無(wú)源超視距偵察系統(tǒng)的原理與實(shí)現(xiàn)

朱擁建，羅 熙，梁國(guó)富

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第51研究所，上海 201802)

0 引 言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是要求武器系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程預(yù)警、遠(yuǎn)程探測(cè)定位以及隱蔽性好的能力[1]。與有源探測(cè)系統(tǒng)相比，無(wú)源偵察系統(tǒng)主要用于接收雷達(dá)等輻射源向外輻射的單程電磁波信號(hào)，它自身不主動(dòng)向外輻射電磁波信號(hào)，從而具有偵察距離遠(yuǎn)、預(yù)警時(shí)間長(zhǎng)、隱蔽性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。因此，無(wú)源偵察系統(tǒng)已成為新時(shí)期電子戰(zhàn)裝備的研究重點(diǎn)[2-3]。

隨著國(guó)際形勢(shì)的變化，為有效應(yīng)對(duì)其他國(guó)家對(duì)我海洋安全構(gòu)成的威脅，必須確保對(duì)重點(diǎn)海域和空域的全天候、全天時(shí)遠(yuǎn)程偵察監(jiān)視。從而要求無(wú)源偵察系統(tǒng)能夠?qū)Τ^(guò)視距范圍外的目標(biāo)進(jìn)行偵察、發(fā)現(xiàn)和定位，達(dá)到戰(zhàn)略預(yù)警的目的。常規(guī)的解決方法是將偵察設(shè)備架設(shè)到空中平臺(tái)上，但其連續(xù)觀測(cè)時(shí)間受載機(jī)平臺(tái)巡航時(shí)間的限制，很難遂行全天候偵察任務(wù)；另外，無(wú)源偵察載荷也會(huì)因其尺寸、重量的局限性，使得偵察性能有限。本文介紹的方案則是將偵察設(shè)備裝配在車(chē)載或岸基平臺(tái)上。顯然，車(chē)載或岸基等平臺(tái)的尺寸重量相對(duì)寬裕、使用條件優(yōu)越，可充分利用電波的對(duì)流層散射機(jī)理，采用超大尺寸的天線陣面、高靈敏度數(shù)字接收技術(shù)及弱信號(hào)檢測(cè)提取技術(shù)，將系統(tǒng)的作用距離從視距拓展至超視距(如烏克蘭的“Koltchuga”偵察系統(tǒng)[8])，為雷達(dá)偵察從近程搜索向遠(yuǎn)程預(yù)警發(fā)展提供新的支撐手段[4]。

1 基于對(duì)流層散射的微波超視距傳播機(jī)理

1.1 對(duì)流層的氣象參數(shù)

電磁波在自然空間中的傳輸主要受地球曲率和地表大氣層的影響，對(duì)流層則是地表大氣層的最低層。它的頂端高度，主要隨緯度而不同[5]。在赤道附近，對(duì)流層的平均高度為16～18Km；在南北極，對(duì)流層平均高度為8～10Km；在溫帶地區(qū)對(duì)流層平均高度為10～12Km。對(duì)流層中富含的水汽，以各種云層、旋轉(zhuǎn)氣團(tuán)、霧、雨、雪、冰雹等形式出現(xiàn)在離地表數(shù)公里的高度范圍內(nèi)，形成湍動(dòng)區(qū)，這對(duì)基于對(duì)流層散射的電磁波傳播有著重要影響[6]。

1.2 對(duì)流層的折射指數(shù)

對(duì)流層特性對(duì)電磁波的傳輸影響可用折射指數(shù)來(lái)表達(dá)。我們知道，折射指數(shù)與大氣的濕度、溫度和壓強(qiáng)三種氣象因素存在著密切關(guān)系，并隨空間和時(shí)間發(fā)生復(fù)雜的變化[4]，從而引發(fā)了對(duì)流層中各種各樣的傳播現(xiàn)象，如收發(fā)兩地傳播路徑上的時(shí)延效應(yīng)、多徑疊加、大氣波導(dǎo)、極化旋轉(zhuǎn)和信號(hào)功率衰落等。對(duì)流層的折射系數(shù)計(jì)算如下：

N=(77.6/T)*[p+(4810*e)/T]

(1)

式中：p為大氣總氣壓；e為水汽壓；T為溫度。

1.3 對(duì)流層散射傳播理論

早在上世紀(jì)三十年代，對(duì)流層散射傳播現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)，繞射理論曾被作為超視距通信的基礎(chǔ)理論，人們認(rèn)為電磁波超視距傳輸遵循繞射理論；馬可尼的試驗(yàn)則推翻了這一觀點(diǎn)，因?yàn)樵谶h(yuǎn)超視距的測(cè)試點(diǎn)，能得到比繞射理論的強(qiáng)度要大得多的信號(hào)。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，越來(lái)越多的超視距傳播現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)為此建立了一些傳播線路，開(kāi)展了大量試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，不規(guī)則層非相干反射理論、湍流非相干散射理論和穩(wěn)定層相干散射理論三種主要對(duì)流層散射傳輸理論模型被提出。我國(guó)科學(xué)家張明高院士總結(jié)上述三種主要理論的研究結(jié)果，提出了廣義散射理論截面理論模型，認(rèn)為基于對(duì)流層的電磁波超視距傳播一般是三者共同作用的結(jié)果[4]。

由于對(duì)流層中不均勻介質(zhì)對(duì)電磁波的散射效應(yīng)，不考慮輻射源功率和收發(fā)天線孔徑的影響，二次散射的電磁波能夠到達(dá)介質(zhì)上可觀測(cè)到的所有接收點(diǎn)。當(dāng)對(duì)流層中的介質(zhì)散射體在距離地表10 km以上的高度時(shí)，其傳播跨距可達(dá)幾百公里甚至上千公里，這也說(shuō)明了基于對(duì)流層散射傳播機(jī)理能夠?qū)崿F(xiàn)視距外的電磁波傳輸。

2 基于對(duì)流層散射的傳輸損耗工程估算

2.1 散射傳播損耗的理論計(jì)算

發(fā)射站主動(dòng)輻射的電磁波經(jīng)過(guò)對(duì)流層散射傳輸后，到達(dá)接收站的場(chǎng)強(qiáng)是由不均勻介質(zhì)的散射而引起的，其計(jì)算方法與直射波場(chǎng)強(qiáng)計(jì)算方法不同，需引入一個(gè)新的參量σ(θ)(有效散射面積)，即：

Ls=Pt/Pr=(4*π3*R4)/[Gt*Gr*λ2*σ(θ)]

(2)

式中：Ls為對(duì)流層的散射傳播損耗；R為發(fā)射、接收站之間的距離；Gt為發(fā)射天線增益；Gr為接收天線增益；λ為工作波長(zhǎng)；σ(θ)為有效散射面積。

2.2 散射傳播損耗的工程估算

我國(guó)從事電波傳播研究的專業(yè)人員通經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，形成了完備的對(duì)流層散射傳播損耗數(shù)據(jù)分析和模型計(jì)算結(jié)果，并在廣義散射截面計(jì)算的基礎(chǔ)上(廣義散射截面模型已成為ITU推薦的國(guó)際通用建議)，得出散射傳輸損耗的計(jì)算公式如下[7]：

Lm=F+30lgf+30lgΘ0+10lgd+20lg(5+γH)+

4.343γh0+Lc

(3)

式(3)中，Lm為損耗中值；F為氣象因子；f為電磁波載頻；Θ0、d、H、h0是和傳輸電路有關(guān)的參數(shù)，γ為衰減系數(shù)，Lc為耦合損耗。各主要?dú)夂騾^(qū)的氣象參數(shù)如表1所示。

表1 氣象和大氣結(jié)構(gòu)參數(shù)F和γ

上表中所列的氣候區(qū)：1-赤道；2-沙漠；3-海洋性溫帶陸地；4-大陸性溫帶；5-大陸性亞熱帶；6-海洋性溫帶海面；7-海洋性亞熱帶。

3 對(duì)流層散射傳播的特點(diǎn)

上文基于對(duì)流層散射的微波超視距傳播機(jī)理進(jìn)行了分析，從而得出電磁波信號(hào)經(jīng)過(guò)對(duì)流層介質(zhì)散射具有特定的傳播特性，具體地可從傳輸損耗特性、帶寬特性和衰落特性三點(diǎn)來(lái)考慮。

3.1 傳輸損耗特性

由公式(3)可以看出，散射傳輸損耗與氣象因子、收發(fā)距離、電磁波載頻、散射角、散射體高度、電磁波橫跨區(qū)域等諸多因素相關(guān)：散射損耗隨距離增大而增加，據(jù)統(tǒng)計(jì)，在收發(fā)兩站間距1000 km的范圍內(nèi)，距離每增加100 km，傳輸損耗約增加8～10 dB；散射損耗隨電磁波載頻增高而略有增加；散射損耗具有較強(qiáng)的季節(jié)敏感性，不同季節(jié)，同一輻射源經(jīng)過(guò)對(duì)流層散射傳播的信號(hào)幅度變化可達(dá)20 dB以上，極限情況下，同一天早晚的信號(hào)幅度相差都可能達(dá)到10 dB以上。

3.2 帶寬特性

當(dāng)某個(gè)寬頻帶信號(hào)經(jīng)過(guò)對(duì)流層散射傳輸至接收站時(shí)，由于不均勻介質(zhì)散射體空間分布的不規(guī)律性，它們通過(guò)各自的散射路徑到達(dá)接收站，會(huì)產(chǎn)生不同時(shí)延；另外，相同時(shí)延對(duì)不同的頻率分量也會(huì)產(chǎn)生不同的相位變化，致使信號(hào)波形失真，所以在實(shí)際工程中基于對(duì)流層散射的寬帶超視距偵察應(yīng)考慮帶寬的影響。

3.3 衰落特性

基于對(duì)流層散射的超視距傳輸，散射信號(hào)的衰落現(xiàn)象包括慢衰落和快衰落兩種。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，散射信號(hào)慢衰落呈現(xiàn)出統(tǒng)計(jì)規(guī)律特性，信號(hào)功率的對(duì)數(shù)近似正態(tài)分布規(guī)律；散射信號(hào)快衰落則主要由不均勻介質(zhì)散射體多徑傳播導(dǎo)致，與電磁波頻率和收發(fā)站跨距等因素有關(guān)。

4 無(wú)源超視距偵察系統(tǒng)樣機(jī)設(shè)計(jì)

4.1 超視距測(cè)向基本原理

基于對(duì)流層散射的超視距傳輸過(guò)程中，其具備的損耗特性和能量前向散射特性可在工程設(shè)計(jì)中加以利用。無(wú)源超視距偵察設(shè)備可利用對(duì)流層對(duì)信號(hào)的前向散射作用，對(duì)雷達(dá)輻射源目標(biāo)進(jìn)行超視距偵察測(cè)向，圖1為超視距測(cè)向原理示意圖。

圖1 超視距測(cè)向原理示意圖

4.2 無(wú)源超視距偵察系統(tǒng)設(shè)計(jì)

無(wú)源超視距偵察定位系統(tǒng)，基本定位原理是采用測(cè)向交會(huì)定位原理[10]。利用大氣對(duì)流層對(duì)雷達(dá)輻射源信號(hào)的散射效應(yīng)，用兩套相同的偵察設(shè)備通過(guò)合理布站就可以對(duì)輻射源信號(hào)進(jìn)行截獲測(cè)量和測(cè)向，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)輻射源目標(biāo)的超視距偵察定位，偵察設(shè)備主要包含天饋、射頻前端、變頻單元、信號(hào)采集、信號(hào)處理和綜合顯控等構(gòu)成，設(shè)備組成原理框圖如圖2所示。

圖2 偵察設(shè)備組成原理框圖

為獲得較高的測(cè)向精度，要求偵察設(shè)備具有較窄的測(cè)向波束[11]，在原理樣機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中我們可以采用兼具高增益和窄波束的大反射面的拋物面天線，饋源分0.8～2 GHz、2～4 GHz和4～6 GHz三段，可以滿足0.8 GHz～6 GHz的頻率覆蓋指標(biāo)要求，當(dāng)然在通道及處理資源豐富的情況下，我們也可以陣列天線技術(shù)，通過(guò)數(shù)字波束形成技術(shù)，在空域上形成多個(gè)高增益數(shù)字波束，在確保高增益接收的情況下，提升空域覆蓋能力。

射頻前端主要對(duì)天線接收到微弱信號(hào)進(jìn)行放大濾波，該功能在工程設(shè)計(jì)中一般緊靠天饋放置，以改善整個(gè)射頻鏈路的噪聲系數(shù)，變頻單元?jiǎng)t將射頻信號(hào)放大、混頻和濾波后變?yōu)橹蓄l信號(hào)，經(jīng)信號(hào)采樣后送入信號(hào)處理單元。

信號(hào)處理完成雷達(dá)信號(hào)的頻率、脈寬、方位等參數(shù)的測(cè)量，形成脈沖信號(hào)描述字(PDW)，經(jīng)過(guò)信號(hào)分選后生成輻射源參數(shù)情報(bào)。為獲得較高的系統(tǒng)靈敏度，除采取高增益天線外，還需采取數(shù)字接收與相關(guān)處理技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)弱小目標(biāo)的檢測(cè)。

4.3 超視距偵察原理樣機(jī)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

為克服利用對(duì)流層散射帶來(lái)的信號(hào)傳輸損耗大、信號(hào)衰落嚴(yán)重的影響[12]，根據(jù)上述對(duì)流層散射傳輸損耗理論分析和工程估算可以得出，在P/L/S頻段，電磁波超視距傳輸損耗超過(guò)200 dB，在工程實(shí)施上可采取下列措施：

(1)高增益天線

構(gòu)建高增益接收天線，形成接收方位窄波束，提升系統(tǒng)靈敏度，并減小收發(fā)共視區(qū)內(nèi)散射體的體積，有效降低衰落。經(jīng)過(guò)工作計(jì)算分析，系統(tǒng)對(duì)天線增益的要求在20～45 dB之間。

(2)高靈敏度接收設(shè)備

要求偵察接收的靈敏度在100 MHz的中頻帶寬時(shí)達(dá)-145 dBW以上，這在接收處理需采用數(shù)字處理技術(shù)，以提高信號(hào)檢測(cè)靈敏度[9]。

(3)偵察設(shè)備站址選擇

通常來(lái)講，散射角θ越小，傳輸損耗越小，因此在超視距偵察站部署時(shí)，應(yīng)盡可能將站址設(shè)在局部制高點(diǎn)，沿岸部署的設(shè)備應(yīng)盡可能靠近海邊，減少收發(fā)跨距中的陸地丘陵距離，接收天線的俯角不能太高[13]；此外站址選擇上還應(yīng)避開(kāi)廣播電臺(tái)、移動(dòng)通信系統(tǒng)以及周?chē)走_(dá)、干擾設(shè)備的影響。

4.4 試驗(yàn)情況

(1)試驗(yàn)?zāi)康?/p>

通過(guò)外場(chǎng)試驗(yàn)檢驗(yàn)無(wú)源超視距偵察原理樣機(jī)(單站設(shè)備)在實(shí)際信號(hào)環(huán)境下的超視距偵察能力，探索收發(fā)地氣候環(huán)境與超視距截獲概率間的一般關(guān)系，為超視距偵察技術(shù)的工程應(yīng)用提供技術(shù)支撐。

(2)試驗(yàn)場(chǎng)景規(guī)劃

試驗(yàn)場(chǎng)景規(guī)劃重點(diǎn)確定原理樣機(jī)與大功率雷達(dá)輻射源間的相對(duì)位置關(guān)系，必須滿足下述要求：一、收發(fā)地間距滿足樣機(jī)超視距偵察距離驗(yàn)證需求；二、信號(hào)傳輸路徑剖面上沒(méi)有高山或高原，以最大限度降低地理因素對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊慬14]；三、在信號(hào)傳播路徑上距原理樣機(jī)和輻射源雷達(dá)30 km范圍內(nèi)沒(méi)有高層建筑或高山等遮擋物，以減小信號(hào)路徑傳輸損耗。四、原理樣機(jī)周邊盡量空曠，以減小多徑效應(yīng)。根據(jù)上述原則，原理樣機(jī)放置在上海海邊某空曠基地，配試?yán)走_(dá)則選擇渤海灣某S波段雷達(dá)，兩者之間的信號(hào)傳輸路徑垂直剖面位于黃海及渤海上空，沒(méi)有導(dǎo)致信號(hào)大幅度衰落地理因素，是試驗(yàn)的理想場(chǎng)景。

(3)試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)在一段時(shí)間內(nèi)的不同時(shí)刻觀測(cè)的樣機(jī)的偵收結(jié)果，以工作時(shí)段內(nèi)一分鐘為考核單元，以考核單元偵收到目標(biāo)雷達(dá)信號(hào)為截獲依據(jù)，以截獲單元數(shù)占工作時(shí)段的百分比為系統(tǒng)偵察概率，現(xiàn)給出試驗(yàn)過(guò)程中典型統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表2所示。超視距偵察概率如圖3所示。

表2 偵察概率數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

續(xù)表2

圖3 偵察概率直方圖統(tǒng)計(jì)

試驗(yàn)表明，原理樣機(jī)在該試驗(yàn)場(chǎng)景下具備一定的超視距偵察能力。試驗(yàn)也說(shuō)明基于對(duì)流層散射的超視距偵察對(duì)氣候環(huán)境的依賴性較高[15]，氣候環(huán)境適宜時(shí)，超視距偵察的階段信號(hào)偵察概率達(dá)80%以上，但當(dāng)氣候條件惡劣時(shí)，信號(hào)偵察概率低于50%，甚至出現(xiàn)不能偵察到目標(biāo)信號(hào)的現(xiàn)象。

5 結(jié) 語(yǔ)

電波的超視距傳播是一種自然現(xiàn)象，本文通過(guò)基于對(duì)流層散射機(jī)理的超視距無(wú)源偵察定位技術(shù)的分析研究，并以此為依據(jù)開(kāi)展樣機(jī)的研制工作。作者所在的課題組分別在在“十一五”和“十二五”期間，利用該項(xiàng)技術(shù)完成了超視距車(chē)載原理樣機(jī)和超視距陣列體制原理樣機(jī)的設(shè)計(jì)，外場(chǎng)試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果充分證明了該技術(shù)的可實(shí)現(xiàn)性和技術(shù)優(yōu)勢(shì)。在大量外場(chǎng)試驗(yàn)過(guò)程中，作者發(fā)現(xiàn)在超視距探測(cè)過(guò)程中存在短時(shí)(10 s)信號(hào)幅度起伏超過(guò)20 dB的現(xiàn)象，什么因素能導(dǎo)致這種狀態(tài)的發(fā)生呢？非常有必要進(jìn)行進(jìn)一步探索。同時(shí)作者還發(fā)現(xiàn)在環(huán)境潮濕、云層較厚，人感覺(jué)悶熱時(shí)，傳輸損耗大幅度增加，探測(cè)效果不佳；若天高云淡、海面微風(fēng)、溫度適中，給人感覺(jué)舒適的時(shí)候，往往傳輸損耗減小，探測(cè)效果較好。一天中的早上及晚上傳輸損耗較小，中午傳輸損耗相對(duì)較大，以上現(xiàn)象是個(gè)例還是具有普遍性？有待后續(xù)進(jìn)一步研究分析。