艦載雷達反導搜索總體技術(shù)發(fā)展特點分析

邱德厚

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥 230088)

艦載雷達反導搜索總體技術(shù)發(fā)展特點分析

邱德厚

(中國電子科技集團公司第三十八研究所，合肥 230088)

對艦載反導搜索雷達的技術(shù)現(xiàn)狀進行了分析，分別從雷達技術(shù)體制、探測性能、目標檢測、數(shù)據(jù)處理等方面論述了新一代艦載用于反導搜索的雷達的總體技術(shù)發(fā)展特點。

艦載雷達；反艦導彈；反導搜索雷達

0 引 言

一直以來，海上艦船是維護國家和地區(qū)海洋主權(quán)的重要海上作戰(zhàn)平臺，通常具有較強的?？沾驌襞c防御能力。海上艦船面臨的最大威脅主要來自岸基、空中、水面、水下等武器平臺的反艦導彈的攻擊。反艦導彈具有飛行速度快、飛行高度低、隱身性能好等諸多特點?，F(xiàn)代海上艦船如何通過新技術(shù)提升本艦反導防御體系的整體性能，以免受來襲反艦導彈的攻擊，成為一項重要的研究課題。艦載反導防御系統(tǒng)武器裝備構(gòu)成復雜，用于反導搜索的雷達是其免受導彈突襲的最后一道預警防線，要求能夠及早發(fā)現(xiàn)目標，提供較長的預警時間，并具有較高的測量精度以及分辨識別能力，準確掌握來襲目標的屬性信息，為指控機構(gòu)及時、準確地作出戰(zhàn)術(shù)決策提供必要依據(jù)。

1 研究背景

1.1 反艦導彈的特性與威脅

反艦導彈是用于攻擊水面艦船的武器，可以從多維作戰(zhàn)平臺發(fā)射來攻擊敵方水面艦船。反艦導彈類型很多，按發(fā)射平臺可分為空艦導彈、艦艦導彈、潛艦導彈和岸艦導彈；按射程可分為近程導彈、中程導彈和遠程導彈；按導彈飛行剖面又可分為大攻擊角俯沖導彈和掠海飛行導彈[1]?，F(xiàn)代海戰(zhàn)中，反艦導彈日趨成為一種最重要的進攻性武器，其反對抗能力也日益增強。因此，需要更先進的電子對抗手段抑制和破壞反艦導彈的攻擊，提高水面艦艇的生存能力，具有非常重要的戰(zhàn)術(shù)意義。

經(jīng)過幾十年時間的快速發(fā)展，反艦導彈技術(shù)威力獲得了很大的提高，其飛行速度越來越快，最大飛行速度已經(jīng)達到幾倍音速以上；飛行高度越來越低，能夠貼著海面上10 m以下高度飛行；隱身外形以及隱身材料的廣泛運用，導彈的雷達截面積越來越小。反艦導彈的這些戰(zhàn)術(shù)特點無疑會給水面艦船的生存帶來巨大的威脅，對艦載反導防御系統(tǒng)提出了更高的要求，尤其要加強對新一代反艦導彈搜索雷達的研制，提高現(xiàn)代海上艦船的反導防御能力。

1.2 用于反導搜索的雷達技術(shù)現(xiàn)狀

1.2.1數(shù)據(jù)更新率低

傳統(tǒng)艦載用于反導搜索的雷達天線采用方位機械掃描工作方式，探測到目標時，需要經(jīng)過多幀掃描才能確認目標的存在；掃描速率受天線尺寸的限制，不能設(shè)計得太高，雷達總的數(shù)據(jù)更新率低。如反艦導彈飛行速度1000/s、高度10 m，當艦載搜索雷達天線高度20 m、數(shù)據(jù)率2 s時，則搜索雷達最大探測視距31 km，如果天線掃描三次確認才能確認目標，則此時導彈飛行距離已超過6000 m，留給艦載防御武器系統(tǒng)的預警反應(yīng)時間只有25 s，不能滿足目標截獲、跟蹤與攔截的作戰(zhàn)要求。

1.2.2 海面多徑效應(yīng)影響探測性能

艦載搜索雷達在探測和跟蹤海面及低空目標時，除了低層大氣的不均勻性引起的電波折射效應(yīng)外，海面產(chǎn)生的鏡反射或漫散射還會引起多路徑效應(yīng)。雷達波束照射到海面后，會產(chǎn)生相互干涉的直射波和反射波，此時的目標回波進入雷達接收機后會引起信號在幅值和相位上的變化，造成較大的測量誤差。測量誤差對距離和方位角的跟蹤影響不大，但對仰角跟蹤影響非常明顯[2]。當目標尺寸小于波束寬度時，多路徑效應(yīng)表現(xiàn)得更為突出，甚至會產(chǎn)生仰角跟蹤的不穩(wěn)定，產(chǎn)生目標回波閃爍和出現(xiàn)周期性擺動，對目標的探測和跟蹤造成嚴重的影響。

海面多路徑效應(yīng)時，由于直射波與反射波的干涉效果隨二者之間的相位差產(chǎn)生周期性的變化，當直射波與反射波相位相反時，直射波和反射波在目標處的相干處于波谷。此時目標反射的電磁波功率最小，雷達接收機接收到的目標回波信號也最小，出現(xiàn)“丟點”現(xiàn)象。

1.2.3 海雜波對目標檢測的影響

在不規(guī)則運動、強海浪雜波背景中檢測目標，要求艦載搜索雷達具備非常好的信號處理改善因子。海面艦船處于運動作戰(zhàn)狀態(tài)，雷達回波中會增加一個多普勒頻率。因此，要求艦載用于反導搜索的雷達必須具有實時的運動補償功能，將由于艦艇運動引起的回波附加的多普勒頻率補償為零。由于雷達天線作圓周掃描，不同天線指向的徑向艦速也不同，相應(yīng)的目標回波所附加的多普勒頻移也不同。運動補償做的好壞將直接影響信號處理改善因子。

傳統(tǒng)艦載搜索雷達分辨率低，因此回波的信雜比低，難以發(fā)現(xiàn)強海雜波環(huán)境下的小目標。另外，由于海面小目標(潛艇通氣孔、小舢板等雷達截面積小于5m2)通常慢速運動，接近海雜波運動速度，在多普勒域很難與海雜波進行區(qū)分。

艦載用于反導搜索的雷達需迫切解決以下難題：

(1) 研究先進的雷達技術(shù)體制，提高雷達數(shù)據(jù)更新率、增強反導系統(tǒng)預警時間；

(2) 設(shè)計選擇合理的雷達頻率，減弱海面多徑對目標探測的影響；

(3) 應(yīng)用高效的信號處理與數(shù)據(jù)處理技術(shù)，提高強海雜波背景下的快速或慢速小目標探測性能。

2 艦載用于反導搜索的雷達的技術(shù)發(fā)展特點

2.1 總體技術(shù)要求

艦載反導作戰(zhàn)反應(yīng)時間是衡量艦載用于反導搜索的雷達性能好壞的重要戰(zhàn)術(shù)指標。需要用于反導搜索的雷達具有遠距離發(fā)現(xiàn)目標、抑制不規(guī)則運動海雜波和艦船自身運動補償、克服海面多徑效應(yīng)造成的目標損失、抑制雜波及早實現(xiàn)來襲目標檢測和提高反導系統(tǒng)預警反應(yīng)時間的能力。而對于新一代艦載用于反導搜索的雷達，其總體設(shè)計要求具有先進的技術(shù)體制、優(yōu)良的低空探測性能、快速的目標檢測技術(shù)、完善的數(shù)據(jù)處理能力等等。

2.2 相控陣雷達技術(shù)體制

新一代艦載用于反導搜索的雷達要求具有較快的目標數(shù)據(jù)更新率和較大對空探測威力，而相控陣雷達就是不二的選擇。

相控陣雷達天線具備空間功率合成能力，得到較大功率孔徑積，具有較好的探測威力。它采用電子掃描，對雷達能量進行管理，實現(xiàn)探測、搜索到跟蹤的快速轉(zhuǎn)換[3-4]，并具有快速、靈活的波束控制能力，適應(yīng)不同作戰(zhàn)場景，滿足?？漳繕送瑫r探測的需要。

艦載用于反導搜索的相控陣雷達發(fā)射DDS相控編碼，接收DBF，適應(yīng)不同的作戰(zhàn)目的與目標測量要求；編碼精度高，相控速度快，角度精度高，能夠適于精確定位與反導作戰(zhàn)反應(yīng)時間的要求。

圖1 艦載用于反導搜索的雷達相控體制示意圖

2.3 優(yōu)良的低空探測性能

艦載用于反導搜索的雷達用于搜索水面及低空來襲目標，具有良好的低空探測性能。低空探測性能主要反映了雷達波束的低空覆蓋、測量精度、反雜波干擾等性能的高低。

雷達波束的低空覆蓋能力受波束物理空間指向覆蓋以及海面多徑反射的影響。相控方式能夠?qū)崿F(xiàn)波束空間指向與覆蓋的靈活調(diào)整。波束調(diào)整示意如圖2所示，圖中虛線為波束指向調(diào)整1°的俯仰波束覆蓋情況。

圖2 波束覆蓋指向圖

圖3 海面多徑鏡面反射幾何原理圖

海面多徑反射包括鏡面反射和漫反射。由鏡面反射模型可知，形成幾何鏡面反射的原理如圖3所示。

圖3中，雷達接收到的回波可由4個部分組成：(1)雷達發(fā)射信號直接到目標(路徑A)，由目標處直接返回的回波(路徑A)，接收回波為A1；(2)雷達發(fā)射信號直接到目標(路徑A) ，由目標處返回經(jīng)水面反射的回波(路徑C+路徑B)，接收回波為A2；(3)雷達發(fā)射信號經(jīng)水面反射到目標(路徑B+路徑C)，由目標處直接返回的回波(路徑A)，接收回波為A3；(4)雷達發(fā)射信號經(jīng)水面反射到目標(路徑B+路徑C)，由目標處返回經(jīng)水面反射的回波(路徑C+路徑B)，接收回波為A4。因此，一般認為雷達回波信號為

(1)

式中，p=ρe-j?為反射因子，為經(jīng)過水面反射后的幅度變化ρ和相位變化?的函數(shù)， 與當時的風浪、水的密度及含鹽度等有關(guān)；G為發(fā)射和接收的天線增益，與目標偏離天線指向角有關(guān)；E(t)為不同時刻的信號幅度特性[5]。

由式(1)進行仿真及理論分析可知，由于目標路徑2、3和4等非直射路徑的存在，并將疊加到直射路徑1上，最終導致了回波A的幅度、相位的無法確定。一般認為這就是多路徑效應(yīng)。

避免鏡面反射造成的多路徑影響，首先是使雷達距離分辨率大于直射波和一次反射波的波程差，就是減小發(fā)射脈寬或增加信號帶寬；第二就是選擇合適的工作頻率減弱多徑效應(yīng)。較低頻率利于自由空間探測威力的提高，但不利于海面探測和角度分辨率的提高，而較高頻率(毫米波)受到雨水衰減和元器件適用性的影響大。

如果出現(xiàn)仰角波束探測盲區(qū)使雷達不能連續(xù)發(fā)現(xiàn)目標，減少盲區(qū)影響的有效方法主要是采用短的工作波長。λ減小時波瓣數(shù)增多，當λ減小到厘米波時海面反射接近于漫反射而不是鏡面反射，可忽略其反射波干涉的影響[6]。

圖4所示為S、C、X波段雷達對海面目標探測時其探測波瓣的表現(xiàn)情況(假設(shè)海面起伏1 m，雷達自由空間作用距離110 km)。

通過對S、C、X頻段雷達海面探測波瓣圖的比較，可以得出較高頻段的C、X波段比S波段的海面多徑效應(yīng)小，具有更好的探測波瓣，較少的波瓣分裂。因此，新一代艦載用于反導搜索的雷達探測海面和低空飛行目標時，要考慮海面多徑效應(yīng)對雷達作用距離和檢測性能的影響，選擇在較高的微波頻段工作。

圖4 S、C、X波段雷達海面探測波瓣圖

2.4 先進的目標檢測技術(shù)

海上雜波環(huán)境復雜，尤其是海上低空監(jiān)視雷達通常要面對海面雜波、氣象雜波以及其他干擾的影響，使有用目標的檢測與分辨識別變得更加困難。如何通過現(xiàn)代雷達信號處理技術(shù)實現(xiàn)各類型雜波背景下快速檢測目標成為艦載用于反導搜索的雷達系統(tǒng)提高預警作戰(zhàn)反應(yīng)時間的關(guān)鍵因素。

海雜波、云雨等氣象雜波均為動雜波，而反艦導彈多為低空飛行小目標，信號雜波比低。圖4所示為海雜波與氣象雜波中0.1 m2低飛目標的探測性能與信雜比的關(guān)系。常規(guī)的動目標顯示(MTI)不能實現(xiàn)雜波抑制與目標檢測的要求。高重頻脈沖多普勒處理(PD)技術(shù)提高回波脈沖積累數(shù)量，增強回波能量，提高信雜比，能夠快速實現(xiàn)有用動目標的檢測；回波具有精確的多普勒頻率，具有較高的目標速度分辨率，減少了盲速對目標檢測的影響。圖5所示為PD情況下雷達對海雜波和氣象雜波背景下的0.1 m2低空飛行小目標的改善因子分析。

圖4 海雜波、氣象雜波中小目標探測SNR、CSR、CNR

圖5 海雜波、氣象雜波PD改善因子曲線

經(jīng)仿真分析和綜合計算，對應(yīng)4級海情的海雜波和(σv=4.0 m/s云雨氣象雜波，新一代艦載用于反導搜索的雷達的平均脈沖多普勒改善因子大于45 dB，系統(tǒng)能夠有效抑制強海雜波、云雨等氣象雜波的干擾，實現(xiàn)雜波背景中低空高速小目標的檢測。

2.5 完善的數(shù)據(jù)處理能力

反艦導彈飛行速度快，飛行高度低，隱身性能好，在低俯沖角飛行情況完全借助海面雜波背景對雷達探測的影響，使雷達檢測概率大大降低。為保證回波信息的完整性，通常用于反導搜索的雷達往往通過降低檢測輸出門限，降低畫面虛警數(shù)，采用人工判讀判別有用目標是否存在。隨著數(shù)字技術(shù)與軟件開發(fā)水平的不斷提高，運用檢測后信息數(shù)據(jù)處理，準確提取有用目標信息，減少虛報或誤報發(fā)生，使指揮員或機器實時準確的做出戰(zhàn)術(shù)指控，達到反導作戰(zhàn)能力的要求。先進的數(shù)據(jù)處理首先完成對檢測輸出信息的采集、分析、建模、仿真、比對等，通過先進的算法實現(xiàn)對弱信噪比、強雜波背景中的小運動目標回波信息的提取與顯示；同時應(yīng)用速度補償技術(shù)修正由于平臺運動或目標位置變化產(chǎn)生的誤差，滿足艦載用于反導搜索的雷達的作戰(zhàn)使用需求；另外通過數(shù)字濾波功能完成對剩余雜波點多的區(qū)域存在的有用目標提取。

3 結(jié)束語

在未來海戰(zhàn)中，要求艦載近程反導系統(tǒng)具有更長的作戰(zhàn)反應(yīng)時間，更強的反導能力，這就要求用于反導搜索的雷達要有更遠的作用距離、更低的虛警率、更高的檢測概率，以保證對各類海戰(zhàn)場背景下的目標探測與跟蹤性能。隨著相控陣雷達技術(shù)的快速發(fā)展，使其具有多目標跟蹤、遠作用距離、高數(shù)據(jù)率、自適應(yīng)抗干擾、快速識別目標、高可靠性以及同時完成目標搜索、識別、捕獲和跟蹤等多種功能，必將使其在艦載反導防御系統(tǒng)中發(fā)揮更加重要的作用[7]。

[1] 劉桐林.世界導彈大全[M].北京:軍事科學出版社,1998.

[2] 崔嵩,李巖,鄭昌.海面多路徑效應(yīng)對艦載雷達探測低空目標的影響[J].艦船電子工程,2009(1).

[3] 王連成,蔡慶宇.相控陣雷達工作方式的自適應(yīng)調(diào)度策略[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù),1988, (5).

[4] 趙玉潔,王炳如.空間探測相控陣雷達[M].現(xiàn)代雷達,2001(S1).

[5] 吳海,劉艷蘋.一種解決多路徑效應(yīng)影響的方法[J].現(xiàn)代雷達，2007(5).

[6] 丁鷺飛，耿富錄.雷達原理[M].西安:西安電子科技大學出版社,1997.

[7] 周京杭.艦載雷達在反艦導彈防御系統(tǒng)中的作用及發(fā)展[J].雷達與對抗,2002(4).

本刊聲明

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《雷達與對抗》編輯部

Analysis of development characteristics of overall technologies of shipborne antimissile search radars

QIU De-hou

(No. 38 Research Institute of CETC, Hefei 230088)

s: The status quo of the technologies of the shipborne antimissile search radar is analyzed, and the development characteristics of the overall technologies of the new generation shipborne antimissile search radar are discussed respectively in the aspects of radar technical system, detection performance, target detection and data processing.

shipborne radar; anti-ship missile; antimissile search radar

2014-01-12

邱德厚(1975-)， 男，高級工程師，研究方向：雷達系統(tǒng)工程與總體設(shè)計。

TN959.72

A

1009-0401(2014)01-0001-05