提高雷達低空探測能力的措施研究

曾海兵,謝永亮,陳　珂

(海軍蚌埠士官學校 雷達教研室,安徽 蚌埠　233012)

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提高雷達低空探測能力的措施研究

曾海兵,謝永亮,陳珂

(海軍蚌埠士官學校 雷達教研室,安徽 蚌埠233012)

摘要針對未來戰(zhàn)爭的作戰(zhàn)系統(tǒng)應采用多種探測手段相結(jié)合,以形成較為完善的低空防御能力的問題。文中分析了影響雷達低空探測性能的主要因素,并針對各因素提出了改善雷達低空探測性能的各項措施,如減少地球曲率影響、減少多路徑效應影響的措施,采用各種新技術(shù)和多探測手段有機組合,以提高雷達低空探測性能的方法,并通過功能互補的方式,形成了較為完善的低空防御能力。

關(guān)鍵詞地球曲率;多路徑效應;組網(wǎng)雷達;數(shù)據(jù)融合

Methods for Improving Low-altitude Detection Performance of Radar

ZENG Haibing,XIE Yongliang,CHEN Ke

(Teaching and Research Section of Radar,Navy Petty Officer Academy of AnHui Bengbu,Bengbu 233012,China)

AbstractIn future war,the combat system should be combined with a variety of detection methods to form a better capability of low altitude defense.This paper analyzes the main factors affecting the low altitude detection performance of radar,and puts forward such measures as reducing the curvature of the earth and reducing the impact of multi path effects to improve the low altitude detection performance of radar.

Keywordsearth curvature;multi-path effect;netted radar;data fusion

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中,飛機或?qū)椀牡涂杖肭忠殉蔀槔走_的主要威脅之一。自60年代以來,軍事大國越來越重視低空超低空突防,加緊研制性能優(yōu)良的低空飛機與導彈,飛機和導彈的超低空突防襲擊是常見的攻擊方式,其作戰(zhàn)有效性已在70年代以來的歷次局部戰(zhàn)爭中得到證實。作為戰(zhàn)爭情報保障手段之一的雷達,由于受地球曲率、地物遮擋、大氣環(huán)境、地物雜波和海面雜波等背景雜波以及多路徑效應的影響,雷達要在較遠的距離內(nèi)及時發(fā)現(xiàn)和準確測定低空和小目標較為困難,即使能在近距離發(fā)現(xiàn)目標,面對現(xiàn)代的高速攻擊兵器,雷達系統(tǒng)也難以有充裕地反應時間,所以必須提高雷達低空探測性能。

1影響雷達低空探測性能的主要因素

1.1地球曲率的影響

雷達電磁波在空氣中的傳播是近似沿直線的傳播,由于地球是一個球體,距離較遠的目標會因為地球表面彎曲而被遮擋,因此無法被發(fā)現(xiàn)。如圖1所示,設目標的高度為ht,雷達天線的高度為ha,若ha、ht一定,雷達有一個極限的觀察距離,即雷達在地平線上的最大觀察距離,稱為雷達的直視距離,視距公式為[1-2]

(1)

式中,R雷達的視距,單位km;ha雷達天線高度,單位m;ht目標飛行高度,單位m。

若超過此距離,電波被地球表面遮擋而無法射向目標,視線以下的區(qū)域稱為隱蔽區(qū)。

圖1　雷達直視距離示意圖

1.2地球大氣的影響

地球的表面包圍著大氣,大氣的密度隨高度而變化。從地面到達約30 km高度之內(nèi)的大氣層,稱為對流層。對于一般的雷達目標,大都處于對流層,電磁波在其中傳播時,就會產(chǎn)生折射和衰減,這種現(xiàn)象被稱為大氣折射和大氣衰減[3-4]。對雷達低空性能的影響主要來自于大氣折射,大氣折射主要是由于空氣的密度不均勻引起的,離地面越高,空氣越稀薄。因此,電磁波正常大氣條件下是在非均勻介質(zhì)中傳播,其的傳播路徑為向下彎曲的曲線而不是直線,如圖2射線1所示,由Snell定律可證明,射線的曲率半徑與垂直負梯度(dn/dh)有關(guān)。

如果垂直負梯度達到157 N/km,大氣中水平發(fā)出的射線的曲率半徑就等于地球表面的半徑,雷達的作用距離將不再受到視距限制,這就是臨界折射,如圖2中射線2所示。由于水平傳播的射線實際上是向下彎曲的,其曲率要大于地球表面曲率,故垂直負梯度dn/dh<157 N/km,此時電磁波將被限制在地球表面一定高度的區(qū)域內(nèi)來回反射,產(chǎn)生超折射現(xiàn)象,如圖2中射線3所示。因產(chǎn)生超折射時,電磁波在大氣中的傳播跟在波導中的傳輸方式相近,故稱之為大氣波導。

圖2　大氣傳播的典型折射類型

由上述分析可知,大氣折射通常能增大雷達的探測距離,巧妙地利用大氣折射現(xiàn)象,雷達便可實現(xiàn)超視距探測,即超視距雷達的一種——微波超視距雷達。目前,俄羅斯等國已有利用大氣折射現(xiàn)象對遠區(qū)海面的艦船等武器平臺實現(xiàn)超視距探測的實際應用。

1.3電波多路徑干涉的影響

為確定地表對雷達電磁波傳播的影響,假設一個平整、光滑、全反射的平坦地面,示意圖如圖3所示,雷達天線位于平面表面上ha高度,天線方向圖假設在俯仰角上均勻。目標高度為ht,離雷達的距離為R。雷達天線的輻射能量通過兩條分開的路線到達目標,一條是雷達到目標的直線(AB),另一條是經(jīng)地表前向散射反射的雷達到目標的路線(AMB),目標反射的信號也通過同兩條路線返回雷達?；氐嚼走_天線的回波信號幅度決定于通過兩條路線傳播的信號幅度和相對相位。由于地表存在導致的場強η的改變可由下式來表示[5]

圖3　雷達電磁波傳播幾何示意圖

通過計算,雷達上(A點)接收到的回波信號密度相對于自由空間情況下的回波信號密度為η的4次冪,即

(2)

描述接收到的回波功率的雷達方程與式(2)相乘,由于正弦函數(shù)的范圍為0~1,因此η4的范圍為0~16。這說明由于地表的影響在某些仰角上會將接收信號功率增加16倍,在其他仰角上可能減少到0。由于距離和接收回波信號功率間的4次冪關(guān)系,雷達的作用距離會是自由空間時的0~2倍。因此在俯仰面上雷達能量分成很多瓣,在某些仰角上其增加了作用距離,而在其他一些仰角上減小了作用距離,如4所示。這種影響通常被稱為波束分裂[6]。

圖4　波束分裂結(jié)構(gòu)示意圖

當式(2)中的正弦自變量等于π/2,3π/2,…,(2n+1)π/2時,存在地表時的場強最大,這里n=0,1,2…。當

(3)

時產(chǎn)生瓣的峰值;當

(4)

時產(chǎn)生零值。由式(3)知,第1(最低)瓣(n=0)的峰值角為

θ1≈ht/R=λ/4ha

(5)

因此,若想在低角度處看目標,必須升高雷達的工作頻率,或增大雷達的天線高度。

1.4雜波的影響

雜波表示在雷達熒光屏中出現(xiàn)的不需要的回波,這些不需要的回波“擾亂”了雷達工作,使得對需要目標回波的檢測變得更加困難。雷達雜波主要來自于陸地、海面、云層、遷移的鳥群等物體對雷達發(fā)射信號所形成的反向、散射波。雷達雜波按不同的類型主要可以分為點雜波、面雜波和體雜波,地海雜波屬于面雜波,云雨雜波屬于體雜波[7]。

大的雜波回波能夠遮蔽所需目標回波,從而限制雷達的探測能力,小的目標回波通常能干擾對所需目標回波的觀察,從而降低雷達的檢測概率。因此,雷達雜波必須采取措施予以減弱甚至消除。

2提高雷達低空探測性能的主要措施

2.1減小地球曲率影響,擴大雷達視距

要減小地球曲率的影響,目前主要的方法是增大雷達的高度、發(fā)展超視距雷達和雙/多基地雷達。

增大雷達的高度主要有兩種比較有效的方法[8]:(1)機載預警雷達。機載預警雷達以飛機為平臺,大幅增加了對低空、超低空的覆蓋范圍,尤其是輕型機載相控陣雷達監(jiān)視區(qū)域大,下視性能優(yōu)越,作用距離遠,數(shù)據(jù)率高,使用維護費用低,平臺適應性好,只需花較低的費用就可實現(xiàn)對低空飛機、巡航導彈的有效探測;(2)發(fā)展氣球載雷達。氣球載雷達能有效擴大低空探測范圍,其留空時間長,利用率高,與機載雷達相比有一個明顯的優(yōu)點是移動較慢,從而無需進行速度補償。

目前超視距雷達有3種不同類型,即天波超視距雷達、地波超視距雷達和利用大氣波導的微波超視距雷達,超視距雷達對低空探測威力的提高有顯著作用。

為有效地增加低空探測威力,還可采用雙/多基地雷達,發(fā)射機放在高空輻射,在低空目標區(qū)域配置接收機并盡量在發(fā)射機前方放置,這種雷達提高了低空探測范圍,也增加了雙基角>135°的概率,能明顯增加目標的雷達散射截面積(RadarCross-Section,RCS)值,有利于對隱身目標的探測。另外,地面的雙基地接收機可利用空中、空間的照射源,隱蔽地發(fā)現(xiàn)遠區(qū)低空目標。對空/空配置的雙基地系統(tǒng)還可利用雜波調(diào)諧效應有效地檢測低空目標。

2.2仰角上實現(xiàn)無縫探測

通過上述分析可知,由于多徑效應會導致垂直方向圖的波束分裂,尤其是形成低空盲區(qū),從而影響雷達對低空目標的探測。由式(5)可知,要增強雷達的低空探測能力應采用較短的波長,或增大雷達的天線高度[6]。

由于信號/雜波功率比與波長的四次方成反比,所以選擇短的波長有利于提高信號/雜波功率比。但波長的選擇不能太短,還應考慮要使雨的反射和雨的衰減最小,根據(jù)工程經(jīng)驗,一般選擇X波段和Ku波段比較合適。

為實現(xiàn)在垂直方向圖上的無縫探測,減小低空盲區(qū),通常采用雙頻分集將兩個相差一定頻率間隔而形成的盲區(qū)錯開,從而達到增強雷達探測低空目標能力的目的。雙頻分集還可降低目標的起伏噪聲,從而提高了雷達的探測距離。

為使雷達在多徑環(huán)境下具有最佳檢測低飛目標的能力,研制了雙門限(M-N)檢測器,并通過理論推導與建模仿真相結(jié)合的方法,對雷達檢測低空目標時的檢測性能進行了分析,得到了在不同場景下M-N檢測器具有最佳檢測性能時的最佳M值,研究表明:在低信噪比情況下,多徑環(huán)境下的雷達檢測優(yōu)于自由空間中的檢測性能;在N一定的情況下,多徑環(huán)境下的雷達檢測性能對M值較敏感,自由空間中的雷達檢測性能受M值的變化影響不大。為使雷達在多徑環(huán)境具有最好的檢測性能,通常N取1~8,最佳M值均為1[9]。

減少多路徑效應的影響,還可通過提高天線的高度來實現(xiàn),從而提高雷達的低空探測威力。

2.3靈活運用技術(shù),減小雜波影響

如何在強的地、海雜波干擾中檢測目標,尤其是信號強度較弱的小目標,是低空探測雷達所面臨的并需要解決的難題。盡可能地減小雷達的分辨單元,可以減少雜波強度,提高雜波中的目標可見度[8]。

采用數(shù)字波束形成(DigitalBeamForming,DBF)技術(shù),產(chǎn)生可控瞬時多波束,進行波束捷變,獲得高質(zhì)量超低副瓣天線,并能實現(xiàn)自適應波束零位控制。這些均有利于發(fā)現(xiàn)低空目標。

采用脈沖多普勒技術(shù)和動目標檢測(MovingTargetDetectoin,MTD)技術(shù),以便在強雜波中有效地檢出運動目標。目前具有發(fā)展前途的多維信號處理技術(shù)是根據(jù)目標回波和干擾雜波在時間、方位、極化、幅度、多勒勒頻率、反射系數(shù)和統(tǒng)計方面的信息差異,從干擾雜波背景中提取目標信息。

采用頻率捷變,改變目標的起伏類型,以降低雷達的檢測因子值,同時頻率捷變加視頻積累還能有效地反海浪雜波[1]。

采用脈內(nèi)調(diào)制的相干信號序列,不僅能提高作用距離,還能提高抗干擾能力,同時還能提高準確性、分辨力和改善虛警電平的穩(wěn)定質(zhì)量。

另一種用數(shù)據(jù)處理的方式實現(xiàn)一次雷達動目標檢測與跟蹤功能的方法是PPI(PlanePositionIndicator)圖像的低空目標檢測與跟蹤算法,此算法中雜波抑制和目標狀態(tài)估計是兩項關(guān)鍵技術(shù),經(jīng)過背景差分的雷達PPI圖像,仍含有大量的背景邊緣雜波,然后利用目標和邊緣雜波的空域特性,將漏警和虛警同時保持在很低的水平,再通過交互式多模型(IMM,InteractiveMultipleModels)方法對目標的勻速、加速、減速、轉(zhuǎn)彎等機動運動進行跟蹤,實時獲取目標的位置和速度等狀態(tài)信息[10]。

對以上提到的技術(shù)應加以巧妙的組合應用,才能更好地解決低空探測問題,因為迄今為止,還沒有哪種單項技術(shù)或雷達設備能滿意地克服背景雜波和多路徑效應的強烈干擾。

2.4增強低空探測的其他雷達或技術(shù)

近年來毫米波雷達技術(shù)有了突破性進展,毫米波混合及集成電路在性能、成本、尺寸及重量方面已達到實用要求,器件比較成熟,已達到生產(chǎn)水平。到目前為止,眾多毫米波雷達已在服役,比較典型的如美國“霍克”導彈和“黃峰”導彈、俄羅斯SA-10地空導彈的制導系統(tǒng),美國的雙頻跟蹤雷達等。與微波雷達相比,毫米波雷達有其自身的特點:波長較短,容易做成窄波束,由于角分辨力改善,低角跟蹤能力增強,并能減弱多路徑效應的影響;對于慢動目標能獲得較大的多普勒頻移,增強了對動目標探測和識別的能力,抗雜波能力顯著增強[8]。

此外,采用雷達與光電跟蹤器組合方式能有效提高低空探測能力。隨著光電技術(shù)的迅速發(fā)展,以光電跟蹤器為主要探測設備的光電火控系統(tǒng)相繼問世,成為輔助雷達火控系統(tǒng)進行低空探測的方法之一。光電跟蹤器的主要優(yōu)點是:隱蔽性好,抗電子干擾能力強;低空探測跟蹤性能好,用光電跟蹤器探測和跟蹤目標,不存在多路徑效應,受海雜波的干擾小,對掠海導彈和低空飛機的防御較為有效。

雷達組網(wǎng)也是有效的對抗低空目標的手段之一。由于目標的RCS是視角和波長的函數(shù)。因此,目標運動時各雷達所對應的RCS是起伏的,影響著單部雷達對目標的捕獲和跟蹤,而通過對多部雷達所測數(shù)據(jù)進行綜合處理,可提高發(fā)現(xiàn)概率并獲得穩(wěn)定跟蹤,從而改善低空性能。

分布式網(wǎng)絡雷達是一種新型的雷達探測系統(tǒng),為一種利用多部小型的M3(Mobile,MultifunctionandModular)節(jié)點雷達聯(lián)網(wǎng)來探測目標的網(wǎng)狀雷達系統(tǒng)。單部節(jié)點雷達具有探測距離小、受視距影響小,成本低、小型化、輕型化、快速布防等優(yōu)點,在重點區(qū)域可大量部署,能對低空目標進行有效探測,因而在抗低空突防方面有好的應用前景[11]。

低空目標融合系統(tǒng)的前提是雷達組網(wǎng),是一種由多個異類或異步傳感器構(gòu)成的檢測融合系統(tǒng),由于不同傳感器對不同目標的檢測性能存在互補性,微弱信號只是針對特定信號形式和位置的單個傳感器而言,對于某單個傳感器來說的微弱目標,可能易被其他位置或其他類型的傳感器檢測到。但低空目標融合系統(tǒng)與普通的雷達組網(wǎng)又有區(qū)別,主要表現(xiàn)在傳感器管理與分配環(huán)節(jié),目標檢測與跟蹤方法融合環(huán)節(jié),聯(lián)合檢測、跟蹤與識別環(huán)節(jié)等實現(xiàn)低空目標融合檢測與跟蹤性能的最優(yōu)化。從而實現(xiàn)在復雜環(huán)境與低信噪比條件下檢測與跟蹤低空目標的能力[12]。

目前較新型的方式是采用多頻段探測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合技術(shù)。利用微波、毫米波、電視、紅處、激光等覆蓋寬多頻段的各種有源和無源探測器,進行各種傳感器集成和信息融合,來對低空目標進行探測。

3結(jié)束語

現(xiàn)代防空戰(zhàn)的關(guān)鍵問題之一是抗低空突襲,但到目前為止還沒有一種單項技術(shù)或雷達設備能對低空目標有較好的探測效果,對以上提到的技術(shù)和方法應加以巧妙的組合應用,才能更好地解決低空探測問題。因此,未來的作戰(zhàn)系統(tǒng)應采用多種探測手段相結(jié)合、功能互補的方式,以形成比較完善的低空防御能力。對空防御作戰(zhàn)按照近、中、遠程縱深層次布防,雷達將通過系統(tǒng)化構(gòu)成來滿足不同探測距離和不同探測精度的要求,即進行雷達探測接力,以便提高雷達系統(tǒng)的預警能力和快速反應能力。

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中圖分類號TN951

文獻標識碼A

文章編號1007-7820(2016)03-164-04

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.03.043

作者簡介:曾海兵(1976—),男,講師。研究方向:雷達特殊條件下的應用。

收稿日期:2015- 07- 25