低截獲概率雷達(dá)在現(xiàn)代戰(zhàn)場的應(yīng)用

王俊剛

【摘要】針對(duì)低截獲概率雷達(dá)在現(xiàn)代戰(zhàn)場中的應(yīng)用問題，文章首先介紹了低截獲概率雷達(dá)的相關(guān)定義，由雷達(dá)方程及偵察作用距離對(duì)截獲因子的表達(dá)式進(jìn)行了推導(dǎo)，指出影響截獲因子的參數(shù)指標(biāo)；在此基礎(chǔ)上，對(duì)雷達(dá)所處的現(xiàn)代復(fù)雜戰(zhàn)場電磁環(huán)境進(jìn)行了簡要介紹；針對(duì)雷達(dá)在戰(zhàn)場中的應(yīng)用，從雷達(dá)信號(hào)波形設(shè)計(jì)、MIMO雷達(dá)技術(shù)兩方面提出了提升雷達(dá)抗截獲能力的技術(shù)途徑。

【關(guān)鍵詞】低截獲概率；復(fù)雜戰(zhàn)場電磁環(huán)境；波形設(shè)計(jì)；MIMO雷達(dá)

1.引言

隨著電子信息技術(shù)在軍事領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，現(xiàn)代戰(zhàn)場電磁環(huán)境日益復(fù)雜，對(duì)于雷達(dá)設(shè)備的分辨率、抗干擾、截獲以及抗摧毀能力提出了更高的要求。低截獲概率技術(shù)作為對(duì)抗電磁干擾和反輻射導(dǎo)彈的有效措施，是提升雷達(dá)生存及作戰(zhàn)能力的重要途徑，引起了業(yè)界的廣泛探索和研究。

2.低截獲概率雷達(dá)

雷達(dá)的低截獲概率是指，在雷達(dá)探測(cè)到敵方目標(biāo)的同時(shí)，使得敵方截獲到的雷達(dá)信號(hào)的可能性最小[1]。為了衡量低截獲概率雷達(dá)的質(zhì)量，Schleker提出了衡量LPI雷達(dá)質(zhì)量的因子，稱為截獲因子。截獲因子定義為偵察接收機(jī)對(duì)雷達(dá)的最大作用距離與雷達(dá)的作用距離之比[2]：

（1）

其中，Ri表示偵察接收機(jī)對(duì)雷達(dá)的最大作用距離，Rr表示雷達(dá)的作用距離。

當(dāng)<1時(shí)，即雷達(dá)對(duì)偵察接收機(jī)的作用距離大于偵察接收機(jī)對(duì)雷達(dá)的最大截獲距離，即雷達(dá)能探測(cè)到目標(biāo)，而偵察機(jī)無法偵察到雷達(dá)信號(hào)，此時(shí)稱此雷達(dá)為LPI雷達(dá)，具有LPI優(yōu)勢(shì)。LPI技術(shù)即是采取一系列措施使盡可能地小，降低雷達(dá)信號(hào)被截獲的概率。

雷達(dá)方程可以表示[3][4][5]為：

（2）

其中，Pt表示雷達(dá)的發(fā)射功率，Gt為雷達(dá)天線的發(fā)射增益，Gr為雷達(dá)接收天線的增益，為偵察接收機(jī)平臺(tái)反射面積，為雷達(dá)信號(hào)的工作波長，F(xiàn)S為雷達(dá)接收機(jī)噪聲系數(shù)，K為波爾茲曼常數(shù)，為雷達(dá)接收機(jī)噪聲帶寬，Lr為雷達(dá)傳輸損耗，（S/N）r為雷達(dá)檢測(cè)目標(biāo)所需要的最小信噪比。

在自由空間傳輸條件下，偵察接收機(jī)可截獲雷達(dá)信號(hào)的最大作用距離為：

（3）

其中，Si為偵察接收機(jī)靈敏度，Gt'為雷達(dá)天線在偵察接收機(jī)方向上的增益，Gi為偵察接收機(jī)增益，為偵察接收機(jī)等效帶寬，為雷達(dá)發(fā)射信號(hào)等效帶寬。則最終截獲因子可以表示為：

（4）

其中，Sr為雷達(dá)接收機(jī)的靈敏度，即：

（5）

由式（4）可見，雷達(dá)的低截獲性能主要取決于雷達(dá)和偵察接收機(jī)增益、帶寬、損耗以及信噪比等指標(biāo)。

3.低截獲概率雷達(dá)在現(xiàn)代戰(zhàn)場的應(yīng)用

3.1 雷達(dá)面臨的現(xiàn)代戰(zhàn)場環(huán)境特性分析

隨著電子戰(zhàn)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代戰(zhàn)場環(huán)境逐漸呈現(xiàn)出復(fù)雜特性，并且主要體現(xiàn)在電磁空間的復(fù)雜性，即現(xiàn)代戰(zhàn)場環(huán)境中隨著不同類型電子用頻設(shè)備的使用，使得電磁信號(hào)在時(shí)域、能域、頻域及空間域均呈現(xiàn)出復(fù)雜特性，對(duì)于處于其中的用頻設(shè)備性能的正常發(fā)揮產(chǎn)生了明顯的，甚至是致命的威脅。

在現(xiàn)代復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境中，對(duì)雷達(dá)生存及作戰(zhàn)效能存在嚴(yán)重威脅的主要包括電磁干擾和反輻射導(dǎo)彈。這里的電磁干擾，主要是戰(zhàn)場環(huán)境中的人為有意干擾，特別是人為實(shí)施的阻塞式或瞄準(zhǔn)式干擾，這些電磁干擾樣式可有效降低雷達(dá)信號(hào)的信噪比，從而導(dǎo)致雷達(dá)信號(hào)被偵察接收機(jī)有效截獲。反輻射導(dǎo)彈（ARM）是利用其被動(dòng)導(dǎo)引頭截獲并跟蹤目標(biāo)雷達(dá)的信號(hào)，引導(dǎo)導(dǎo)彈命中目標(biāo)雷達(dá)或其他電磁輻射源的電子戰(zhàn)硬殺傷武器[6]。以岸基或艦載相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)在現(xiàn)代戰(zhàn)場中的應(yīng)用為例，通常需要高的峰值發(fā)射功率或采用大的功率孔徑積，以探測(cè)隱身作戰(zhàn)飛機(jī)或低空突防的隱身巡航導(dǎo)彈等，增大發(fā)射信號(hào)功率，則很容易在遠(yuǎn)距離被敵方電子偵察設(shè)備截獲，然后施放大功率有源干擾，使雷達(dá)不能正常工作，且使雷達(dá)極易受到反輻射導(dǎo)彈的攻擊[7]。

3.2 如何進(jìn)一步提升雷達(dá)的抗截獲能力

為有效偵察、截獲到雷達(dá)信號(hào)，目前各類偵察接收機(jī)采用各種手段和方法，抑制噪聲，提高淹沒于噪聲中的雷達(dá)信號(hào)的處理增益，實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)信號(hào)的有效截獲。目前采用的截獲方法和手段主要有功率檢測(cè)法、高階統(tǒng)計(jì)量方法、循環(huán)平衡分析法、時(shí)頻分析法以及其他的信號(hào)處理方法等[8]。進(jìn)一步提升雷達(dá)的抗截獲能力，是應(yīng)對(duì)各類截獲方法，實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜戰(zhàn)場電磁環(huán)境下應(yīng)用必須要考慮的問題。

1）選用復(fù)雜的信號(hào)波形設(shè)計(jì)

由文獻(xiàn)[9]可知，當(dāng)為主瓣截獲，并且偵察接收機(jī)的有效帶寬與雷達(dá)發(fā)射機(jī)信號(hào)帶寬相同時(shí)，截獲因子可簡化為：

（6）

其中，k是與偵察接收機(jī)及雷達(dá)相關(guān)的參數(shù)，由上式可見，截獲因子與雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的時(shí)寬帶寬積的平方根成反比。若所設(shè)計(jì)的雷達(dá)信號(hào)隨機(jī)性很強(qiáng)，時(shí)寬帶寬積較大，則由式（6）可知，其截獲因子相應(yīng)較小，提升了雷達(dá)的抗截獲能力。

當(dāng)前雷達(dá)信號(hào)多采用FSK或PSK等單一調(diào)制體制，以FSK/PSK組合調(diào)制為例，其可以有效提升雷達(dá)的抗截獲能力。假定PSK信號(hào)的的子脈沖寬度為Tp，碼長為P，則應(yīng)用PSK調(diào)制的雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的截獲因子；FSK信號(hào)的子脈沖寬度為TF，跳頻數(shù)為NF，則應(yīng)用FSK調(diào)制的雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的截獲因子，則PSK/FSK組合調(diào)制后，其截獲因子為?？梢姡ㄟ^雷達(dá)波形設(shè)計(jì)，可有效提升雷達(dá)信號(hào)的抗截獲能力。

2）MIMO雷達(dá)技術(shù)的運(yùn)用

多輸入多輸出技術(shù)（MIMO， Multiple input multiple output）應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)是近年來國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。MIMO雷達(dá)是利用多個(gè)發(fā)射天線同步地發(fā)射分集的波形，同時(shí)使用多個(gè)接收天線接收回波信號(hào)，并集中處理的一種新型雷達(dá)體制[10][11]。以綜合脈沖孔徑雷達(dá)（SIAR）為例[7]，其采用將雷達(dá)發(fā)射天線和接收天線分開放置的布陣方式，每個(gè)發(fā)射天線發(fā)射信號(hào)各不相同，并且相互正交；接收采用數(shù)字波束形成技術(shù)，形成多個(gè)同時(shí)的接收多波束，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射信號(hào)覆蓋空余的全空域接收，是MIMO雷達(dá)的雛形，可有效對(duì)抗反輻射導(dǎo)彈的攻擊，提升了雷達(dá)抗截獲能力。當(dāng)前，MIMO雷達(dá)在實(shí)用化方面還存在眾多的難題，使得MIMO雷達(dá)的研究常局限于某一問題或領(lǐng)域，但相信在不久的將來，MIMO雷達(dá)的實(shí)用化將成為可能，提升雷達(dá)系統(tǒng)的抗截獲能力也將得以實(shí)現(xiàn)。

此外，由截獲因子的定義可知，通過對(duì)雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的功率控制也可在一定程度上實(shí)現(xiàn)低截獲性能。即僅當(dāng)有必要測(cè)量目標(biāo)時(shí)才對(duì)雷達(dá)進(jìn)行開機(jī)，或者根據(jù)目標(biāo)大小及距離遠(yuǎn)近等發(fā)射不同的功率等。

4.結(jié)論

綜上分析，隨著戰(zhàn)場電磁環(huán)境的日益復(fù)雜，對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的性能提出了更高的要求，特別是在復(fù)雜電磁干擾及反輻射導(dǎo)彈的影響下，要特別重視雷達(dá)信號(hào)的抗截獲能力。文章在介紹低截獲概率雷達(dá)的基礎(chǔ)上，對(duì)其面臨的復(fù)雜戰(zhàn)場電磁環(huán)境進(jìn)行了說明，為滿足其在現(xiàn)代戰(zhàn)場中的應(yīng)用，從信號(hào)波形設(shè)計(jì)、MIMO雷達(dá)技術(shù)等技術(shù)途徑可進(jìn)一步提升雷達(dá)系統(tǒng)的抗截獲能力。

參考文獻(xiàn)

[1]李江源.超寬帶雷達(dá)的低截獲性分析[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2005，3（5）：266-270.

[2]Schleker D C.Low Probability of Intercept Radar[C].IEEE International Radar Conference（CH2076～ 8/85），1985：346-349.

[3]秦為.低截獲概率雷達(dá)要素分析與初步設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代導(dǎo)航，2012，4：275-278.

[4]唐濤.低截獲概率技術(shù)對(duì)抗反輻射導(dǎo)彈研究[J].現(xiàn)代防御技術(shù)，2013，41（2）：40-45.

[5]張錫熊.低截獲概率（LPI）雷達(dá)的發(fā)展[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2003，12：1-4.

[6]唐濤.高功率雷達(dá)與反輻射導(dǎo)彈對(duì)抗研究[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2012，10（6）：595-598.

[7]何子述.MIMO雷達(dá)概率及其技術(shù)特點(diǎn)分析[J].電子學(xué)報(bào)，2005，33（12）：2441-2445.

[8]黃美秀.編碼跳頻信號(hào)的低截獲性能分析[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2011，33（10）：33-37.

[9]郭貴虎.一種新型低截獲FSK/PSK雷達(dá)信號(hào)分析[J].電訊技術(shù)，2009，49（8）：49-52.

[10]J Li，P Stoica.MIMO radar with collocated antennas[J].IEEE Signal Processing Magazine，2007，24（5）：106-114.