咱們先來看一篇回憶錄:

當安德森領著F/A-18機羣接近到巴格達西邊80公里時,雷達偵測到巴格達近郊機場有一架戰機迅速起飛爬升。雷達可以讀到目標的各種參數,由此安德森可以判斷出這不是任何一種聯軍擁有的機種:因為目標空速高達1.4馬赫,而且還不斷地在爬升當中!世界上只有一種戰機會這麼作,那就是米格-25「狐蝠」。漆黑的夜色中,安德森看到了難以忘懷的景象:「我可以目視到加力燃燒器排出的長長黃色尾焰,就跟我以前看過的米格-25一模一樣。」安德森一面跟上敵機的轉彎,一面要求預警機準許他攻擊,但預警機不是萬能的。當敵機轉向時如果飛行方向與雷達波方向垂直,則多普勒雷達暫時會將其視作地形雜訊而消除,當然,空中並不止l架預警機、故敵機飛行方向不可能同時跟每一道雷達波垂直,然而問題是,不同預警機會以不同的頻率指揮所屬的戰機,而此時安德森的無線電無法跟看得到米格-25的預警機聯絡。對指揮安德森的預警機而言,安德森是在原地對著一個幻影繞圈圈,對其它的F/A-18來說也是一樣:另一位飛行員阿爾巴諾回憶:「我聽到安德森的警告,並迅速用雷達搜尋那架敵機,然而他繞的速度是如此之快,而雷達搜索空間有許多的限制,根本跟不上變動如此快速的戰鬥空間。我只知道有一架敵機如入無人之境地繞過我們。」在毫無支援的情況下,安德森企圖跟上這架高速的敵機,不幸的是,米格-25突然把加力燃燒器關掉,此時,米格-25已繞出安德森的雷達搜索角度,使得安德森無法用任何方法找到敵機。一架60年代設計的米格-25就這樣僅憑著超音速及正確的閃躲動作,連閃數架第四代戰機及預警機的追蹤,消失在美軍的後方。——摘自空軍之翼論壇「敗者的榮光」——紀念海灣戰爭開戰25週年之伊拉克空軍米格-25PD「食蜂狐蝠」

看完你肯定會一臉懵逼,什麼鬼,雷達居然還會抓不住米格25?那可不是「時速1.5馬赫的鳥」,而是一大坨銀光閃閃的304不鏽鋼呀,那咱們就進入正題講一講吧。

雷達,尤其是脈衝體制的雷達,他是依靠週期性發射電磁波並接收回波信號來實現探測目標的,這很好理解,比如下圖場景:

一天,當你駕駛著格魯曼牌長軸距尊享版雄貓戰機在天空試駕的時候,突然有兩個不懷好意的304不鏽鋼截住了你的去路

這個時候我們的雷達上顯示的畫面就是這樣:

圖片為雄貓後座的AWG9雷達操作界面

看,兩個新鮮的靶子。陪你試駕的RIO興奮的搓了搓手,機腹的不死鳥已經饑渴難耐了。

當然,兩架米格大佬也不是等閑之輩,一個猛子紮下去,雷達畫面立刻就變成了這樣:

脈衝體制雷達無法分辨地面雜波

那麼,請你告訴我:

不好意思放錯了......

是不是抓狂了?沒錯,你讓雷達操作員在屏幕上尋找那隻1.5馬赫小鳥的時候,他就是這個心情。很顯然,依靠人眼從這一堆雜亂無章的回波信號裏找出目標,根本就是不可能完成的任務。即使你能分辨,雷達也分辨不出來,哪怕你手動鎖定目標,在地面雜波的幹擾下雷達也會立刻脫鎖丟失目標。「那就沒辦法了嗎?」你沮喪道。只見RIO胸有成竹的啟用了PDS(脈衝多普勒搜索)模式,目標立刻重新出現在屏幕上:

使用脈衝多普勒搜索模式捕獲目標

「好神奇,」你讚歎道:「怎麼做到的?」「呃,這個怎麼和你解釋呢?」RIO騷了騷頭盔,「大家都聽說過1.5馬赫小鳥的笑話吧.這個笑話的關鍵點不是發現小鳥,而是發現1.5馬赫的目標。畢竟小鳥可不是不鏽鋼做的,不可能飛出馬赫數出來。而想要用雷達分辨速度不同的物體,就需要找出他們兩者回波的區別,再用濾波器加以剔除。」「所以你們使用多普勒頻移來尋找目標?」你恍然大悟到。

當物體以恆定的速率沿某一方向移動時,由於傳播路程差的原因,會造成波的相位和頻率的變化

那麼很顯然,在這麼一片空域中,高速移動的物體除了我們之外,就只有兩塊充滿暴力美學的不鏽鋼了。只要雷達後端分析回波的多普勒頻移特徵,就能立刻揪出這隻天賦異稟能飛出1.5馬赫的「小鳥」了。

「那我們豈不是可以直接反隱形了?」你興奮的問道。「哪有這麼簡單」RIO苦笑到:「你減速試試看」。你將信將疑的控制著大貓減速,很快,令你目瞪口呆的情況出現了:

雷達在脈衝多普勒模式下存在所謂的「零速盲區」

多普勒效應的特點是速度差距越大越明顯,反過來相對速度越低多普勒效應就越弱。當多普勒效應弱到一定程度的時候,雷達濾波器將無法正確的識別回波,從而把目標回波作為雜波過濾掉,這便是脈衝多普勒雷達的「零速盲區」。作為這款尊享版雄貓的雷達,AWG-9在PDS模式下的「零速盲區」為±100節航速,當與目標相對速度小於100節時雷達將不會顯示目標。

對於這個問題的解決辦法,便是以地速為基準,通過參考本機的地速從而剔除掉具有相應多普勒頻移特點的回波(即地面回波),留下的回波便是目標。無論對方是否與我們保持±100節的相對速度,他都會被顯示在屏幕上。這樣也就規避了所謂的「零速盲區」。這種通過測量相對地速來識別目標的辦法,也是脈衝多普勒雷達功能的一種。當然,多普勒效應的特點就決定了即使採用這種模式依然無法避免雷達盲區的出現。當目標垂直於我們航線飛行時,他和地面的相對地速會變成0,雷達也同樣會出現無法正確的識別回波的情況,把目標回波當成雜波過濾掉,就像這樣:

注意雷達圖上被圈起來的飛機,他正向右轉向,這將垂直於本機航向

這種盲區被稱為「主瓣雜波盲區」,即雷達後端將目標的回波識別為地面回波而將其過濾掉了。 可見只要使用正確的方法,即使是一架不具備隱身外形的飛機同樣可以隱匿於雷達的顯示屏上。開篇那架米格25便是使用了同樣的辦法躲開預警機和F18的雷達,完成單槍匹馬強闖航母防空圈的壯舉。

「是雷達就會有盲區。」RIO突然嚴肅了起來:「只有靈活的使用不同的體制的雷達互補,才能充分發揮雷達的功效,而這便是RIO存在的意義。」「隱身戰機天生所具備的低可探測性,無疑是對雷達的信息處理能力提出了嚴峻的挑戰,也對RIO提出了更高的要求。歷次的空戰演習中,每當我們探測到這些1.5馬赫的隱身小鳥時,往往已經處於中距彈不可逃逸的包線內了,這樣的發現又有何意義呢?」RIO嘆息道,「這也許就是命運吧。」說完他便按下了發射鈕,只覺得飛機猛然一輕,翼根掛載的兩枚不死鳥導彈同時離體下墜,隨即伴隨著震耳欲聾的咆哮拖著滾滾尾焰射出,猶如昂首的眼鏡蛇一般以一條兇狠的高拋彈道向上爬升,消失在天際。而RIO面前的雷達面板上,被鎖定的不鏽鋼正在熒幕上閃爍。(完)

正處於PDSTT(脈衝多普勒單目標跟蹤)模式下的AWG9雷達,可見米格25已被鎖定

注1:米格25使用的是兩種高性能鋼材,一種是高鉬高氮奧氏體不鏽鋼,另一種是高鎳耐高溫馬氏體鋼。而本文使用的「304不鏽鋼」僅僅是一種調侃,並非米格25使用的鋼材。

注2: @居延曾經是個海 大佬補充提出:

所以當年AWG-9雷達受困於時代的主瓣雜波盲區已被現代化PD雷達解決。


題主對雷達可能有個誤區~

當然,「時速1.5馬赫的鳥」這個梗現在已經快被人玩爛了,不過我沒想到還真有人信……

隱身戰鬥機的雷達反射面積只有鳥那麼大,其現實意義在於現役的大多數波段的雷達會直接把這種信號作為無意義的雜訊排除掉。也就是說,現有大多數波段的雷達是根本沒辦法穩定發現跟蹤隱身戰鬥機的,而不是說雷達顯示屏上就一個超音速飛行的小鳥~

其實仔細想想就能明白了,要是連鳥類那麼大的目標都能發現並穩定跟蹤的話,那現役雷達的顯示屏上得是多麼亂糟糟的一副場面吶~

雷達兵怕不是要直接吐血~

現代雷達和老式雷達的一大優勢就是能有效排除噪點,老式雷達都得靠有經驗的雷達兵自己去判斷哪個是真目標哪個是雜訊幹擾。現在雷達的計算機直接自動把這些幹擾排除掉了,以隱身戰鬥機那微小的雷達反射面積,很可能直接就被當做雜訊排除了,在顯示屏上都不會顯示,那更沒辦法識別了~

所以,綜上所述,題主的設想是不現實的。目前對隱身戰鬥機真正有效的,還是某些特定波段的雷達,諸如米波反隱形雷達。


本來是來回答超越妹妹熱榜問題的,刷熱榜時無意看到這個問題,一時手癢,先答這個。

題主這個想法是不可行的,看到不少同學已經把原因說的很清楚,你要首先截獲足夠目標信號(超過門限),然後才能發現目標,即雷達回波信號處理能夠有效檢出,才輪到數據處理測量目標參數。但個別回答裏也有一些錯誤,比如說雷達處理能力有限無法從大量小弱目標(鳥)中分離真實目標(隱身戰機),這是不完全對的。下面一併分析。

1、隱身目標對雷達探測的影響

所謂隱身目標,準確的說法應是低可探測目標(這裡只針對電磁特性),即對某特點頻段特定來波方向做到極小的後向散射,表現為極小的雷達散射截面(RCS),注意特定頻段特定來波方向的約束,當前技術發展還無法做到全頻段全向的低可探測。

當前隱身技術大致幾個方面:結構設計避開主要威脅頻段的瑞利區和諧振區,外形設計使最大散射方向偏離來波方向,塗覆材料減少電磁散射。所謂主要威脅頻段,首先是火控雷達/導引頭基本集中在C(4-8GHz)、X(8-12GHz)、Ku(12-18GHz),其次警戒雷達基本在P(0.3-1GHz)、L(1-2GHz)、S(2-4GHz),同時考慮飛機結構外觀尺寸也只能在這個範圍實現較好的設計指標,因此當前隱身均集中在0.3-18GHz這個範圍,實際這麼大頻段也是做不到的,根據作戰任務會選擇最優、次優...頻段,同時考慮任務威脅情況一般最佳隱身方向是機頭方向一定方位/俯仰範圍內。這就是有些答主提到的,米波雷達(300MHz以下)是對付隱身目標較好手段的原因。

目標電磁散射特性是一個非常複雜的專業,不是幾句話能說清楚的。一般最最簡單的目標建模時,可把目標簡化成一個各向同性的點目標,目標RCS為一個頻點常數序列(即不考慮起伏)。比如最簡化的雷達方程中:

式中σ即簡化的目標RCS,即其它參數不變情況下,RCS減小一半,最大探測距離下降16%,或者直觀點說,RCS降為原來的萬分之一,探測距離降為原十分之一。舉個例子,F-15早期型正面RCS大約15m^2,F-22據說某些頻段前向RCS在0.01m^2這個水平,對這個頻段雷達F-22的最大探測距離只有F-15的六分之一左右。不要覺得費這麼大力氣只降到六分之一,這六分之一可真會要人命,原本的千里眼成了近視眼,原本的雷達網成了破窟窿,人家可以隨意進出,在安全距離鎖定你打掉你,理論上你必須再增加三十五倍的資源,才能補上這個窟窿。因此,隱身技術改變戰爭格局作戰樣式的革命性技術手段,即使價格及其高昂,各國仍競相發展。

2、雷達目標信號檢測原理

雷達目標信號檢測原理如下圖所示:

經接收機匹配濾波放大後的信號,在檢波器內進行相參或非相參累積後,必須大於某個檢測門限,才會交後續的電路處理。那麼這個檢測門限怎麼確定呢,理論上最小可檢測信號(對應1中雷達方程裏的簡化參數接收機靈敏度Smin)為:

其它係數要麼為常數要麼為系統固有係數,唯一變數是回波信號信噪比S/N,信噪比與檢測門限及檢測概率的影響如下圖所示:

ABC為疊加在雜訊包絡上的三個目標回波信號,其中A信噪比高容易檢出,B信噪比較低可能檢出可能漏掉(漏警),C信噪比過低無法檢出。注意這裡的雜訊,已經是接收機中頻後端的熱雜訊、穩頻/相位雜訊、非線性響應等疊加的系統雜訊,是一個全帶寬高斯隨機雜訊,這裡我們認為雜波等強背景雜訊已在接收機前端被有效過濾,剩下的只是目標回波功率與系統雜訊功率密度的關係。

由於雜訊的隨機性,實際信號檢測要比上圖示複雜很多,不是確定檢測而是統計檢測,要求非常低的虛警(即將雜訊或假信號誤判為真實目標),否則雷達和人員將疲於奔命(參考將鳥羣作為目標),低虛警要求較高檢測門限;同時要求儘可能低的漏警(將真實目標誤判為雜訊),參考上圖中目標BC,低漏警又要求較低的檢測門限;此外,還有恆虛警(CFAR)等方面的要求,使處理方法更加複雜。

總之,目標檢出必須滿足信噪比要求,對應隱身目標,在相同距離上目標回波信噪比急劇惡化,發現概率嚴重下降或根本不能發現。只有當目標足夠近以後,才能滿足檢測門限要求,將信號向後續電路傳遞,用於截獲警告、測量和識別。

3、PD雷達的處理

我們知道,當前第三/四代戰技的PD或相控陣機載火控雷達,都是一部強大的多功能雷達,僅空對空,就包括RWS(測距搜索,即一般意義搜索)、TWS(搜索邊跟蹤)、VS(速度搜索)、TAS(搜索加跟蹤,僅相控陣)、SAM(態勢感知)、STT/MTT(單/多目標跟蹤)等多種工作模式,不同工作模式適用不同任務和目標條件。以下是PD雷達一個通道信號處理的原理框圖,有興趣的同學可以深入瞭解下MTI/MTD濾波器組以及零速濾波器、雜波圖的原理:

如果目標與載機徑向速度很小或為零(如載機尾隨目標),即多普勒頻移很小,則走下面的支路,目標處於強環境雜波區,即2中所說匹配接收機部分,將雜波過濾同時也會導致信號損失幾到十幾個dB,此後與正常目標檢測相同,效果差強人意。

而如果目標與載機相向對飛,則有很大的多普勒頻移,此時非常適用VS模式用於目標早期發現告警。不同目標信號與環境雜波譜的大致關係如下圖所示:

上圖中目標1即為高速對飛目標,信號譜線與雜波區完全分離。此時,使用VS模式,VS模式下為HPRF(高重頻)信號,高重頻帶來更高的發射平均功率,同時目標在無雜波區,回波接收處理功率不會受到任何損失,而假目標(鳥羣)在雜波區過濾時受到損失,如果信號功率較小可能被抑制。VS模式下,具有極好的速度解析度,可排布帶寬更窄的濾波器組,窄帶內信號信噪比更好即使非常微弱也容易檢出,同時由於雜波有效抑制可適當降低檢測門限,提高微弱目標信號的檢出概率。HPRF最大的問題是嚴重的距離模糊,導致目標無法測距,只能用於目標截獲告警,但VS模式極大提高了目標探測距離。

受時間所限,這部分就不展開了。

綜上所述,隱身目標極大壓縮了雷達的探測距離,如果回波信號在接收機內信噪比低於門限,則雷達不可能無中生有判別有目標,更談不上通過測速分辨目標。但雷達的VS速度搜索模式,在目標載機高速對飛的情形下,可以大大提高目標探測距離,包括隱身目標在內。


其實某種意義上來講,可以這麼說,但前提是真的做到:

  • 在掃描模式的不同幀之間,總能有「鳥這麼大」的信號,而不是時有時無。
  • 你的後端信號處理能夠做到「雖然只有鳥這麼大、只比雜訊大一點,但是幀之間持續存在、連續變化,所以它不是雜訊」。

前者需要雷達前端高輸出、高信噪比,波長最好也合適;後者需要雷達後端演算法足夠先進。那麼顯然這並不是隨便揪一個雷達出來就能做到的。


這只是一個說法,事實上是雷達反射面積小,更容易被底噪給淹沒,需要的演算法和雷達性能更強。

比如你去菜市場買菜,隔壁大爺大媽混在一起說話,超超鬧鬧的。這個時候有人拿個喇叭在哪喊浙江溫州,浙江溫州…你肯定聽的很清楚啊,這就是非隱身飛機。但是要是有人躲在人堆裏在那裡背政治,你還能分辨出來嗎?這就是隱身戰機,前面那些大爺大媽就是鳥,你得仔細聽才能分辨出鳥和隱身飛機的區別。

電影裏那種屏幕上閃著點代表飛機已經是經過各種濾波演算法過後的結果了。現實中雷達就是你在菜市場那種環境裏,偷聽老遠的大爺大媽在那裡討價還價。

你得用一堆演算法過濾掉不必要的信息,像雞叫,摁喇叭的,剁肉的。然後針對性的背一點政治,就像和平年代需要電子戰飛機去收集飛機的雷達特徵,在配上非常牛逼的雷達,才能找出來。


推薦閱讀:
相關文章