从雷达类型和防空导弹制导机理浅析拦截隐形飞机

从一百年前世界大战广泛运用航空兵以来，地对空武器和飞机就结成了“生死冤家”。在矛与盾的斗争循环中，最大的两次历史转折其实都和武器本身关系不大。第一次转折点是二战前夕雷达技术的发明，第二次转折点是海湾战争时F117为代表的隐形飞机的广泛使用。这两次巨大转折，其实都体现出了一个古老的原则：只有发现目标，才能够有效打击目标。

本篇篇幅较长，会从雷达波和导弹制导的基本原理开始说，主要是面向那些基础较浅的朋友们。

知识回顾：电磁波频谱、波长、频率和不同频率的电磁波的特性

波长和频率关系：

上过高中理科课程的人都知道：波长=1/频率*波速。雷达波也好，手机5G也好，我们眼睛看到的可见光也好，都是电磁波。爱因斯坦的光速不变理论告诉我们，电磁波在同一介质内的速度是不受到外界影响的，真空中光速为C=299792458m/s，地球空气内的光速比真空光速略低，空气中折射率为1.0008 光在空气中传播的速度:299,792,458/1.0008 = 299,552,816 m/s，基本上偏差不到1%。因此，在光速不变的前提下，波长和频率自然而然地成为了反比例关系。由于无线电工程会把一个范围内的波长统称为波段，而一个范围内的频率会写成“XX频”，所以“极高频雷达”和“L波段雷达”，“厘米波雷达”和“X波段雷达”其实是对等的，所以之后就不要记混了。

不同波长有不同性质。根据爱因斯坦的光子论（量子力学基础），光子能量 E=hγ，其中 h普朗克常量  h=6.63x10^-34j.s  ， γ为光的频率，所以频率越大，单个光子能量也越强。由于我们的雷达捕获目标需要重复回波信号累计分析，视网膜成像需要光子激发视网膜色素细胞，手机通讯需要给无线电调制解调信号，所以频率越高，光子能量越大，单位传输的信息量也越大，反之越少。但是，根据波的散射和衍射原理，波长越短，越容易被障碍物阻挡，因此越短波长（频率越大）的电磁波通常有效距离较短（当然还有大气散射率不同的影响），而越长波长（频率越低）的电磁波传输距离较大，甚至可以“绕着地平面”形成地波（如中波，长波通讯）。或者和电离层形成镜面反射进行远距离通讯（短波通讯）。所以对于无线电/雷达来说，往往信息量和传输距离是反向关系。这点一定要注意。

雷达天线的种类：

由于雷达需要汇聚电磁波定向发射，所以其发射机使用的天线也必须能够精确定向发射。在现实中，共有3种定向天线的样貌：

第一是偶极子天线。这种天线主要是利用天线等于二分之一波长时产生共振的原理增强接收信号，我们常见的老式电视机天线就是这一类，由于制造简单，这种天线从二战以来沿用至今。其中比较有代表性的天线是日本发明的“八木天线”。

八木天线也叫做“引向天线”、“八木宇田天线”（Yagi-Uda antenna）、“寄生天线”，是一种定向天线。1928年由日本天线专家八木秀次和宇田新太郎两人设计的。东北帝国大学的宇田新太郎最早设计了这种引向天线，他的导师八木秀次也帮助设计和测试了这种天线。1926年宇田将这篇论文投到了日本的无线电杂志上，但反应不大。1928年八木秀次访问美国时，将宇田的论文翻译成了英文并在电气工程师学会上发表（THE PROCEEDINGS OF THE INSTITUTE OF RADIO ENGINEERS），受到了欧美无线电行业的关注。因为英文论文八木的署名在前，所以这种天线往往被称为八木宇田天线或是简称为八木天线。这之后，八木天线被运用在短波通讯等领域。二次世界大战中，随着无线电技术的迅速发展，八木天线的应用更加广泛，如作为夜间战斗机使用的雷达之一。然而在日本国内，八木天线并未得到应有的重视，直到日军在新加坡发现了英军雷达技术人员关于八木天线的记载，他们才意识到其价值。战后，八木天线被各国作为电视传输天线使用。

八木天线的工作原理是这样的(以三单元天线接收为例):引向器略短于二分之一波长，主振子等于二分之一波长，反射器略长于二分之一波长，两振子间距四分之一波长。此时，引向器对感应信号呈"容性"，电流超前电压90°;引向器感应的电磁波会向主振子辐射，辐射信号经过四分之一波长的路程使其滞后90°恰好抵消了前面引起的"超前"，两者相位相同，于是信号迭加，得到加强。反射器略长于二分之一波长，呈感性，电流滞后90°，再加上辐射到主振子过程中又滞后90°，两者加起来刚好差180°，起到了抵消作用。一个方向加强，一个方向削弱，便有了强方向性。发射状态作用过程亦然。

第二种天线为我们熟知的“抛物面反射”天线。这种天线和现代卫星通讯的“小锅”一样，利用抛物面形状的凹面镜产生汇聚电磁波效应。优点是定向能力更好，而且不受到波长影响，多大波长（对于X射线以下可能会因为穿透力过强而不适合）都可以使用。但缺点是反射面有些笨重。这种雷达又根据反射原理分为“卡塞格伦天线”和“倒置卡塞格伦天线”，苏27的“倒卡”就是指的它使用倒置卡塞格伦天线。

第三种是平板缝隙天线。该天线主要是应用了波导管原理，在一块高度平坦的导体平面上精确开槽，这种长方形的“缝隙”为半个波长，这样就可以让通过波导管或其他手段馈电的电磁波从中汇聚，直线发射。这种雷达比起卡赛莱伦天线尺寸更小，定向性能更优，但缺点是半波长缝隙不适合L波段等较长的无线电波。第三代战斗机普遍采用这种天线，绝大部分相控阵雷达也是采用这种天线的，只不过相控阵雷达是每个缝隙都有自己一个相位可控的发射单元（如果是无源相控阵（如S-300和SU-35），这些单元会连接在移相器上，转发并移项发射机的信号；如果是有源相控阵（如歼20，F22），则每个单元都可以独立发射，接收，调相无线电信号，这种发射接收单元英语缩写就是我们熟悉的TR）。根据公开资料，F-15的APG-63平板缝隙天线只有250千克（不含后端），而苏27的倒卡天线高达900千克（不含后端，含后端约1.5吨），所以这导致苏27机头过重，尾部必须要用尾椎来平衡机头重量。

波段命名：

由于历史原因，对不同波段产生了不同的命名模式。以下让我们简要介绍几个波段。

最早的雷达采用米波。由于米波会对低于半波长的物体产生绕射，加之频率很低，无法及时取得足够回波，这种雷达定位性能很糟糕，通常不适合分辨单个小型目标。不过，由于它的绕射能力出色，它可以产生“地波”效应，因此可以看到水平面以下的目标，这就是目前“超地平线”雷达的原理。由于它比较老旧，所以它在其他波段出现后被命名为“P”，即“Previous”。目前这种雷达通常只用于远程早期预警。不过，由于米波会对大于其波长的物体产生有效共振， 对于以吸收、散射入射波的隐形机较有优势，这两年各国也在研发新式的米波反隐形雷达，在后面会说。

第二是L波段。这种波段是517雷达采用的远程防空预警雷达的波段。L代表“long”，长波段。不过无线电“长波”指的是波长100米以上（对应300KHZ以下）的无线电波，和雷达的“长波”不是一个关系。L波段转成频率为UHF（极高频）。L波段通常用于远程预警，反隐形预警（但不如米波），以及航空塔台管制。

隐形飞机很少对L波段隐形。因为L波段分辨率不足，很难直接引导导弹攻击。不过B-2是个例外，因为它需要透过苏联的早期预警系统进入苏联内地，以合成孔径雷达搜索白杨导弹，手术刀导弹的发射车，因此B-2是世界上罕见的“全频道隐形”飞机（米波因为共振效应还是有几率探测到的）。

既然有了L（Long）波段，那就有S波段（short）了。S波段10cm波长，比L短一半，这使得它分辨率更好。S波段雷达因为兼顾了探测距离和分辨率，所以大部分的对空雷达都采用S波段，同时由于它频率较高，可以进行远程无线电通讯，所以我们在中国发射火箭听到的“USB遥测信号正常”就是指的S波段遥测信号。

当然，由于它太过于广泛，所以目前隐形飞机非常照顾这种波段，对它进行了优化隐形。

S波段雷达虽然可以进行3坐标定位，但并不适合高精度定位，这对于制导导弹和火炮攻击不利。所以英国很快开发出了可以直接瞄准目标测距的雷达，以笛卡尔坐标系的X轴命名，即X波段。胡德号配备的284火控雷达就是世界最早的X波段雷达，它采用2cm的雷达波，可以精确定位视距内目标。不过由于X波段频率高，透射力不高，所以需要很大的功率才能看得很远。所以X波段雷达通常功率不低。

X波段雷达也是地面高射炮、反导系统常用的波段，所以隐形飞机也会照顾这个波段。

X波段虽然定位精度高，但功率需求也比较大。所以英国人设计了一个“结合S和L的波长”，命名为“Compromise”，即C波段，波长5CM，兼顾了远程探测和精度。该波段主要用于探测精度高于S，但还不到X波段的情况，主要是S-300，红旗9用它作为火控雷达频率，俄罗斯很多战斗机也用C波段雷达。不必多说，既然C位于X和S之间，也同样被隐形飞机重点照顾。

除了英语的编号外，二战德国也有自己的编号。德国人的“短波长”K波段雷达“kurz”实际上比X波段还短一些。但K波段恰好是水蒸气吸收峰的波段，导致德国这种雷达在高云雾和水汽情况下探测距离下降，战后该波段只用于微波炉和少数气象雷达。

所以在1943年德国捕获到英国S波段雷达（来自于一架被击落的斯特林轰炸机）以前，多数都采用500MHZ左右的分米波雷达。

围绕着K频段，战后又有了KA（K-Above）和KU（K-Under）两个波段。KU位于K和X之间，有着X波段的定位效果；KA波段位于K和V波段之间，已经进入毫米波波段，主要是应用于查超速、卫星数据链和直升机雷达。

由于这套非常复杂没有规律，因此北约国家后来以波长从长到短划分为ABCD……波段。详见下表。

概括来说，在功率一样的情况下，越长的波段越适合远程探测，分辨率也相应较低；相同的探测距离要求时，波长越长的雷达需要的功率也越小。而对于天线阵列的尺寸来说，相同功率约束是，波长越大的天线尺寸也越大。

预备知识2：导弹制导模式简要介绍

本文可参考这一篇阅读：

导弹之所以被称为导弹，是因为它发射后会受控飞向目标。由于导弹计算机，导引头性能通常有限，所以大部分导弹都是起飞后先接受一会载具制导，直到目标被它导引头捕获后才会转入自主飞行。现在以人夜里行走来类比一下导弹的几种制导模式：

惯性制导：导弹飞行时只根据陀螺仪指示的加速度和飞行方向，按照预设的参数飞行。该模式相当于一个人夜里闭上眼睛，按自己的脚步数量和记忆的距离走向自己的目的地。该模式优势是不会被干扰，就算没有信号也能稳定飞行。但由于空中目标变化位置频繁，这样肯定是追不上移动的目标的，所以它一般在复合制导中充当基础。

被动类制导：导弹和载具都不发射电磁波，依靠对方发射的电磁波活动，如果对方不发射电磁波，那就无法找到目标。这就好比一个人在夜里，看到前面路灯的灯光而向其走进。被动类制导通常在导弹中有两种：被动红外制导、电视制导和被动雷达制导。

被动红外制导是大多数格斗导弹、短程地面防空导弹的主要工作模式。它原理很简单，飞机发动机和飞机高速摩擦生热的热量会被红外探测器发现，导弹即按照这个目标飞行。早期红外导弹无法区分太阳和飞机，不过现代抗干扰能力已经大幅提升。其主要劣势是射程不够远，而且受到自然环境影响较大。

被动电视制导原理和红外一样，先将对手拍下来存在电脑中，然后让导弹飞过去。这种模式优势是非常抗干扰，但缺点是锁定高速飞行的航空器时很难进行稳像拍摄，而且可见光探测距离比红外还近。这种模式只在苏联1950年代试验过，之后就不再使用了，转而用1957年台海空战解放军缴获的美制AIM-9B导弹仿制出了R-13（国产代号霹雳2）并配备米格21。

被动雷达制导则是把摄像头换成了一个能定向的雷达天线，根据对方的雷达波飞行。一般只用于反辐射导弹对抗地面目标，不过对于电子战飞机，预警机等自身不断辐射电磁波信号的飞机，这东西也很好用。国内歼16的某种巨大空对空导弹被推测就采用这种模式，只打预警机和电子战飞机。

主动类导弹：

主动类导弹相当于一个人在夜里行走，有一束光（可能是给他指路的人发出的光，或者自己手电筒的光）指示他的目的地。主动制导又分为三种：雷达/激光指令制导、半主动雷达/激光制导、主动雷达制导。

指令制导顾名思义，那个人不需要自己考虑怎么走，按照指路的灯光走就可以。不过这需要这束“光”一直照在他和目标的连线上。所以指令制导导弹上只需要一个接收器让自己知道在波束中心即可，无需更多设备，成本较为低廉。当然，由于对方也会进行各种干扰，也会进行各种规避机动，这种模式对于高机动，高干扰目标就不好用了。不过，由于地面能够控制导弹的运动，因此可以让导弹“迂回前进”，或利用高度存储动能，所以目前很多导弹都保留这个能力。

激光驾束制导主要是反坦克导弹常用，这里不再赘述。

半主动雷达制导：

这相当于一个探照灯为这个人指出目标，但具体怎么走是这个人自己决定。其灵活性和多目标能力比起指令制导好得多，成本也略低，但是由于仍然依托于本身的照明雷达，其抗干扰性能也有待商榷。因此使用半主动雷达制导的飞机一般为了精度也只会攻打一个目标，地面防空导弹倒是可以通过波束共享来攻打多个目标。

半主动雷达制导和指令制导合并起来就是TVM制导。即“跟踪-控制”制导。这种模式在爱国者2首先使用，之后S-300PMU1也使用了。优点是可以用指令制导修正偏航的导弹，或者让导弹飞向新的位置。

主动雷达制导：

主动雷达制导就像一个人打着手电筒去自己找通向目标的道路。这需要导弹计算机有较高的AI，能够自己识别目标并前进，所以成本较高。但是，由于主动雷达制导依托是导弹自己的导引头，探测距离很短，因此它不太适合远程目标。现实中，主动雷达制导导弹一般都是和其他模式制成复合制导，如反舰导弹会用主动雷达制导配合惯性制导，空对空，地对空导弹使用指令+惯性+主动+被动的复合制导模式。

现实中，为了对付越来越复杂的目标，一般来说导弹都采用复合制导技术。如AIM-120就是几乎集成了除红外类以外所有的雷达制导模式，发射后先在自己的雷达指令下飞向高空节约燃料，中途按照陀螺仪的惯性制导稳定平飞，末端启动导引头，如果敌机是电子战飞机或预警机，则使用被动雷达制导；如果对方有比较强烈的干扰源，则采用半主动雷达制导（此时己方飞机需要增大功率，“烧穿”对方的干扰，让自己的导弹找到正确的导航波束）；最终在进入导弹锁定范围内后，切换到主动雷达制导，此时战斗机就不需要管它了，可以对下一个目标开火。

讲完了基础知识后，我们就可以进入主题：现代对抗隐形飞机目标的防空手段。

根据上文的介绍，我们要想打中隐形飞机，必须做到两点：第一找到目标，第二让导弹撞上目标。以下分别讲述：

目标的探测：

要想知道反隐形雷达如何追踪目标，就需要知道隐形飞机如何规避雷达。雷达最重要的原理公式见下：

资料来源https://blog.csdn.net/ciscomonkey/article/details/85328677

显然，在其他条件不变的情况下，隐形飞机要想方设法把敌方雷达的回波讯号压低到不可侦测的水平，才能实现“隐形”。具体有以下手段：

第一，让雷达波透过自己不反射。我们知道，对于微波波段和无线电波波段的雷达波，只会对导体产生反射。那么，我们用不导电的物体制造飞机，不就可以透过雷达了吗？历史上，还真有这样不用金属构件的“隐形飞机”，其典型代表就是木材的英国“蚊式”和苏联波-2飞机。

当然，这种木材飞机由于结构强度不适合超音速飞行，目前已经基本退出军用舞台。不过，采用不反射雷达波的透波材料制造飞机，确实是一个很有意义的途径，三代半飞机通过大量采用复合材料，比起全金属的三代机和二代机降低了很大雷达波反射。

第二，吸收掉雷达波。这就像夜里披着黑衣行走难以被察觉一样，如果让敌人雷达波全部被吸收，那么自然对方也无法看到你了。因此，目前所有的隐形飞机都广泛涂抹吸波涂料。甚至很多飞机连尾喷口的红外线辐射也做了吸收处理。

第三，把雷达波反射到其他方向。这就像一个人夜里背着面镜子行走，就算有车灯打过来，也因为大部分光被反射到其他方向而无法察觉。根据反射采用的模式，分为两种：镜面反射型和漫反射型。镜面反射优势是反射率高，但无法兼顾气动布局，这也是苏联放弃隐形飞机开发的原因；漫反射虽然能够兼顾飞行和隐形，但对于设计团队的理论和实践技能要求很大。计算量也非常大。

第四，把对方的雷达波主动消除。

这种模式类似于我们买到的“有源对消耳机”。由于电磁波也是一种波，当它与相位差180度的另一个波叠加时，其能量会被正负抵消掉。所以飞机如果加装这样的设备，即可大量削减入射的电磁波。由于难度很大，而且发射机也很大，因此只见于重型飞机。

因此，以世界公认隐形最强的B2轰炸机为例，它采用了全频段微波（不含米波以上）吸波涂料，漫反射飞翼布局，有源对消技术，飞机红外遮蔽设计，配合1982-1986年美国透过苏联叛徒取得的全套苏联雷达特征信号数据库（该叛徒是主动接触美国大使馆，出售的数据仅卖了100万美元，1986被苏联枪毙，但苏联所有的防空系统，机载雷达的数据全部泄漏，导致海湾战争以来俄式飞机和俄式防空导弹击落的美国及其盟友飞机不足20架），使得这种飞机在苏联领空和使用苏联防空系统的国家可以畅通无阻，成为了“第一次核打击”最有效的工具。当然，由于冷战后装备急剧缩减，加上B-1B占了100个名额，导致它最后仅仅生产了20架。

当然，仅仅靠“先天体质”是无法完全保护自己的，现实中F-117被南联盟S-125击落就表明隐形飞机并非无懈可击。所以，现实中隐形飞机还需要各种灵活的运用：

第一，避免自身释放无线电信号。南联盟击落F-117即是利用捷克无源定位雷达定位到正在进行某种通讯的F-117飞机，并立即引导S-125导弹对其攻击。因此，隐形飞机最好自己保持全程无线电静默，就算是F-22要打击敌对飞机，也应当在本方预警机的数据支持下，短暂突然打开低可截获雷达来发射导弹。这种探测雷达原理和二战日本人的“逆探”相同，通过3个或更多的探测器逆向感知对面目标，然后套入坐标系计算球心。该雷达中国一度打算从捷克进口，但已经铁了心加入北约的捷克并未出口我国，反而是在近两年出售给了台湾地区以抗衡歼20。

第二，巧妙地利用地形规避雷达探测。

我们知道，地球是一个大球体。因此当雷达探测远在地平线开外的目标时，会有一个明显的盲区（见下图）。

这个盲区可以粗略的进行计算。假设地球是均匀的球体，雷达的最低探测角度设为通过该点的切线，目标距离（斜距）的飞机为另一点，这就构成了一个直角三角形，根据已知的直角边（雷达到地心，雷达到目标斜距）即可算出斜边（目标对地心）距离，然后减去半径即可得到此时最低探测高度。

我为了加快研究速度，自己做了个VB程序。

由此可见，一台架设高度5米，在赤道面上，对于6000米飞行高度的飞机探测距离为284公里——换句话说，如果这架飞机飞在6000米以下，就无法用这部雷达看到了。

那么，对于低空飞入的飞机呢？

当飞机飞在600米低空时，雷达就只能在95公里探测到对手——而这个距离已经进入了AGM-88反辐射导弹射程。

所以，巧妙地利用地表曲率和特定地形（如丘陵地带），隐形飞机可以很好地用天然地形为自己的隐形能力补强。

第三，团队协作。

第一条已经指出，隐形机最好不要泄漏自己的电磁波信息。那么，最好的办法就是让隐形飞机，预警机，电子战飞机编队作战。预警机负责远程探测，电子战飞机压缩敌方探测距离和精度，然后掩护隐形飞机展开突袭。

既然知道了雷达的特性，导弹的特性和隐形飞机的特性，我们终于可以进入最终的主题：防空系统如何对战隐形飞机。

既然要用防空系统对付隐形飞机，那么我们就得从“看得见，打得着，打得准”入手。

看得见是前提：

1、选择适合的波段

首先，我们要明确，大部分隐形飞机受制于隐形外观和涂料选择，是不能做到全频段隐形的。就算是B-2和未来的B-21等全频段隐形飞机，它也做不到实际上的全频段隐形，尤其是通过二倍波长进行反射的米波雷达和低于KA频道的毫米波雷达。通过寻找波段，就可以有效地为发现目标做好铺垫。

2、采用新式的收发单元和全新的计算机。我们知道，米波不适合精确定位目标的原因在于它频率太低，同一个周期内收到的重复回波不足，无法精确定位目标。所以，如果增加发射机的数量，并用计算机统一处理，那么同一时间回收的回波越多，越容易精确测绘敌机。

3、配合被动定位技术。和“维拉”系统一样，可以利用逆探定位隐形飞机。而且随着技术的发展，中国航展展出的逆探阵容，甚至包括接受隐形飞机反射的广播电视台的中波、短波信号的无源定位系统。

4、加大功率。这是通过蛮力来“烧穿”对方防御的技术。根据上文提到的雷达波回波功率公式，回波功率本质上仍然与雷达的发射机功率、天线馈电效率成正比。那么，在敌人隐形技术一定的情况下，加大发射机功率，提升馈电效率自然是提升回波最基本的方法。

5、开辟第二战场。任何飞机都不可能对任何目标隐形，否则它自己人也找不到。因此我们可以配合卫星遥感侦测、敌方数据链黑客窃听等其他手段进行定位，或者在敌方基地派驻间谍跟踪。

资料来源：https://weibo.com/5838191069/Dss1p5RGm?type=comment

当然，光看到了打不中也不行。由于导弹跟踪和定位必须有高质量连续回波信号，传统的导弹面对隐形飞机也会被严重缩短有效距离。如前文的AIM-120可以对30公里的15平方米的三代机进行跟踪，但对于RCS只有0.01平方米的四代机跟踪距离只有原先距离的四分之一，只有不足7公里，这导致导弹脱靶几率大幅提高。因此，必须要针对导弹进行相关的升级：

1、换装相控阵天线。前文所述，相控阵雷达无论是雷达馈电效率还是刷新率都高于传统雷达。所以在总功率无法提高的情况下（导弹供电只有电池），改善天线是必然之选。一向很喜欢“赶时髦”的日本人在AAM-4B上首先采用了有源相控阵雷达技术，但是成本可想而知非常的高，而且日本低产量无法分摊单价，但思路是可以肯定的。

2、改善计算机。导弹的体积很小，计算机的效率也比较低下，甚至很多人都不明白，为何敌我识别系统只能装在发射器上而不是导弹本体之上，就是因为导弹计算机性能太过于低下了。导弹并非不可用高性能计算机，但由于它是消耗品，一枚高品质军用CPU也不便宜，所以目前计算能力普遍不足。但是为了对抗四代机，选择高性能计算机是必然之选。

3、增大机载雷达/地面火控雷达功率。和上述第4条理由一样，不再赘述。

4、用四代机对付四代机。打不过就加入，使用更好的四代机和敌方进行博弈，在空战取得胜利。

隐形技术确实是为世界空战和防空带来了本质上的革命。在未来的信息化战争中，一定是体系更加完整的国家，能够取得最后的胜利。