虎年談天下大勢：彈道導彈攻擊大型海面船隻（III）

（八）普通雷達無法用來搜索航空母艦

讀者都知道由於電波走的是直線，所以雷達都是直線觀察。只要在直線範圍內，無論距離多遠雷達都可以觀測。現在問題就來了，地球是圓的，所以只要距離一遠，船隻低於地平線，雷達就觀測不到了。當然，雷達所處的位置越高能夠看到的地平線就越遠，這就是為什麼雷達站通常都是建在山頂上，古人說登高望遠就是這個意思。

甲. 站多高可以看得多遠？

那麼，一個很自然的問題就是：到底站多高就可以看多遠呢？

這個問題很容易回答，因為地球的直徑科學家已經算出來了。地球並不是一個完美的球體，而是南北方向略扁的橢圓體，赤道的半徑是6378.136公里，南北極的半徑是6356.752公里。根據這個數據，YST 給讀者準備了一個很簡單的公式，只要知道高度就非常容易計算出地平線有多遠。

注意這個公式的高度單位是英尺，地平線的距離單位是海浬，讀者自己可以隨時玩玩：

定理：計算地平線的公式

如果你的眼睛在 H 英尺高的地方觀察，地平線的距離是 R，那麼

R = 1.23 x (H)**0.5 海里

，也就是說，地平線在 1.23 乘 H 的平方根 海里外消失。

（註：1 海里 = 1.85 公里）

當然，上面這個定理是受到限制的，那就是 R 不能大過地球的半徑，因為你無論登多高也不可能看到地球的背面，譬如你在台灣的上空絕不可能看到紐約的船。

乙. 例子一：

如果你身高六呎（183公分）站在大海中的一艘小船上，那麼地平線在 3 海里（5.6公里）外。

也就是說，如果另外有一個身高六呎的人站在 6 海里外的一艘小船上，那麼無論你們拿任何高倍數的望遠鏡也不可能看到對方。

丙. 例子二：

如果兩艘船裝置的雷達高出海平面100英尺（船的最高位置），那麼海平面在12.3海里（22.8公里）外就消失了。它們的雷達能夠看到對方船隻的最大距離是25海里。

丁. 日本大和艦的超視距炮擊

除了航空母艦，極少有船隻的桅杆能高出海面100英尺，所以第二個例子告訴我們任何海軍的艦對艦武器如果它的射程超過25海里就必須在交戰時有軍艦本身以外之其他探測系統 提供敵艦的位置與航速，否則這門武器的射程優勢是用不上的。

事實上，例子二是指兩艘船的桅杆都有一百英尺高，而它們的雷達都探測到對方的桅杆，但是這種探測不足以分辨是敵是友，真正的實用探測距離是地平線的距離（可以看清整個艦身，見下圖）。二次大戰時的軍艦是沒有雷達設備的，全靠水兵在桅杆或艦橋（煙囪前的高塔）的最高點上瞭望，所以軍艦的探測距離就是從瞭望台觀測到的地平線（horizon）的距離。我們看下面的一個實際例子。

圖01：日本戰鬥艦大和號在1941年的試航。

第二次世界大戰最大的戰艦是日本的戰鬥艦太和號（Yamato），下面是它的一些數據：

滿載排水量：      72,800 噸；

艦長：            863 英尺；

桅杆高：          121 英尺（大約十層樓的高度）；

動力：            148,000 匹馬力；

最高速度：        27 節；

主炮口徑：        18.1 英寸（460毫米）

炮彈重量

穿甲彈：          3,218 磅 （1,462 公斤）

高爆彈：          2,998 磅 （1,362 公斤）

最大射程

穿甲彈：          45,276 碼（22.34 海里 = 41.44 公里）

高爆彈：          45,600 碼（22.50 海里 = 41.62 公里）

依照我們的公式，站在 121英尺高的瞭望台的水兵，他的觀察距離頂多是

1.23xsqrt(121) 海里 = 1.23x11 海里 = 13.53 海里 = 25 公里

，所以我們看得很清楚大和戰艦的主炮射程遠大於它能觀測到的地平線距離，主炮射程比它能觀察到的地平線超出66％。

日本人不是傻瓜，不會連這點算術也搞不懂。大和戰艦可以在視距外就發射炮彈因為它攜帶了六架偵察機，大和號用吊架把它們放到海面起飛，等它們降落海面後再用吊架收回，見下圖。所以是偵察機的高飛和前線觀測使大和戰艦具有超視距的攻擊能力。日本人認為這樣他們就有了先發制人的能力。

圖02：日本戰鬥艦大和號在船尾攜帶的偵察機與收放它們的吊竿。

日本人的觀念是正確的，理論上這個超視距的戰術的確可行，但是實際執行卻不行。日本偵察機的觀測技術顯然不到位，肯定存在某些技術上的困難沒有完全克服導致過大的誤差，因為大和戰艦的戰績非常差。YST 不記得它的18英吋巨炮擊沈任何軍艦。

附帶說明，德國的俾斯麥號戰鬥艦擊沈英國戰鬥艦胡德號是在目視距離內，而且只經過一次修正，第二次齊射就把胡德號送入海底，如此精確的射擊主要依靠德國非常優秀的光學儀器和測距技巧所提供的精確瞄準和快速又準確的彈道修正，這恐怕是日本偵察機上的觀測手所不能提供的。

戊. 例子三：

如果一個雷達站建在海邊一座一萬英尺的高山頂上，那麼海平面在123海里（228公里）外就消逝了。

第三個例子告訴我們，即使大陸在一萬英尺的高山上建立雷達站也不可能探測到140海里（259公里）外的航空母艦，因為美國最大的航空母艦尼米茲級的杜魯門號，它的桅杆高度也只有134英尺，只比大和號的桅桿高13英尺。

這個例子同時也告訴我們為什麼現代的導彈驅逐艦都載有直昇機，直昇機巡航在一萬英呎的高空是沒問題的，所以艦載直昇機除了低飛反潛還可以高飛為這些射程在兩百公里以內的反艦飛彈作雷達探測和中途導引。這不是什麼創新，二戰時期日本就用使用了，只是現在的雷達測距和數據鏈傳輸非常的精確、迅速與安全，其中的高科技含量不是二戰時期偵察機上觀測員的目視和無線電的語音傳輸可比的。

己. 普通雷達不能滿足反航空母艦的基本要求

我們再想想看，大陸沿海並沒有一萬英尺的高山，更何況航空母艦即使發動攻擊也通常巡弋在攻擊目標的300海里以外，所以無論是陸地上的雷達或是海面上的艦艇雷達都無法在航空母艦的攻擊距離外發現它。要知道航空母艦戰機的作戰半徑大約是400海浬（F/A-18E/F），如果連這個最基本的探測距離都不能克服，那麼反航母是沒有任何希望的，就只能挨打，不要說先下手為強了，連挨打後回手反擊航母都不可能，因為你不知道它在那裏。

現在很清楚了，反航空母艦的第一件事就是研發一種探測和追蹤距離遠大於400海里（740公里）的感應器。普通雷達完全沒有這個能力。

（九）超視距（超越地平線）雷達

問題：有沒有一種雷達它的觀測距離能夠超越地平線呢？

答案：有的，而且有兩種，它們是「天波雷達」與「地波雷達」。

這個世界有很多物理現象是很奇妙的，其中有兩個現象可以用來發展超視距雷達。此處我們說的「視距」不是指人的眼睛的視力距離而是指觀察物體的直線距離（line of sight），所以這裏所謂的「超視距」就是超越地平線的距離。

人類利用兩種特殊物理現象，離子層與繞射，發展出兩種超視距雷達，也稱作「超越地平線雷達」（英文名稱為 Over The Horizon radar，簡稱 OTH radar）。

本篇的主要目的就是對這兩個物理現象和經由這兩個現象所發展出來的特殊雷達做一個簡單扼要的敘述。

「超越地平線雷達」對偵查遠距離的海面船隻產生革命性的影響。

甲. 天波雷達（OTH-B）

地球的大氣層高度在80公里以上就進入離子層（ionosphere），離子層有一個特性就是只反射頻率在30兆赫茲（30MHz，每秒振動三千萬次）以下的電波，它們的波長在10米以上。

於是科學家就利用頻率在3~30MHz這個波段的電磁波設計雷達，就是所謂的「天波雷達」。

3~30 MHz這個波段雷達科學家給它取了一個代號叫做HF波段，HF是 High Frequency 的縮寫，意思就是高頻波段。這個波段的波長是10~100米。

科學家在HF這個波段發射電磁波，電波被大氣層中的離子層反射照射到海面，海面上如果有船隻就把電波反彈回到大氣層，再經過電離層反射回地面被地面上的接收器收到，經過一番計算和判定就能偵察出海面上這些船隻的位址與速度。這種雷達的探測距離可以遠達六千公里。

由於電波是透過天上離子層的折射，從天而降，所以取名「天波雷達」。

由於探測的距離超過地平線，這種雷達又名「超越地平線的折射雷達」（英文代號為 OTH-B），此處 B 代表 backscatter，意思就是折射。

比較這兩個名稱，YST 個人更喜歡「天波雷達」，它比較傳神。

「天波雷達」有下面幾個特性：

a. 天波雷達的理論探測距離是 800~6000公里。

b. 800 公里以內的目標無法探測，這是天波雷達的盲區。

c. 由於離子層的電子密度隨著日光的照射不同，所以白天與晚上有差異，不同的季節也會產生差異，更會隨著太陽黑子的活動而發生變化。除此之外，離子層的高度也會有變化。所以計算離子層的折射是非常複雜的，非一般人想像的容易。

d. 由於離子層的折射計算複雜，天波雷達的定位精度很差，大約是20~30公里。不過透過特殊的算法精度可以改進一個數量級達到2~3公里，這對搜索大型海面船隻的初步定位已經足夠了。

e. 天波雷達雖然定位精度不高，但是測量速度的精度卻很高，這就有助於目標識別。商船的最高航速通常是20節，不可能超過25節，而航空母艦的航速超過30節，有些更達到35節所以利用速度很快就可以區分航空母艦與大型商船。除此之外，如果偵察到的這個水面目標附近還有很多每小時三百公里以上的高速目標，那麼這個水面目標肯定是航空母艦。所以指揮中心用這種方式就可以初步判定航空母艦的存在和地點。

f. 天波雷達的天線非常巨大，通常高數10米，長一、兩千米，見下圖：

圖03：美國的天波雷達

乙. 地波雷達（OTH-SW）

小時候 YST不聽話，母親生氣時總是說：「媽說話，你左耳進，右耳出，一點記性都沒有」。其實母親教訓 YST的話不是真的，她無論在那個方向對我說話，我兩個耳朵都聽得非常清楚，沒有任何一隻耳朵漏掉。為什麼呢？這是有科學依據的。

在波的傳送中有一種物理現象叫作「繞射」（diffraction）。「繞射」是指當波在傳送時如果遇到阻礙物有一部分能量會彎曲繞過阻礙物到達它的後方，也就是說，任何阻礙物不會形成百分之百的“陰影”。

「繞射」的現象在聲波上非常明顯，我們可以很容易用實驗証明聲波的繞射。在一個非常空曠的空間，你把左邊的耳朵塞住，然後在左耳旁邊敲擊物體，你的右耳可以聽到敲擊聲，這個敲擊聲不會被頭顱完全擋住。所以如果母親的聲音是從左方來，不但左邊的耳朵能聽到，右邊的耳朵也能夠聽到，這是因為一部分聲波繞過聽者的頭顱傳達到了右耳。

電波的繞射和聲波是類似的，科學家不但証明電波有繞射的現象，而且測量出波長越長的電磁波「繞射」的現象越顯著。

哇，這是何等有趣和有用的現象，你想想，好事的科學家會放過它嗎？

由於高頻波段的波長是最長的，聰明的科學家就利用這個波段「繞射」最強的現象設計雷達來偵查地平線以外的目標，科學家用這個方法取得相當程度的成功。由於偵測電波是沿著地球表面傳送的，所以稱之為「地波雷達」。

地波雷達探測的距離超過地平線，所以也稱為「超越地平線的地波雷達」（英文縮寫為OTH-SW），此處SW代表 Surface Wave，意思就是地波。

圖04：地波雷達工作原理的示意圖。

上圖示意建立在山上的雷達站可以在距離R1的範圍內偵測到海面上的軍艦，但是偵測不到距離R2的軍艦，因為它已經在地平線以下了。

但是如果山上的雷達站是地波雷達，有一部分電波透過繞射現象可以照射到地平線下遠距離R2的軍艦，它反射的回波同樣經過繞射再被雷達站接收到，經過計算就可以得出R2軍艦的位置和速度。

電波的「繞射」是一種非常微弱的現象，通常使用的雷達波段幾乎不存在，即使波長最長的高頻波段它的繞射能量也很小，所以對海面船艦的探測距離不大，可以確定能夠達到三百公里，沒有聽過超過五百公里的，要想覆蓋天波雷達八百公里的盲區恐怕非常困難，除非加大發射功率和使用極長的天線陣列，這些都是極費錢的，有實際的上限。

地波雷達因為沒有離子層複雜和不穩定的物理現象，所以定位容易多了，也比較精確，只是探測距離短太多了，對反航空母艦作戰來說性能不足，屬於次要的手段，但是對於其他的大型水面船隻還是很有用的。地波雷達相對便宜，尤其對於不寬的海面，譬如台灣海峽和黃海，非常有用。

讀者一定會問：地波雷達能探測三百公里可以裝在船上呀？

回答：是的，的確有某些國家這麼做過。但是地波雷達的天線排列長達50米以上，在軍艦上狹窄又寶貴的空間使用非常不方便，所以非常少見。

丙. 幾個簡單的註解

a. 高頻（High Frequency，簡寫為HF）是有一點誤導的，因為這個波段其實是雷達所用的電磁波中頻率最低的。

一般而言，頻率越高雷達的精度就越高，同時體積也越小，所發射的能量也越小。所以軍用雷達，尤其是火控雷達（一種指揮炮火發射的雷達，英文稱為 Fire Control Radar）要求高精度，選用波段的頻率都非常高，甚至超過 30 GHz。

譬如戰鬥機上的火控雷達都是X波段，頻率在10GHz左右，是高頻波段的300倍到3000倍，波長是3公分左右。

坦克測距使用激光雷達頻率高達100,000,000兆赫茲，是高頻波段的三百萬到三千萬倍，所以測得的距離非常準確。

警察抓超速使用的測速器也是激光雷達，使用頻率高達300,000,000兆赫茲，達到雷達使用頻率的最高階段，因此雷達非常小巧（可以拿在手上）、功率非常小（通常只有數瓦特），應用距離很短，頂多幾百米，但是非常精確。這種精確度都不是高頻雷達能夠得到的。

b. 「天波雷達」與「地波雷達」都是使用高頻波段來探測地平線以外的物體，經過大氣離子層折射的叫天波雷達（OTH-B），沿著地表傳達的叫地波雷達（OTH-SW），天波與地波的區分和取名非常傳神。

c. 超視距雷達除了探測的距離非常遠之外，它還有一樣好處，那就是可以探測到雷達隱身的目標，譬如美國的隱形戰機B-2與F-22。

這是因為所有雷達隱形物體所用的塗料主要是對付波長很短的雷達波，譬如X波段，目的是要躲避火控雷達的追蹤，這對逃避飛機和導彈的火控雷達固然特別有效，但是對波長較長的L波段搜索雷達就差很多了，對高頻波段的超視距雷達隱身效果就更差了。

除此以外隱形飛機的雷達截面（Radar Cross Section，簡稱 RCS）都設計成正前方極小化（這就像坦克的裝甲在正前方最厚是一樣的道理，因為正前方是攻擊時遭遇敵人最可能的方向），下方也不錯（躲避地面雷達），但是上方的雷達截面就大非常多了，所以無法規避天波雷達的照射與發現。

丁. 中國大陸的天波雷達

大陸在超地平線雷達的研究很早就開始，1970年就完成一座試驗型的天波雷達，天線排列長達2300米。

根據【簡氏防務週刊】的報導，中國已經在2001年研製出一套天波雷達（OTH-B），探測距離為800~3000公里，覆蓋角度為60度。該系統發射與接收的地點是分開的，位置相隔100公里，天線陣列尺寸為60x1100米。這座雷達的作用覆蓋面見下圖：

圖05：中國大陸天波雷達的覆蓋範圍。

YST 個人的評論：

a. 圖05箭頭所指之處就是雷達的接收站的位置，也就是巨大的天線陣列安放的地方。

b. 這座天波雷達的接收站位於武漢與西安之間某處，相當內陸，不設在靠近海邊的原因一方面是避開盲區，另一方面是避免容易遭受空襲。

c. 圖中暗紅色的地區就是天波雷達覆蓋的偵察範圍，這是美國航空母艦進入台灣地區的主要方向。我們看到美國的航空母艦和大型水面船隻只要進入距離台灣兩千公里的海面就會被這座天波雷達偵測到。

d. 800~3000公里的探測距離是英國【簡氏防務週刊】的報導，不知來源為何，也不知是真是假。YST 認為這個探測距離雖然勉強夠用，但不夠安全。如果 YST是系統工程師一定將探測距離至少達到四千公里，而且照射角度會稍微偏北一點務必覆蓋包括東京灣與關島在內的水域，這個要求非常、非常重要而且並不難辦到。

e. 這座天波雷達的位置選擇非常適中，完全覆蓋從東部海面接近中國的任何航道。美國航空母艦如果企圖從日本海經對馬海峽進入黃海不被發現和追蹤是不可能的，唯一剩下的可能途徑是繞過菲律賓的南端或是經麻六甲海峽進入南海，然後由南海接近中國大陸。

f. 南海相對東海不但非常狹窄而且到處都有島礁，偵測航空母艦容易得多，黃海就更容易了。黃海基本上一架預警機就可以搞定，南海則麻煩一點，對預警機續航力的要求也高很多，如果單靠預警機至少需要多架。

戊. 中國大陸的地波雷達

大陸在地波雷達也做了相當成功的研發，並且至少已經在浙江瑞安市以東八公里處的海岸線上部署了一套地波雷達（OTH-SW）系統。這套系統也採用了發射地點與接收地點分離的設計，兩處相隔2.65公里。

外界對中國大陸的地波雷達瞭解很少，只知道覆蓋角度為90度，探測距離大概是三百公里，見下圖。有關它的性能數據都是猜測，無法做進一步的討論。

雷達數據都是高度機密，外面的人只能知道大概，不可能得到精確的數據。

圖06：中國大陸地波雷達的覆蓋範圍。圖中箭頭所指之處就是瑞安地波雷達接收站的位置。

上面這個地波雷達站完全無縫地覆蓋台灣海峽北端的出入口，可惜覆蓋不了釣魚台，更無法探測到琉球群島。

己. 一些個人見解

a. 一般而言雷達使用的頻率越低，雷達的體積就越大，發射的功率也越高，像超視距雷達這樣的頻率發射功率都在數百萬瓦以上，非常耗費能量。

b. 南海海域不是很寬，遍布島礁，50~100米長的天線陣列建在島礁上也不成問題，如果能源供應的問題能夠解決，解放軍在南海的西沙、中沙與南沙的島礁上各建一座地波雷達站，再配上一、兩架預警機填補空隙就可以無縫監視所有在南海主航道上來往的船隻。但是能源供應是一個大問題，島礁上蓋一個幾百萬瓦的發電廠幾乎是不可能的，也容易受到破壞。

c. 比 b 更簡單、也更安全的方法是在湖南南部的山區建一座天波雷達，不但覆蓋整個南海，也覆蓋越南、馬來西亞、新加坡、文萊、菲律賓和麻六甲海峽。

d. YST個人認為天波雷達是反航空母艦艦隊最重要的探測手段，也許單憑天波雷達就足夠完成搜索、發現與長時間連續跟蹤等一系列的任務，其他的偵察手段不過是輔助而已。

在後面論述反艦彈道導彈的操作時，YST 將對 d 項做進一步的說明。