基于雷達組網(wǎng)的隱身目標(biāo)探測技術(shù)研究

鄭守峰

(91851部隊 葫蘆島 125001)

基于雷達組網(wǎng)的隱身目標(biāo)探測技術(shù)研究

鄭守峰

(91851部隊 葫蘆島 125001)

隱身目標(biāo)的常規(guī)化、普及化對預(yù)警探測系統(tǒng)構(gòu)成了嚴重威脅,從體系對抗的角度,研究了低RCS目標(biāo)的探測。論文提出了綜合應(yīng)用組網(wǎng)雷達系統(tǒng)、改善雷達檢測性能和多雷達航跡先于檢測等技術(shù)的反隱身方法,研究結(jié)果表明:這些技術(shù)的工程應(yīng)用,可近似抵消隱身目標(biāo)的RCS下降。

隱身目標(biāo); 組網(wǎng)雷達系統(tǒng); 視頻積累; 信號積累檢測; 航跡先于檢測

Class Number TN95

1 引言

隱身目標(biāo)的常規(guī)化、普及化給獨立探測的單雷達系統(tǒng)構(gòu)成了嚴重威脅,也給組網(wǎng)程度低、體系對抗能力弱、探測手段單一的情報雷達系統(tǒng)帶來了極大的壓力。如何針對隱身目標(biāo)不能全方位全頻段隱身的固有局限性,積極利用現(xiàn)役和在研雷達資源,研究反隱身技術(shù)途徑以應(yīng)對隱身目標(biāo)的挑戰(zhàn),已引起各級用戶和專家學(xué)者的廣泛關(guān)注。目前能夠?qū)崿F(xiàn)的反隱身技術(shù)手段主要有:

1) 體系對抗反隱身

改造提升現(xiàn)役雷達性能,適當(dāng)添加機動性能好的現(xiàn)代化雷達構(gòu)成組網(wǎng)雷達系統(tǒng),初步形成體系對抗的網(wǎng)絡(luò),并進一步研究體系對抗的各種措施,逐步形成能對隱身目標(biāo)進行搜索、跟蹤的預(yù)警探測系統(tǒng)。

2) 頻域反隱身

用于隱身的吸波材料和吸波結(jié)構(gòu)主要對1GHz～20GHz頻段內(nèi)的電磁波產(chǎn)生作用,可采用工作頻率在此范圍以外的米波和毫米波雷達,實現(xiàn)頻率上反隱身。

3) 改善檢測性能反隱身

在役和在研雷達檢測性能提高是反隱身的重要環(huán)節(jié),通過積累改善信噪比(SNR)、減小信號處理損失、降低檢測門限、實現(xiàn)多雷達掃描間檢測等都是提高低RCS目標(biāo)發(fā)現(xiàn)概率的有效手段。

已經(jīng)實現(xiàn)和正在研究中的其他反隱身方法和手段,如自適應(yīng)極化雷達、高空預(yù)警機等都可以歸于體系對抗,實際上反隱身手段應(yīng)該是各種方法的綜合應(yīng)用。任何一種成功設(shè)計的隱身目標(biāo)相對常規(guī)目標(biāo)來說,其本質(zhì)是減小了RCS,這給雷達檢測帶來了難度,解決低RCS目標(biāo)檢測的雷達設(shè)計應(yīng)引起高度重視。

本文解決隱身目標(biāo)探測的思路為

1) 按探測任務(wù)需求構(gòu)成組網(wǎng)雷達系統(tǒng),保證至少有一部雷達能夠?qū)娜魏畏较騺硪u的隱身目標(biāo)在鼻錐方向的水平±45°,垂直±30°以外的區(qū)域進行照射,形成多重覆蓋、多視角探測系統(tǒng);

2) 對現(xiàn)役雷達進行相參和非相參積累改造,降低自動檢測門限,提升其檢測性能,改善雷達對低RCS目標(biāo)檢測的靈敏度;

3) 采用多雷達航跡先于檢測技術(shù),合理提高各雷達的發(fā)現(xiàn)概率,利用多雷達掃描間的關(guān)聯(lián),濾除虛警及雜波,改善對目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)能力。

本文還分析了多雷達信號積累的可能性,分析結(jié)果認為:多雷達信號非相參積累的SNR隨著積累數(shù)的增長改善并不顯著,發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的能力提升有限;而相參積累的效果較好,特別是在超寬帶處理用于目標(biāo)識別方面的研究很有價值,但設(shè)備復(fù)雜度和技術(shù)難度都增大很多。文章最后得出結(jié)論:采用上述各種方法后,對隱身目標(biāo)的檢測性能接近隱身前水平。

2 組網(wǎng)雷達系統(tǒng)的設(shè)計思路

2.1 組網(wǎng)雷達的反隱身性能

隱身飛機整形設(shè)計主要針對易受攻擊的正前方鼻錐方向的水平±45°,垂直±30°的單基地雷達,在這個方向上目標(biāo)的雷達散射截面積(RCS)縮減了10dB～30dB;而在其他方向上的RCS減小不多,這種設(shè)計使得隱身飛機并非是完全“看不見的”,而是給雷達探測留有空間窗口;吸波材料涂層和吸波結(jié)構(gòu)主要對1GHz～20GHz頻段內(nèi)的微波發(fā)生作用,這種特點給雷達探測留下了頻率窗口。組網(wǎng)雷達系統(tǒng)正是利用這種原理,采用多雷達以不同頻率從不同角度照射隱身目標(biāo),使處于網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的隱身目標(biāo)可被多部雷達探測到,提高了雷達對隱身目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率。因此雷達組網(wǎng)是實現(xiàn)反隱身的有效途徑。

2.2 反隱身對組網(wǎng)雷達系統(tǒng)部署的要求

假設(shè)雷達網(wǎng)由N部雷達D1,D2,…,DN組成,對應(yīng)的工作頻率為(f1,f2,…,fN),以中心站為坐標(biāo)原點,建立地面直角坐標(biāo)系,雷達部署位置分別為o1(x1,y1),o2(x2,y2),…,oN(xN,yN),目標(biāo)T的位置坐標(biāo)為oT(xT,yT),目標(biāo)飛行的航向為θ0,俯仰角為φ,如圖1所示。

其中θ1,θ2,…,θN分別為雷達對目標(biāo)的照射角θi=θ(θ0,oi(xi,yi)),假設(shè)雷達i的目標(biāo)反射截面積為RCS(i),則有

RCS(i)=f(θ0,θi,φ,fi)

(1)

假設(shè)雷達i對目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率為Pd(i),則有

Pd(i)=g(θ0,θi,φ,fi,Ri)

(2)

其中:Ri為雷達i與目標(biāo)的距離,σ為目標(biāo)的RCS,由式(1)計算。

則雷達組網(wǎng)后對目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率為

=F(θ0,θi,φ,fi,Ri)

(3)

要使雷達網(wǎng)能發(fā)現(xiàn)其覆蓋范圍內(nèi)的任意位置出現(xiàn)的以任意方式飛行的隱身目標(biāo),即雷達網(wǎng)對目標(biāo)的探測有目標(biāo)的飛行方式無關(guān),同時雷達網(wǎng)總至少有一部雷達對目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率大于發(fā)現(xiàn)概率的門限值δ,需滿足下面的條件：

(4)

如果式(4)有解,則通過資源的優(yōu)化配置可實現(xiàn)組網(wǎng)雷達系統(tǒng)對任何方向來襲隱身目標(biāo)的探測;如果式(4)無解,則不能直接通過現(xiàn)有雷達資源的配置達到全局最優(yōu)的反隱身效果,這種情況下,一方面在工程上,可以通過現(xiàn)有資源的合理配置,達到在現(xiàn)有資源條件下的局部最優(yōu)反隱身性能;另一方面由式(4)可以發(fā)現(xiàn),組網(wǎng)雷達系統(tǒng)對隱身目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率受單雷達的檢測性能的制約,因此通過改善單雷達的檢測性能可以使組網(wǎng)雷達系統(tǒng)對隱身目標(biāo)的探測能力進一步提高。

3 改善單雷達的積累檢測性能

單雷達相參積累檢測方法很多,這里以動目標(biāo)檢測(MTD)為例,處理示意如圖2所示。

圖2中對消處理能抑制固定雜波,并降低多普勒濾波所需的動態(tài)范圍;多普勒濾波完成相參脈沖串的匹配濾波,利用回波脈沖的相參性而進行相參積累;自適應(yīng)門限是由同一濾波器的左右相鄰16個距離單元輸出求和得到統(tǒng)計平均值,再由虛警概率的要求,將各個門限乘上相應(yīng)的常數(shù)而確定。零通道處理用于檢測切向運動目標(biāo),在動目標(biāo)檢測系統(tǒng)中用雜波圖作為門限來檢測零多普勒頻率的切向目標(biāo)。

動目標(biāo)檢測系統(tǒng)的靈敏度提高主要受積累單元數(shù)有限的自適應(yīng)門限的制約,帶來的積累檢測損失較大。為避免由此帶來的影響,工程設(shè)計采用由雜波圖選擇:雜波區(qū)選擇相參積累檢測;其他區(qū)域選擇非相參積累檢測器。因為雜波區(qū)離雷達較近,目標(biāo)信噪比較強,對檢測器的靈敏度要求不是很苛刻;而非雜波區(qū)選用雙門限檢測器,典型代表為二進制滑窗檢測器。這種檢測器電路簡單,工程上易于實現(xiàn)且抗異步干擾性能好,但檢測損失比雙極點和最佳檢測器大2dB以上。為減小檢測損失,這里介紹一種工程上可以實現(xiàn)的視頻積累檢測器。

視頻積累屬于非相參積累,其實現(xiàn)原理為:對雷達探測的視頻回波信號采取多級存貯、逐級抽頭的方法實現(xiàn)信號延時,延時的級數(shù)與積累次數(shù)相同,對逐級抽頭的信號按給定的權(quán)系數(shù)相乘并累加,則可實現(xiàn)積累。表達式為

(5)

式中:αi為權(quán)系數(shù),由雷達水平波瓣形狀決定;Tr為脈沖重復(fù)周期;N為3dB水平波瓣內(nèi)脈沖個數(shù);ui(t-iTr)為水平波瓣距離剖面的回波幅度值。

相關(guān)文獻[3～4]已證明:按上式完成的積累器,是視頻脈沖串的匹配濾波器。工程上為實現(xiàn)方便,一般近似取a1=a2=…=an=1。比按波瓣形狀產(chǎn)生加權(quán)系數(shù),積累損失增加了0.3dB左右,但降低了運算的復(fù)雜度。

以積累器為核心構(gòu)成視頻積累自動檢測器如圖3所示。

用視頻積累自動檢測器改造雷達系統(tǒng)的雙門限二進制滑窗檢測器,可改善對低RCS目標(biāo)和機動目標(biāo)的檢測性能,減小檢測損失2dB左右,相當(dāng)于雷達發(fā)現(xiàn)距離增加12%。

工程上,可把由虛警概率決定的自動檢測門限VT設(shè)計成由數(shù)據(jù)處理設(shè)備或數(shù)據(jù)融合中心按需要調(diào)整,以便進一步提高檢測概率。下面介紹的多雷達航跡先于檢測技術(shù),就是通過調(diào)整各雷達的自動檢測門限改善對隱身目標(biāo)的檢測。

4 組網(wǎng)雷達航跡先于檢測技術(shù)

相參與非相參積累都只是解決單次掃描脈沖串之間的積累,利用多次掃描信息進行幀間積累,降低對單次掃描SNR要求,可以改善低RCS目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)能力。在組網(wǎng)雷達系統(tǒng)可以使用航跡先于檢測(Trace Before Detection,TBD)技術(shù)實現(xiàn)掃描間積累。從關(guān)聯(lián)算法的角度來說,多雷達的TBD比單雷達TBD還容易實現(xiàn),因為多雷達點跡數(shù)據(jù)率比單雷達的點跡數(shù)據(jù)率要高,所需關(guān)聯(lián)范圍小,點跡處理的復(fù)雜度要低一些。

單雷達TBD方法原理為:按前面介紹的視頻積累方法對雷達回波信號進行積累,由于參加積累的雷達視頻回波均為統(tǒng)計獨立,由中心極限定理知:積累的和信號概率密度函數(shù)接近正態(tài)分布[5]。假設(shè)積累后的變量為y,只有噪聲和信號加噪聲情況下的概率密度函數(shù)分別為P(y/0)、P(y/s),如圖4所示。

雷達自動檢測系統(tǒng)按紐曼-皮爾遜準(zhǔn)則確定門限,即在給定的虛警概率下,按檢測概率最大設(shè)置自動檢測門限。假設(shè)檢測門限為VT,這時虛警概率Pf與檢測概率Pd分別表示為

(6)

(7)

工程應(yīng)用中,一般按虛警概率Pf=10-6計算一定時間內(nèi)虛警的數(shù)目,調(diào)整門限VT使之符合虛警數(shù)要求,此時發(fā)現(xiàn)概率最大。TBD技術(shù)要求:在系統(tǒng)能夠承受并能處理的虛警范圍內(nèi),調(diào)整檢測門限VT,使檢測概率盡可能大,所產(chǎn)生的虛警通過幀間相關(guān)濾除,而目標(biāo)由幀間相關(guān)準(zhǔn)則M/N進行檢測。

多雷達TBD技術(shù)為:按系統(tǒng)處理能力合理設(shè)計各雷達自動檢測門限,按時間對點跡數(shù)據(jù)進行排序,若對N次多雷達掃描,收到同一目標(biāo)的點跡為M次或M次以上,則判斷目標(biāo)存在并起始跟蹤。

在單雷達情況下,虛警概率可增大1～2個數(shù)量級,考慮到虛警的隨機性,目標(biāo)在掃描之間的相關(guān)性,通過數(shù)據(jù)處理算法,可濾除虛警點跡。檢測門限越低,虛警越大,檢測概率越大,越有利于低RCS目標(biāo)的檢測,但受通信鏈路的容量、點跡關(guān)聯(lián)處理復(fù)雜度限制。通過雷達目標(biāo)模擬器與數(shù)據(jù)處理設(shè)備的試驗表明:在相同的檢測概率條件下,使用TBD方法,SNR的改善大于5dB。

通過分析:多雷達的TBD技術(shù)使用其總體效果應(yīng)優(yōu)于單雷達情況。工程實現(xiàn)主要難點為:時間基準(zhǔn)與點跡數(shù)據(jù)的實時性;各雷達空間定位準(zhǔn)確度與坐標(biāo)變換誤差;各雷達的基準(zhǔn)正北和方位誤差的校正;各雷達系統(tǒng)誤差及校正;各雷達的天線抖動誤差估計及校正等[6]。

5 組網(wǎng)雷達信號積累檢測

組網(wǎng)雷達信號積累分為相參與非相參兩種,積累的雷達方程為

(8)

式中:N為可同時照射目標(biāo)的雷達數(shù)目;M為雷達水平波瓣3dB寬度內(nèi)脈沖數(shù)目,這里假設(shè)N部雷達脈沖數(shù)目均相同;aij為由第i部雷達水平波束形狀決定的積累加權(quán)系數(shù);σi為第i部雷達從不同視角照射的目標(biāo)RCS;Ri為第i部雷達從不同視角觀測目標(biāo)的距離;Ki為單雷達方程中的其他參數(shù)。

由此看來,用非相參積累來處理組網(wǎng)雷達信號積累檢測,其效果不會隨脈沖數(shù)增加而明顯改善;而用相參積累來解決組網(wǎng)雷達信號集中檢測的工程應(yīng)用問題,尚有不少難題需要解決[7]。故采用多雷達TBD技術(shù)實現(xiàn)組網(wǎng)雷達的集中檢測,應(yīng)是工程實現(xiàn)與實際效果方面的最佳折中方案。

6 結(jié)語

根據(jù)有關(guān)資料[8～9],F-117A在前視方向的RCS下降約22dB,而其他方向平均下降低于9dB。組網(wǎng)雷達系統(tǒng)通過多角度的有效觀測,實際上隱身目標(biāo)的RCS下降僅為9dB,經(jīng)采取改善單雷達積累檢測性能獲得2dB得益[10],組網(wǎng)雷達的TBD技術(shù)獲得5dB得益,累計隱身目標(biāo)的RCS僅下降2dB。因此,基于組網(wǎng)雷達系統(tǒng)、改善雷達檢測性能和多雷達航跡先于檢測等技術(shù)的綜合應(yīng)用,可近似抵消隱身技術(shù)的作用。

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Detection Technology for the Stealth Target Based on the Netted Radars System

ZHENG Shoufeng

(No. 91851 Troops of PLA, Huludao 125001)

As the routinization and diffusiveness of stealth targets brings serious threatening to the early warning detection system, the detection of low RCS targets will be studied from the aspect of system countermeasure. This paper brings forward the anti-stealth way that synthetically applies the technologies such as the netted radars system, improving the radar’s detection performance and multi-radar’s trace before detection. The analyses indicate that the engineering application of these technologies can almost counteract the RCS decline of the stealth targets.

stealth target, netted radars system, video accumulate, signal accumulate detection, trace before detection

2016年8月16日,

2016年9月23日

鄭守峰,男,助理工程師,研究方向:雷達工程及靶彈控制技術(shù)。

TN95

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.02.004