“萨德之眼”到底能看多远

文/杨王诗剑   2017-05-20 13:19:15

◎“萨德”全系统均可通过C-17运输机快速灵活部署

◎“萨德”系统的部分装备,于3月6日通过军用运输机运抵驻韩美军乌山空军基地美国在韩国部署“萨德”反导系统可谓“一石激起千层浪”。各界普遍认为,“萨德”系统对中国的最大威胁,并非其拦截弹,而是那部号称“萨德之眼”的AN/TPY-2雷达。

AN/TPY-2雷达是一部X波段(波长3厘米,大约10GHz)有源相控阵雷达,它有两种工作模式或者说构型,分别是“终端模式”(TM)和“前沿部署模式”(FBM)。前者通常作为“萨德”导弹连的火控雷达使用。后者主要部署在前沿,用于向远方的导弹防御系统,例如美国的“地基中段拦截”(GMD)系统提供数据。美国声称部署在韩国的TPY-2雷达将以探测距离较近的TM构型部署,而TM模式探测距离为600千米,支持在韩国部署“萨德”系统的一方说这个探测距离只覆盖朝鲜,不能深入中国大陆。而批评者指出FBM模式的雷达探测距离远得多,而且从TM模式向FBM模式转换只需要8小时或者更少。

那么,“萨德”的雷达以不同工作模式对不同属性的目标到底能看多远?相应高度的目标需要飞多高?“终端模式”和“前沿部署模式”探测距离的不同,是哪些原因造成的?除了RCS、目标高度以外,影响探测距离还有那些因素,关于“萨德”雷达的一些传说是真是假?我们将一起给出答案。

关于探测距离的各种报道

美军虽然很开放,但是对于武器装备的核心参数其实捂得是很严的,包括“萨德”的AN/TPY-2雷达的探测距离。当然,首先说明,谈雷达的探测距离一定要对应着雷达散射截面积(RCS),不说目标的RCS或者基本属性而大谈探测距离的意义不大。这就好比人的眼睛能够观察到物体的远近取决于物体的大小和与背景的反差一样。人能看到几十万千米外的月球,但是看不到几十米外的蚂蚁,雷达探测距离也是一个道理。迄今为止,无论是美军还是雷锡恩公司实际上都没有公开过确切的、对应着目标RCS的距离参数。那我们先看看美国官方、各种媒体靠谱的报道中提到的数据吧。由于国内媒体数据大多数源自国外,所以这里只罗列来自国外的数据。

第一种,数百英里。这是目前笔者看到的有关TPY-2雷达探测距离的最短的公开报道。它来自于雷达的研制方“雷神”公司,该公司曾在一部视频中说,TPY-2雷达能够“追踪数百英里以外棒球场上的本垒打。”当然,这个本垒打必须打的足够高——超过44 000英尺,这才能超过地平线被探测到(关于飞行高度和探测距离的关系,我们后面会详细说明)。

第二种,600千米。这是韩国媒体报到的TPY-2雷达以末端模式部署时的探测距离。2015年2月,韩国《朝鲜日报》的一篇报道引用政府官员的话说,末端构型TPY-2雷达有效探测距离为600千米。2015年4月,《首尔新闻》引用一份美国技术报告同样给出了这个距离。

如果我们认为第一种中的数百英里为300英里,那么这个探测距离是大约480千米。一个棒球的RCS大约是0.004平方米。根据雷达方程计算,对于RCS为0.01平方米的目标,雷达探测距离大约是600千米。这与韩国媒体报道的采用末端模式部署的“萨德”探测距离是相符的。

第三种,超过1 000千米。这个说法是美国陆军部出版的《“萨德”反导系统雷达前沿部署操作手册》里谈到的。原文称,“AN/TPY-2(“前沿部署模式”)……用于在超过1 000千米的距离上探测、跟踪、分类并识别处于助推段和中段早期的弹道导弹。”当然,这个说法过于模糊了。

第四种,1 500千米。2013年美国国家科学院(NAS)报告中的示意图显示,TPY-2雷达的探半径约为1 500千米。NAS委员会认为这个1 500千米的探测距离是相对保守的。

第五种,1 800~2 000千米。韩国媒体为“前沿部署模式”TPY-2雷达给出的探测距离,信息来源与上面第二项相同。这个2 000千米也是目前国内媒体引用最多的数据。

第六种,大于2 900千米。2008年,美国陆军少将帕特里克·奥赖利(Patrick O’Reilly,后来成为导弹防御局局长)声称,TPY-2的探测距离“超过1 800英里”(2 900千米)。

从以上公开报道的数据看,TPY-2雷达的探测距离相差5倍。对于雷达,这是一个巨大的差异。这意味着雷达功率相差5的4次方,也就是625倍!如果只是不同目标的雷达散射截面积(RCS)不同,那需要这些目标的RCS也要差625倍。那么,上述说法是不是靠谱?他们的探测距离对应的是多大的目标呢?

专家的计算

从上面的报道来看,既没有说雷达采取那种模式,也没有说针对的目标RCS,所以,虽然告诉你探测距离了,其实大众也不明白这个雷达的厉害程度。

而两位爱较真的学者——乔治·刘易斯和西奥多·波斯托尔,在2012年9月21日的一篇博客中利用雷达方程进行了简单的计算。这两位可不是普通的爱好者,前者是康奈尔大学高级研究员,后者则是马萨诸塞工学院教授,但是具体专业不详。我们可以看一看他们的计算过程,也算是对雷达知识增加一些了解。

他们用于计算的公式就是下面这个雷达方程,但是如何确定每个参数,却是门学问。

这其中Pav是雷达平均功率,单位是瓦。TPY-2的天线使用了第三代T/R收发模块,据估计其峰值功率为16瓦,平均功率3.2瓦,雷达共有25 344个模块,因此其平均功率为81千瓦。

ρ表示天线孔径效率,设定为0.8,两位专家认为这是一个偏高的值。

A表示雷达天线面积,单位是平方米。这个数好查,TPY-2的天线面积9.2平方米。

G为雷达增益,按照G=ρ(4πA/λ2)公式计算,为103 000。

n为驻留脉冲个数,设定为20个。

σ为目标的雷达散射截面积(RSC),按照0.01平方米计算。

FN为噪声系数,专家的估计值为1.4。

fp为脉冲重复频率,即雷达以怎样的频率发射探测脉冲。专家认为其为200Hz,也就是一秒钟发送200个脉冲。而驻留脉冲为20,也就是说波束在一个波位要收发20个脉冲,波束驻留时间为100毫秒。

LS为系统损失,评估为6.3。

S/N为信噪比,作者分为两种情况,跟踪模式下S/N= 20;识别模式下S/N=100。

将上述数值带入公式则得到以下结果:

R=870千米 跟踪(S/N=20)

R=580千米 识别(S/N=100)

在这个基础上,NAS委员会的一份声明称,将S/N从20减少到12.4,而波束驻留时间从0.1秒增加到1.0秒,其它参数不变的话,将获得1 732千米的探测范围。

上述计算的关键假设和参数是:弹头的RCS为0.01平方米;对每个目标0.1秒的雷达波束驻留时间;用于检测的信噪比S/N=20,噪声系数为1.4。这个结果表明,雷达可以每秒在870千米的范围内跟踪10个来袭目标,或者进行10个波位的搜索,或者每10秒对100个目标进行一次检测。

我们先科普一下波束驻留时间,它实际上就是雷达波束在一个波位/目标停留的时间。在一个波位上停留的时间越长,可能接收的目标反射脉冲就更多,进行相关运算后就能探测更远的目标或者可以探测到目标更多细节,但是代价是扫描的周期增加了。

不过笔者认为,波束驻留时间的0.1秒(100毫秒)的假设偏大。很多火控雷达的波束驻留时间不到10毫秒。100毫秒的驻留时间意味着极差的搜索能力。例如,对于一个10度×64度的空间,如果波束宽度为1度的话(X波段火控雷达的波束通常是很窄的针状波束),扫描下来需要64秒,也就是1分多钟。这将导致其搜索速度、数据更新率下降。对于X波段的火控雷达来说,其波束宽度本来就小,如果搜索速度降低,那将极大降低其搜索能力,可能是无法忍受的。因此,至少在“终端模式”中,驻留时间应该更短。当然,如果是依靠外部目标指示的雷达来说,100毫秒仍然是可以忍受的。另外,这个探测距离要超出笔者的预期,毕竟0.01平方米是一个非常小的目标了。

为此,笔者专门咨询了中国电子科技集团的一位知名雷达专家。这位专家认为,上述公式中各个变量大致可信,但是噪声系数和系统损失取值过低。噪声系数选为1.4(即1.2分贝),系统损失总共才8分贝,不太合理。其中,噪声系数应至少增加1分贝,系统损失更应增加至少3分贝(主要是远距离下X波段大气衰减很大)。即使不考虑由于大气衰减引起的额外系统损失,仅按噪声系数2.5分贝计算,他的团队得到的结果是,对RCS为1平方米的目标探测距离约1 800千米,对0.01平米目标的探测距离大约为570千米。这位专家强调,即便如此,其中带入的噪声系数和系统损失值仍然是根据“料敌从宽”的原则取得比较小的数值,实际中的系统损失可能更大,最终的实际探测距离可能更低。

总的来看,中国专家的计算值比较接近韩国媒体公布的数据,但是要比美国专家估计的870千米更小。按照雷达方程计算,美国专家的算法对1平方米目标探测距离应该是2 700千米多一些。

这位中国专家称,根据雷达天线尺寸算出的水平波束宽度0.37度,俯仰方向为0.84度,如果按照20个驻留脉冲、100毫秒驻留时间来算,覆盖120平方度空域大约30余秒。

根据计算我们看到,上面谈到的数百英里和600千米的参数明显是与雷达的“终端模式”匹配的,应该针对的是RCS为0.01平方米甚至更大一些的但是符合再入弹头特征的目标。从这个角度看,600千米这个数值以及中国专家的计算还是比较可信的。

◎“萨德”系统的AN/TPY-2雷达现在再来看看“大于1 000千米”、1 500千米和1 732千米的距离的说法。大于1 000千米是美国陆军部的出版物对“前沿部署型”TPY-2探测距离的明确说法,这个数值虽然过于笼统,但由此判断,1 500千米、1 732千米的说法,也应该是其“前沿部署型”的探测距离。美国陆军部和NAS报告中使用的雷达和目标参数属于机密,但这可以理解为针对的是较大的、处于上升段的目标,这个阶段的目标大致是多大呢?2003年美国物理学会助推段研究报告引用的超出地平线、进入TPY-2雷达探测范围的固体燃料导弹的雷达截面为0.094平方米(液体燃料导弹为0.45平方米)。如果根据这个两个数值计算,按照美国专家的算法其探测距离分别为1 523千米和2 253千米;如果按照中国专家的算法为998千米和1 476千米。显然,中国专家的算法分别与大于1 000千米和1 500千米的报道接近。

而1 732千米这个数值,相对于870千米探测距离的主要差异是由于较长的波束驻留时间导致的,驻留时间增加10倍得到1 732千米的探测距离,这是探测距离增加1.78倍的重要因素。也就是说,探测距离的增加,是以单位时间内跟踪目标数量降低为原有的十分之一,或者说对每个目标的检测时间增加10倍为代价的。俄罗斯苏-35战机雷达的最远探测距离达到400千米,实际上也是在某种模式下延长波束驻留时间、恶化搜索速度和数据更新率得到的。

那么韩国媒体1 800~2 000千米以及美国奥赖利少将大于2 900千米的说法又是怎么来的呢?这并非是进一步增加目标RCS得到的,因为在2 000千米的探测距离上,目标高度至少要达到235千米,在这个高度的导弹目标基本上只有最后一级甚至只有弹头了,其RCS只会更小。这样的话,延长探测距离就只有进一步增加波束驻留时间了。这可能是“终端模式”和“前沿部署模式”的一个重大不同点。

在“终端模式”中,目标以单独的弹头或整个导弹(头体不分离的型号)向其瞄准点俯冲,它们的RCS可能相对较低。在这种模式下,作为“萨德”系统的火控雷达,可能必须同时处理数十个上百个或者更多的目标。此外,雷达还将需要对新目标进行搜索。另外,进行火力控制需要更高的数据更新率,这就要求波束驻留时间更短。

在“前沿部署模式”中,雷达主要集中于在飞行的早期和较远距离上跟踪较小数量的远程导弹,数据更新率不要求那么高,需要更大的探测距离和更高的分辨率,这样可能就需要更长的驻留时间。这样,即便探测相同的目标,“前沿部署模式”的探测距离也要比“终端模式”的探测距离更大。这很可能是利用不同的脉冲重复频率得到的。这可能也是两种不同部署模式之间的最大区别之一。由此来看,2 000千米,甚至2 900千米的探测距离,很可能是对0.1~0.45平方米的目标,以更长的波束驻留时间获得的。

◎ 雷锡恩公司的宣传片称该雷达功率强大,可覆盖一些国家

◎ 雷锡恩公司的宣传片称AN/TPY-2雷达可以识别数百英里外的棒球

◎ AN/TPY-2雷达可用来跟踪中国的洲际弹道导弹

◎ 根据美国专家的计算,AN/TPY-2雷达对RCS为0.45平方米的目标的探测距离可以达到3 000千米关于“萨德之眼”的一些流言

通过我们上面的计算和分析,基本对TPY-2雷达的一些原理和性能有了基本的认识,这也为我们澄清一些关于TPY-2雷达的流言奠定了基础。那么,流传于中国网络上的那些关于“萨德之眼”的流言,到底是真是假呢?

流言一:中国上空的目标将一览无遗。这是一个广为流传的说法,但是这种说法忽视了一个重要的因素,那就是地球曲率的因素。这就要求必须目标上升到一定高度才能被雷达探测到。发现距离D与目标高度H和雷达距离地面高度h符合以下关系:

4.12这个系数是考虑大气折射后的系数。

为了方便计算,我们假设h为0。那么对于2 000千米外的目标,其飞行高度必须达到235.6千米,对于2 900千米外的目标,其飞行高度必须达到495.5千米以上,在这个距离上不要说看不到飞机,就连很多近程弹道导弹弹道顶点都飞不了那么高。如果按照飞机的飞行高度2万米来算,最远只能在582.7千米外才能探测到。很显然,根据上面的计算,在中国上空的航空目标基本看不到。对于“在东北发射的导弹”,也需要目标上升到200千米高度以上才能发现。对于不同距离目标的高度,读者可自行计算。

除了高度因素以外,还有一个重要因素在于X波段雷达实际上并不适合进行大范围快速搜索。因为其波束宽度过窄,并不利于搜索。

实际上,根据《“萨德”反导系统雷达前沿部署操作手册》“前沿部署”的TPY-2雷达主要有三种搜索模式(计划)。第一种是自主搜索计划。这种搜索模式会给出某种特定的搜索区域,例如10度×20度。但是正如前面计算的,由于其波束驻留时间较长,加之波束较窄,所以搜索较慢。第二种是聚焦搜索计划,主要针对助推段目标。一般是在美国天基红外系统获得导弹发射信息后,通过指挥控制系统为TPY-2雷达进行目标指示。由于天基红外系统获得的目标的坐标和速度信息不太准确,所以TPY-2雷达还是需要在一个较小的范围内进行“聚焦搜索”。第三种搜索是精确引导搜索计划,通常针对非助推段目标。例如,当“宙斯盾”等其它前沿传感器获得了目标的信息,可通过指挥系统向TPY-2雷达提供精确的目标指示,后者能够很快对目标进行截获跟踪和识别。

笔者认为,TPY-2雷达进行“前沿部署”时,最主要的搜索模式将是聚焦搜索,天基红外系统可以快速发现导弹发射,而TPY-2雷达则可以精确跟踪。由于其搜索能力较差,因此其自主搜索模式主要进行配合,因此在进行前沿部署时,该雷达很可能不会像普通的情报雷达那样长期开机“不停地对中国空域扫描”,而只在关键时期对重点空域进行扫描,这也有利于降低故障率。

流言二:TPY-2雷达对RCS为100平方米的目标探测距离为2 300千米,对RCS为1的目标探测距离为1 700千米。

这是一个目前互联网以及各个微信号上出现较多的数据,看上去更准确更专业,因为给出了对应的RCS,而且对RCS为1的目标探测距离为1 700千米的说法与我们上面的计算颇为吻合,但是细看也有矛盾之处。首先,这两个探测距离和RCS的关系不符合雷达方程。如果以RCS为1平方米目标探测距离为1 700千米计算,不考虑传输距离增加引起的大气衰减损失增大,那么对RCS为100平方米的目标的探测距离应该是5 376千米左右。当然,实际中大气衰减对X波段雷达影响很大,但是对于空间目标而言,相当大的距离是在大气层外的,所以即便考虑到大气衰减导致的系统损失,也可以认为其对RCS为100平方米的目标,探测距离应该大于2 300千米。

第二,雷达通常不用RCS为100平方米这样的指标。雷达探测距离通常是以典型目标来计算的,例如防空雷达的典型目标的RCS通常是5平方米或者3平方米,按照这个数值给出最大探测距离的较为常见,很少会给出100平方米的目标的探测距离。100平方米通常是大型、非隐身战略轰炸机的RCS。如在2 300千米的距离上,目标飞行高度应该在311千米左右,在这个高度通常是RCS不到1平方米的洲际导弹的弹头,哪里有100平方米的目标可供探测?

流言三:“前沿部署模式”和“终端部署模式”的探测距离之所以相差很多,是因为两者探测的目标不同,前者探测导弹的弹体,而后者探测导弹的弹头。

这个说法只能说部分正确。确实“前沿部署模式”可能探测到对方反射面积较大的弹体或者上面级,但是“前沿部署模式”探测远的原因不仅限于此,而是前文谈到的,雷达以“前沿模式”部署时对数据率的要求要远比“终端模式”对数据率的要求更低。这样的话,雷达可以延长波束的驻留时间,可以多接收几个驻留脉冲然后进行运算,这样便可大大延长探测距离。打个不太恰当的比方,好比一个人向着目标方向多盯一会,自然可能会看的更清楚一样。一些具备逆合成孔径模式的雷达,例如SBX,其波束驻留时间达到了秒级,可以清晰对目标成像。因此,不排除TPY-2雷达处于“前沿部署模式”时具备逆合成孔径工作模式的可能,那么其波束驻留时间可能会像所说的达到1秒。而处于“终端模式”时,波束驻留时间更短,以满足数据重复率的要求。

流言四:从“终端模式”向“前沿部署模式”转换只需要8小时或者更少。

这是美国陆军官方的说法,应该说没有问题。据美国陆军出版物的说法,“两种模式的雷达硬件是相同的,但是控制软件、运行逻辑和通信组件是不同的。”另外,雷达具备高度机动性,它能空运,并且抵达新的部署地后能够在4小时内完成投入使用。那么这8个小时都用来干什么呢?笔者猜测很可能包括调整天线俯仰角。“前沿部署模式”要求天线的俯仰角较低,而“终端模式”要求的天线俯仰角则较高。另外很可能包括更换通信模块。毕竟“前沿部署模式”需要为远方的反导系统提供精确的目标信息,而“终端模式”在接收信息的同时还要保持与发射装置的联系。至于转换探测距离远近的模式,很可能只需要一个开关就能解决。

◎ 俄罗斯媒体评论,“萨德”的部署使韩国的相关目标不仅被朝鲜瞄准,也将被其它国家瞄准,实际上让韩国变得更不安全了

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