地面情報(bào)雷達(dá)系統(tǒng)探測盲區(qū)分析*

秦衛(wèi)城　趙匯強(qiáng)　劉　祥　李宗亭

(93498部隊(duì)　石家莊　050071)

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地面情報(bào)雷達(dá)系統(tǒng)探測盲區(qū)分析*

秦衛(wèi)城趙匯強(qiáng)劉祥李宗亭

(93498部隊(duì)石家莊050071)

摘要為更好認(rèn)識到雷達(dá)裝備的實(shí)際使用性能,對地面情報(bào)雷達(dá)系統(tǒng)的探測盲區(qū)進(jìn)行了梳理分析。在傳統(tǒng)研究基礎(chǔ)上,通過全面考察目標(biāo)特性、戰(zhàn)場環(huán)境、裝備性能等影響因素,提出將雷達(dá)盲區(qū)劃分為靜態(tài)盲區(qū)、暫態(tài)盲區(qū)和動態(tài)盲區(qū),并針對各類盲區(qū)進(jìn)行了具體分析。

關(guān)鍵詞盲區(qū); 情報(bào)雷達(dá); 戰(zhàn)場環(huán)境; 暫態(tài)盲區(qū)

Blind Space of Ground Based Air Surveillance Radar System

QIN WeichengZHAO HuiqiangLIU XiangLI Zongting

(No. 93498 Troops of PLA, Shijiazhuang050071)

AbstractFor better understanding of the performance of reality radar, blind space of the ground based air surveillance radar system is analyzed. Factors including target performance, battle filed environment, equipment performance etc. are investigated based on the conversional eyes. Category method of blind space is proposed, which is redefined to statistic blind space, temporary blind space and dynamic blind space. Furthermore, detailed analysis is presented correspondingly.

Key Wordsbind space, surveillance radar, battle filed environment, temporary blind space

Class NumberTN95

1問題的提出

雷達(dá)盲區(qū)與雷達(dá)相伴而生,和探測是一組相對概念,因此對雷達(dá)盲區(qū)的研究可以追溯至雷達(dá)誕生之初。傳統(tǒng)上,雷達(dá)盲區(qū)可劃分為頂空盲區(qū)、波瓣分裂盲區(qū)、視距盲區(qū)、低空盲區(qū),以及氣候因素導(dǎo)致的天氣擴(kuò)展盲區(qū)等。這些盲區(qū)主要是基于雷達(dá)設(shè)計(jì)角度進(jìn)行理論定義、分類和分析,在實(shí)際中結(jié)合陣地條件、組網(wǎng)方式、資源管理等實(shí)際應(yīng)用方面研究較少,難成體系。

雷達(dá)使用方基本將所有精力放在雷達(dá)傳感器輸出情報(bào)上,較依賴“眼睛”看到的結(jié)果,對防區(qū)內(nèi)存在的盲區(qū)和盲區(qū)變化情況難以做到心中有數(shù),遇到一些突發(fā)情況也往往容易陷入應(yīng)對無措的窘境。

根據(jù)探測機(jī)理,雷達(dá)實(shí)際輸出情報(bào)嚴(yán)重依賴目標(biāo)特性和戰(zhàn)場環(huán)境。一方面,隨著現(xiàn)代飛行器設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步,其RCS越來越小,突防目標(biāo)飛行速度越來越快,原有的雷達(dá)探測區(qū)可能將被重新劃分到盲區(qū)范圍,如針對特定目標(biāo)的動態(tài)盲區(qū)(隱身目標(biāo)的盲區(qū)擴(kuò)展),如波束掃描空隙盲區(qū)等都值得深入探討研究。另外,由于現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展,愈加豐富的電子對抗手段[1～2]、愈加復(fù)雜的電磁環(huán)境[3～4]都會對陣地情報(bào)雷達(dá)盲區(qū)擴(kuò)展帶來難以預(yù)知的影響,引起雷達(dá)設(shè)計(jì)探測范圍的隨機(jī)變化?？梢哉f,對雷達(dá)盲區(qū)的理論研究早已有之,但實(shí)際系統(tǒng)中結(jié)合應(yīng)用重視不夠,不成體系。

2研究現(xiàn)狀評述

1) ××低空監(jiān)視系統(tǒng)無法從本質(zhì)上解決低空盲區(qū)問題

隨著低空領(lǐng)域逐步開放,對低空目標(biāo)的探測監(jiān)視能力需求日益迫切。原有的地面情報(bào)雷達(dá)系統(tǒng)受原研制任務(wù)需求和陣地條件等制約,往往存在大量的低空盲區(qū),對“低、慢、小”目標(biāo)的探測存在一定的先天性缺陷。基于此,某廠研制了××低空監(jiān)視系統(tǒng),該系統(tǒng)相當(dāng)于一部二次雷達(dá),即在低空目標(biāo)上均加裝身份識別器,通過與置放在雷達(dá)站的接收機(jī)通信實(shí)施身份驗(yàn)證,進(jìn)而完成對低空目標(biāo)的監(jiān)視和管理。

該系統(tǒng)可對一些合作低空目標(biāo)設(shè)施簡單高效的航管,為平時(shí)低空領(lǐng)域的管理提供了較好的技術(shù)途徑。但是,針對低空盲區(qū)中的非合作目標(biāo),此套系統(tǒng)尚缺乏有效解決方案。而需要指出的是,對情報(bào)雷達(dá)系統(tǒng)而言,非合作目標(biāo)探測、監(jiān)視軍事需求和意義都更顯重大,而××系統(tǒng)尚無法從本質(zhì)上為解決當(dāng)前情報(bào)雷達(dá)低空盲區(qū)探測難題提供技術(shù)途徑或指導(dǎo)。

2) 某“陣地條件對雷達(dá)探測效能的影響分析”項(xiàng)目[5]評述

據(jù)資料顯示,該項(xiàng)目主要立足研究雷達(dá)在使用過程中的技術(shù)性能變化,對雷達(dá)工作參數(shù)和陣地條件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,并基于探測威力覆蓋開發(fā)了演示系統(tǒng),該研究具有重要的實(shí)際意義,為對空情報(bào)雷達(dá)技術(shù)狀態(tài)評估提供有力支撐。

然而,需要指出的是,該項(xiàng)目雖然基于陣地等條件對雷達(dá)探測威力進(jìn)行了考察(傳統(tǒng)上探測與盲區(qū)可視為互補(bǔ)),但尚缺乏通盤考慮,如無法對區(qū)域內(nèi)電磁資源進(jìn)行全面評估,無法為區(qū)域內(nèi)雷達(dá)資源管理提供依據(jù),尤其是針對可能的不同目標(biāo),不同突防方式,以及不同地形環(huán)境下的盲區(qū)動態(tài)演變過程缺乏深刻理解,無法為區(qū)域防空指揮提供全面、可靠的數(shù)據(jù)指導(dǎo)。

3地面情報(bào)雷達(dá)系統(tǒng)盲區(qū)分類與分析

在傳統(tǒng)雷達(dá)盲區(qū)定義基礎(chǔ)上,進(jìn)行定義擴(kuò)展、理論梳理和再劃分,結(jié)合傳統(tǒng)頂空盲區(qū)、視距盲區(qū)、低空盲區(qū)概念,擬對雷達(dá)盲區(qū)重新定義為:針對特定的雷達(dá)或雷達(dá)系統(tǒng),其無法有效實(shí)施探測的空域。

雷達(dá)系統(tǒng)研制出廠后各項(xiàng)參數(shù)即相對確定,當(dāng)進(jìn)入陣地架設(shè)后,其頂空盲區(qū)、視距盲區(qū)、低空盲區(qū)和波瓣分裂盲區(qū),以及地形遮蔽盲區(qū)即可從理論上確定并保持相對穩(wěn)定。這里稱之為靜態(tài)盲區(qū)。由于現(xiàn)代飛行器突防速度越來越快,而雷達(dá)為滿足探測精度要求總是有一定的方向性,雖然可以使用波束掃描進(jìn)行空域覆蓋,但針對高速突防飛行目標(biāo)和雷達(dá)機(jī)械掃描方式,這種由于波束掃描造成的暫態(tài)盲區(qū)愈加不能忽視。從現(xiàn)代雷達(dá)信號處理方式上來看,對目標(biāo)實(shí)施有效探測的核心在于滿足一定的信噪比要求,各雷達(dá)接收機(jī)也有一定的動態(tài)范圍。而在復(fù)雜電磁環(huán)境、變化的氣象條件、可能的各種電磁干擾、電磁特性各異的各種目標(biāo)等都會在一定條件下對雷達(dá)接收機(jī)信噪比產(chǎn)生動態(tài)變化的信噪比。相應(yīng)地,依賴于信噪比信號處理理論的現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)其探測性能亦會表現(xiàn)出相應(yīng)影響,即產(chǎn)生對應(yīng)的動態(tài)盲區(qū)。

在雷達(dá)組網(wǎng)探測中,各雷達(dá)傳感器探測有一定的補(bǔ)充作用,其靜態(tài)盲區(qū)、暫態(tài)盲區(qū)、動態(tài)盲區(qū)范圍需要進(jìn)行更復(fù)雜的測量與理論計(jì)算,其表現(xiàn)形式交織變化,更加復(fù)雜。

3.1靜態(tài)盲區(qū)

1) 低空盲區(qū)

由于雷達(dá)天線架高,以及波束俯仰掃描角度上的限制,地面情報(bào)雷達(dá)總是不可避免存在低空盲區(qū),如圖1中陰影。分析看出,雷達(dá)天線架設(shè)的高度越高,相同條件下低空盲區(qū)范圍越大;而在高度一定情況下,天線俯角越大,低空盲區(qū)范圍越大。

圖1　低空盲區(qū)示意

2) 頂空盲區(qū)

同樣受波束俯仰掃描角度限制,對單部地面情報(bào)雷達(dá)系統(tǒng)而言,在其頂部空域由于掃描仰角上的制約而產(chǎn)生頂空盲區(qū)。對于水平360°環(huán)掃雷達(dá)系統(tǒng)而言,頂空盲區(qū)類似于一個(gè)巨型倒漏斗。

3) 視距盲區(qū)

在雷達(dá)實(shí)際探測中,如圖2所示,由于地球表面彎曲,會導(dǎo)致雷達(dá)看不到超過直視距離以外的目標(biāo),即產(chǎn)生視距盲區(qū)。敵方可以利用雷達(dá)的這種弱點(diǎn),由雷達(dá)視距盲區(qū)進(jìn)入,從地面情報(bào)雷達(dá)系統(tǒng)視線以下實(shí)施超低空、低空突防。

圖2　視距盲區(qū)示意

圖3　地球曲率影響

為提高雷達(dá)直視距離,常采用架高雷達(dá)天線方法。但是這種方法也有一定的局限性,直視距離雖然提高了,但視距盲區(qū)仍然存在。如圖3所示,暫不考慮大氣影響,假設(shè)地球半徑為Re,雷達(dá)天線等效相位中心架高海拔設(shè)為ha,則雷達(dá)視距即等效相位中心點(diǎn)到地平線距離d可計(jì)算為

(1)

如取地球半徑Re為6370km,對于架高h(yuǎn)a,可得視距關(guān)系表如表1。

表1　視距與架高關(guān)系計(jì)算

據(jù)此,可相應(yīng)推演低空突防目標(biāo)飛行高度與雷達(dá)徑向距離關(guān)系,即飛行器在距離雷達(dá)探測徑向多遠(yuǎn)時(shí),飛行高度在多少米以下是完全處于雷達(dá)盲區(qū)內(nèi)。假設(shè)徑向距離R,飛行高度ht,則有關(guān)系式

(R-d)2+Re2=(Re+ht)2

(2)

其中d為雷達(dá)視距。

當(dāng)雷達(dá)陣地確定后,視距即確定,視距盲區(qū)的范圍亦確定。圖4繪制出了雷達(dá)天線架高與盲區(qū)視距的關(guān)系,可見隨著雷達(dá)天線高度增高,雷達(dá)受地球曲率的影響減小,雷達(dá)可視距離增大。即可通過將雷達(dá)架設(shè)在山頭、高臺、高層建筑物頂端等方法,在一定程度上擴(kuò)大雷達(dá)可視范圍,增強(qiáng)探測能力。

由于飛行器一般總在一定高度上飛行,圖5給出飛行器最大飛行高度與雷達(dá)視距最大探測徑向距離的關(guān)系,即飛行高度一定時(shí),利用地球曲率的影響,當(dāng)飛行目標(biāo)距離雷達(dá)徑向距離大于一定關(guān)系時(shí),飛行器在雷達(dá)探測視線之下,雷達(dá)無法實(shí)施有效探測。由圖5可以分析得出:飛行器飛行高度不變,雷達(dá)天線架設(shè)高度越大,視距外探測徑向距離越遠(yuǎn)。即可理解通過增加天線架高,一定程度上消除地球曲率的不利影響,增大雷達(dá)探測視距。另一方面,如維持一定的可視徑向距離,天線架設(shè)高度越高,對飛行器的飛行高度要求越低。即可理解通過增加天線架高,可在一定程度上增強(qiáng)雷達(dá)對視距外低空飛行目標(biāo)探測能力。

圖4　天線架高與盲區(qū)視距關(guān)系

圖5　盲區(qū)視距外最大飛行高度與徑向距離關(guān)系

需要說明的是,受實(shí)際地形抬高影響,雷達(dá)視距會減小,相當(dāng)于地形遮蔽。

對于俯視情況(即雷達(dá)仰角為負(fù)數(shù)),雷達(dá)視距會進(jìn)一步降低。因此對于俯仰上有掃描的雷達(dá)系統(tǒng),視距會相應(yīng)進(jìn)行變化。

4) 波瓣分裂盲區(qū)

由于對理論分析并不帶來實(shí)質(zhì)上的變化,暫不考慮此種盲區(qū)。

5) 地形遮蔽盲區(qū)

多數(shù)地面情報(bào)雷達(dá)波長都位于光學(xué)區(qū),受高大山脈和建筑物遮擋,電磁波無法繞射穿透,對威力范圍內(nèi)的地形隱蔽目標(biāo)無法實(shí)施有效探測,常形成地形遮蔽盲區(qū)。當(dāng)?shù)孛媲閳?bào)雷達(dá)進(jìn)入陣地后,其周邊地形地貌特點(diǎn)基本穩(wěn)定,因此對于單雷達(dá)系統(tǒng)而言,其地形遮蔽盲區(qū)亦穩(wěn)定不變。

3.2暫態(tài)盲區(qū)

從單雷達(dá)測向和分辨考慮,地面情報(bào)雷達(dá)常采用窄波束設(shè)計(jì),同時(shí)采用空域掃描方式保證空間覆蓋,為保證空間360°全覆蓋,在水平向上常進(jìn)行機(jī)械環(huán)掃。而地面情報(bào)雷達(dá)天線尺寸較大,水平掃描周期一般在3～6r/min,因此可以形成一定的波束掃描空隙。在雷達(dá)威力范圍內(nèi),波束掃描空隙定義為暫態(tài)盲區(qū)。對于雷達(dá)組網(wǎng),由于各雷達(dá)波束掃描配合方式上的不協(xié)同,如圖6所示,有時(shí)也會出現(xiàn)掃描空隙區(qū)域,即產(chǎn)生暫態(tài)盲區(qū)?，F(xiàn)代高機(jī)動目標(biāo)突防速度越來越快,越來越有可能利用這種暫態(tài)盲區(qū)避開雷達(dá)網(wǎng)探測,達(dá)成突防、突襲。因此,對暫態(tài)盲區(qū)的研究尚需要引起重視。

圖6　波束掃描空隙暫態(tài)盲區(qū)

3.3動態(tài)盲區(qū)

由于外界因素作用于雷達(dá)接收機(jī),引起接收信號信噪比消減和處理方式的變化,相應(yīng)會引起雷達(dá)探測威力上的消擴(kuò),即盲區(qū)的擴(kuò)消。又由于這些外界因素常動態(tài)變化,如天氣變化不定、非合作目標(biāo)的隨機(jī)出現(xiàn)等,而使得這類盲區(qū)相應(yīng)具有動態(tài)變化性,因此暫稱之為動態(tài)盲區(qū)。結(jié)合實(shí)際情況,這里主要分析消極天氣下的擴(kuò)展盲區(qū)與非合作隨機(jī)目標(biāo)動態(tài)盲區(qū)兩類。

1) 消極天氣擴(kuò)展盲區(qū)

在惡劣條件下,大氣中的雨、霧等會對電磁波產(chǎn)生較強(qiáng)的衰減作用。文獻(xiàn)[6]對此有較詳細(xì)的總結(jié)論述,在此不再贅述。

2) 隨機(jī)目標(biāo)動態(tài)盲區(qū)

從雷達(dá)方程出發(fā),有

(3)

其中Pt表示發(fā)射天線功率,G表示發(fā)射天線增益,λ表示發(fā)射信號波長,σ表示雷達(dá)目標(biāo)散射截面積,R表示雷達(dá)目標(biāo)徑向距離,Ls表示系統(tǒng)損耗因子,代表收發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)、功分器、波導(dǎo)和天線罩等部件信號損耗和非自由空間中的傳播損失,La(R)表示天氣衰減因子,是距離的函數(shù),Pr表示雷達(dá)接收功率。

可見,在約束各方面條件不變情況下,雷達(dá)探測威力四次方與雷達(dá)目標(biāo)散射截面積成正比,即對于散射截面比為16倍的兩目標(biāo),同一雷達(dá)對其探測威力比為兩倍。由于各目標(biāo)散射截面積各不相同,因此在約束雷達(dá)工作參數(shù)不變情況下,雷達(dá)探測威力隨目標(biāo)情況變化而變化,即探測盲區(qū)呈現(xiàn)出隨機(jī)動態(tài)性。

20世紀(jì)50年代,各國在設(shè)計(jì)防空雷達(dá)時(shí),探測威力距離一般以典型飛機(jī)目標(biāo)RCS為4m2計(jì)算確定。隨著隱身飛機(jī)的工程化與實(shí)用化,從20世紀(jì)80年代開始,防空雷達(dá)設(shè)計(jì)時(shí)其典型飛機(jī)目標(biāo)RCS一般定為0.4m2(相當(dāng)于準(zhǔn)隱身戰(zhàn)斗機(jī))。

目標(biāo)RCS具有姿態(tài)敏感性,對于對空地面情報(bào)雷達(dá)而言,探測距離較遠(yuǎn),一般考慮目標(biāo)為迎頭接近飛行,即以鼻錐方向RCS為典型值。另,結(jié)合理論計(jì)算與實(shí)際試驗(yàn),標(biāo)準(zhǔn)散射體與錐球體等目標(biāo)的RCS明顯依賴于頻率。飛機(jī)屬于復(fù)雜結(jié)構(gòu)形狀目標(biāo),后向散射較為復(fù)雜,其RCS的頻率響應(yīng)與微波頻段有關(guān),表2給出兩種典型飛機(jī)的RCS統(tǒng)計(jì)平均值與波段的關(guān)系(鼻錐向±45°)[7]。

表2　兩種典型飛機(jī)RCS統(tǒng)計(jì)平均與波段關(guān)系

在戰(zhàn)爭條件下,地面情報(bào)雷達(dá)系統(tǒng)可能面臨各類導(dǎo)彈的挑戰(zhàn)。文獻(xiàn)[7]給出了“哈姆”反輻射導(dǎo)彈和“幼畜”空地導(dǎo)彈頭部/正側(cè)部RCS在不同極化條件下隨波段變化情況。可見極化方式、目標(biāo)姿態(tài)與目標(biāo)RCS的關(guān)系較為密切。

隨著目標(biāo)隱身技術(shù)與低空、超低空飛行技術(shù)的不斷進(jìn)步,鳥和鳥群對地面情報(bào)雷達(dá)的困擾可能會愈加嚴(yán)峻。文獻(xiàn)[8]給出了單只鳥在各波段下的RCS,對于鳥群的RCS可以用單只鳥的RCS乘以數(shù)目作簡單估算。與前述表格中目標(biāo)RCS數(shù)據(jù)作簡單比較,可見在一定波段如S波段上,數(shù)只或幾十只鳥類的RCS即能與導(dǎo)彈目標(biāo)、隱身無人機(jī)、隱身轟炸機(jī)等目標(biāo)RCS相當(dāng),在一定探測威力內(nèi)即有可能對缺少多普勒處理的地面情報(bào)雷達(dá)探測造成相當(dāng)大的困擾。

3) 復(fù)雜電磁擾動、干擾擴(kuò)展動態(tài)盲區(qū)

通過對回波進(jìn)行處理,雷達(dá)最基本的一個(gè)功能就是檢測感興趣目標(biāo)是否存在。隱含在接收回波中的目標(biāo)信息需要與接收機(jī)噪聲、雜波回波,以及有意、無意的電磁干擾競爭,通過某些信號處理方法進(jìn)行分析,確定其中是否包含感興趣目標(biāo),并進(jìn)一步確定距離、角度與速度信息。

4結(jié)語

雷達(dá)盲區(qū)與探測區(qū)正如硬幣的兩面,其中一面

的揭曉就是答案的全部。擦亮現(xiàn)代戰(zhàn)爭的“眼睛”,需要結(jié)合目標(biāo)特性,戰(zhàn)場環(huán)境,裝備性能等進(jìn)行整體通盤考慮,而對探測盲區(qū)的研究提供了更便捷的視角,將可在此基礎(chǔ)上形成多維、立體、動態(tài)、實(shí)時(shí)、敏捷反應(yīng)的區(qū)域防空系統(tǒng),為一體化戰(zhàn)略提供支撐。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 張林讓,趙珊珊,周宇,等.數(shù)據(jù)采集與處理[J].2014,29(4):516-525.

[2] 劉雙青,蔡新舉,占超.艦船電子工程[J].2013,33(8):7-11.

[3] 李淑華,黃曉剛,劉平.現(xiàn)代雷達(dá)[J].2013,35(4):1-5.

[4] 解向軍,鄭敏,徐宏偉.飛機(jī)設(shè)計(jì)[J].2013,33(4):64-68.

[5] 陣地條件對雷達(dá)探測效能的影響分析.研究報(bào)告.

[6] 許小劍,黃培康.雷達(dá)系統(tǒng)及其信息處理[M].北京:電子工業(yè)出版社,2010:28-33.

[7] 王小謨,匡永勝,陳忠先.監(jiān)視雷達(dá)技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004:150-165.

[8] 左群聲,徐國良,馬林,等譯.雷達(dá)系統(tǒng)導(dǎo)論[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007:338-341.

中圖分類號TN95

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.01.021

作者簡介:秦衛(wèi)城,男,高級工程師,研究方向:雷達(dá)裝備研究與維修。趙匯強(qiáng),男,博士研究生,工程師,研究方向:雷達(dá)信號處理。劉祥,男,工程師,研究方向:雷達(dá)裝備維修。李宗亭,男,碩士研究生,工程師,研究方向:雷達(dá)裝備發(fā)展與維修。

*收稿日期:2015年7月1日,修回日期:2015年8月26日