攔截型主動防護(hù)系統(tǒng)探測傳感器研究*

馬　可， 張遠(yuǎn)安， 張開生

(西安電子工程研究所，陜西 西安 710100)

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攔截型主動防護(hù)系統(tǒng)探測傳感器研究*

馬可， 張遠(yuǎn)安， 張開生

(西安電子工程研究所，陜西 西安 710100)

摘要:針對坦克裝甲車輛主動防護(hù)系統(tǒng)傳感器做出了系統(tǒng)性的介紹，闡述了近現(xiàn)代主動防護(hù)系統(tǒng)探測傳感器的功能特點(diǎn)、系統(tǒng)組成和工作原理。結(jié)合國內(nèi)某型主動防護(hù)系統(tǒng)的研制情況，詳細(xì)分析了天線和頻率綜合器兩個關(guān)鍵技術(shù)在工程實(shí)現(xiàn)時需要注意的問題和解決方法，其中天線在設(shè)計中應(yīng)該盡可能多地提高隔離度；頻率綜合器在設(shè)計中應(yīng)該提高相位噪聲指標(biāo)。通過對上述關(guān)鍵技術(shù)的分析，希望為今后國內(nèi)主動防護(hù)系統(tǒng)傳感器的總體研制提供經(jīng)驗(yàn)和參考。

關(guān)鍵詞:主動防護(hù)系統(tǒng)； 連續(xù)波雷達(dá)； 攔截

0引言

攔截型主動防護(hù)系統(tǒng)是坦克裝甲車輛的一種新型防護(hù)手段[1,2]，與注重提高自身抗打擊能力的被動防護(hù)不同，攔截型主動防護(hù)系統(tǒng)主要對來襲彈藥進(jìn)行探測、分析、識別、跟蹤和攔截，使其失效、毀傷或者破壞能力減弱，從而保護(hù)坦克裝甲車輛的戰(zhàn)場安全[3]。攔截型主動防護(hù)系統(tǒng)主要由探測系統(tǒng)、控制中心和火力系統(tǒng)三部分組成[4]。其中，探測系統(tǒng)的傳感器一般選用連續(xù)波雷達(dá)[5]，其具有峰值功率低、時寬帶寬積大、測距測速精度高、低截獲概率、無近距離盲區(qū)、體積小、易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。

目前，俄羅斯、美國、以色列等國家已經(jīng)推出了自己的主動防護(hù)系統(tǒng)[5,6]，本文主要對主動防護(hù)系統(tǒng)探測傳感器進(jìn)行系統(tǒng)性闡述，分析了幾個關(guān)鍵技術(shù)在實(shí)現(xiàn)過程中需要注意的問題，結(jié)合在國內(nèi)某型主動防護(hù)系統(tǒng)探測傳感器研制中遇到天線設(shè)計和頻率綜合器設(shè)計問題，提供了一些解決方法作為參考。

1主動防護(hù)系統(tǒng)探測傳感器

1.1主動防護(hù)系統(tǒng)工作流程

主動防護(hù)系統(tǒng)工作流程的示意圖如圖1所示。系統(tǒng)進(jìn)入作戰(zhàn)狀態(tài)后，近程防護(hù)探測傳感器開機(jī)，對作用距離內(nèi)的區(qū)域進(jìn)行目標(biāo)搜索，當(dāng)探測到有彈藥攻擊時，獲取來襲彈藥的角度、速度、距離以及運(yùn)動特征等信息，同時控制反擊彈藥準(zhǔn)備發(fā)射。隨后探測傳感器對目標(biāo)的運(yùn)動參數(shù)進(jìn)行精確測量，并根據(jù)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行火控解算，推算目標(biāo)達(dá)到攔截點(diǎn)的空間位置和到達(dá)時刻，適時發(fā)射反擊彈藥[7]。反擊彈藥預(yù)定飛行幾米后被引信引爆，爆破距離一定，可以形成一個橢圓錐型的有效殺傷區(qū)。只要來襲目標(biāo)打在殺傷區(qū)內(nèi)，就能成功實(shí)現(xiàn)攔截。為了精確進(jìn)行火控解算，取殺傷區(qū)中點(diǎn)為攔截點(diǎn)，攔截點(diǎn)所形成的弧面為防御面[8]。

圖1　主動防護(hù)系統(tǒng)工作流程Fig 1　Work flow of active protection system

1.2探測傳感器功能特點(diǎn)

應(yīng)用于主動防護(hù)系統(tǒng)的探測傳感器(連續(xù)波雷達(dá))，除了擁有一般雷達(dá)的功能，還應(yīng)該滿足車載平臺下的特殊作戰(zhàn)要求。從近現(xiàn)代戰(zhàn)爭特點(diǎn)分析，能夠在復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境下，保障自身安全、出色完成任務(wù)的一部先進(jìn)的主動防護(hù)系統(tǒng)探測傳感器必須具備以下功能特點(diǎn)：

1.2.1近距離盲區(qū)小

近距離盲區(qū)是主動防護(hù)系統(tǒng)中非常重要的一個指標(biāo)參數(shù)，它由實(shí)施干擾或攔截的武器系統(tǒng)的作用距離決定，一般都在20 m以內(nèi)[9]。近距離盲區(qū)越小，意味著可以更精確地推算來襲彈藥的未來點(diǎn)信息，提高防護(hù)概率。如此小的近程盲區(qū)，脈沖雷達(dá)需要發(fā)射ns級的窄脈沖，現(xiàn)有的工程條件很難實(shí)現(xiàn)這樣的要求。所以,現(xiàn)在一般采用相對容易實(shí)現(xiàn)的連續(xù)波作為發(fā)射信號。

1.2.2反應(yīng)時間快

現(xiàn)有主動防護(hù)系統(tǒng)對付的目標(biāo)主要是速度在200～600 m/s的各類反坦克導(dǎo)彈、反坦克火箭彈，未來還可能對付速度更高的榴彈、動能彈、炮射導(dǎo)彈。因此，探測傳感器從發(fā)現(xiàn)目標(biāo)到生成火控指令的時間只有數(shù)十到數(shù)百毫秒，整個反應(yīng)過程必須自動化，搜索跟蹤的切換和航跡推算算法也要優(yōu)化簡化。

1.2.3虛警漏警低

實(shí)際作戰(zhàn)中，周圍環(huán)境中可能存在各種各樣的非威脅目標(biāo)，如,爆炸濺起的石子、天空的飛鳥、附近的人員、打偏的炮彈等等，傳感器要能自動濾除這類非威脅目標(biāo)避免發(fā)出虛警。但對于真正來襲的目標(biāo)，必須準(zhǔn)確判斷，不能漏警。為了實(shí)現(xiàn)超低的虛警漏警概率，可以采用綜合決策機(jī)制，從信號檢測、航跡推算、目標(biāo)特征分析等多個方面入手，確保作戰(zhàn)中不虛警不漏警。

1.2.4抗干擾能力強(qiáng)

戰(zhàn)場上的干擾一方面來自惡劣的氣候環(huán)境，如,雨霧、沙塵、復(fù)雜地型等;另一方面來自人為產(chǎn)生的電磁干擾，如,裝備間的電磁輻射、敵方發(fā)射的電磁干擾信號等。這些干擾輕則使探測傳感器作用距離下降，重則使探測傳感器完全失效。設(shè)計探測傳感器時，充分考慮可能受到的干擾因素，合理配置工作頻點(diǎn)，作用距離上留有余量、優(yōu)化信號形式，加入抗干擾處理算法和設(shè)置自適應(yīng)跳頻功能等方法都能夠有效提高抗干擾能力。

現(xiàn)代的坦克、裝甲車輛越來越注重自身的隱身能力，探測傳感器安裝在車體上如果破壞了車輛的隱身性能，將得不償失。結(jié)構(gòu)上，探測傳感器應(yīng)該盡可能小型化，低輪廓，外型與車體的隱身設(shè)計相適應(yīng)；電氣上，在滿足作用距離指標(biāo)條件下，盡量采用較小的峰值發(fā)射功率，避免被敵方電子設(shè)備檢測到。

此外，根據(jù)不同的作戰(zhàn)需求，探測傳感器還可以進(jìn)行其他功能的擴(kuò)展，如,多目標(biāo)能力、目標(biāo)識別能力等。需要注意的是，這些功能特點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)往往是相互制約的，設(shè)計時只有折衷選取。

1.3探測傳感器系統(tǒng)組成

主動防護(hù)系統(tǒng)探測傳感器在電氣上的組成部分和一般雷達(dá)基本相同，主要分為：天線、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、頻率綜合器、信號處理器、中心控制機(jī)、顯控終端。在結(jié)構(gòu)上，為了提高裝車適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計。采用分布式雷達(dá)的設(shè)計思路,將天線和射頻鏈路獨(dú)立出來，形成探測前端，安裝于車體表面，以盡可能減小暴露在外的體積；將后端處理部分集成一體，形成綜合處理器，安裝于車體內(nèi)部，或者在硬件上同車輛自身設(shè)備兼容。圖2為主動防護(hù)系統(tǒng)探測傳感器系統(tǒng)組成示意圖。

圖2　主動防護(hù)系統(tǒng)探測傳感器組成Fig 2　Composition of active protection system detecting sensor

1.4工作原理

分布式設(shè)計的探測傳感器可以有多個探測前端，分別對不同角度范圍的區(qū)域進(jìn)行探測，從而可以使主動防護(hù)系統(tǒng)具備全方位半球狀的探測范圍。所有的探測前端將接收到的回波信號變頻后，傳輸給信號處理器進(jìn)行多路并行信號處理，得到目標(biāo)的速度、角度和距離信息，實(shí)時發(fā)送給中心控制機(jī)進(jìn)行航跡推算和火控解算。同時，中心控制機(jī)對實(shí)時處理的數(shù)據(jù)結(jié)果做出判斷和決策，對探測傳感器的工作模式和資源調(diào)配進(jìn)行管理，顯控終端用于顯示傳感器和目標(biāo)的參數(shù)，以及接受操作員的人工控制。圖3為主動防護(hù)系統(tǒng)探測傳感器工作原理示意圖。

圖3　主動防護(hù)系統(tǒng)探測傳感器工作原理Fig 3　Working principle of active protection system detecting sensor

2關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1天線

天線是雷達(dá)射頻信號和自由空間電磁波的轉(zhuǎn)換裝置，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)信號的發(fā)射和回波信號的接收[10]。在主動防護(hù)系統(tǒng)中，由于反應(yīng)時間很短，雷達(dá)天線通常不采用帶伺服的機(jī)械掃描天線，而采用固定波束天線或者相控陣天線，天線的波束覆蓋范圍即是探測傳感器的角度探測范圍。而分布式探測傳感器的設(shè)計，實(shí)質(zhì)上就是根據(jù)天線的波束寬度，采用多組天線安裝在車體的不同位置，對不同角度進(jìn)行照射，從而實(shí)現(xiàn)探測傳感器對整個空間的探測。主動防護(hù)系統(tǒng)探測傳感器天線的設(shè)計需要重點(diǎn)考慮以下幾個指標(biāo)參數(shù)：

2.1.1波束寬度

波束寬度是指天線方向圖中主瓣上兩個半功率點(diǎn)之間的角度范圍，也是天線輻射或接收電磁波能量的主要區(qū)域。傳感器的角度探測范圍通常就是由天線波束寬度決定。先進(jìn)的主動防護(hù)系統(tǒng)要求探測整個半空間區(qū)域，即360°×180°，因此，每個天線的波束寬度越寬，所需的天線數(shù)目就越少，同時也減少了射頻鏈路，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度和生產(chǎn)成本。

但是，波束寬度直接影響天線增益指標(biāo)，它是傳感器作用距離的直接計算參數(shù)之一，作用距離的四次方正比于收發(fā)天線增益之積。在不考慮副瓣和天線效率的情況下，天線增益的極限值可以用下式計算

(1)

其中，GM為天線增益的極限值，θ為方位向波束寬度，φ為俯仰向波束寬度。波束寬度太大，天線增益就小，如果無法滿足雷達(dá)作用距離的要求，就要提高積累時間、發(fā)射功率等參數(shù)，這會使系統(tǒng)的反應(yīng)時間加長，增加射頻鏈路的體積、功耗和散熱量。

現(xiàn)在國際上設(shè)計的主動防護(hù)系統(tǒng)中，一般采用4組天線，每組天線的波束寬度約為90°×90°，分別安裝在車體四角，能夠基本實(shí)現(xiàn)半球狀探測。對于國內(nèi)主動防護(hù)系統(tǒng)的研制，也可借鑒此種天線分部方式。

2.1.2副瓣

副瓣是指天線方向圖中除主瓣以外的波瓣，天線通過副瓣也能輻射和接收電磁波能量。對于發(fā)射天線，副瓣將能量輻射到不需要進(jìn)行探測的空間范圍內(nèi)，對于接收天線，副瓣能夠接收來自各個方向的雜波、干擾等電磁信號，這些對于雷達(dá)來說，都是具有負(fù)面影響的，特別是現(xiàn)代電子對抗中，常常通過天線副瓣對雷達(dá)進(jìn)行截獲、干擾甚至發(fā)射反輻射導(dǎo)彈實(shí)施摧毀。

單個天線的副瓣大小在生產(chǎn)加工后一般不能改變，在設(shè)計時應(yīng)該盡可能使其遠(yuǎn)離主瓣，并且具有較小的對地副瓣，確保進(jìn)入雷達(dá)的地雜波較弱，不影響對目標(biāo)的檢測。

采用相控陣天線，可以通過各個陣元的幅度、相位加權(quán)，對副瓣進(jìn)行靈活控制，常用的方法有泰勒加權(quán)、切比雪夫加權(quán)等，針對某些方向還可以采用自適應(yīng)零深處理。隨之帶來的結(jié)果會使主瓣展寬，增益下降。

2.1.3隔離度

收發(fā)天線間的隔離度是制約連續(xù)波雷達(dá)作用距離的首要因素。連續(xù)波雷達(dá)理論無近距盲區(qū)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡單，非常適合用作主動防護(hù)系統(tǒng)雷達(dá)，但是連續(xù)波雷達(dá)發(fā)射和接收是同時進(jìn)行的，發(fā)射信號會直接耦合進(jìn)入接收天線，通過接收鏈路的放大作用，造成接收機(jī)飽和，使雷達(dá)無法正常工作。

解決收發(fā)隔離問題，常用的方法就是將收發(fā)天線分置，設(shè)計上優(yōu)化天線布局，添加帶隙結(jié)構(gòu)，工程上貼覆吸波材料，收發(fā)天線之間加裝隔離擋板，天線罩獨(dú)立分腔，阻斷收發(fā)天線之間的表面波和空間波的傳遞，從而提高隔離度[11,12]。圖4給出了在某參數(shù)下天線隔離度與雷達(dá)作用距離的關(guān)系?？梢钥闯?，隨著天線隔離度增加，雷達(dá)作用距離也增加。為了提高主動防護(hù)系統(tǒng)雷達(dá)的作用距離，就必須在天線設(shè)計中對隔離度的指標(biāo)提出更高的要求。

圖4　天線隔離度與雷達(dá)作用距離的關(guān)系Fig 4　Relationship between antenna isolation and radar operating range

2.2頻率綜合器

在頻率綜合器的設(shè)計中，相位噪聲是指在系統(tǒng)內(nèi)各種噪聲作用下所引起的輸出信號相位隨機(jī)起伏[13]，用單邊帶1 Hz帶寬內(nèi)的相位噪聲功率譜密度η(fm)表示，單位為dBc/Hz，其中,fm為偏離的頻率。圖5給出某信號相位噪聲測量值[14]。

圖5　相位噪聲測量值示意圖Fig 5　Diagram of phase noise measurement value

由于主動防護(hù)系統(tǒng)探測傳感器一般選用連續(xù)波雷達(dá)，而連續(xù)波雷達(dá)存在嚴(yán)重的發(fā)射信號泄露到接收通道的現(xiàn)象。所以,發(fā)射信號泄露的邊帶噪聲會影響接收信號的噪聲基底，導(dǎo)致連續(xù)波雷達(dá)的作用距離減小,具體大小取決于頻率綜合器的相位噪聲指標(biāo)。圖6給出了頻率綜合器相位噪聲大小與雷達(dá)作用距離的關(guān)系,可以看出隨著相位噪聲的惡化，連續(xù)波雷達(dá)的作用距離也相應(yīng)減小。因此,在設(shè)計中應(yīng)該盡可能多地提高頻率綜合器的相位噪聲指標(biāo)。

圖6　相位噪聲與雷達(dá)作用距離的關(guān)系Fig 6　Relationship between phase noise and radar operating range

3結(jié)束語

隨著國際上各類攔截型主動防護(hù)系統(tǒng)的推出，主動防護(hù)已經(jīng)成為坦克、裝甲車輛未來發(fā)展的最有前途的防護(hù)手段之一，而雷達(dá)也成為首選的傳感器。一部先進(jìn)的主動防護(hù)系統(tǒng)探測傳感器應(yīng)該在電氣、結(jié)構(gòu)、接口等各方面完全適應(yīng)坦克、裝甲車輛。結(jié)合國內(nèi)已經(jīng)研制的某型主動防護(hù)系統(tǒng)，通過系統(tǒng)性分析主動防護(hù)系統(tǒng)探測傳感器的關(guān)鍵技術(shù)，想要使傳感器的探測距離更遠(yuǎn)，應(yīng)該提高天線的隔離度指標(biāo)和頻率綜合器的相位噪聲指標(biāo)。

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Research on interception active protection system detecting sensor*

MA Ke, ZHANG Yuan-an, ZHANG Kai-sheng

(Xi’an Electronic Engineering Research Institute,Xi’an 710100,China)

Abstract:Active protection system sensor for tank and armored vehicles is introduced,functions,system composition and operating principle of modern active protection system sensor are illustrated.Combined with certain type of active protection system in China,the problems and solutions for the two key technologies which are antenna and frequency synthesizer in engineering realization are analyzed.In which the antenna should be as much as possible to improve the isolation;in the design of frequency synthesizer,the phase noise index should be improved.It is expected to provide experience and reference for integrated research of domestic active protection system sensor,by analyzing above key technologies.

Key words:active protection system; continuous wave radar; interception

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)02—0012—04

收稿日期：2015—12—07

*基金項(xiàng)目：武器裝備預(yù)先研究基金資助項(xiàng)目(40405060201)

中圖分類號:TN 951

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1000—9787(2016)02—0012—04

作者簡介:

馬可 (1988-)，男，陜西西安人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)檫B續(xù)波雷達(dá)總體設(shè)計。