前几天「歼-35」GaN雷达的文章中有这么一条回复:
粉丝就在问雷达到底能探测(跟踪)多少个目标,攻击多少个目标……答案其实是没上限。
但是,这个问题吧,就有点像W君在介绍一个蒸锅,忽然间有人问用这个蒸锅蒸包子,包子上能有多少褶一样,看似关联的问题,实际上属于两个不同范畴的事物。
今天咱们把这件事分几个步骤来搞清楚。
第一步,我们先了解一下最早的雷达的工作原理。
最早设计出的雷达系统就已经实现了「无上限」的目标跟踪能力。只不过,这是一种过于常规的操作,在很多的军事科普文章中并不会提及。
要知道,雷达波属于电磁波,在传播的时候遇到可以反射电磁波的物体后雷达波就会被被反射回来。
在雷达发出电磁波之后的一个时间点T之后雷达天线可以接受到目标反射回来的回波,雷达根据雷达波发出和接受到回波的时间差*光速/2 就可以得知目标的距离。
这样雷达就可以完成探测目标的任务。
但是要注意到的是,目前我们只是说了雷达的探测原理,而目标的「可视化」还没有完成。
如何让雷达探测到的目标显示在屏幕上呢?雷达的屏幕实际上是一个很简单的CRT显示屏。
CRT( C athode R ay T ube,阴极射线管)显示屏会在尾部通过加热电热丝的方式释放出电子束,由于电子束是带有负电荷的,因此在磁场中通过会被偏转。
当磁场周期化的变化的时候连续输出的电子束就会在屏幕上画出一条线。这条电子束的「线」激发了显示屏中的荧光粉就可以让CRT屏幕的正面显示出一条发光的人眼可见的线。
这时候再在电子束的通道上加上一个垂直方向周期变化的磁场就可以驱动这一束电子上下移动,在CRT屏幕上形成扫描线。通过对荧光粉的配方调节,可以调节荧光粉在被电子束激发的时候的发光时间长短。这时候荧光粉就可以在屏幕上长时间的发光,人眼也就可以看到一个完整的画面。
刚刚我们讨论了CRT的成像原理,这里面的电子束的强度是没有变化的,屏幕会显示出一片单一的荧光色,但如果电子束的强度有变化呢?这样屏幕上就可以显示出图像。
在雷达的设计中,当接收天线接到了一个回波信号的时候,这个信号就会被放大,让电子束的强度增加。而配合雷达的转动频率调整磁场的变化周期和方向我们就可以在雷达上形成一个扫描线,同时,这个回波信号的时间差所导致的信号就会被放大脉冲就会在雷达的正确位置上被显示出来。
——这就是雷达屏幕了,有多少回波就会在屏幕上显示出多少亮点。所以,雷达可以探测到的目标实际上是没有上限的。
那么用什么方法跟踪目标呢?其实是调节荧光粉的配方,当荧光粉电子束被激发后会渐渐的熄灭,电子束的强度不仅仅决定荧光粉被激发的亮度,还会影响荧光粉亮度衰减的时间。通过调节配方,让荧光粉衰减的时间达到3-5个雷达旋转扫描周期(或更长),这时候目标在雷达屏幕上形成的光点也就由于荧光粉的亮度渐渐衰减而衔接起来。我们在雷达屏幕上看到的也就是目标的跟踪线路了,在雷达上就可以根据这条线来判断出目标的移动轨迹和速度等参数,这也就是「跟踪」了。
和在雷达屏幕上形成的光点数量无上限相同,由无上限的光点组成的轨迹实际上也是没有上限的。
第一步,我们得到的答案是,即便是在早期的老式雷达上,对目标的跟踪和探测都是没有上限的。
现在我们进入到第二步,雷达的无上限目标追踪能力好吗?
一眼能看到周边所有事物的雷达是不是就无敌了呢?恰恰相反,将任何东西都收录进来的雷达并不好用,一只鸟、一座山、一片云、一发战场中飞行的炮弹都会在雷达的屏幕上形成图像,这时候大不服无用的信息就会将雷达的显示屏填满。而雷达操作员就很难从雷达上得到真正有意义的信息了。
为了能看到真正有意义的东西,在雷达屏幕周围我们一定可以找到两个旋钮「消除率」和「目标放大率」
受到背景噪声和无关的信息影响,雷达接收到的大部分电磁波是没有什么意义的。
最终只能在波形上显示得让雷达屏幕纷乱无比。那么就不如将强度很低的信号消除掉,同时将更有用的信号脉冲放大。这就是刚刚提到的两个按钮的作用。在电子电路上实际上就是一个低切降噪电路和一个可调放大电路。
经过处理之后的信号图像是不是就更易于识别了呢?当然了,现代隐身战斗机的信号也会很弱,就随着低切降噪的处理就不会在雷达的屏幕上显示出来了。
因此在第二步处理中,我们可以发现通过对电波强度的处理和过滤,就可以更有效的让雷达操作员观察雷达探测到的有价值目标。但要注意的一点是——即便是做了这些过滤处理,早期雷达上可以同时探测到和跟踪到的目标依然是无限的。
第三步,要了解的是现代军用雷达。
早期的雷达有一个问题,雷达发射出的电磁波和接收到的电磁波只要频率一致就会被雷达天线所接受处理然后在屏幕上显示出来。如果敌方利用一个更大功率的天线发送相同频率的无线电信号的话,这个雷达上所探测出的信息就不可靠了。
例如人的眼睛所能接受到的光线也是一种电磁波,当人看向强光的时候,你会发现强光会阻挡你的视野。晚上开车的时候,驾驶员和车灯就构成了一个雷达系统。车灯是雷达的发射天线,眼睛是雷达的接手天线。当对面开远光灯的时候,由于对面的灯光是可以被眼睛所接受的,因此,在对面远光灯的灯光照射下,真正应该被车灯照亮的行人却掩蔽在对面车灯的光线下。
说生活中的话来描述——司机被对面的大灯晃眼了。用作战术语来说,司机被对面的大灯实施了「电子干扰」。
雷达和人眼一样,很容易被大功率同频电磁波所干扰,因此,现代的军用雷达往往会采用分频+载波的方式发送雷达波。
雷达信号会在多个不同的频率上同时发出,同时,发出的信号还会携有载波信息。而不是像传统雷达一样只发出一个频率信号。这时候雷达在抗干扰的能力上就有了大幅度的改进。
但相对的,接收信号的处理系统也会复杂很多。
这是一个最简单的双通道信号处理,我们就可以看出最终雷达信号被转化为了数字信号。在目前的军用雷达上,通常采用16或者32个通道的载波信号对目标进行探测,在发射雷达波的时候也会采用跳频和加密载波的形式作出更高的抗干扰机制。
到了接收机的部分,处理和解码这些庞大的数据就成了一个很大的瓶颈。要处理更多的信号就需要更多的设备,设备一多,整体的雷达的体积也会变大,这是一个循环。地面可以扩大雷达站的规模来满足增加的处理设备所需要的空间,但是,在飞机上这件事并不现实。因此,在二代机到四代机的时候就形成了一个概念——「机载雷达可以探测多少目标和可以跟踪多少目标」。
出现这件事的原因其实是因为当年计算机的处理能力相对比较弱。
以F-15为例子,早期的F-15A/B上面配备的是IBM System/4 Pi计算机。
这台计算机在1965年开始研制,在1967年交付使用。 这台计算机在F-15上叫做PSP(Programmable Signal Processor,可编程单处理机),名字看起来很高大上,但是如果从现在的眼光来看,这台IBM的产品的处理能力甚至不如大家家里的一个计算器。W君手里有这台计算机的资料:
从资料上看这个36公斤重的计算机完成了F-15A上从最初的信号设定到最终的显示输出所有的雷达数据计算功能。但即便是出于IBM的手笔,这台计算机本身只有24K内存。这就限制了F-15最终能跟踪的目标数量。让F-15只能跟踪14个空中目标,并对其中的6个目标进行攻击。
到了F-15 C/D的后期型号,这台计算机也随之更新了一下,内存被扩展到了96K,使得F-15的 AN/APG-63(V2)雷达可以跟踪20个目标并对其中的6个目标进行攻击。
同样的一个案例——F-22上面使用的AN/APG-77雷达,在F-15上测试的时候也只只能跟踪20个目标和对6个目标进行打击。
但将相同的雷达放置在F-22上,得益于F-22上面所装备的CIP(Common Integrated Processor,通用集成处理器)
就可以直接跟踪100个目标并对其中的6个进行打击。
原因其实就是机载计算机的性能得到了提高。如果对比内存来说,F-22的每块CIP处理单元上默认配置了300MB的内存,处理起雷达数据的时候也就有了更大的处理量。
到了F-35,采用了AGP81雷达系统,而机内的电脑换成了ICP(INTEGRATED CORE PROCESSOR ),跟踪的目标数量可以达到50个,并同时对其中的50个目标进行攻击。
所以说,雷达先进与否,是雷达的事情,至于一架战斗机能跟踪多少个目标和攻击多少个目标其实是和机载计算机有关联的,和雷达反而没有太大的关系。
那么为什么会有人将战斗机能跟踪和攻击的目标数量关联到雷达上呢?主要的原因在于这两个数量和雷达有关联性,因此大家就会把他们放在一起说了。
再有最后的一步,我们还需要了解一下火力通道。
一架战斗机可以携带多少武器,并能够发射多少武器在同一时间攻击目标取决于这架战斗机设计的时候的火力通道配置。
战斗机的FCS(火控系统)在探测、锁定、装定和攻击目标的时候往往取决于他们的火控系统的通道数量。这也是为什么,前面在提到战斗机的雷达可以同时跟踪多少个目标后还紧跟着一个可以同时攻击多少目标的数字的原因。
通常,火力通道的配置是和机载武器的数量有一定关联性的,都是为了发挥出最大的机载武器效率。
如果大家很细心的看前面会发现F-35的同时跟踪和攻击的数量相同,都是50个。这里面就又有了一个火力通道外扩的概念。F-35本身自己的火控系统有四个火力通道,按照设计来说,F-35最多可以同时攻击4个目标。但是由于其计算机系统和通讯系统更加先进,就可以将一架探测到的目标的数据装定到其他飞机或者舰船上,这样同时攻击的目标数量就可以等同于跟踪到的目标数量了。
其实得益于现代计算机技术的发展,我们的歼-20或者「歼-35」,本身的机载计算机系统的运算、存储、处理能力也都大大的得到了提高。因此,跟踪的数量基本上也是和F-35在一个等级上。
如果更细心的读者也会发现,为什么F-35反而比F-22的跟踪数量降低了呢?其实还有一个更直接的原因——现在空中的敌机数量越来越低了,50架飞机出现在同一个战场上的可能性并不高,也就没有必要跟踪那么了。
所有的数据类的东西其实都是在优化和取舍后作出的实施方案。其实到了四代机末期,同时跟踪和攻击多少个目标的指标在新型号的战斗机上已经被淡化了也就不是现代战斗机追求的目标了。