美军发展植被穿透成像雷达

tiezi · 发表于 2011-5-28 21:32

美军发展植被穿透成像雷达2010-07-21 19:32全方位、立体化的侦察手段是现代战争中实施精确打击的基础，但现有的侦察手段还不能做到战场的完全“透明”。在最近几场局部战争中，南联盟和伊拉克军队在力量对比悬殊的情况下，利用植被、伪装网、烟雾、诱饵等“土”方法多次骗过了拥有高技术侦察手段的美军，既保存了己方一定的军事实力，又消耗了美军的战斗力，令美军大伤脑筋。因此，研制可以穿透植被或识别伪装的成像雷达就成为美军关注的焦点。

一、美军发展植被穿透雷达的原因

目前在战争中，弱小一方采取的对抗侦察手段主要包括：把军队、车辆或武器系统隐藏在茂密的树林中，或在树林中快速机动；使用雷达、可见光或红外伪装网进行人工伪装；利用金属箔片、烟雾、诱饵在一定范围内进行欺骗；利用恶劣的天气大面积隐藏目标等。这些方法虽然简单，却行之有效。

人员或武器装备之所以可利用植被作天然屏障，是因为树叶本身是极好的绝热体，红外相机无法拍摄到树叶下的目标。X波段以上的高频微波雷达穿透植被时衰减很大，根本无法探测植被下的目标（美军专门使用微波合成孔径雷达进行了试验，结果证明，该雷达的确不能穿透植被），而且，微波雷达波束较宽，角分辨率低，只有采用复杂的合成孔径技术才能对目标成像。

二、美军发展植被穿透成像雷达的计划

美军十分重视研制植被穿透成像雷达，在2000财年的《美国国防部国防技术领域计划》中，将具有对植被下隐藏的时间敏感目标和地下目标进行探测和分类的能力作为未来雷达发展的主要目标之一。为此，美国防高级研究计划局（DARPA）与各军兵种联合进行了“反伪装、反隐藏、反欺骗”（CCCD）、“植被穿透侦察、监视、跟踪和作战雷达”（FORESTER）以及“七巧板”（Jigsaw）计划。这些计划的实施将大大增强美军反伪装、反隐藏和反欺骗的能力，提高战场态势的单向“透明”。

1．“反伪装、反隐藏、反欺骗”计划

该计划的目的是设计、制造、试验和演示“植被穿透合成孔径雷达”（FOPEN SAR），使士兵能够全天候、全天时、实时探测那些隐藏在植被或人工伪装下的静止军事目标，填补美军在探测坦克、火箭炮、战术弹道导弹、机动型地空导弹发射车等隐藏目标能力的空白。

FOPEN SAR是超宽带、双极化、双波段雷达，分辨率优于1米（在P-3C反潜机超宽带雷达试验中，分辨率实际已达到0.33米×0.66米）。整个系统包括两部共同定位、互相辅助的相干雷达，一部是用于目标搜索的低分辨率（约3米×3米）甚高频合成孔径雷达，另一部是用于从强杂波反射中识别出目标的高分辨率（约1米×1米）超高频合成孔径雷达。安装平台主要是“全球鹰”无人机以及其他合适的有人驾驶飞机。该计划的几项关键技术是：自动目标探测和指示算法、小目标探测技术、无线电频率干扰、后处理技术、多通道成像处理技术等。

在2001财年进行的试验中，FOPEN SAR雷达安装在陆军的RC-12“护栏”战术电子侦察机上，演示了雷达在距离目标15千米处的良好成像能力，可以探测到隐藏在树林中的军车。试验还同时评估了在单程探测及变化探测两种模式下的探测性能，验证了自动目标探测和指示算法。2002财年，美军在多个试验站，对FOPEN SAR雷达所有工作模式的性能进行了测试，同时还进行了一系列飞行试验，测试其在各种植被、伪装和成像条件下探测坦克及军车的能力。另外，还对系统探测隐藏在树林中的毒品实验室以及地空导弹发射车的能力进行了试验。同时，陆军和空军也开始试用FOPEN SAR雷达先期技术演示系统。

2．“植被穿透、侦察、监视、跟踪和作战雷达”计划

FOPEN SAR只能探测隐藏在植被下的静止目标，而“植被穿透、侦察、监视、跟踪和作战雷达”（FORESTER）计划的目的是设计、制造、集成和试验可穿透植被探测地面移动目标的雷达，用于探测和跟踪在树林中徒步行进的部队和机动车辆。

FORESTER是远程、轻型、电扫描、机械定位、多通道超高频合成孔径雷达，可在飞行中生成合成孔径图像，雷达的图像分辨率为5米×5米，刈幅为5千米，在探测和跟踪树林中徒步行进的部队和机动车辆时，作用距离大于30千米。此外，还能探测和跟踪在开阔地带及稀疏树林中的行人，作用距离超过50千米。该雷达主要安装在诸如A160之类的无人旋翼机以及其他合适的平台上。为了探测林中穿行的部队，雷达必须选择飞行速度可接近“零速”的平台，如像A160一样可悬停的直升机。另外，该雷达还可用来探测和跟踪低空、低速飞机和火箭弹。但FORESTER雷达和FOPEN SAR雷达一样，都不能准确识别出目标特征，不能对作战人员采取何种最优化攻击手段提出建议。

2003财年，DARPA选择了诺斯罗普·格鲁曼公司和锡拉库扎（Syracuse）研究公司分别进行系统设计，在对两家的设计进行独立评估后，最终将选择其中一家公司制造样机。在2004财年到2005财年期间，将在塔顶或山顶上利用直升机模型进行试验。如果雷达各项性能满足要求，样机将于2006财年在A160或UH-60直升机试验平台进行飞行试验。

3．“七巧板”（Jigsaw）计划

与前两个研制合成孔径雷达的计划不同，“七巧板”计划是研制三维激光成像雷达。作为DARPA和陆军“未来作战系统”的一个联合计划，该计划的目的是验证能够全天时穿透植被或伪装的无人机载三维激光雷达。

①工作原理及关键技术

激光成像雷达的工作原理是：利用激光透过植被或伪装的空隙，从多个角度收集三维图像，并将其融合成一幅综合的三维图像，使作战人员可以准确地识别出隐藏目标的特征。由于激光雷达波束特别窄，因此其图像分辨率非常高，达到了3英寸（约76毫米）。它的使用平台主要包括小型无人机、小型建制无人机（OAV）或飞行高度稍高些的战术无人机。

识别隐藏目标，仅有高分辨率的三维图像并不够，因为目标受植被影响，坐标数据并不完整，很难从树林中区分出目标，因此雷达发射机还需要发射10纳秒以内的窄脉冲（若采用的是人工伪装，则需要2纳秒以内的窄脉冲,带宽大于500兆赫兹），并且雷达还要具有快速成像能力。“七巧板”计划的关键技术包括：设计和制造采用焦平面阵列的高带宽光电探测器；研发脉冲窄、重复速率高、功率强且结构紧凑的发射机；同时还要保护作战人员的眼睛免受伤害。整个系统所面临的主要问题是研发出在无人机上使用的、只有几磅重且由电池供电的载荷。另外，载荷必须能够将坐标数据快速地进行传输、记录、融合，并压缩三维图像以满足无人机通信下行链路的带宽要求。

DARPA之所以发展三维激光成像雷达，而没有发展二维成像雷达，主要是由于二维成像雷达不能将从不同角度收集的图像生成目标图像。而三维成像雷达可以从发射的一个激光单脉冲中接收多个目标回波，并采用孔径小于波束宽度的技术实现探测隐藏目标。

②计划进展

2001财年，DARPA对候选激光雷达体系结构的性能进行了研究，开发了识别与压缩算法以及可视化软件，并使用地基“七巧板”激光雷达探测和识别了隐藏在树林中的两辆车辆，试验还成功地演示了激光雷达三维图像的记录和生成综合图像的能力。但在试验中，从一个固定地点扫描并生成一幅三维图像的时间需要近2分钟，反应速度慢。

2002财年，DARPA选定了欧文传感器公司/诺斯罗普·格鲁曼公司和哈里斯公司/麻省理工学院林肯实验室这两个研究小组分别设计制造激光雷达样机，并将其集成在直升机中，进行实验室系统测试。

2003财年，激光雷达样机还将进行检验、集成和试验，对隐藏在各种密度树林中或各种伪装下的目标和一些城市设施（如街道或建筑物内）中的目标进行探测。在各项指标全部达到要求后，DARPA计划从2003财年开始，对“七巧板”激光雷达进行加固和小型化，以支持陆军“未来作战系统”。

③辅助计划

为支持“七巧板”计划及其他传感器计划，DARPA还进行了三维数据开发（E3D）计划，这项计划就是根据传感器的三维数据，准确识别出目标外观，其实质就是开发复杂环境下的目标采集和识别算法。预计到2005财年，该算法开发成功后，将用于对“七巧板”激光雷达三维数据的计算和分析，这将进一步提高三维激光雷达准确识别目标的能力。目前，“七巧板”激光雷达还只能探测静止目标，DARPA计划在未来开发实时三维视频成像技术，使三维激光成像雷达能够跟踪植被下的移动目标，并且还将通过增加多个激光波长，实现有源多光谱成像，这必将大大提高其侦察能力。

三、两种雷达比较

1．合成孔径雷达探测距离远，激光雷达探测距离近

FOPEN SAR在试验中的作用距离为15千米，FORESTER在探测和跟踪徒步行进的部队或机动车辆时的作用距离为30千米。而“七巧板”激光雷达由于大气传输效应，主要是大气中悬浮粒子对光能的吸收和散射，限制了激光的作用距离，因此只能作为近距离传感器。估计若将其安装在小型无人机上，探测距离也就数百米。

2．合成孔径雷达可全天候工作，而激光雷达受天气影响较大

合成孔径雷达具有全天候侦察能力，可在云、雨、雾和烟尘环境下正常工作。由于大气中微粒对光能的吸收，因此激光雷达在浓烟和复杂气象条件下无法有效使用。

3．合成孔径雷达虚警率高，激光雷达虚警率低

合成孔径雷达受树干回波等杂波的干扰较大，虚警率高。而激光雷达的虚警率由覆盖目标的树冠密度、激光雷达的功率以及雷达收集目标数据时与目标之间的距离决定，受杂波影响小，因而虚警率很低。

4．合成孔径雷达分辨率低于激光雷达，对其图像的判读也更困难

在试验中，合成孔径雷达的分辨率已优于1米，实际上达到分米级，但激光雷达的分辨率达到毫米级，明显优于前者，因而更易于准确识别目标；而且，激光雷达图像的判读不像合成孔径的图像需要专门受训人员才能分析，作战人员只要使用可视化软件，就能够直观地看到图像。

综上所述，两类雷达各有特点，在实际作战中，应当协同使用，相辅相成：FOPEN SAR雷达和FORESTER雷达用于远距离探测和跟踪潜在目标；在实施武器攻击前，作战人员还需使用“七巧板”三维激光雷达进行近距离侦察，以准确识别目标特征和定位，实现最优化精确打击。（乔榕）