低空目標(biāo)探測技術(shù)分析與展望

周 豪，胡國平，師俊朋

（空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院，西安 710051）

低空目標(biāo)探測技術(shù)分析與展望

周 豪，胡國平，師俊朋

（空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院，西安 710051）

發(fā)展低空目標(biāo)探測技術(shù)是應(yīng)對低空、超低空突防目標(biāo)威脅的重要手段。在對低空目標(biāo)探測影響因素和目標(biāo)低空突防缺陷進行分析的基礎(chǔ)上，從克服地球曲率及地形遮蔽影響、抑制多徑效應(yīng)、角閃爍效應(yīng)和復(fù)雜背景雜波4個方面分析研究了低空目標(biāo)探測技術(shù)，對典型的低空目標(biāo)探測雷達進行了分析探討，并對未來低空目標(biāo)探測的發(fā)展趨勢進行了展望。

低空目標(biāo)探測，多徑效應(yīng)，角閃爍，信息融合

0 引言

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，低空、超低空突防已成為各國奪取制空權(quán)的基本戰(zhàn)術(shù)手段，從阿富汗戰(zhàn)爭到利比亞戰(zhàn)爭，美國等西方國家屢屢采用低空、超低空飛行的飛機、巡航導(dǎo)彈等重創(chuàng)敵方。高超聲速飛行、隱身技術(shù)、電子干擾技術(shù)與低空突防相結(jié)合更是給防空帶來嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。低空目標(biāo)探測已經(jīng)成為亟待解決的難點問題。本文從低空目標(biāo)突防理論、低空目標(biāo)探測技術(shù)應(yīng)用、常用低空目標(biāo)探測雷達、低空目標(biāo)探測發(fā)展趨勢等方面進行分析，為深入研究低空目標(biāo)探測問題提供參考。

1 低空目標(biāo)探測影響因素分析

低空突防本質(zhì)是利用低空復(fù)雜電磁環(huán)境規(guī)避雷達探測，實施突襲。由于受到地球曲率和地形遮蔽、多徑效應(yīng)、角閃爍效應(yīng)及復(fù)雜背景雜波的影響，在低空環(huán)境下雷達探測性能急劇下降，目標(biāo)突防成功率大大提高。

1.1 地球曲率及地形遮擋

地球表面的彎曲使雷達的直視距離受到限制，設(shè)雷達和目標(biāo)高度分別為h1和h2，則直視距離為［1］：

在h1一定的情況下減小h2，雷達的直視距離d隨之減小。此外，山地、叢林等地形會阻礙雷達電磁波的直線傳播，形成雷達探測盲區(qū)。雷達遮蔽角α與雷達的探測距離D滿足關(guān)系：

式中H代表目標(biāo)飛行高度，R為地球半徑。α一定時減小H，探測距離D隨之下降。說明利用雷達探測盲區(qū)采用低空飛行會使雷達的預(yù)警時間縮短。

1.2 多徑效應(yīng)

多徑效應(yīng)是指當(dāng)突防目標(biāo)飛行高度較低時，雷達發(fā)射的探測波束經(jīng)由多條路徑返回到雷達接收機并產(chǎn)生相互干涉。多徑效應(yīng)造成接收信號幅度的起伏、波瓣的分裂以及低角度測量的誤差。多徑效應(yīng)的示意圖如圖1所示。

圖1 多徑效應(yīng)示意圖

1.3 角閃爍效應(yīng)

角閃爍效應(yīng)是指雷達近距離探測由多個點散射單元組成的復(fù)雜低空目標(biāo)時，目標(biāo)等效散射中心隨雷達探測波束角度的變化而變化。角閃爍效應(yīng)機理可用圖2說明［2］，由于兩散射單元散射強度和相位的變化，在垂直于傳播方向上會產(chǎn)生測量線偏差，即角閃爍。角閃爍效應(yīng)會造成雷達天線的劇烈抖動，影響低空目標(biāo)角度測量精度。

圖2 雙散射單元目標(biāo)幾何圖

1.4 復(fù)雜背景雜波

低空突防目標(biāo)的回波信號會被強背景雜波淹沒。而且，對于采用下視探測體制的雷達，雷達自身的運動會導(dǎo)致地物等靜止目標(biāo)的回波產(chǎn)生多普勒頻移和雜波頻譜展寬，目標(biāo)回波信號將更加難以檢測。圖3所示為機載雷達雜波和目標(biāo)回波頻譜結(jié)構(gòu)［3］。

2 低空目標(biāo)突防缺陷分析

雖然低空目標(biāo)突防極具威脅，但亦存在缺陷：

圖3 機載雷達雜波和目標(biāo)回波頻譜圖

1是地形阻礙作用有限。地球曲率和地形的遮蔽只能阻礙普通地基雷達的直視探測，因此，低空目標(biāo)可利用的盲區(qū)有限，可以采用擴展探測空域的方法使目標(biāo)無處藏身。

2是目標(biāo)和雜波特性不同。與地雜波雜亂無章的分布不同，目標(biāo)回波信號之間有較強的相關(guān)性，可以利用兩者在時域、頻域等方面的不同將目標(biāo)檢測出來。

3是紅外輻射較強。為規(guī)避地形障礙，低空突防目標(biāo)需要進行靈活的機動，發(fā)動機工作過程中會噴射高溫氣流產(chǎn)生紅外輻射，有可能被紅外系統(tǒng)探測到。

4是電磁信息輻射較強。為在復(fù)雜地形環(huán)境中實現(xiàn)低空突防，需要接收GPS等外部導(dǎo)航信息，并實施環(huán)境偵查、航跡規(guī)劃，這些過程中產(chǎn)生大量的電磁波輻射有可能會泄露突防目標(biāo)的信息。

3 低空目標(biāo)探測技術(shù)

低空目標(biāo)探測技術(shù)是指能夠有效檢測、跟蹤低空中各類目標(biāo)的技術(shù)。利用低空突防的缺陷，有針對性地采用技術(shù)手段克服地球曲率及地形的阻礙，抑制多徑效應(yīng)、角閃爍效應(yīng)及復(fù)雜的背景雜波等，就可以提高探測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)概率，增大預(yù)警時間，增強防空系統(tǒng)應(yīng)對低空突防威脅的能力。

3.1 克服地球曲率及地形影響的技術(shù)

低空目標(biāo)探測受到地球曲率和地形的限制，根本原因在于電磁波的直線傳播受到了阻礙。解決問題的思路有兩類，第1類是發(fā)展高空平臺的雷達探測技術(shù)，包括機載雷達技術(shù)和氣球、飛艇載雷達技術(shù)等；第2類是利用電離層對電磁波的折射，發(fā)展超視距雷達技術(shù)。

3.2 多徑效應(yīng)抑制技術(shù)

低空目標(biāo)探測受到多徑效應(yīng)影響的實質(zhì)是經(jīng)地面反射的回波與目標(biāo)直接回波產(chǎn)生了干涉相消。目前抑制多徑效應(yīng)的典型技術(shù)有：

從工作體制入手，采用偏軸測量技術(shù)、窄波束低副瓣技術(shù)和分集技術(shù)。偏軸測量技術(shù)是指在俯仰角較低時，采用偏零技術(shù)進行測量，避免了因天線主波束過低而使反射回波進入。窄波束低副瓣技術(shù)減小了多徑信號進入接收機的可能；分集技術(shù)分為頻域分集、空域分集、極化分集等［4］，是通過多樣化的頻率、空間位置、極化方式等避免回波信號的劇烈起伏，從而減弱多徑效應(yīng)［5］。

從信號處理入手，采用盲分離技術(shù)。其基本思想是在缺少可用的信源、信道信息條件下，構(gòu)建分離矩陣，將目標(biāo)直接回波信號與反射信號分離開以抑制多徑干擾。

偏軸測量技術(shù)只能在一定的角度范圍內(nèi)保證對多徑效應(yīng)的抑制效果；分集技術(shù)能避免回波信號的劇烈起伏，但實現(xiàn)相對復(fù)雜；盲分離技術(shù)能夠在缺乏先驗知識的條件下抑制多徑效應(yīng)，且實現(xiàn)簡單，但難以處理帶噪信號或非平穩(wěn)信號。

3.3 角閃爍效應(yīng)抑制技術(shù)

本質(zhì)上講，角閃爍效應(yīng)是復(fù)雜目標(biāo)不同部位反射回波在相位上相互干涉造成的。目前抑制角閃爍效應(yīng)的典型技術(shù)有：

從工作體制入手，采用頻率捷變技術(shù)和高分辨技術(shù)。頻率捷變技術(shù)通過消除回波之間的相干性抑制角閃爍效應(yīng)。高分辨技術(shù)通過對目標(biāo)成像，將目標(biāo)的多個散射中心區(qū)分開來，從而抑制各散射中心間的相互干涉。

從信號處理入手，采用加權(quán)抑制技術(shù)和改進的卡爾曼濾波技術(shù)。加權(quán)抑制技術(shù)是根據(jù)低空目標(biāo)RCS與角閃爍誤差較強的負相關(guān)性，在角度跟蹤系統(tǒng)中對角度幅度值進行加權(quán)抑制角閃爍。改進的卡爾曼濾波技術(shù)是先對非高斯長拖尾分布的角閃爍噪聲進行預(yù)白化，再利用卡爾曼濾波處理。

加權(quán)抑制技術(shù)僅適用于小RCS目標(biāo)；改進卡爾曼濾波技術(shù)能夠提高雷達探測精度，但不能從根本上抑制角閃爍效應(yīng)；雷達高分辨技術(shù)是從本質(zhì)入手抑制角閃爍效應(yīng)，但受目前技術(shù)水平所限，準(zhǔn)確區(qū)分目標(biāo)各散射單元仍存在較大難度。

3.4 復(fù)雜背景雜波抑制技術(shù)

抑制復(fù)雜背景雜波對低空目標(biāo)探測的影響包括兩個方面的問題，一是強雜波中微弱目標(biāo)的檢測，二是雜波中動目標(biāo)檢測。

解決強雜波背景微弱目標(biāo)檢測的技術(shù)有檢測前跟蹤技術(shù)、改進的先檢測后跟蹤技術(shù)等。檢測前跟蹤技術(shù)是將每次掃描得到的信號存儲起來進行相關(guān)積累，濾除無法形成連續(xù)航跡的雜波，形成運動目標(biāo)的航跡［6］。其算法流程如圖4所示。改進的先檢測后跟蹤技術(shù)是引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、分形、混沌理論、小波變換、SAR成像處理、自適應(yīng)匹配濾波等理論改進傳統(tǒng)檢測技術(shù)，提高檢測性能。

檢測前跟蹤技術(shù)克服了傳統(tǒng)的先檢測后跟蹤方法不能充分利用回波信息的不足，但運算量過大，難以運用到雷達實際探測中。目前已提出多級假設(shè)檢驗、動態(tài)規(guī)劃等改進方法。改進的先檢測后跟蹤技術(shù)能在一定程度上改善檢測性能，但存在對時間序列長度要求高、計算量大等不足。

圖4 檢測前跟蹤檢測算法流程

解決雜波中動目標(biāo)檢測的典型技術(shù)有相位中心偏置天線技術(shù)、脈沖多普勒技術(shù)、空時自適應(yīng)信號處理技術(shù)（STAP）等。相位中心偏置天線技術(shù)是指采用兩根天線同時進行SAR成像，使不滿足相位中心偏置條件的動目標(biāo)保留下來。其原理框圖如圖5所示。脈沖多普勒技術(shù)是利用靜物與動目標(biāo)在頻譜上的差異，采用頻域濾波將動目標(biāo)進行篩選。STAP是利用地雜波信號空時二維耦合的特性，通過在空時二維平面形成凹口的方法濾除雜波，檢測到強雜波中的目標(biāo)［7］。

相位中心偏置天線技術(shù)在探測復(fù)雜地形時的能力不強。脈沖多普勒技術(shù)的速度分辨率高，雜波改善因子較大，對動目標(biāo)有較好檢測性能。但實現(xiàn)低副瓣天線、高純度頻譜比較困難，信息處理比較復(fù)雜。STAP技術(shù)能較好地濾除雜波，但數(shù)據(jù)計算量大，且構(gòu)建協(xié)方差矩陣要求的大量獨立同分布訓(xùn)練樣本難以在非均勻環(huán)境下獲得。

圖5 相位中心偏置天線技術(shù)原理圖

4 典型的低空目標(biāo)探測雷達

4.1 空基雷達

空基雷達是以高空飛行的飛機、系留氣球、飛艇等為平臺，具有搜索、探測、識別、跟蹤等多種功能的雷達。預(yù)警機機載雷達對于低空、超低空飛行的目標(biāo)預(yù)警能力強，機動靈活，探測范圍大、效率高。據(jù)報道，美軍E-2C使用的AN/APS-145型雷達，對飛機目標(biāo)的探測距離在556 km以上［8］。機載雷達的不足在于費用昂貴，無法長時間對空監(jiān)視，易受反輻射導(dǎo)彈攻擊，地雜波干擾嚴(yán)重。氣球、飛艇載雷達可實現(xiàn)較長時間的對空監(jiān)視、目標(biāo)探測，且造價低，使用維護方便，但需在系統(tǒng)穩(wěn)定性、探測高度、隱身能力等方面有所提高。

4.2 超視距雷達

超視距雷達是能夠探測監(jiān)視地平線以下目標(biāo)的雷達，分為高頻天波超視距雷達、高頻地波超視距雷達和微波大氣波導(dǎo)超視距雷達3種［9］。其中天波超視距雷達應(yīng)用最廣泛，它能夠不受地球曲率影響，對位于地平線之下的遠程目標(biāo)進行探測，大大提高了預(yù)警時間。據(jù)稱，超視距雷達在警戒低空入侵的飛機、巡航導(dǎo)彈時，可以在200 km～400 km的距離內(nèi)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。但由于電離層的時變性和不均勻性，電磁波傳輸過程中會產(chǎn)生多模傳播，造成較大測量誤差。此外，超視距雷達帶寬受電離層特性及干擾所限，距離分辨率較差。

4.3 低空補盲雷達

低空補盲雷達是主要用于搜索發(fā)現(xiàn)低空、超低空目標(biāo)的地基雷達。低空補盲雷達通過綜合采用超余割平方波束、動目標(biāo)檢測技術(shù)及寬帶、捷變頻、低副瓣等多種技術(shù)，具有較強的反地雜波性能和抗干擾性能。法國Thomson-CSF公司新研制的三坐標(biāo)低空監(jiān)視雷達RAC對常見低空目標(biāo)探測范圍達到100 km，距離精度15m，方位/俯仰角精度小于5mrad。低空補盲雷達的不足在于其雷達高度有限，對低空目標(biāo)探測距離相對較短。

4.4 組網(wǎng)雷達

組網(wǎng)雷達是能根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢和探測任務(wù)，通過系統(tǒng)的優(yōu)化組合實現(xiàn)低空目標(biāo)探測的雷達集合。組網(wǎng)雷達能夠?qū)崿F(xiàn)不同雷達的優(yōu)勢互補，擴展探測空域，避免回波信號強烈起伏，改善信噪比，對目標(biāo)實施穩(wěn)定精確的跟蹤。據(jù)報道，美國聯(lián)合監(jiān)視系統(tǒng)通過將85個監(jiān)視雷達站組網(wǎng)，在美國本土及其周圍形成了寬度達320 km的雷達覆蓋區(qū)域，能夠晝夜監(jiān)視來襲目標(biāo)并引導(dǎo)防空武器予以攔截。組網(wǎng)雷達的技術(shù)難點在于實現(xiàn)不同雷達站信息的同步和合理判斷取舍。

5 低空目標(biāo)探測發(fā)展趨勢

5.1 發(fā)展無源射頻探測技術(shù)

如前所述，目標(biāo)低空突防過程中會產(chǎn)生電磁輻射信息，無源射頻探測技術(shù)可以截獲目標(biāo)在偵查、通信等過程中的電磁波，從而發(fā)現(xiàn)、識別目標(biāo)。這種技術(shù)探測距離遠、隱蔽性好，大大提高了探測系統(tǒng)自身的生存能力，具有廣闊的發(fā)展前景。據(jù)報道，美國F-22戰(zhàn)斗機上配備的無源態(tài)勢感知系統(tǒng)ALR-94對飛行器的無源探測距離大于460 km。能夠識別超過10 000種輻射源模式。

5.2 發(fā)展復(fù)合探測技術(shù)

低空目標(biāo)探測的復(fù)雜性決定了單一技術(shù)難以完成探測任務(wù)，通過各種技術(shù)的優(yōu)勢互補來提高探測效能將是低空目標(biāo)探測的發(fā)展趨勢。美軍現(xiàn)役的E-3預(yù)警機裝備的AN/APY-1/2型S波段脈沖多普勒雷達綜合采用窄主瓣、低旁瓣的波導(dǎo)縫隙陣列天線、捷變頻技術(shù)、多脈沖重復(fù)頻率技術(shù)、脈沖多普勒技術(shù)等。美軍在新一代預(yù)警機設(shè)計中綜合運用SAR成像技術(shù)、動目標(biāo)指示技術(shù)、STAP技術(shù)等，充分說明未來低空目標(biāo)探測技術(shù)將向綜合化、一體化方向發(fā)展。

5.3 發(fā)展新體制雷達

近年來提出的一些新體制雷達在低空目標(biāo)探測方面性能優(yōu)良，典型代表有激光雷達、天基預(yù)警雷達、MIMO雷達等。

激光雷達是通過向目標(biāo)輻射激光，接收目標(biāo)反射光電信息來測量目標(biāo)形狀、運動參數(shù)的雷達。激光能量集中，工作頻率高且具有良好的相干性，跟蹤精度高、分辨率高，使得探測低空目標(biāo)能力有了質(zhì)的突破［10］。據(jù)報道，美國雷錫恩公司正在研制ILR100成像激光雷達，可通過機載在120m～460m高空執(zhí)行偵查任務(wù)。

天基預(yù)警雷達系統(tǒng)是工作在地球大氣層之外，以衛(wèi)星、航天飛機、空間站等為平臺的預(yù)警雷達。它可以不受國界、天氣和時間的限制進行探測，預(yù)警時間長，探測范圍大，精度高，能夠?qū)Φ涂漳繕?biāo)實施及時有效的預(yù)警探測。美國空軍方面對天基預(yù)警雷達需求迫切，特別是在天基雷達的動目標(biāo)檢測特性和全天候成像—監(jiān)視能力方面，會在這些方面進行持續(xù)深入的研究［11］。

MIMO雷達即多輸入多輸出數(shù)字陣列雷達，是通過多個發(fā)射/接收單元分別發(fā)射、接收正交波形實現(xiàn)目標(biāo)探測的雷達。它實現(xiàn)了雷達波束的頻率分集與空間分集，能夠有效抑制多徑效應(yīng)和角閃爍效應(yīng)，且增大了雷達的功率孔徑積，改善了信噪比，因而大大提高了低空目標(biāo)的探測效能。據(jù)報道，美國空軍對MIMO雷達發(fā)展給予了經(jīng)費支持，麻省理工學(xué)院林肯實驗室等機構(gòu)也正在對MIMO雷達展開深入研究［12］。

5.4 發(fā)展多探測系統(tǒng)信息融合技術(shù)

雷達進行低空目標(biāo)探測時會受到復(fù)雜電磁環(huán)境的影響。而紅外探測系統(tǒng)通過探測低空目標(biāo)輻射的紅外輻射信號實現(xiàn)目標(biāo)探測，具有對環(huán)境依賴小、抗干擾能力強、測量精度高等優(yōu)點。光電探測系統(tǒng)通過對目標(biāo)光電輻射源信號的截獲和處理獲取目標(biāo)的信息，探測精度高，目標(biāo)識別能力強。通過將雷達、紅外、光電等系統(tǒng)融合起來進行探測將大大提高應(yīng)對低空突防威脅的能力。據(jù)報道，美國AIL公司研制的AN/TPS74系統(tǒng)采用先由雷達探測，再由紅外或光學(xué)系統(tǒng)進行識別觀測的體制，提高了目標(biāo)探測效能。

6 結(jié)束語

在國內(nèi)外專家學(xué)者的努力下，低空目標(biāo)探測領(lǐng)域的研究已取得了不少成果，但目前還存在以下問題：對多徑效應(yīng)、角閃爍效應(yīng)的形成、抑制機理研究還不夠徹底；對復(fù)雜電磁環(huán)境下高速、隱身低空突防目標(biāo)探測技術(shù)研究還比較少；對技術(shù)的理論和仿真研究較多，而對技術(shù)的實際工程應(yīng)用研究偏少等。因此，必須從加強基礎(chǔ)理論研究，加快探測體制、技術(shù)創(chuàng)新，加強工程實踐研究等多個方面入手，推動低空目標(biāo)探測技術(shù)的快速發(fā)展，有效保衛(wèi)國家領(lǐng)空安全。

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Analysisand Prospectof Low-altitude Target Detection Technologies

ZHOUHao，HUGuo-ping，SHIJun-peng
（School of Air and Missile Defense，Air Force Engineering University，Xi’an 710051，China）

The development of low-altitude target detection technologies is an importantmeans to cope with the safety threat brought by low-altitude target and ultra-low-altitude target.By analyzing the factors which affect the low-altitude target detection and the disadvantages of low-altitude breakthrough，technologies to overcome earth’s curvature and landform defilade，to depress multipath effect and glint，to depress complicated background clutter are analyzed in details.The typical lowaltitude target detection radars are analyzed，and the development trends in the future are viewed.

low-altitude targetdetection，multipath effect，glint，information fusion

TN957

A

1002-0640（2015）11-0005-05

2014-10-05

2014-11-07

周 豪（1990- ），男，河南南陽人，碩士研究生。研究方向：低空目標(biāo)探測系統(tǒng)。