????大連某航修廠工程師嚴家興為您揭秘雷達的原理與應(yīng)用——
????讓戰(zhàn)鷹變得“耳聰目明”
雷達示意圖。制圖：侯繼超
????說起雷達的起源，要追溯到二戰(zhàn)時期。
????英德之間的不列顛空戰(zhàn)，成為雷達大顯身手的歷史舞臺，也拉開了雷達快速發(fā)展的序幕。
????時至今日，雷達早已不再是軍事領(lǐng)域的專利。隨著科技進步，雷達在機載、艦載、星載、車載等各個領(lǐng)域大放異彩，起到不可或缺的作用。
????獨門絕技
????現(xiàn)代戰(zhàn)爭早已告別短兵相接、近距廝殺的冷兵器時代，作戰(zhàn)距離超過肉眼可見的范圍。能否在戰(zhàn)斗中料敵于先、占據(jù)主動，決定著空戰(zhàn)勝負。
????為了在超視距作戰(zhàn)中決勝千里之外，雷達系統(tǒng)成為戰(zhàn)機的親密戰(zhàn)友，起到了關(guān)鍵作用。
????之所以能夠擔此重任，是因為雷達有著獨門絕技——能夠快速發(fā)現(xiàn)、跟蹤、截獲目標，并在戰(zhàn)斗中選擇合適的武器進行攻擊，實現(xiàn)“先敵發(fā)現(xiàn)、先敵發(fā)射、先敵命中”，掌握作戰(zhàn)的主動權(quán)。
????世界上最早的雷達誕生于二戰(zhàn)時期。當時，英國的“本土鏈”雷達投入使用，開創(chuàng)了雷達在軍事領(lǐng)域應(yīng)用的先河。
????隨后幾十年的發(fā)展歷程中，戰(zhàn)機為了躲避雷達探測不斷升級。就像“矛”與“盾”之間的較量，為了在戰(zhàn)斗中占得先機，設(shè)計師們在雷達領(lǐng)域也從未停止探索。
????無線電研究的深入和制造工藝的進步為雷達的更新?lián)Q代創(chuàng)造了可能。現(xiàn)代雷達的探測距離超過幾百甚至上千公里，可以瞄準不同方向、不同目標，完成對多個目標的同時跟蹤和攻擊。
????不僅如此，全天候、全天時的優(yōu)點，使得雷達不論白天和黑夜都能探測遠距離目標，且不受霧、云、雨等惡劣天氣影響。雷達發(fā)射的獨特波長，能夠讓千里之外的目標無所遁形，是名副其實的“千里眼”和“順風耳”。
????那么，雷達是如何實現(xiàn)“看得遠”“聽得清”的呢？簡單來說，雷達探測靠的是高性能發(fā)射系統(tǒng)和接收裝置的密切配合。
????當雷達開始探測時，雷達發(fā)射機便會通過天線發(fā)射電磁波。電磁波以天線為中心，向四周傳播，就像池塘里丟了一顆石子，產(chǎn)生一圈圈波紋向外擴散。為了滿足不同探測需求，雷達發(fā)射的波長也不盡相同。
????當電磁波遇到被探測目標后，便會沿著目標的形狀向各個方向反射，其中一部分返回到雷達方向，并被雷達天線捕獲，形成回波信號。
????僅僅接收到回波信號還不夠。眾所周知，地球本身就是一個磁場，就像人們經(jīng)常使用的電視機、收音機會因為干擾出現(xiàn)“雪花屏”“吱吱聲”一樣，雷達的電磁波也會受到來自地面、空中等四面八方的電磁干擾，影響雷達的“聽力”。
????這種“雜波”的干擾，會讓回波信號非常微弱。在實際探測過程中，電磁波信號也會隨著距離的增加而衰減。
????此時，雷達接收機將發(fā)揮作用。它能夠?qū)⒏蓴_信號過濾掉，放大微弱的回波信號，使回波信號變得清晰，并傳遞給處理機進行“翻譯”。然后，目標的距離、飛行航跡、速度等一系列信息就能通過顯示器呈現(xiàn)出來了。
????進化之路
????隨著科技快速發(fā)展，雷達的功能越來越強大，種類也越來越多。現(xiàn)代巨型雷達直徑超過百米，微型雷達卻只有指甲蓋大小，它們的應(yīng)用領(lǐng)域也不盡相同。
????雖然形狀各異，雷達的工作原理卻大致相同：靠電磁波的發(fā)射和回波來實現(xiàn)探測功能。這種方法看似簡單，但在實際應(yīng)用中，電磁波的探測之旅卻一路坎坷。如何減少“雜波”干擾、提高探測距離和探測精度，推動著一代代雷達設(shè)計師進行艱難的探索。
????早在19世紀末，麥克斯韋方程組的建立幫助人類叩開了電磁理論的大門。隨后，意大利工程師馬可尼提出了無線電在遠距離探測方面的潛力。
????戰(zhàn)爭的爆發(fā)刺激了科技的飛速發(fā)展，也使很多曾經(jīng)概念性的設(shè)計理念得到實際應(yīng)用。
????事實上，雷達的最初發(fā)明來自于人類的“無心插柳”。1935年，英國科學家羅伯特·瓦特團隊希望把無線電波作為一種攻擊武器用來摧毀德軍飛機，但很快便得到了失敗的結(jié)論。
????意外的是，他們發(fā)現(xiàn)通過測量從機身反射回來的無線電回聲長短，可以得知飛機的飛行方向和距離。同年，該團隊為英國空軍帶來振奮人心的消息，世界上第一部雷達研制成功。
????雷達的橫空出世，讓英國人在空戰(zhàn)中占盡優(yōu)勢。當時，英國軍隊在海岸線上架設(shè)了大型雷達天線，其提供的探測信息幫助英軍攔截了不少德軍轟炸機。雷達在實戰(zhàn)運用中的大獲成功，使得設(shè)計師們萌生了把雷達裝上飛機的想法。
????1937年，英國“安森”號飛機安裝了世界上第一臺機載雷達。3年后，裝備在“英俊戰(zhàn)士”戰(zhàn)斗機上的機載雷達在空戰(zhàn)中首次使用并嶄露頭角。
????受到雷達技術(shù)限制，這時期的雷達探測距離只有幾公里。由于位于機身外部的“犄角”天線體積龐大，影響飛機機動，雷達并沒有得到廣泛應(yīng)用。
????早期雷達采用普通脈沖體制，探測能力較弱，尤其是下視探測時，微弱的目標回波信號幾乎被淹沒在雜波中，從而失去對目標的探測能力。這種探測方式很快被歷史淘汰。
????20世紀60年代，機載脈沖多普勒火控雷達研制成功并逐漸投入使用。它克服了早期雷達的缺陷，具有下視功能，抗干擾能力強，在三代機上普遍應(yīng)用。
????這種機械式雷達通過旋轉(zhuǎn)天線進行掃描，發(fā)射單一波束，即靠“身體轉(zhuǎn)動”來帶動“眼睛”探測?？諔?zhàn)中，隨著戰(zhàn)機速度提高、數(shù)量增多，設(shè)計師發(fā)現(xiàn)，機械掃描方法速度慢，極易跟丟目標，多目標跟蹤時更是“力不從心”。同時，由于發(fā)射機只有1個，一旦損壞，整部雷達也會失效，可靠性難以保證。
????于是，采用電子掃描相控陣雷達應(yīng)運而生，并經(jīng)歷了無源到有源的發(fā)展。先進的有源相控陣雷達把整部發(fā)射機分散到數(shù)以千計的收發(fā)組件上。即使一個收發(fā)組件損壞，也不會影響整部雷達工作。這種雷達天線類似于蜻蜓的“復(fù)眼”，不僅實現(xiàn)了“身體”能動，“眼球”也能動，還可以瞄準不同方向、不同目標，同時進行跟蹤。
????不僅如此，通過強大的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，雷達能夠同時實現(xiàn)對空、對地探測等多種功能。作用距離遠、抗干擾能力強、隱身性能好、可靠性高等一系列優(yōu)勢，使其成為戰(zhàn)機上科技含量最高、技術(shù)最復(fù)雜的裝置之一，也成為衡量戰(zhàn)機戰(zhàn)斗力的一項重要指標。
????尖端工藝
????作為戰(zhàn)機的“千里眼”和“順風耳”，雷達最重要的性能之一便是要保證探測的準確性。
????要保證準確性，電磁波的發(fā)射、接收、信號轉(zhuǎn)換等一系列步驟，必須絕對可靠、暢通無阻。
????在機載雷達的眾多組成部件中，雷達天線承擔著發(fā)射無線電波的工作，天線精度決定著雷達的探測任務(wù)能否精準完成。
????以先進的有源相控陣雷達為例，其天線由數(shù)以千計的收發(fā)組件組成，是該雷達的核心部件之一。為了適應(yīng)雷達的探測需要，一些收發(fā)組件的橫向尺寸必須控制在毫米大小，相當于一張微型SIM卡的尺寸，這給設(shè)計師帶來了不少難題。
????經(jīng)過多年研究，設(shè)計師終于找到一種微組裝技術(shù)——采用微焊接等工藝技術(shù)將各種半導(dǎo)體集成電路芯片和微型化元氣組件組裝在高密度多層互聯(lián)基板上，形成高級微電子組件，這種操作如同在蟬翼上繡花。
????“微”技術(shù)卻有高科技，收發(fā)組件從制造到順利裝機并投入使用需要經(jīng)過重重考驗——
????第一步是選材，給收發(fā)組件一副“好身板”。別看收發(fā)組件的體積小，內(nèi)部卻集成了多種精密芯片。所以，作為多芯片和芯片間布線連接的基板選擇就尤為重要。
????為了滿足不同需求，收發(fā)組件采用由多種基板混合的組成方式，以達到高密度小體積組裝效果、減小傳輸損耗等方面要求。
????第二步是組裝，將各種芯片組裝在基板上。這種芯片組裝技術(shù)集合了超聲波清洗、共晶焊接、粘接、金絲超聲鍵合等環(huán)節(jié)，是微組裝工藝中的重要一環(huán)。
????步驟看似簡單，組裝環(huán)境、工具選擇、精度控制、時間把控等指標要求卻非?？量?。實際操作甚至要在高倍顯微鏡下進行。其中，鍵合工藝是技術(shù)含量最高、難度最大的步驟之一。
????所謂鍵合，即用比頭發(fā)絲還細的金線，將芯片與外部電路聯(lián)通。這種工藝通過針尖的超聲震動，使得金線與焊盤形成分子間連接達到微焊接目的。資料顯示，1克黃金可拉出10微米直徑、661米長的金線，相當于頭發(fā)絲的八分之一，細到早已超過了肉眼識別范圍。
????第三步是封裝，即對完成組裝的收發(fā)組件進行保護，作為精密電子部件，收發(fā)組件對封裝要求非?！疤籼蕖?。隨著技術(shù)發(fā)展和工藝優(yōu)化，先進的封裝技術(shù)能夠防止空氣中的灰塵、水汽等微型顆粒進入模塊內(nèi)部造成污染，從而保證使用壽命和可靠性。
????完成一系列工序后，裝機完畢的雷達還需要進行信號、功率、靈敏度等幾十種參數(shù)測試，以滿足其在邊搜索邊跟蹤、邊搜索邊測距、截獲、格斗等多種戰(zhàn)斗狀態(tài)下正常運轉(zhuǎn)。
????近年來，科研人員始終在新材料、新工藝的應(yīng)用上不斷探索研究，推動雷達迭代發(fā)展。未來，隨著更多先進技術(shù)的投入使用，雷達的應(yīng)用范圍和探測能力也將變得越來越強大。（孫暢 宋茹 孟金玲）
