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对海新体制雷达荣获国家最高科学技术奖 有何特别之处?

发布时间:2019-06-12 18:15 来源:未知 编辑:admin

  1月8日,根据《国家科学技术奖励条例》的规定,经国家科学技术奖励评审委员会评审、国家科学技术奖励委员会审定和科技部审核,国务院批准并报请国家主席习签署,授予刘永坦院士、钱七虎院士国家最高科学技术奖。这两位院士的研究方向并不相同,刘永坦院士的主要成就是对海探测雷达,钱七虎院士主要方向是爆炸防护相关工程技术。

  官方对刘永坦院士的获奖原因是这样介绍的,主要成就:对海探测新体制雷达理论和技术的奠基人、引领者,1991年和2015年两次获得国家科技进步一等奖。率领团队全面自主创新,实现对海新体制探测理论、技术的重大突破,在工程应用中发挥重要作用。

  这种说法比较模糊,什么叫做对海探测新体制雷达?刘院士的新体制雷达和以往雷达有何不同?

  通的三坐标对海搜索雷达,工作在微波波段,雷达波接近直线传播,作用距离受到地球曲率限制通常只能看到50公里以内的海面目标。(架设高度20米的雷达对50米高度目标的探测距离约为47公里)这种雷达通常比较小,可以直接安装在军舰上。

  第二种是工作频率在3~15MHz的高频雷达。这种雷达波的绕射能力比较强,在沿海平面传播时衰减较小,可以用来对地平线以下的海面目标进行检测,通常其探测距离可以远达300公里以上。主要缺点是受海面杂波干扰大,雷达天线阵列庞大,通常只能在地面进行固定架设。

  第三种是超视距天波雷达,这种雷达的工作频率更低,波长更长。长波信号可以在海面和电离层之间的“波导通道”中穿过,所以其可视范围非常远,也被称为“天波”。探测范围通常高达3~4000公里。缺点是无法探测近距离目标,存在较大盲区,探测精度非常差,通常达到千米级,而且非常依赖气象条件,大气波导通道可不是想有就有的。

  刘院士的主要工作成就在第二种地波超视距雷达(SWOTHER)上。波长数十米的电磁波与海洋的相互作用产生绕射现象在1955年被发现,为超视距检测海上舰船奠定了理论基础。地波超视距雷达利用高频段(2~30MHz)垂直极化电磁波沿海面超水平线传播时损耗很低,可以在300公里以上的距离检测舰船和飞机。这种雷达的探测距离正好可以弥补微波雷达和天波雷达之间的探测距离空白。而且由于工作波长较长,对隐身技术并不敏感,所以世界各国都对其加以研究和应用。

  首先是杂波问题,海面上可不是风平浪静的。海浪的波长尺寸通常也恰好和地波雷达的波长接近,和舰艇的物理尺寸也很接近,因此海浪形成的反射信号的尖峰对信号筛选产生干扰,甚至淹没目标信号。所以在对信号进行滤波处理的时候需要按海浪的分布规律对回波信号进行处理对消,才能使目标信号显现出来。一般而言,海浪高度是按高斯分布,而产生的杂波幅度则按照瑞利分布。通过海浪信号的观测和积累,可以在很大程度上抵消海浪带来的不利影响。

  消除了海浪的影响,还有一种自然影响就是雷电。雷电产生的信号强度并不稳定,有时候混在杂波中,有时候异军突起让人错以为是目标。所以也需要开发多重标准的虚警检测器来对其进行处理。

  除了自然的影响,还有另一种严重的干扰:.由于高频雷达工作的短波波段存在着密集的短波通信业务, 同时还有大量的工业和民用信号如无线电通信、广播等产生的干扰, 使得工作环境十分恶劣, 很难找到一个能够保证雷达长时间稳定工作的频率。所以需要对频率使用情况进行实时监测,并为雷达找到最佳的频率“寂静通道”。在这个通道内,干扰信号要比海面杂波信号低得多,同时频率区间还得足够大,可以让雷达在频率捷变模式下工作。

  在珠海航展上展出的LD-JHC300地波超视距海面监视雷达的天线阵列和机房照片

  排除了各种杂波干扰和滤波问题,还有雷达工作波长特性本身决定的回波信号弱、探测精度低等问题需要解决。

  由于舰船的航行速度都较低,产生的雷达回波频谱隐藏在海浪的二阶杂波内,信号强度不到杂波峰值的百分之一。这需要非常复杂的算法并配合频率捷变和经过特殊设计的检测器来检出信号。此外还需要建立相关的规则库来进行比对,以对目标进行真假分类。

  地波雷达通常采用宽波束发射天线来保证搜索效率,可以同时进行多个回波信号的接收。但是受到电磁波本身瑞丽效应的影响,其角分辨率低,测角精度差。必须发展多种超分辨法来消除这个不利影响。通常而言都需要依靠更多的天线进行信号的收发,以高效的算法配合高速的计算机来进行信号处理。

  刘永坦主持建设的中国第一个地波雷达站投入使用,获1991年国家科技进步一等奖

  随着技术的进步,计算机信息处理能力大幅增强、雷达天线的灵敏度也获得了极大的提高,以往地波雷达难以涉及到的空中目标现在也可以进行探测了。由于波长尺度大于普通战斗机,接近战略轰炸机和运输机的尺寸级别,具备发现B-2级别隐身轰炸机的能力。这是“网红”米波反隐雷达所不具备的优势。

  雷达波的产生规律也对地波雷达不利:发射天线的尺寸比工作波长越大,信号的指向性越好,测量精度越高。地波雷达的波长已经达到米级尺寸,所以雷达天线通常也是高达数米。而且为了保证角分辨率和互相干扰的问题,天线间隔也需要做的很大。这样一来地波雷达的天线阵列就会变得无比庞大,对雷达的选址和建造提出了很高的要求。同时也意味着这些高性能雷达难以机动部署,在战时的抗损能力很差。而可机动部署的小型化雷达的探测精度大打折扣,性能远不如固定部署的。这是地波雷达的固有缺陷。

  地波雷达作为海防探测体系中不可或缺的一环,各强国都很重视发展。地波雷达和天波雷达共同建立起的陆基远程海洋预警体系可以提供远离海岸5000公里级别距离内的目标信息。虽然由于长波雷达本身的测量精度缺陷并不能直接引导武器攻击,但是可以大幅增加预警时间,为我方舰队和地面单位做出应对部署争取时间,可以说意义非凡。

  从单纯的理论研究到一整套体系的建立,还将探测范围拓展到传统理论范围之外。同时在工程上克服了大量的难题,摆脱了传统地波雷达站的形式,发展出分布式和小型化等创新技术。以更小的系统规模和功耗实现了比国外同类雷达更强的性能。刘永坦院士获此殊荣,确实是名至实归。

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