準(zhǔn)連續(xù)波雷達(dá)在潛艇中的應(yīng)用

龔朝輝

(海軍裝備部裝備采購(gòu)中心，北京 100071)

準(zhǔn)連續(xù)波雷達(dá)在潛艇中的應(yīng)用

龔朝輝

(海軍裝備部裝備采購(gòu)中心，北京 100071)

簡(jiǎn)單介紹了潛艇用三大體制雷達(dá)的特點(diǎn)，著重從準(zhǔn)連續(xù)波雷達(dá)的可行性方面進(jìn)行探討，并對(duì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)進(jìn)行了分析，最后闡述了提高雷達(dá)性能的新技術(shù)發(fā)展。

潛艇；雷達(dá)；連續(xù)波雷達(dá)；準(zhǔn)連續(xù)波雷達(dá)

0 引 言

隨著潛艇對(duì)隱蔽性的要求不斷提高，潛艇對(duì)無(wú)線(xiàn)電使用要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)意義上的雷達(dá)因使用功率高已不能滿(mǎn)足隱蔽性要求。研制一種發(fā)射功率低、控制手段復(fù)雜的雷達(dá)對(duì)潛艇而言已顯得十分迫切。隨著準(zhǔn)連續(xù)波技術(shù)的成熟，準(zhǔn)連續(xù)波雷達(dá)本身具有的低功率性和易控制性已能滿(mǎn)足隱蔽性和工程應(yīng)用需求。

1 潛艇三大體制雷達(dá)的特點(diǎn)

1.1 脈沖雷達(dá)

當(dāng)今世界潛艇的各型主動(dòng)雷達(dá)絕大部分采用脈沖體制工作，以滿(mǎn)足導(dǎo)航和作戰(zhàn)需求。潛艇使用脈沖雷達(dá)，由于雷達(dá)作用距離近，發(fā)射功率大，工作頻帶較窄，雷達(dá)信號(hào)極易被截獲，使?jié)撏幱跇O其被動(dòng)的地位。因此，對(duì)發(fā)射功率小、截獲概率低隱蔽性好的雷達(dá)的需求日益強(qiáng)烈，而連續(xù)波雷達(dá)由于其發(fā)射功率小、被截獲的概率低正好能滿(mǎn)足這一要求[1]。

1.2 連續(xù)波雷達(dá)

從理論上說(shuō)“連續(xù)波”是指幅度不變、未作調(diào)制、帶寬為零的射頻信號(hào)，其“頻譜”只有一條射頻譜線(xiàn)，也就是信號(hào)發(fā)射時(shí)間無(wú)限長(zhǎng)且永不間斷。顯然，實(shí)際信號(hào)是不會(huì)符合這種情況的，因?yàn)橐鬅o(wú)限觀(guān)測(cè)時(shí)間的雷達(dá)是不實(shí)用的?！斑B續(xù)波”實(shí)際上是指這樣的信號(hào)，它的有限時(shí)間T比某個(gè)觀(guān)測(cè)基準(zhǔn)時(shí)間要長(zhǎng)得多，同時(shí)它具有固定的幅度。其實(shí)可以把這種信號(hào)看成是持續(xù)時(shí)間為T(mén)的“矩形脈沖”。因?yàn)榘l(fā)射時(shí)間特長(zhǎng)，連續(xù)波雷達(dá)多數(shù)還屬于雙基或多基雷達(dá)，其發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)是分置的[2]。當(dāng)發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)相距很遠(yuǎn)時(shí)，幾乎不存在發(fā)射信號(hào)耦合到接收天線(xiàn)的問(wèn)題。當(dāng)它們靠近時(shí)，無(wú)論單基或多基雷達(dá)便會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的“泄露”問(wèn)題。嚴(yán)重的“泄露”能使距離性能比理想的性能要差20～30 dB之多。而潛艇適合裝雷達(dá)天線(xiàn)的尺寸極其有限，對(duì)連續(xù)波雷達(dá)而言，從工程上解決不了信號(hào)隔離問(wèn)題，嚴(yán)重的“泄露”問(wèn)題根本無(wú)法解決。

1.3 準(zhǔn)連續(xù)波雷達(dá)

準(zhǔn)連續(xù)波雷達(dá)同時(shí)具有連續(xù)波雷達(dá)和脈沖雷達(dá)的特性。具體說(shuō)，就是用一個(gè)工作比較大的大時(shí)寬脈沖對(duì)連續(xù)波進(jìn)行幅度調(diào)制，再對(duì)大時(shí)寬脈沖內(nèi)的載波進(jìn)行相位調(diào)制。在大時(shí)寬脈沖工作時(shí)間內(nèi)，雷達(dá)發(fā)射連續(xù)波；雷達(dá)休止期接收目標(biāo)回波，在一個(gè)雷達(dá)重復(fù)周期內(nèi)就能夠完成一次發(fā)射和接收。也就是說(shuō)，能用一個(gè)天線(xiàn)完成信號(hào)的發(fā)射和接收任務(wù)[3-4]。

由于準(zhǔn)連續(xù)波雷達(dá)能用單基雷達(dá)形式實(shí)現(xiàn)，比較適合潛艇的實(shí)際情況，可以利用現(xiàn)有的潛艇雷達(dá)系統(tǒng)完成雷達(dá)的發(fā)射和接收任務(wù)。

2 準(zhǔn)連續(xù)波雷達(dá)的可行性

準(zhǔn)連續(xù)波雷達(dá)可通過(guò)調(diào)頻、調(diào)相或非脈沖調(diào)幅法對(duì)連續(xù)波信號(hào)進(jìn)行調(diào)制而獲得距離信息。調(diào)頻法就是通過(guò)一個(gè)固定頻帶寬度的低頻調(diào)制信號(hào)混合上連續(xù)波信號(hào)而得到發(fā)射信號(hào)。它的頻帶寬度受接收端的帶寬限制。目前高性能濾波器帶寬也就是100 MHz這一數(shù)量級(jí)，也就是說(shuō)調(diào)頻法的調(diào)制帶寬只能是100 MHz這一數(shù)量級(jí)。而目前脈沖雷達(dá)跳頻范圍遠(yuǎn)大于100 MHz。采用調(diào)頻法調(diào)制連續(xù)波雷達(dá)軍事對(duì)抗性差。非脈沖調(diào)幅法連續(xù)波由于受海況和目標(biāo)起伏、海上雜波影響，回波幅度比較復(fù)雜且不穩(wěn)定，也不是理想方案。調(diào)相連續(xù)波因其對(duì)濾波器帶寬沒(méi)有過(guò)高要求，在工作中極易實(shí)現(xiàn)。目前，準(zhǔn)連續(xù)波大多采用調(diào)相法進(jìn)行調(diào)制，也就是用一個(gè)偽隨機(jī)的擴(kuò)譜碼對(duì)載波進(jìn)行相位調(diào)制后得到一個(gè)發(fā)射信號(hào)；對(duì)目標(biāo)回波進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算后重構(gòu)出一個(gè)連續(xù)波信號(hào)，這樣就能得到距離信息。潛艇準(zhǔn)連續(xù)波雷達(dá)完全可以采用調(diào)相式這一成熟方案。

下面就準(zhǔn)連續(xù)波雷達(dá)實(shí)現(xiàn)的幾個(gè)有效途徑進(jìn)行探討：

(1) 降低發(fā)射功率，提高雷達(dá)的隱蔽性

雷達(dá)的發(fā)射脈沖功率越低，被偵察設(shè)備截獲的概率越低。發(fā)射功率降低一倍，被截獲的概率降低4倍。而雷達(dá)發(fā)射的脈沖功率越低，雷達(dá)的隱蔽性越好。準(zhǔn)連續(xù)波可通過(guò)加大發(fā)射工作時(shí)間、增加回波積累數(shù)，提高檢測(cè)靈敏度來(lái)降低發(fā)射功率。

(a) 加大發(fā)射工作時(shí)間，減小發(fā)射功率

由雷達(dá)通用方程式：

Rmax={PtτGtGrδ(λFtFr)2/[(4π)3kTsD0CbL]}1/4

其中，Pt為雷達(dá)的發(fā)射功率，τ為雷達(dá)脈沖時(shí)間?？芍?，在雷達(dá)天線(xiàn)不變的情況下，雷達(dá)作用距離Rmax與Ptτ的1/4次成正比。在保持Rmax不變的情況下，Pt和τ成反比，也就是說(shuō)提高雷達(dá)脈沖時(shí)間就能降低對(duì)雷達(dá)的發(fā)射脈沖功率的要求。目前，脈沖雷達(dá)的工作時(shí)間比通常都小，有的僅為千分之一甚至萬(wàn)分之一。把千分之一作基準(zhǔn)進(jìn)行比較，如果把工作比從千分之一提高到千分之幾百，則雷達(dá)發(fā)射脈沖功率只需原來(lái)的幾百分之一就能達(dá)原有雷達(dá)的作用距離。

(b) 增加回波積累效果，降低對(duì)發(fā)射功率的要求

由雷達(dá)回波相干積累理論可知，N個(gè)目標(biāo)回波相干積累后，信號(hào)功率將增加N的平方倍，平均噪聲功率在相干相加后將是原來(lái)的N倍。也就是說(shuō)，N個(gè)回波相干積累的最終結(jié)果是使功率信噪比增加N倍。調(diào)相法連續(xù)波是以相位調(diào)制基準(zhǔn)時(shí)間Ti對(duì)連續(xù)波進(jìn)行相位調(diào)制而得到載波。相位調(diào)制基準(zhǔn)時(shí)間Ti的時(shí)間長(zhǎng)短將決定工作時(shí)間一定下的調(diào)制數(shù)，也確定了目標(biāo)回波積累數(shù)N。在雷達(dá)工作比一定的情況下，減少相位調(diào)制基準(zhǔn)時(shí)間Ti就能增加發(fā)射信號(hào)調(diào)制n的個(gè)數(shù)。以一個(gè)發(fā)射寬度原為1 μs、現(xiàn)發(fā)射脈沖寬度增加到M倍的雷達(dá)載波為例，采用準(zhǔn)連續(xù)波體制，取相位調(diào)制基準(zhǔn)時(shí)間Ti為0.1 μs，一個(gè)發(fā)射周期內(nèi)能進(jìn)行M×10次相位調(diào)制。發(fā)射信號(hào)經(jīng)目標(biāo)反射后全部返回，信噪比將增加M×10倍。在噪聲一定的情況下，發(fā)射功率只需原來(lái)的1/(M×10)倍。

(c) 采用高效檢測(cè)器件，增加檢測(cè)效果

從檢測(cè)角度看，在保持Rmax不變的情況下，減少接收機(jī)所能接收的最小可辨功率，也能達(dá)到降低對(duì)雷達(dá)的發(fā)射脈沖功率Pt的要求。高性能的數(shù)字式濾波檢測(cè)電路的最小可辨功率要大大低于模擬式檢測(cè)電路。如果準(zhǔn)連續(xù)波雷達(dá)采用數(shù)字式檢測(cè)濾波器，在保持發(fā)現(xiàn)概率不變的情況下，雷達(dá)發(fā)射功率比原模式雷達(dá)可降低20 dB左右。

從以上分析可知，由于調(diào)相式準(zhǔn)連續(xù)波延長(zhǎng)了脈沖發(fā)射時(shí)間，增加了相干積累效果，加上數(shù)字式濾波檢測(cè)，可極大地降低對(duì)雷達(dá)發(fā)射脈沖功率的要求。由于潛艇雷達(dá)天線(xiàn)高度h有限，雷達(dá)最大作用距離不應(yīng)過(guò)大。根據(jù)R=2.2(h)1/2，可推出雷達(dá)最大作用距離在10 n mile左右。對(duì)距離10 n mile、雷達(dá)反射面積為2000 m2的目標(biāo)，用發(fā)射脈寬為1 μs的脈沖型雷達(dá)所需發(fā)射脈沖功率也就20 kW左右。如果用一工作時(shí)間為100 μs、相位基準(zhǔn)調(diào)制時(shí)間Ti為0.1 μs調(diào)相式準(zhǔn)連續(xù)波雷達(dá)來(lái)發(fā)現(xiàn)該目標(biāo)，加上采用數(shù)字式濾波檢測(cè)電路，僅需發(fā)射功率為0.02～0.2 W。做一折算，要發(fā)現(xiàn)雷達(dá)反射面積僅為10 m2的目標(biāo)，所需發(fā)射脈沖功率為4～40 W，平均發(fā)射功率為0.8～8 W。很顯然，幾瓦數(shù)量級(jí)的脈沖發(fā)射功率能極大提高雷達(dá)的隱蔽性，對(duì)在幾海里之外的偵察設(shè)備而言一個(gè)貌似噪聲的信號(hào)發(fā)現(xiàn)概率極低。

(2) 采用偽隨機(jī)碼、自由跳頻技術(shù)提高雷達(dá)的對(duì)抗性

如果把相位調(diào)制基準(zhǔn)時(shí)間Ti看成是一個(gè)碼，那連續(xù)波調(diào)相過(guò)程完全可以看作是一個(gè)連續(xù)碼的調(diào)制過(guò)程。很顯然，一個(gè)連續(xù)為1的碼的調(diào)制波很容易被偵破，也易干擾。如果用隨機(jī)碼代替連續(xù)碼，就很難偵破。由于調(diào)相過(guò)程是隨機(jī)的，偵察雷達(dá)無(wú)法掌握隨機(jī)碼，其接收到的信號(hào)如同噪聲。為了對(duì)付對(duì)準(zhǔn)工作頻率的干擾噪聲，只要相鄰信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理就能有效降低干擾效果。而相關(guān)處理要求相鄰信號(hào)一致性要強(qiáng)，完全可以用幾個(gè)隨機(jī)碼相同的信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理后采用另一組隨機(jī)給出的工作碼進(jìn)行下一輪信號(hào)發(fā)射和相關(guān)處理。把這種幾組相同碼工作一定時(shí)間再隨機(jī)跳碼暫稱(chēng)為偽隨機(jī)碼。采用偽隨機(jī)碼工作方式，既降低了被偵破的概率，也提高了雷達(dá)的抗干擾能力。

偽隨機(jī)碼可在幾十到幾百碼之間變化，碼的長(zhǎng)短主要是看雷達(dá)發(fā)射工作時(shí)間的長(zhǎng)短。雷達(dá)脈沖工作時(shí)間長(zhǎng)，碼就相應(yīng)長(zhǎng)；脈沖工作時(shí)間短，碼就相應(yīng)短。碼不應(yīng)要求過(guò)長(zhǎng)或過(guò)短。因?yàn)槔走_(dá)回波信號(hào)比較復(fù)雜，過(guò)長(zhǎng)的碼可導(dǎo)致回波信號(hào)碼一致性很差，可能把真目標(biāo)當(dāng)成假目標(biāo)處理而丟失目標(biāo)。碼過(guò)短，抗干擾和隱蔽性都將下降。

如果偽隨機(jī)碼還不能有效抗干擾，雷達(dá)可采用捷變跳頻模式。跳頻模式為當(dāng)今許多無(wú)線(xiàn)電話(huà)所采用。為了提高無(wú)線(xiàn)電話(huà)的接通率和不掉線(xiàn)，先進(jìn)的無(wú)線(xiàn)電話(huà)能在900 MHz和1800 MHz兩個(gè)頻率上自由跳動(dòng)。準(zhǔn)連續(xù)波采用跳頻模式在2個(gè)或多個(gè)頻率上自由跳動(dòng)，那它的變頻間隔將變得極其寬闊。工作頻率的自由跳動(dòng)和調(diào)相碼的隨機(jī)性將使偵察設(shè)備無(wú)法進(jìn)行信號(hào)積累，其積累效果形同白化噪聲。對(duì)付極其廣闊的工作頻帶所能采用的堵塞式干擾對(duì)相對(duì)瞬間是定頻的連續(xù)波信號(hào)的影響微乎其微。

3 難點(diǎn)處理

采用大工作比發(fā)射準(zhǔn)連續(xù)波信號(hào)，可以降低對(duì)發(fā)射信號(hào)功率的要求，但近距離回波信號(hào)的強(qiáng)干擾問(wèn)題仍然存在。如果雷達(dá)信號(hào)輻射后立即接收回波信號(hào)，超近距離的強(qiáng)大回波對(duì)雷達(dá)靈敏度有嚴(yán)重的影響，嚴(yán)重制約雷達(dá)的檢測(cè)能力。

由雷達(dá)發(fā)射脈沖功率與相干積累數(shù)和脈沖寬度之間的相互作用關(guān)系可知，發(fā)現(xiàn)小距離目標(biāo)所需功率成4次方縮小。用極小工作時(shí)間發(fā)射的極小發(fā)射功率就能發(fā)現(xiàn)近距離目標(biāo)?？梢栽诮邮斩搜娱L(zhǎng)一小段時(shí)間接收回波以克服近距離的強(qiáng)回波干擾問(wèn)題。此小段時(shí)間產(chǎn)生的盲區(qū)將小于天線(xiàn)的盲區(qū)。用極小工作時(shí)間和接收端延長(zhǎng)一小段工作時(shí)間就能解決近距離的強(qiáng)回波干擾問(wèn)題。

準(zhǔn)連續(xù)波體制可采用跳頻模式作為對(duì)抗有源干擾的措施。跳頻模式要求接收端的頻帶寬度與發(fā)射端相一致。單個(gè)高頻濾波器無(wú)法滿(mǎn)足跳頻要求。準(zhǔn)連續(xù)波的自由跳頻可在多個(gè)固定頻率上自由跳動(dòng)。對(duì)單個(gè)發(fā)射和接收區(qū)間而言，雷達(dá)是在一個(gè)固定頻率上工作模式，其工作頻帶極窄。從傅里葉分析可知，持續(xù)時(shí)間有限的波束的電壓頻譜是眾所周知的sinx/x形式，其帶寬為1/T。由此可推導(dǎo)出準(zhǔn)連續(xù)波帶寬為幾兆赫茲。一般濾波器帶寬都能達(dá)到幾兆赫茲。只要采用相同頻率的濾波器就能接收發(fā)射信號(hào)。采用多個(gè)與跳頻同頻的濾波器就能完全達(dá)到接收多個(gè)自由跳頻的目的。當(dāng)天線(xiàn)發(fā)射出一固定頻率后同頻的濾波器開(kāi)始工作，其余濾波器用數(shù)字控制系統(tǒng)予以關(guān)閉，這樣可以有效接收回波信號(hào)同時(shí)避免其余濾波器接收雜波和干擾信號(hào)。采用多濾波器跟蹤跳頻可以達(dá)到既接收寬頻信號(hào)同時(shí)又降低干擾影響的目的，是解決接收自由跳頻的極佳方法。

4 采用新技術(shù)提高雷達(dá)性能

(1) 雷達(dá)的發(fā)射系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)固體化器件

準(zhǔn)連續(xù)波雷達(dá)體系可以把功率的要求降低至幾瓦，目前先進(jìn)固體高頻器件完全能實(shí)現(xiàn)發(fā)射固體化。

實(shí)施固體化發(fā)射信號(hào)，可以大大降低功率損耗，對(duì)雷達(dá)的預(yù)熱、散熱、冷卻的要求條件放寬，使發(fā)射分機(jī)小型化、安靜化。

實(shí)施固體化發(fā)射信號(hào)可以大大提高產(chǎn)品的可靠性。固體化器件具有高效率、低電壓、低損耗、低溫等優(yōu)勢(shì)，它的可靠性高達(dá)幾千到幾萬(wàn)小時(shí)，比脈沖雷達(dá)的電真空器件提高了幾個(gè)等級(jí)。

(2) 采用數(shù)字化電路

雷達(dá)的偽隨機(jī)碼的產(chǎn)生、自由跳頻的選擇和跳頻跟蹤、雷達(dá)盲區(qū)的分段處理、濾波器件的處理、回波信號(hào)的累加處理，全都需要數(shù)字電路予以處理。數(shù)字電路具有工作穩(wěn)定、可靠性高、一致性好、互換性強(qiáng)、技術(shù)成熟、獲取器件簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，在提高產(chǎn)品可靠性的同時(shí)可大大縮短雷達(dá)的研制周期。

(3) 采用計(jì)算機(jī)處理

準(zhǔn)連續(xù)波偽隨機(jī)碼的貯存和判別、目標(biāo)回波碼的處理和判別、各種數(shù)字電路之間的連接轉(zhuǎn)換都可以由計(jì)算機(jī)來(lái)完成。采用計(jì)算機(jī)處理，可以根據(jù)指揮中心要求及時(shí)處理錄取某一區(qū)域內(nèi)的特定目標(biāo)，并使雷達(dá)工作頻率避開(kāi)干擾頻率。

5 結(jié)束語(yǔ)

準(zhǔn)連續(xù)波雷達(dá)具有發(fā)射功率低、頻譜寬、信號(hào)復(fù)雜等優(yōu)點(diǎn)，并具有極好的隱蔽性、軍事對(duì)抗能力強(qiáng)、被截獲概率低、抗干擾能力強(qiáng)，以及工作穩(wěn)定、可靠性高、結(jié)構(gòu)輕小簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。它能夠滿(mǎn)足潛艇雷達(dá)的發(fā)射功率小、被截獲的概率低的要求。

[1] 劉國(guó)歲，等.連續(xù)波雷達(dá)及其信號(hào)處理技術(shù)[J].現(xiàn)代雷達(dá)，1995(6).

[2] 低功耗反射式連續(xù)波雷達(dá)模擬源的設(shè)計(jì)[J].無(wú)線(xiàn)電工程,2006(5).

[3] 張可.準(zhǔn)連續(xù)波雷達(dá)體制研究[D].西安電子科技大學(xué)，2005.

[4] 袁嗣杰，等.準(zhǔn)連續(xù)波雷達(dá)數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)[J].裝備指揮技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2005(4).

Application of quasi-continuous wave radar in submarines

GONG Zhao-hui

(Equipment Procurement Center of Navy Armament Department, Beijing 100071)

The characteristics of three types of radar systems for the submarines are briefly introduced. The feasibility and technical difficulties of the quasi-continuous wave radar are analyzed. Finally, the development of the new technologies to improve the radar performances is discussed.

submarine; radar; continuous wave radar; quasi-continuous wave radar

2014-10-20

龔朝輝(1971-)，男，高級(jí)工程師，研究方向：雷達(dá)總體技術(shù)。

TN959.72

A

1009-0401(2014)04-0027-04