微波光子雷达VS隐身技术

　　出品：科普中国

　　作者：苍山论剑

　　策划：金赫

　　监制：光明网科普事业部

　　有人曾经如此评价魔术师：“歌星歌唱不好，但还是再唱歌；舞星舞跳不好，但还是再跳舞；可是魔术师如果把魔术演砸了，那就不再是魔术师，而是小丑”。2018年7月，俄罗斯国防部宣布，俄第6代战机将安装微波光子雷达，如果这一技术真的投入实战，现役战机的所有隐身技术将成为“小丑”。

　　图注：如果F-22与B-2不能隐身，外形奇特的他们将是“小丑”

　　划时代的技术革命——微波光子雷达

　　1935年，英国科学家沃特森•瓦特发明了世界历史上的首部雷达，从此人类看世界不再仅仅依靠眼睛与耳朵。雷达的出现，改变了战场的侦察方式，把侦察距离从几公里的视距范围扩大到了几百公里。

　　图注：雷达改变了战场的侦察方式

　　说起雷达技术可谓纷繁复杂，但雷达的基本原理却比较简单。一般雷达的组成大致分为五个功能区：信号产生器、发射天线、接收天线、信号处理器、显示器。信号产生器产生预定参数的电信号，电信号通过发射天线变成电磁波向目标发射，电磁波碰到目标后返回，在被接收天线捕捉后重新变为电信号，电信号经过信号处理器与原始电信号的参数进行比较，通过两者之间的差异获得目标信息，并通过显示器显示给使用者。

　　最早的雷达发展到现在，各方面技术有了日新月异的变化。从功能上看，雷达不仅具备基础的搜索功能，还实现了测距、测速、定位甚至是目标识别等高级功能。从效能上看，现代雷达在不断扩展工作波段、提高发射功率的同时，运用相控阵技术实现了雷达频率的捷变、发射方向的捷变，使得雷达发现目标的准确率更高、距离更远。

　　图注：奇特的相控阵雷达

　　但这些变化比起微波光子雷达，简直是“小巫变大巫”，因为微波光子雷达的技术革新是在雷达基本原理这个层面上的。传统雷达在信号产生器和信号处理器里处理的都是电信号，但是微波光子雷达处理的是光信号。正如网络通信从宽带迈向光纤一样，雷达技术从电子迈向光子也是划时代的变革。

　　不同位面技术比拼——隐身技术堪忧

　　现在最先进战机的隐身技术包括独特的外形设计，吸波、透波材料的使用以及雷达干扰技术等等。但是这些技术都是针对传统雷达而言，如果换作微波光子雷达将会一筹莫展。

　　究其原因，主要有以下两点。一是使用光生微波技术，可以很容易生成大带宽线性调频信号。这个和光纤通信传输容量大的道理是一样的，光的频率高出电子频率好几个数量级，因此作为频率与位宽乘积的带宽自然也就非常大。带宽大，从目标反射回的信号里携带的目标信息就越多；信息越多，搜寻目标、识别目标以及抗干扰的能力就越强。二是光电集成电路的数据精度非常高。现在光电集成电路都是硅基电路，硅基电路本身的时间抖动非常小。每个集成电路都有自己的内部时钟，电路各集成部分通过同一的内部时钟协调动作。但是时间抖动越大，内部时钟的一致性就越差，集成电路的精度就越低。光子的时间抖动不到1fs，这比电子低2-3个数量级，所以微波光子雷达识别目标的精度更高，探测距离更远。

　　图注：光纤通信传输容量大为网络时代的到来打下了基础

　　除此之外，微波光子雷达还有其他优势。硅基电路体积小、重量轻、便于集成，所以微波光子雷达可以和智能蒙皮技术结合，实现战机360度无死角侦察探测。光子的调制解调技术在信号的延时与移相上比电子方便，它仅仅需要改变通道长度。还有就是光场的衰弱呈指数级，光的传播是定向的，两条光束平行传播，不容易互相干扰。当前针对传统雷达的电磁干扰一方面难以对微波光子雷达奏效，另一方面比照这种原理也很难设计光干扰器。

　　图注：硅基集成电路非常小

　　理想与现实的差距——瓶颈依然存在

　　有这么多的优点，难怪世界上除了俄罗斯以外，还有很多国家正在研制微波光子雷达。但是不得不承认，最先看到并提出微波光子雷达在战机隐身对抗上优势的还是俄罗斯，其他国家主要是研究地基微波光子雷达。

　　当然目前虽然包括俄罗斯在内的少数国家已经宣布设计出了微波光子雷达的样机，但是微波光子雷达的技术还是刚刚起步。

　　微波光子雷达关键技术包括光生微波技术、微波光子延时与移相技术、微波光子滤波技术以及光采样量化技术。目前光生微波技术与微波光子延时与移相技术相对比较成熟，有研发成功的集成电路，但是微波光子滤波技术与光采样量化技术还没有实现电路的集成化。同时，这四个关键技术还处在独自研发状态，没有统一的数据指标，相互之间难以兼容。所以，目前微波光子雷达的研制还存在诸多瓶颈。

　　图注：采样量化技术原理图

　　不过，一旦微波光子雷达研制成功，当前最先进的战机将不再因为自己古怪的外形和独特的材料而得意。因为如果这些技术不能隐身，那么简直与“小丑”无疑。