機載AESA雷達可探測性分析

吳流麗，柳 征，賀 青，黃鳳英，姜文利

（1.國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長沙410073；2.盲信號處理國家重點實驗室，四川 成都610041；3.中國人民解放軍78009部隊，四川 成都610036）

0 引言

有源電子掃描陣列（AESA）雷達是為克服傳統(tǒng)機械掃描雷達在數(shù)據(jù)更新率、同時多目標處理能力等方面的局限而發(fā)展起來的新體制雷達。AESA 雷達由固定陣面上的成百上千個陣元組成，每個陣元包含相互獨立的T／R 組件，雷達通過調(diào)整各T／R 單元的相位來控制陣列波束指向。經(jīng)過近半個世紀的努力，AESA 技術(shù)終于應(yīng)用于機載雷達。與傳統(tǒng)機載火控雷達相比，機載AESA 火控雷達具有射頻功率效率高、探測距離遠、隱身目標探測能力強、抗干擾能力強、同時多功能等特點［1-3］。

目前公開報道的機載AESA 雷達相關(guān)資料僅涉及到該雷達的工作體制、技術(shù)特點等方面的粗略信息，并未有相關(guān)文獻定量分析該類型雷達的可探測性或探索可行的偵測技術(shù)。本文以典型AESA 雷達——APG-77為例，從接收機靈敏度及空域截獲概率兩方面分析現(xiàn)有典型偵察機對AESA 雷達的偵察能力，并提出為提高偵察概率應(yīng)采取的措施。

1 典型機載AESA雷達簡介

AN／APG-77雷達是目前已裝備于戰(zhàn)斗機的最先進的AESA 雷達，其在功能、性能、可靠性、低可觀測性等方面取得了突破性進展。其對散射截面積（RCS）為1m2的目標的作用距離達230km。AN／APG-77雷達主瓣波束極窄，并采用超低副瓣技術(shù)，最大程度減小被截獲概率，其平均副瓣可達-45dB。

表1為部分雷達參數(shù)。下面根據(jù)雷達方程及已知的部分參數(shù)分析該雷達發(fā)射功率及探測距離。

雷達方程為：

式中，Pradar為雷達接收到的回波功率；R 為目標距雷達距離；Pt為雷達發(fā)射功率；Gt為雷達天線增益（收發(fā)天線共用）；λ為雷達信號波長；σ為目標散射截面積；γ為傳播損耗。

雷達傳播損耗γ 分為擴展損耗和大氣損耗，其中大氣損耗La可通過查表得到；擴展損耗為：

式中，f 為雷達信號頻率。經(jīng)過dB 方程轉(zhuǎn)換，得到雷達鏈路方程為：

R，f，σ單位分別為km，MHz，m2。

一般而言，天線陣元的增益可由天線的直徑與信號頻率簡單估算：

式中，D 為天線直徑，單位為m。則相控陣雷達總體增益為：

式中，N 為天線陣元數(shù)量。

當Pradar接近于雷達接收機的靈敏度Pmin時，此時R 為最遠探測距離。據(jù)上述公式及表1 中的雷達參數(shù)，仿真不同RCS下，雷達探測距離與接收機靈敏度之間的關(guān)系，如圖1所示。

據(jù)報道，APG-77雷達對RCS為1m2的目標的作用距離達230km，則根據(jù)圖1可大致估算雷達接收機靈敏度約為-105dBm。同時，假設(shè)被探測戰(zhàn)機RCS為6m2（一般戰(zhàn)機），則此條件下F-22對戰(zhàn)機的探測距離約為400km。

雷達在初始搜索時，為保證能在更遠距離發(fā)現(xiàn)目標，一般采用最大的能量進行探測，也就是采用最大的發(fā)射功率和有效的探測時間［1］。雷達在發(fā)現(xiàn)目標后，可以根據(jù)處理后的目標信號強度進行功率管理或發(fā)射時間管理來實現(xiàn)低截獲概率。雷達可在一定距離內(nèi)正常探測、跟蹤目標，而目標的電子對抗偵察裝備卻無法實現(xiàn)對雷達信號的有效截獲。

圖2為F-22對σ＝6m2的目標采取功率管理措施時發(fā)射功率的變化。在400km 外，雷達采用最大功率40dBm 進行搜索探測，當在400km 處發(fā)現(xiàn)目標時，隨著距離的縮小逐漸減小發(fā)射功率。

圖1 雷達探測距離隨靈敏度變化圖

圖2 功率管理時功率隨距離變化圖

2 AESA雷達可探測性分析

本節(jié)分別從接收機靈敏度和空域截獲兩方面對AN／APG-77雷達的可探測性進行分析。

2.1 偵察接收機靈敏度

電子偵察接收機主要有兩種：一種是位于目標處的雷達告警接收機（RWR），一種是遠離目標的電子情報（ELINT）接收機。圖3為示意圖［4］。

圖3 RWR和ELINT接收機示意圖

RWR 用于探測與威脅相關(guān)的雷達信號以保護目標不受這些威脅的攻擊。RWR 必須檢測大量雷達信號，且這些信號可能來自于各個方向。由于雷達天線主波束的峰值指向目標，所以RWR 能檢測到雷達天線的峰值增益。一個典型的RWR 系統(tǒng)的有效天線增益因子（10GHz處）為0dBi。最常見類型的RWR 采用的是前置放大的晶體視頻接收機，其靈敏度大約為-65dBm。

表1 APG-77雷達參數(shù)

ELINT 接收機通常不在雷達天線主瓣內(nèi)，因此其一般只能偵察到雷達副瓣信號。ELINT 系統(tǒng)有一個增益適中的天線（大約10dB），靈敏度典型值為-78dBm。

下面分析兩種偵察機在雷達不同功率模式下的偵察距離。

2.1.1 全功率模式

偵察方程為：

式中，Pr為偵察機接收到的功率；R 為偵察距離；Pt為雷達發(fā)射功率；Gt為雷達天線增益；λ 為雷達信號波長；γr為附加損耗；Gr為接收天線的增益。附加損耗主要由傳播損耗和極化失配損耗引起。傳播損耗可根據(jù)第1 節(jié)中的公式計算得到，極化失配損耗一般取3dB。

根據(jù)雷達發(fā)射功率等參數(shù)，得到兩種偵察接收機可偵測的距離隨靈敏度變化，如圖4所示。

圖4 雷達全功率發(fā)射時偵察靈敏度需求

在AN／APG-77 雷達全功率發(fā)射時，典型RWR（-65dBm）的偵察距離約為500km（或視距，下同），ELINT 接收機（-78dBm）的偵察距離約為90km。根據(jù)第1節(jié)分析知F-22此時的探測距離約為400km。

對于RWR，應(yīng)在雷達發(fā)現(xiàn)目標之前偵察到雷達信號，以保護目標不受威脅攻擊。根據(jù)上述分析，可見現(xiàn)有RWR 系統(tǒng)可滿足對AN／APG-77雷達的偵察要求。對于ELINT 接收機，其一般只能偵察到雷達的平均旁瓣信號，偵察距離只有90km，不滿足實際偵察需求。若要使偵察機在500km 外實施有效偵察，則接收機靈敏度應(yīng)從-78dBm 提高到-104dBm。

當單個接收機的靈敏度不滿足要求時，可采用多個接收天線構(gòu)成緊湊型信號偵測陣列，借助不同接收信號之間的相干處理，提高對AESA 雷達的偵測概率［5］。

緊湊型無源傳感器陣列在較小范圍內(nèi)緊密分布，陣元間距依據(jù)AESA 雷達信號波長設(shè)計，為抑制柵瓣，一般取間距d＝λ／2，即d＝1.5cm。借助有效的數(shù)字波束形成手段可實現(xiàn)對不同傳感器處信號的相干接收，從而提高接收信號信噪比，增大截獲概率。理想情況下，M 元陣列實現(xiàn)相干接收所獲得的信噪比增益為：

根據(jù)上述參數(shù)計算，要使一般ELINT 接收機在500km 外 對AN／APG-77 實 施 有 效 偵 察，應(yīng) 有M ＝400個偵測天線構(gòu)成偵察陣列。

2.1.2 功率管理模式

假設(shè)F-22戰(zhàn)機向目標平臺飛行，其雷達主瓣直接對目標進行跟蹤照射，目標處配備RWR。ELINT 偵察機在AN／APG-77雷達主瓣外飛行，且其與戰(zhàn)機的距離保持大于F-22掛載的AIM-120C 導(dǎo)彈的最大射程（80km）。隨著F-22戰(zhàn)機與目標平臺距離的縮短，AN／APG-77雷達啟動功率管理，逐漸降低發(fā)射功率。假定目標RCS為6m2。

不同距離下RWR 對AN／APG-77雷達主瓣信號的偵察靈敏度需求如圖5所示。

圖5 功率管理時RWR 靈敏度需求

為使圖片細節(jié)更清晰，圖中所示雷達發(fā)射功率數(shù)值為實際數(shù)值減去90dBm?？梢?，在AN／APG-77雷達采用功率管理措施時，RWR 可在320～500km 偵察其主瓣信號。即偵察機可在AN／APG-77雷達發(fā)現(xiàn)其之前偵察到雷達信號，從而采取相應(yīng)戰(zhàn)術(shù)措施。

若由于某種原因RWR 未及時告警，則ELINT 偵察機應(yīng)在保證自身安全的前提下盡可能地發(fā)現(xiàn)戰(zhàn)機并告知目標。由于AN／APG-77 雷達主瓣未跟蹤ELINT 偵察機，其只能對雷達副瓣信號進行偵察。則雷達在采取功率管理措施時，不同距離下，ELINT 偵察機對AN／APG-77雷達副瓣信號的偵察靈敏度需求如圖6所示。

圖6 功率管理時ELINT偵察機靈敏度需求

圖6表明，在AN／APG-77雷達采用功率管理措施時，ELINT 偵察機基本不具備對AN／APG-77雷達副瓣信號的偵察能力。要使目標免受攻擊并使自己不受戰(zhàn)機掛載導(dǎo)彈威脅，則ELINT 偵察機的偵察距離應(yīng)由現(xiàn)有的10km 提高到100km，即靈敏度增至-113dBm。

仍然利用偵測陣列接收的方法提高增益。則由式（7）計算得M 為3162，即應(yīng)由3162個偵測天線構(gòu)成偵察陣列。

2.2 空域截獲概率

APG-77雷達采用陣列天線技術(shù)，通過獨立控制各陣元的幅度和相位可靈活改變波束指向方向。假設(shè)相控陣雷達采用平面相控陣天線，如圖7所示。

圖7 平面相控陣天線單元排列示意圖

其共有M×N個天線單元，y 向和z 向的天線陣元間隔分別為d1，d2。一般而言，為抑制柵瓣，間距取入射信號的半波長，即d1＝d2＝λ／2。則天線方向圖函數(shù)可以表示為：

式中，ai，k為第（i，k）個單元的幅度加權(quán)系數(shù)，（θ0，φ0）為波束最大值指向角。

若幅度均勻分布，則式（8）可簡化為：

根據(jù)式（9）可推導(dǎo)出零點位置：

或

天線副瓣位置為：

或

或

在部署偵察裝備時，應(yīng)充分考慮上述信息，盡量將裝備部署在高副瓣方位，且避免零點位置。

APG-77雷達共有2000個陣元，則假設(shè)M＝N＝45且天線未掃描，即θ0＝0，φ0＝0。圖8為上述條件設(shè)置下仿真得到的天線方向圖。

從圖8可以看出，式（13）、（14）對應(yīng)的副瓣明顯比其他副瓣要高，如若能提前知曉這些方向信息，加大偵察機對這些空域范圍內(nèi)的監(jiān)視力度，則能大大提高截獲概率，實現(xiàn)AESA 信號有效截獲。

圖8 天線方向圖

3 結(jié)束語

機載AESA 雷達具有工作帶寬寬、參數(shù)捷變快、波束掃描無慣性、同時多波束等特點。其具有較強的反偵察和反干擾能力，在偵察截獲方面對偵察接收機提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。本文首先對典型機載AESA 雷達的參數(shù)進行簡要介紹，并仿真分析了其探測距離。然后，根據(jù)現(xiàn)有典型偵察機的參數(shù)分析其對AESA 雷達的偵察性能，并提出利用緊湊型偵測陣列相干處理以提高增益的思想。最后從陣列天線方向圖的角度出發(fā)，分析副瓣及零點位置分布特點以期合理配置接收機位置，提高空域截獲概率。分析表明如能利用相干陣列接收機提高信號處理增益并通過搜集飛機起降位置等先驗信息，合理配置偵察裝備位置即可實現(xiàn)對AESA 雷達信號的有效截獲?！?/p>

［1］黃裕年，劉淑英.有源電子掃描陣列雷達與高功率微波武器［J］.信息與電子工程，2006（5）：321-325.

［2］張成偉，李登.機載有源相控陣雷達特征分析［J］.電子信息對抗技術(shù)，2010（4）：10-11.

［3］吳曉芳，田中成，梁景修，等.AESA 雷達信號表征及數(shù)據(jù)庫設(shè)計探討［J］.電子信息對抗技術(shù)，2014（4）：31-38.

［4］David Adamy.電 子 戰(zhàn) 基 礎(chǔ)［M］.北 京：電 子 工 業(yè) 出 版社，2009.

［5］王永良，丁前軍，李榮鋒.自適應(yīng)陣列處理［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2009.