崔原豪
1月8日,劉永坦院士榮獲2018年度國家最高科學技術獎。他設計并研制的對海探測新體制雷達,一時引起國內外關注。
對公眾來說,雷達早已不是一個陌生詞,它可以通過發(fā)射電磁波并分析目標處的回波來判斷目標類型、速度等信息。那新體制雷達又是什么呢?它是靠哪些優(yōu)點斬獲國家最高科學技術獎的?
從相關報道中得知,這種新體制雷達的主要特點是“超視距”,即超越地球曲率導致的雷達探測距離極限。
在傳統(tǒng)科幻小說中,雷達站總是建在荒無人煙的山頭上。這是因為電磁波在自由空間的傳輸呈直線狀,而地球本身是一個球體,受地球曲率影響,電磁波無法照射到低于地平線的區(qū)域,這被稱為雷達視野盲區(qū)。為了解決這個問題,傳統(tǒng)想法是把雷達設置得盡可能高一點。
“高”的另外一種方法,就是利用被稱作“空中指揮中心”的預警機,把雷達放在空中平臺,就可以克服地球曲率,從而擴大探測面積。但科學家并不滿足:如果雷達本身可以通過信號處理算法獲得超視距能力,豈不是再好不過?這就是超視距雷達誕生的原因。
超視距雷達對國防意義重大,在目前所有雷達體系中,它探測低空、遠距離目標能力最強,單位覆蓋面積所占成本最低,而且能夠探測隱身飛行器。美國國防部已經將超視距雷達列入關鍵技術計劃項目中,它將是21世紀最重要的應用雷達之一。
其實,早在20世紀50年代,超視距雷達的研究就已經開始,并在70年代左右投入使用。美國、法國、澳大利亞等國家都開發(fā)了自己的超視距雷達。根據采用頻段和設計機制的不同,可以分為天波超視距雷達和地波超視距雷達。
天波超視距雷達工作原理示意圖
美國海軍部署在德克薩斯的AN/TPS--71、澳大利亞的金達利就是天波超視距雷達。這類天波超視距雷達主要工作在3-30MHz的高頻頻段,波長通常為數米到數十米,通過電離層反射雷達波束獲得“超視距”。正常情況下,電磁波經過電離層一次反射,探測距離可達3000公里,經過電離層二次反射,探測距離可達6000公里。
但天波雷達也存在一些缺點。它的設備普遍過大,功率高,造價貴,并且嚴重依靠電離層反射效應,導致近距離目標存在盲區(qū),同時電離層變化會影響測量精度。這時候就要提到地波雷達了。
地波雷達一般工作在3-15MHz的短波頻段。它體積相對較小,重量輕,是水面預警體系中最重要的遠程探測設備,可以彌補天波雷達存在近百公里的視野盲區(qū)、信號傳輸不穩(wěn)定等缺點。由于地面上存在諸多障礙物,電磁波會嚴重衰減,所以地波雷達主要用于遠程海洋探測。劉永坦院士研發(fā)的新體制雷達就被稱作“海防千里眼”。
天波和地波超視距雷達在國家遠程預警體系中的地位日益突出。將它們結合起來使用,可以建立起全天候、全時段的遠程預警體系,對國家遠大陸架海洋和領空監(jiān)控發(fā)揮重要作用。