雙基地雷達作戰(zhàn)與抗干擾效能的分析*

成天楨，劉尚鈔，韋杉，蔡志堅

( 1. 北京無線電測量研究所，北京 100854；2. 中國人民解放軍駐二八三廠軍事代表室，北京 100854)

雙基地雷達作戰(zhàn)與抗干擾效能的分析*

成天楨1，劉尚鈔2，韋杉1，蔡志堅1

( 1. 北京無線電測量研究所，北京 100854；2. 中國人民解放軍駐二八三廠軍事代表室，北京 100854)

研究了雙基地雷達的幾何特性與多普勒頻移特性，基于雷達探測區(qū)域分析了雙基地雷達作戰(zhàn)與抗干擾效能，給出了在無干擾和存在自衛(wèi)瞄準式干擾條件下雙基地雷達作戰(zhàn)效能分析結果。仿真結果表明，自衛(wèi)瞄準式噪聲干擾條件下，雙基地雷達具有比單基地雷達明顯優(yōu)越的作戰(zhàn)效能。

雙基地雷達；幾何特性；多普勒頻移；自衛(wèi)干擾；抗干擾效能

0 引言

雙基地雷達起源于雷達雛形產生時期，那時由于技術限制發(fā)射和接收必須使用不同的天線，而單基地雷達的盛行則是由于天線收發(fā)開關的出現(xiàn)[1]。出于對抗有源干擾、隱身武器和反輻射導彈等威脅的需求，雙基地雷達由于其收發(fā)異址的工作特點再次受到越來越多的關注[2-7]。

國外從20世紀70年代即開始重視戰(zhàn)術雙(多)基地雷達的研制和試驗工作，美國、英國等國家開展了大量的雙基地雷達試驗項目，獲得了大量研究成果，例如美國MARS雙基地相控陣炮位偵察校射雷達、AN/TPS-71移動式超視距后向散射雷達、烏克蘭“天波”移動超視距表面波雷達和澳大利亞Jindalee雙基地雷達網等[8-9]。

分析雙基地雷達特性和比較其與單基地雷達的作戰(zhàn)性能，是雙基地雷達技術研究的重要問題。本文對雙基地雷達類型和優(yōu)勢進行了分析，研究了雙基地雷達的幾何特性和多普勒頻移特性，采用基于雷達探測面積指標的雙基地雷達作戰(zhàn)效能分析方法，對比單基地雷達作戰(zhàn)效能，研究了接收站與發(fā)射站距離的最優(yōu)配置，通過仿真分析給出了正常無干擾條件下和自衛(wèi)瞄準式噪聲干擾條件下雙基地雷達的作戰(zhàn)效能分析結果。

1 雙(多)基地雷達

雙基地雷達相對常見單基地雷達而言，是指發(fā)射天線與接收天線不在同一位置，兩者與目標的角度或距離有較大差異的雷達系統(tǒng)[2]。狹義的理解定義可以認為雙基地雷達由一個發(fā)射站和一個分離的接收站組成，它與類雙基地雷達和多-雙基地雷達系統(tǒng)可區(qū)分對待，具體示例見圖1。圖1是一個簡易雙(多)基地雷達分類圖，圖中簡略地描述了單、雙基地以及多基地等不同類型雷達。

圖1 雙(多)基地雷達示意圖Fig.1 Introduction of bistatic (multistatic) radars

類雙基地雷達，指那些不共用發(fā)射天線和接收天線的雷達，天線之間的距離足夠小，使其擁有部分雙基地和單基地雷達的特性[10]。多基地雷達通常指由多個(大于等于2)不同位置的雷達單元協(xié)同工作形成的系統(tǒng)，這些雷達單元既可以是發(fā)射站、接收站，也可以是收發(fā)同站，可以是移動平臺，也可以是靜止平臺。如圖1所示，多個雷達單元之間需要協(xié)同工作，發(fā)射站需要通過通訊或定時實現(xiàn)發(fā)射控制，接收站需要通訊協(xié)同實現(xiàn)多基地探測、信號處理和目標跟蹤。狹義的雙基地雷達需要特別的協(xié)同工作模式，基地間需要模式、信號相位、頻率、時間或距離以及波束指向上的同步[8]。

另外，雙基地雷達還包括一種發(fā)射站自主工作(非協(xié)同式)，接收站獨立工作，兩者間沒有直接的同步，稱之為被動雙基地雷達，此類雷達通過輔助天線接收發(fā)射站直接輻射信號形成反饋同步機制[11]。此處的“被動”含義不同于單個或多個接收站依靠目標能量輻射定位干擾或輻射目標源的場景，而特指區(qū)別于單基地和狹義雙基地主動雷達的雷達系統(tǒng)。

2 特性分析

雙基地雷達由一個發(fā)射站(T，transmitter)和一個接收站(R, receiver)組成，兩者之間距離L(也稱為基線)相比于目標(O，objective)與兩站的距離足夠大，其幾何關系如圖2所示。雙基地雷達受益也受制于收發(fā)異地帶來的2種特性：①發(fā)射與接收天線分離特性；②發(fā)射站-目標-接收站三角特性。

圖2 雙基地雷達幾何關系圖(T發(fā)射站，R接收站，O目標)Fig.2 Geometrical characters of bistatic radars (T-transmit station, R-receiving station, O-object)

雙基地雷達優(yōu)勢：分離特性使得①連續(xù)波模式變得可行；②不再需要發(fā)射接收切換；③發(fā)射和接收站可獨立優(yōu)化與設計；④系統(tǒng)動態(tài)布置能力提高；⑤接收站不易被發(fā)現(xiàn)，受到物理打擊可能性變小。三角特性使得①時間濾波和空間濾波可用于提升距離分辨力；②波形選擇范圍增加；③高重頻脈沖串波形提升雜波抑制能力；④接收站不易被干擾；⑤抗隱身目標能力提高。

雙基地雷達劣勢：分離特性使得①兩站間的同步要求增加；②接收站需獲取額外的基線信息；③兩站均需要人員配置和維護。三角特性使得①雷達作戰(zhàn)效能能受限于目標位置；②低空目標探測盲區(qū)增加；③接收站波束指向需與發(fā)射波束空間同步；④同步需求減少了可能的雷達工作模式；⑤技術復雜度如雷達控制、信號處理和目標跟蹤等上升。

2.1 幾何關系

以發(fā)射站、目標和接收站三點確定雙基地雷達作戰(zhàn)平面，圖2為此平面上雙基地雷達幾何示意圖，其中L為基線，rT和rR分別為目標到發(fā)射站和接收站的距離，ψT和ψR分別為發(fā)射角和接收角，θT和θR分別為發(fā)射波束和接收波束寬度。根據(jù)幾何原理，可推算出雙基地雷達作戰(zhàn)平面參數(shù)關系：

(1)

由于目標與兩站的距離通常不易直接分別測量，在實際中式(2)更易于使用：

(2)

式中：rs=rT+rR=ct為發(fā)射站和接收站到目標距離之和；t為雷達波傳播時間；c為雷達波傳播速度。

雙基地雷達中，發(fā)射站與接收站間的分離關系通常是固定不變的(或相對緩慢變化的)，而三角關系則受到目標位置與基線位置關系的極大影響。通常可用雙基地雷達雙站角描述目標位置與基線位置的關系，即圖2中角∠TOR=ψR-ψT，也可用三角因子F表示：

(3)

基于公式(3)，Matlab仿真可以得到某確定基線的雙基地雷達的三角因子分布，如圖3a)，圖中T和R分別代表發(fā)射站和接收站位置。

依據(jù)不同F(xiàn)值可將雙基地雷達作戰(zhàn)區(qū)域劃為3個部分：

(1) 側翼區(qū)，0.1≤F≤0.9，在此區(qū)域雙站角較大，雙基地雷達可表現(xiàn)出與單基地雷達明顯差異特性，可稱之為真雙基地區(qū)；

(2) 橫向區(qū)，F(xiàn)<0.1，此區(qū)域雙站角較小，對于目標來說發(fā)射站與接收站幾乎處于同一方位，雙基地雷達與單基地雷達表現(xiàn)出類似特性，故可稱之為類單基地區(qū)；

(3) 基線區(qū)，F(xiàn)>0.9，此區(qū)域目標介于發(fā)射站和接收站之間，三者幾乎位于同一直線，接收站可能受到發(fā)射站發(fā)射波形的直接干擾，多普勒和距離分辨率均有降低，故又可稱之為干擾區(qū)。

圖3 三角因子和多普勒頻移衰減因子分布圖Fig.3 Distribution of the triangle-factor and the Doppler-attenuation-factor

2.2 多普勒頻移

雙基地雷達中目標移動引起的多普勒頻移特性與單基地雷達所觀察到的現(xiàn)象是不同的。單基地雷達中，多普勒頻移fd由目標相對單一雷達位置的徑向速度引起，而雙基地雷達目標的多普勒頻移則受到目標相對發(fā)射站和接收站的速度引起：

(4)

設目標運動速度為v，則式(4)亦可寫為

fd=fmaxDcosδ，

(5)

式中：fmax=2v/λ為以速度v運動的目標在波長為λ的單基地雷達處所能觀察到的最大多普勒頻移；δ為目標運動方向與雙站角平分線的夾角：

(6)

式(6)說明，雙基地雷達中目標多普勒頻移產生最大方向為以發(fā)射站和接收站為焦點的雙曲線方向，而零多普勒方向為以發(fā)射站和接收站為焦點的橢圓切線方向。D為目標雙基地雷達多普勒頻移衰減因子，如圖3b)所示：

(7)

從圖3b)可以看出，當目標沿以發(fā)射站和接收站為焦點的雙曲線方向運動時，雙基地雷達所觀察到的目標多普勒頻移在最大多普勒頻移(目標距離較遠時)和零多普勒頻移(目標穿越基線時)間變化。因此,目標雙基地雷達多普勒頻移特性在某種程度上可以作為目標航跡預測的一種方法。

3 作戰(zhàn)效能分析

雷達作戰(zhàn)效能分析是衡量雷達系統(tǒng)性能的重要方法，在現(xiàn)代高技術條件和復雜環(huán)境下的局部戰(zhàn)爭中對雷達性能的掌握顯得越來越重要[12-13]。想要對雙基地雷達進行作戰(zhàn)效能分析，就需要建立雙基地雷達效能評估準則，需要選擇效能指標體系的效能參數(shù)。

由于雙基地雷達結構上的復雜性，本文選擇單一的威力(探測區(qū)域面積)準則作為雙基地雷達作戰(zhàn)效能評估準則，通過與單基地雷達相同作戰(zhàn)效能參數(shù)的對比，獲取雙基地雷達的作戰(zhàn)效能分析結果[14]：

(8)

式中：SB為雙基地雷達目標探測區(qū)域大??；SM為單基地雷達目標探測區(qū)域大小。

基于Matlab仿真，本節(jié)分析了某參數(shù)條件的雙基地雷達在正常工作和有干擾情況下的作戰(zhàn)效能，涉及部分關鍵參數(shù)見表1。仿真分析中，雙基地雷達基線保持不變，假設目標RCS大小不隨雙站角變化。

表1 雷達和干擾機關鍵參數(shù)表Table 1 Parameter of the radar and jammer

3.1 接收站最優(yōu)配置

由于地球曲率的影響，對于某高度目標，雷達存在直視最大距離，如圖4所示。設雙基地雷達發(fā)射站天線高度ht，接收站天線高度hr，目標飛機高度H，由于地球的表面曲率，使雷達看不到超過直線視距外的目標。若目標飛機保持恒定高度，即可知雙基地雷達的目標發(fā)現(xiàn)區(qū)域為發(fā)射站和接收站視線間所夾航線[9]。雷達發(fā)射站和接收站最大直視距離(km)可表示為

(9)

圖4 地球曲率對雙基地雷達目標發(fā)現(xiàn)區(qū)影響圖Fig.4 Impact of the detection area of bistatic radars by the earth’s curvature

給定最大直視距離，可計算雙基地雷達發(fā)射和接收站公共覆蓋區(qū)域面積為

(10)

設雙基地雷達發(fā)射站和接收站最大直視距離相等，即rT=rR，根據(jù)式(8)和(10)可計算不同基線情況下雙基地雷達作戰(zhàn)效能因子如圖5所示，橫軸為基線長度與接收站最大直視距離比值。從圖中可知，隨著基線變長，雙基地作戰(zhàn)效能逐漸下降，當基線長度為接收站最大直視距離2倍時，雙基地作戰(zhàn)效能降為0。根據(jù)圖5分析，雙基地雷達基線應當小于接收站最大直視距離的一半長度，方能保證作戰(zhàn)效能較單基地雷達衰減較小。

圖5 雙基地作戰(zhàn)效能因子與基線關系曲線Fig.5 Relationship of the performance factor and the baseline of bistatic radars

3.2 正常工作條件

首先比較正常工作狀態(tài)下，單基地雷達與雙基地雷達作戰(zhàn)威力，設單基地雷達與雙基地雷達發(fā)射站位于同一位置，雙基地雷達基線為10 km。根據(jù)經典雷達方程，可以得到雙基地雷達方程為[15]

(11)

式中：Pt為雷達發(fā)射峰值功率；Gt,Gr分別為發(fā)射天線和接收天線增益；λ為雷達工作波長；σ為目標RCS；k=1.38×10-23(J/K)為玻爾茲曼常數(shù)；Ts為以K為單位的雷達等效噪聲溫度；Fn為雷達噪聲系數(shù)；Br為接收機帶寬；Ls為雷達衰減因子。

信噪比是反應雷達威力的直接指標，信噪比越大雷達所能探測的距離也越大?；诒?參數(shù)，根據(jù)式(8)，可計算該雙基地雷達在正常工作條件下作戰(zhàn)效能為

(12)

從式(12)可以發(fā)現(xiàn)，當探測信噪比門限較低，雷達探測距離較遠時，雙基地雷達作戰(zhàn)效能接近1，即雙基地雷達與單基地雷達在此條件下性能幾乎一致；而隨著探測信噪比門限提高，雷達探測距離變近，雙基地雷達作戰(zhàn)效能逐漸下降。圖6為正常工作條件下，單基地雷達等信噪比圖和雙基地雷達等信噪比圖，圖中等高線中數(shù)字為信噪比值(dB)。從圖6可發(fā)現(xiàn)，雙單基地雷達探測區(qū)域呈圓形，而基地雷達探測區(qū)域在信噪比較低區(qū)域呈現(xiàn)橢圓型，隨著信噪比的提高，其探測區(qū)域呈現(xiàn)經典的卡西尼卵形線圖形。

3.3 自衛(wèi)干擾條件

圖6 單、雙基地雷達等信噪比圖Fig.6 Equal SNR of monostatic radar and bistatic radars

雷達作為戰(zhàn)場對抗的重要武器，受到有針對性的干擾幾乎是必然的，因此需要對存在干擾影響條件下的雙基地雷達作戰(zhàn)效能進行分析。最常見的干擾形式通常為寬帶壓制式噪聲干擾，其效果反映在雷達接收系統(tǒng)中為抬高了處理信號中噪聲的分量，等效于抬高接收機噪聲溫度。因此干擾條件下雙基地雷達方程可寫為

(13)

式中：TJ為接收機處干擾等效噪聲溫度，

(14)

式中：Pj為干擾機發(fā)射功率；Gj為干擾機天線增益；Bj為干擾機工作帶寬；Lj為衰減因子；rj為干擾機距離。

自衛(wèi)式噪聲干擾根據(jù)干擾機天線的特性可以分為瞄準式和全向式。雙基地雷達由于收發(fā)異址，對瞄準式干擾相對于單基地雷達有較好抗干擾性能，而對全向式干擾則無此優(yōu)勢。基于干擾形成機理，根據(jù)式(13)和前一節(jié)分析，可知有無全向式干擾不改變雙基地作戰(zhàn)效能，故本節(jié)只針對瞄準式干擾，干擾機天線增益特性為

(15)

式中：θ0.5為干擾機主瓣寬度；β=0.05為波束寬度因子。

基于式(8)，自衛(wèi)瞄準式干擾條件下利用信干比作為雷達威力指標，獲得雙基地雷達作戰(zhàn)效能分析結果如下：

(16)

從分析結果可以發(fā)現(xiàn)，在自衛(wèi)瞄準式干擾條件下雙基地雷達相對于單基地雷達的作戰(zhàn)效能有顯著提升，隨著信干比門限的提高，雷達探測距離變小，雙基地雷達三角關系更為顯著，雙基地雷達的作戰(zhàn)效能也隨之提高。圖7為自衛(wèi)瞄準式干擾條件下，單基地雷達等信干比圖和雙基地雷達等信干比圖，圖中等高線中數(shù)字為信噪比值(dB)。從圖7可發(fā)現(xiàn)，在自衛(wèi)瞄準式干擾條件下，相同干信比條件下，雙基地雷達探測區(qū)域明顯大于單基地雷達探測區(qū)域，印證了第2節(jié)關于雙基地雷達具有較好抗瞄準式干擾優(yōu)勢的分析。

圖7 單、雙基地雷達等干信比圖Fig.7 Equal SNR of monostatic radar and bistatic radars

4 結束語

雙基地雷達作為應對越來越嚴峻的現(xiàn)代戰(zhàn)場對抗的重要手段之一，在近些年受到了越來越多的關注。本文從幾何特性和多普勒頻移特性角度分析了雙基地雷達的特點，以雷達探測區(qū)域為指標，基于單基地雷達對比分析了雙基地雷達作戰(zhàn)效能，研究了接收站與發(fā)射站距離的最優(yōu)配置，并給出了正常工作條件和自衛(wèi)干擾條件下雙基地雷達的作戰(zhàn)效能評估。分析結果表明，正常工作條件下雙基地雷達具有與單基地雷達相當?shù)淖鲬?zhàn)效能，而在存在自衛(wèi)瞄準式噪聲干擾條件下雙基地雷達具有比單基地雷達明顯優(yōu)越的作戰(zhàn)效能。

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Performance Analysis of Bistatic Radars Under Jamming

CHENG Tian-zhen1,LIU Shang-chao2, WEI Shan1,CAI Zhi-jian1

(1.Beijing Institute of Radio-Meterage，Beijing 100854,China; 2. PLA,Military Delegate at 283 Factory,Beijing 100854,China)

The benefits and handicaps of bistatic radars are compared, and some characteristics in the geometry and Doppler frequency are analyzed. Based on the parameters of radars’ detection areas, the best base-line of a bistatic radar is discussed, a comparative simulation result between the performance of bistatic radars and monostatic radars under the self-defense spot jamming is provided. Results show that the bistatic radar could achieve much better performance under the self-defense spot jamming.

bistatic radar; geometrical characters; Doppler frequence; self-defense jamming; antijamming performance

2014-10-01；

2014-12-29

有

成天楨(1985-)，男，重慶忠縣人。高工，博士，研究方向為雷達系統(tǒng)與抗干擾技術、網電安全技術、無線電傳感器網絡安全技術等。

通信地址：100854 北京142信箱203分箱 E-mail：rickchina23@163.com

10.3969/j.issn.1009-086x.2015.03.001

TN97

A

1009-086X(2015)-03-0001-06

編者按：“2014年復雜戰(zhàn)場環(huán)境與精確制導技術研討會”成功舉行。會議得到了國內從事空天防御的軍方、軍工單位、科研院所、高校等的積極響應和大力支持，征集到近70篇論文，《現(xiàn)代防御技術》特開辟專欄陸續(xù)分期刊登此次會議的部分優(yōu)秀論文，供讀者參考。