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1、第二十四届（2008）全国直升机年会论文浅析直升机毫米波防撞雷达的发展张国新 纪双星 王萍（陆军航空兵学院）摘 要：本文首先简要描述了直升机毫米波的特点，然后重点介绍直升机防撞雷达的发展历程并介绍了正在研制的几种典型的直升机毫米波防撞雷达，最后指出了直升机毫米波防撞雷达技术的未来发展趋势。关键词：毫米波防撞雷达 直升机载雷达 飞行安全引言直升机是迄今为止机动性最优的一种空中作战平台，可以垂直起降、贴地飞行，可以在机场或未经平整的地点着陆，甚至可以在空中悬停或者占领某一据点1，前提条件是天气条件必须足够良好。实际上，目前军/民两用直升机的作战/运营能力主要受限于气候条件。如果缺乏可靠详细的飞行路
2、径和着陆地点探测感知手段，直升机安全会受到严重威胁，尤以直升机贴地飞行最为严重。直升机事故统计分析表明，绝大部分飞行事故都是由于直升机碰撞其它物体所致，与障碍物、地形和其它飞机相撞造成的事故远远超过其它事故原因。在科索沃战争期间，美军的阿帕奇武装直升机就曾经因为碰撞高空电力线而被撞毁坠地。显然，直升机若没有足够的障碍物探测、态势感知与告警设备是非常危险的。因此，如何躲避此类障碍物，各国竞相研究开发各类直升机防撞雷达。1 毫米波的特点影响毫米波传播的主要气体是氧气分子和水蒸气，这些气体的谐振将会对毫米波频率产生选择性吸收和散射。在整个毫米波频段有4个传播衰减相对较小的大气“窗口”，它们的中心频率
3、在35GHz、94 GHz、140 GHz和220 GHz，这些窗口对应的带宽分别为16 GHz、23 GHz、26GHz和70 GHz。任何一个窗口的可用带宽几乎都可以把包括微波频段在内的所有低频频段容纳在内，毫米波的可用频带宽度非常丰富。由此可以归结出毫米波的多种应用优势。(1)小天线口径、窄波束：高跟踪和引导精度；易于进行低仰角跟踪，抗地面多径和杂波干扰；对近空目标具有高横向分辨力；对区域成像和目标监视具备高角分辨力；窄波束的高抗干扰性能；高天线增益；容易检测小目标，包括电力线、电杆和弹丸等。(2)大带宽：具有高信息速率，容易采用窄脉冲或宽带调频信号获得目标的细节结构特征；具有宽的扩谱能
4、力，减少多径、杂波并增强抗干扰能力；相邻频率的雷达或毫米波识别器工作，易克服相互干扰；高距离分辨力，易得到精确的目标跟踪和识别能力。(3)高多普勒频率：慢目标和振动目标的良好检测和识别能力；易于利用目标多普勒频率特性进行目标特征识别；对干性大气污染的穿透特性，提供在尘埃、烟尘和干雪条件下的良好检测能力。(4)良好的抗隐身性能：当前隐身飞行器上所涂覆的吸波材料都是针对厘米波的。根据国外的研究，毫米波雷达照射的隐身目标，能形成多部位较强的电磁散射，使其隐身性能大大降低，所以，毫米波雷达还具有反隐身的潜力。毫米波在雷达中应用的主要限制有：雨、雾和湿雪等高潮湿环境的衰减，以及大功率器件和插损的影响降低
5、了毫米波雷达的探测距离；树丛穿透能力差，相比微波，对密树丛穿透力低；元器件成本高，加工精度相对要求高，单片收发集成电路的开发相对迟缓。毫米波的性能通常界于光电传感器和微波传感器之间，主要性能比较示于表1。特性微波毫米波光电跟踪精度好好很好目标分类和识别差好很好搜索范围很好好差自身保护特性差好很好不良气象性能很好好差烟尘条件性能很好很好差表1 毫米波、光电和微波传感器之间的特性比较2 防撞雷达的发展及应用自20世纪60年代至今的40多年间，各国陆军都在寻求各种手段为武装直升机提供一条在战场上安全飞行的空中走廊。研制直升机防撞设备涉及到如何平衡体积、成本和探测分辨力这三者之间的关系问题，它必须满足
6、以下3项要求：一是有足够的角分辨率；二是有足够远的作用距离，使飞行员有充足的反应时间；三是设备必须体积小、重量轻，适合直升机装载。外军最初提出采用夜视镜、图像增强仪或红外成像仪等作为直升机防撞设备，但这类设备因受气候（降雨、沙尘暴、烟雾等）影响太大，作用距离太近，不能为直升机驾驶员提供足够的反应时间而惨遭淘汰；20世纪80年代美国研制一种采用电磁场接收机的直升机防撞系统，试飞结果表明使用效果不佳。1990年美国陆军才提出了一种利用雷达来实现直升机防撞功能的构想。目前，外军武装直升机装备的防撞系统主要是激光防撞雷达，最早由美国陆军提出研制，要求这种雷达在能见度为2km的情况下，对25mm直径电力
7、线的告警距离至少要达到400m，成本为15万美元/套。1993年试飞结果表明它能使直升机在贴地飞行时选择最佳的安全走廊。同年，德国道尼尔（现公司）公司也开始研制基于激光防撞雷达的直升机障碍物告警系统。但是，激光防撞雷达较好的应用条件主要是在夜间，白天工作时太阳射线的干扰会降低系统性能，而且不能穿透战场烟雾和沙尘，在恶劣气候条件下作战能力也有所降低。与激光雷达相比，常规微波雷达能够探测电力线等直径较小的目标，但是组成中的天线笨重庞大，处理单元复杂昂贵，根本无法用来装备直升机。与之相比，毫米波雷达可以用小尺寸天线实现高分辨力和高扫描速率，其重量、体积、功耗均与直升机的装载能力相适应，而且能在雨雪、
8、烟雾和沙尘等条件下工作，具有很强的抗地杂波能力，将会引起直升机全天候作战能力的革新。因此，毫米波雷达成为直升机防撞系统的一种最佳选择，也是目前世界各国陆军不断追求发展的一种高技术防撞设备。1966年，法国达索公司研制的“赛格”（SAIGE）35GHz防撞雷达，对电力线探测距离达到了1500m；20世纪80年代，德国AEG-德律风根（AEG-TELEFUNKEN）公司也研制出了一种工作频率为59.1GHz的直升机防撞雷达，对直径20mm高压线的探测距离为400m；法国汤姆逊-CSF公司（现泰利斯公司）同期也开始研制一种型号为“罗米奥”的3mm波直升机防撞雷达，经过20年的发展，工作体制已从原来的
9、“连续波”体制改进为III型的脉冲体制，对高压线的探测距离也从初期的500m提高到现在的1800m，扫描时间为23s；1996年，美国和霍尼维尔公司成功地试飞了一种35GHz的毫米波防撞雷达，试飞结果也表明这种雷达能够探测到地面的各种障碍物；19951997年，位于圣彼得堡市的俄罗斯列宁人公司也成功试飞了一种具有防撞功能的直升机毫米波多功能雷达，它对高压线的探测距离达到3000km。上述低空防撞雷达在直升机上成功试飞，证明这种雷达定位在毫米波频段是可行的，可以满足实战要求2。这些经验同时为世界各国研制实战型毫米波低空防撞雷达提供了成熟条件。2000年7月，加拿大阿姆菲泰克公司在英国航展上展出了
10、最新研制的直升机毫米波防撞雷达。另外还有欧洲直升机全天候作战雷达以及俄罗斯“劲弩”毫米波防撞导航雷达都是毫米波防撞雷达的典型应用。3 未来发展趋势近年来，毫米波技术取得了很大进展，新型高效的大功率毫米波行波管、微带平面的介质天线和集成天线、低噪声接收机芯片等相继问世，为毫米波防撞雷达的进一步发展奠定了坚实的基础。就实际应用而言，毫米波防撞雷达的未来发展主要涉及以下3个方面。其一，开发集防撞、导航、对空、对地目标检测等多种功能于一体的毫米波多功能雷达。目前，世界先进雷达开发商已制定毫米波多功能雷达（MMR）发展战略，MMR要求进一步扩展毫米波防撞雷达的功能。毫米波多功能雷达主要针对军用运输直升机
11、和多用途旋翼机，用以改善直升机贴地飞行、在灯火管制区、恶劣天气、低能见度和飞行员超负荷工作等多种飞行场景下的飞行安全可靠性。将综合海洋气象站、气象雷达、地形跟踪雷达、地形测绘、辅助着陆和数据链（空对空、空对地）等多种功能，期望在大大减轻设备重量的同时，提供最优的态势感知能力。美军“长弓阿帕奇”武装直升机装备的AN/APG-78“长弓”火控雷达就是一种典型的毫米波多功能雷达，它集地形测绘、对空目标瞄准、对地目标瞄准等多种功能于一体。其中，地形测绘模式可为武装直升机在低能见度条件下作超低空飞行提供导航服务，可提供地形轮廓和障碍物信息，为直升机提供更为精确的飞行路线。此外，俄罗斯NPO “金刚石”研
12、究所研制的N025“宝石-280”毫米波目标指示雷达，同时具备攻击和导航2种工作模式，用来装备俄罗斯最新研制的米-28武装直升机3。可见，多功能雷达是毫米波防撞雷达的必然发展趋势之一。其二，随着毫米波防撞雷达在直升机上的推广运用，将来有望移植到无人机上。无人机应用日益广泛，特别是各种训练演习，常要求无人机作远途飞行，而且会通过民航管制区，这时必须充分考虑防撞问题。通用原子公司的“捕食者”无人机在近几场局部战争中战绩显赫，但是必须优先考虑防撞问题。“全球鹰”高空无人机在爬升和降落过程同样要求防撞。美国海军正在加紧研制大型无人机编队，用于空中交通管制任务繁忙的航母战斗群和滨海地区，因而对无人机防撞
13、需求尤为迫切。目前，加拿大阿姆菲泰克公司已经推出了无人机毫米波防撞（DSA）雷达，而且已经验证了无人机利用雷达检测飞行路线上的其它飞机从而具备自主防撞的能力。美国宇航局已经表示对防撞雷达安装在“捕食者”和“大力神”无人机上感兴趣。单套无人机防撞雷达的价格大约为22万美元。如果指标要求降低，改型还有望大大降低成本。而同等性能的激光防撞雷达大约贵1倍，且不能穿透战场烟雾和云层。其三，毫米波防撞雷达将与常规微波雷达集成为一体，协同使用，其中毫米波雷达主要用于导航、监视和武器制导，便于直升机采用自动地形跟随和回避技术进行超低空飞行；而微波雷达主要用于直升机自卫。毫米波与微波雷达互相取长补短，可以为直升机提供无比卓越的作战优势，同时也能够大幅度提高直升机战场生存力。参 考 文 献1 何晓晴，直升机毫米波防撞雷达的发展与应用，电讯技术，2006（03），15192 石星，毫米波雷达的应用和发展，电讯技术，2006（01），193 何晓晴，徐永胜，赵勇，国外武装直升机火控雷达发展综述，电讯技术，2005，45（2）158
