷達(dá)會(huì)接收到一個(gè)很明顯的尖峰信號(hào)（這是一個(gè)15公里外的回波）。

但是，如果我們?cè)诎l(fā)射這個(gè)雷達(dá)波的時(shí)候通過相控陣發(fā)射單元疊加添料呢？例如讓不同的發(fā)射單元之間有一些特定算法生成的頻率抖動(dòng)，并適當(dāng)延長(zhǎng)脈沖發(fā)射時(shí)間。那么我們就可以得到這樣的雷達(dá)回波：

通過這個(gè)回波之間兩個(gè)尖峰的位置的相位差，我們就可以修正米波雷達(dá)的精度。這樣就可以把米波雷達(dá)的10公里級(jí)別的精度顯著的降低為幾十米。針對(duì)于一架隱身飛機(jī)來說，這個(gè)精度差不多就是一個(gè)機(jī)位，顯然已經(jīng)足夠了。

再通過編碼技術(shù)我們還可以得到這樣的信號(hào)：

可以很明顯的看到信號(hào)中的黃線，沒錯(cuò)，這就是多普勒效應(yīng)帶來的信號(hào)偏轉(zhuǎn)，可以依據(jù)多普勒效應(yīng)在編碼中的修正計(jì)算得出目標(biāo)的速度信息。

再經(jīng)過多路信號(hào)的疊加，我們就可以把信號(hào)從二維轉(zhuǎn)化為三維：

這樣就得到了目標(biāo)的方位角、俯仰角和距離，也就是“三坐標(biāo)”。

當(dāng)然了，這是在說天空中只有一個(gè)目標(biāo)的情況下，那么如果有多個(gè)目標(biāo)呢？MUSIC算法登場(chǎng)，這不是“音樂的意思”，而是“多重信號(hào)分類算法”（MultipleSignalClassification），這個(gè)算法即便是目標(biāo)距離很近，也可以不受到影響進(jìn)行獨(dú)立區(qū)分：

算法層面的東西其實(shí)都挺簡(jiǎn)單的，例如Music的源碼如果寫個(gè)演示程序就是這么幾行：

import numpy as npimport matplotlib.pyplot as pltfrom numpy.linalg import eig# 參數(shù)設(shè)置M = 8 # 陣元數(shù)d = 0.5 # 陣元間距（單位：波長(zhǎng)）theta_true = [20, 60] # 信號(hào)入射角度（度）N = 200 # 快拍數(shù)snr_db = 20 # 信噪比（dB）# 波達(dá)方向轉(zhuǎn)換為弧度theta_rad = np.radians(theta_true)# 構(gòu)造導(dǎo)向向量函數(shù)def steering_vector(theta, M, d):return np.exp(-1j * 2 * np.pi * d * np.arange(M)[:, None] * np.sin(theta))# 構(gòu)造接收信號(hào)A = steering_vector(theta_rad, M, d)S = np.random.randn(len(theta_true), N) + 1j * np.random.randn(len(theta_true), N) # 隨機(jī)信號(hào)X = A @ S# 添加噪聲noise = np.random.randn(M, N) + 1j * np.random.randn(M, N)signal_power = np.mean(np.abs(X)**2)noise_power = signal_power / (10**(snr_db / 10))X_noisy = X + np.sqrt(noise_power/2) * noise# 計(jì)算協(xié)方差矩陣R = X_noisy @ X_noisy.conj().T / N# 特征分解eigenvals, eigenvecs = eig(R)idx = eigenvals.argsort()[::-1]eigenvals = eigenvals[idx]eigenvecs = eigenvecs[:, idx]# 噪聲子空間En = eigenvecs[:, len(theta_true):]# 計(jì)算 MUSIC 譜theta_scan = np.radians(np.linspace(-90, 90, 1000))P_music = []for theta in theta_scan:a = steering_vector(np.array([theta]), M, d)P = 1 / np.abs(a.conj().T @ En @ En.conj().T @ a)P_music.append(P[0, 0])P_music = 10 * np.log10(np.abs(P_music) / np.max(np.abs(P_music))) # 歸一化為 dB# 繪圖plt.figure(figsize=(10, 6))plt.plot(np.degrees(theta_scan), P_music)plt.title('MUSIC Spectrum')plt.xlabel('Angle (degrees)')plt.ylabel('Spatial Spectrum (dB)')plt.grid(True)plt.tight_layout()plt.show()

其實(shí)到這里，你就已經(jīng)完全了解到了最新的“三坐標(biāo)氮化鎵米波相控陣?yán)走_(dá)”的技術(shù)核心，至于“氮化鎵”，那只是元件的材料，和性能有關(guān)與原理無關(guān)。

最后要聊聊咱們今天為什么要說這件事呢？還是一開始的話——?jiǎng)e自大！

這種雷達(dá)并不是咱們自己獨(dú)有的。

這是俄羅斯的59N6-TE Opponent-GE

這是美國的AN/TPS-80

AN/FPS-117

以色列的EL/M-2090

日本的J/FPS-7