基于分布式的隱蔽式探測(cè)技術(shù)研究

陳 川，顧村鋒

（1.上海航天技術(shù)研究院，上海201109；2.上海機(jī)電工程研究所，上海201109）

0 引 言

2018年4月13日，美國(guó)聯(lián)合英國(guó)、法國(guó)對(duì)敘利亞發(fā)動(dòng)“精準(zhǔn)打擊”。在14日晚間的新聞發(fā)布會(huì)上，美國(guó)國(guó)防部長(zhǎng)馬蒂斯宣稱，本次空襲由美、英、法三國(guó)聯(lián)合進(jìn)行，共發(fā)射105枚導(dǎo)彈打擊了敘利亞三處目標(biāo)：打擊大馬士革Barzah研究中心使用了76枚導(dǎo)彈，包括57枚“戰(zhàn)斧”和19枚 AGM-158 JASSM-ER聯(lián)合防區(qū)外打擊導(dǎo)彈；打擊霍姆斯附近的化學(xué)武器存儲(chǔ)設(shè)施使用了22枚導(dǎo)彈，包括9枚“戰(zhàn)斧”導(dǎo)彈、10枚“風(fēng)暴陰影”導(dǎo)彈和3枚SCALP巡航導(dǎo)彈；打擊化學(xué)品倉(cāng)庫(kù)和敘利亞政府軍的“重要指揮所”，使用了7枚SCALP導(dǎo)彈。美國(guó)參謀長(zhǎng)聯(lián)席會(huì)議辦公廳主任、海軍陸戰(zhàn)隊(duì)中將肯尼斯·麥肯齊將此次聯(lián)合打擊形容為“精確的，壓倒性的和有效的”。

綜合分析本次空襲作戰(zhàn)，在攻擊初期，美國(guó)使用以巡航導(dǎo)彈為代表的遠(yuǎn)程精確制導(dǎo)彈藥首先將“遠(yuǎn)距離大功率雷達(dá)”等重要設(shè)施擊毀，使敵防空設(shè)施及指揮系統(tǒng)等重要目標(biāo)陷入癱瘓或半癱瘓狀態(tài)，有效摧毀敵防空反制能力，贏得作戰(zhàn)主動(dòng)權(quán)。

美國(guó)雷神公司的MALD系統(tǒng)也曾公開(kāi)推行過(guò)在戰(zhàn)爭(zhēng)初期通過(guò)被動(dòng)探測(cè)或者引誘開(kāi)機(jī)的方式，偵測(cè)敵方防空系統(tǒng)，在找出敵方雷達(dá)和發(fā)射機(jī)位置的基礎(chǔ)上，實(shí)施精確打擊，使得敵方防空系統(tǒng)癱瘓、致盲。

針對(duì)美國(guó)此類作戰(zhàn)方式，本文首先詳細(xì)分析了作為防空系統(tǒng)“眼睛”的遠(yuǎn)距離大功率雷達(dá)將面臨的威脅和挑戰(zhàn)。在此基礎(chǔ)上，提出分布式探測(cè)方案，給出探測(cè)原理，分析了相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，以及采用分布式探測(cè)方式帶來(lái)的探測(cè)優(yōu)勢(shì)。

1 問(wèn)題分析

對(duì)于武器系統(tǒng)而言，大型遠(yuǎn)距離大功率雷達(dá)承擔(dān)了預(yù)警、探測(cè)、跟蹤敵對(duì)目標(biāo)的多項(xiàng)任務(wù)，而為了增加武器系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間，提升裝備的打擊批次，提高裝備的戰(zhàn)時(shí)生存率，武器系統(tǒng)需要不斷提升大功率雷達(dá)的探測(cè)距離，以提升武器裝備的整體性能。

鑒于大型遠(yuǎn)距離大功率雷達(dá)所肩負(fù)的戰(zhàn)爭(zhēng)使命，其通常被作為打擊的首要目標(biāo)，而從其自身的技術(shù)特點(diǎn)而言，也易于成為被打擊對(duì)象，主要表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：

1）大功率

式（1）給出了雷達(dá)最大探測(cè)距離的雷達(dá)方程，其中，P為雷達(dá)發(fā)射機(jī)輻射功率；G為雷達(dá)天線增益（假設(shè)收發(fā)共用天線）；λ為雷達(dá)信號(hào)波長(zhǎng)；σ為目標(biāo)雷達(dá)散射截面積；Rmax為最大探測(cè)距離；L為系統(tǒng)損耗；Smin為最小可檢測(cè)信號(hào)功率。

由式（1）可知，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的遠(yuǎn)距離探測(cè)，特別是對(duì)隱身目標(biāo)的探測(cè)，首先要增加雷達(dá)發(fā)射機(jī)輻射功率P，但是雷達(dá)發(fā)射機(jī)輻射功率增加的同時(shí)，就提高了自身被發(fā)現(xiàn)的概率，以及敵方反輻射雷達(dá)的探測(cè)距離。

2）大口徑

同理，由式（1）可知，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的遠(yuǎn)距離探測(cè)，可增加雷達(dá)天線增益G，而在相同波長(zhǎng)下，雷達(dá)天線增益越大，必然導(dǎo)致天線口徑越大，雷達(dá)體積也隨之增大，易被探測(cè)發(fā)現(xiàn)。

3）不便于機(jī)動(dòng)

大型遠(yuǎn)距離大功率雷達(dá)具有功率大、散熱裝置大、處理單元多、天線口徑大等特點(diǎn)，必然導(dǎo)致系統(tǒng)龐大復(fù)雜，戰(zhàn)時(shí)即便發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情也基本無(wú)法逃離，不便于機(jī)動(dòng)。即便如美國(guó)在海洋漂浮的SBX雷達(dá)，其機(jī)動(dòng)能力也相當(dāng)有限，如被發(fā)現(xiàn)，基本沒(méi)有逃脫的可能。

2 分布式探測(cè)原理介紹

鑒于大型遠(yuǎn)距離大功率雷達(dá)在武器系統(tǒng)中不可替代的功能和作用，以及其固有的弊端，本文提出基于分布式的隱蔽式探測(cè)技術(shù)，在保證系統(tǒng)探測(cè)能力的同時(shí)，提高其機(jī)動(dòng)能力、隱蔽能力，具體探測(cè)原理如圖1所示。

圖1 分布式探測(cè)示意圖Fig.1 Sketch map of distributed detection

分布式探測(cè)系統(tǒng)包含了若干固定發(fā)射站、移動(dòng)發(fā)射站、固定大型接收站、移動(dòng)接收站以及收發(fā)合作站。

在工作過(guò)程中，原先的大型遠(yuǎn)距離大功率雷達(dá)拆分為若干小功率和小口徑的移動(dòng)或固定的發(fā)射站和接收站，每個(gè)接收站都可接收來(lái)自各個(gè)發(fā)射站的雷達(dá)輻射信號(hào)并進(jìn)行合成處理，具體工作模式可有以下幾種：

1）分布發(fā)射，“無(wú)中心”聯(lián)合處理模式

各發(fā)射站分布發(fā)射，各接收站可獨(dú)立接收所有發(fā)射站輻射目標(biāo)后的反射信號(hào)，各接收站點(diǎn)均可成為處理中心，實(shí)現(xiàn)無(wú)中心化處理方式，系統(tǒng)抗擊打能力大大提升。N個(gè)發(fā)射站同步探測(cè)，接收端即可獲得N次脈沖積累，實(shí)現(xiàn)多個(gè)發(fā)射站發(fā)射功率的合成，雖然單個(gè)發(fā)射站的輻射功率不高，但系統(tǒng)的探測(cè)能力同樣得到保證。同時(shí)，接收站可增大接收陣列，通過(guò)提高接收天線增益，進(jìn)一步提升系統(tǒng)探測(cè)能力，由于接收站處于被動(dòng)探測(cè)狀態(tài)，不易被反輻射系統(tǒng)探測(cè)，即便采用大口徑、大增益方式，其安全性仍然可以得到保證。

2）組陣探測(cè)模式

移動(dòng)站和固定站可以自由組合，優(yōu)化陣列排布，在分布式發(fā)射和接收的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)大口徑天線自適應(yīng)合成，提高整體發(fā)射和接收天線增益，系統(tǒng)探測(cè)能力得到增強(qiáng)。

3）“機(jī)動(dòng)探測(cè)”模式

當(dāng)受到外來(lái)威脅，固定站可以處于靜默狀態(tài)，而移動(dòng)發(fā)射站可處于“機(jī)動(dòng)”探測(cè)狀態(tài)，同時(shí)各站還可處于大空域范圍內(nèi)的“靜默－工作”高速切換狀態(tài)，大大增加敵方探測(cè)和打擊難度，整個(gè)雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)如“鬼影”一般，難以找到蹤跡。

3 分布式探測(cè)關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 分布式探測(cè)時(shí)序同步技術(shù)

在分布式探測(cè)模式下，各發(fā)射和接收站點(diǎn)需要嚴(yán)格的時(shí)序同步，除了發(fā)射和接收時(shí)序的同步以外，為了滿足遠(yuǎn)距離探測(cè)要求，通常采用窄波束高增益探測(cè)方式。此種工作模式下，發(fā)射站和接收站的天線指向等要素也要實(shí)現(xiàn)同步，才可保證效益最大化。在“機(jī)動(dòng)”探測(cè)等模式下，由于各站點(diǎn)特別是移動(dòng)站點(diǎn)間的位置關(guān)系具有時(shí)變性，各站點(diǎn)的自身定位以及相互位置關(guān)系的確定都是確保各站點(diǎn)波束同步、實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)分布式探測(cè)的重中之重。

3.2 分布式探測(cè)波形設(shè)計(jì)

為了使各分布式雷達(dá)可以同時(shí)、同頻工作，不受彼此的同頻干擾影響，需要完成探測(cè)波形的正交化設(shè)計(jì)，可考慮采用正交多載波探測(cè)技術(shù)，對(duì)于N×N的多載波 補(bǔ)碼相位編碼 MCPC（Multi-carrier Complementary Coded），雷達(dá)信號(hào)脈沖可以有N！個(gè)互相正交的余碼序列組合，而由這N！個(gè)余碼序列生成的MCPC雷達(dá)信號(hào)之間都是非相關(guān)的。經(jīng)理論分析證明MCPC雷達(dá)信號(hào)脈沖間的隔離度可達(dá)到23 dB，因此可實(shí)現(xiàn)多臺(tái)雷達(dá)同時(shí)工作，MCPC雷達(dá)探測(cè)信號(hào)結(jié)構(gòu)形式如圖2所示［1～2］。

圖2 N×M的MCPC雷達(dá)信號(hào)結(jié)構(gòu)圖（N為奇數(shù)）Fig.2 Structure of N ×MMCPC signal pulse（N is odd）

單個(gè)MCPC脈沖信號(hào)可用式（2）表示。

其中，

式（2）中，Wn是各載波的幅度權(quán)重；φn，m為第n個(gè)載波的第m個(gè)相位元素。

3.3 自組網(wǎng)，協(xié)同探測(cè)技術(shù)

在分布式探測(cè)條件下，各點(diǎn)協(xié)同工作、時(shí)序配合、陣列排布、“靜默－工作”高速切換狀態(tài)等決定了系統(tǒng)的工作模式、工作流程以及關(guān)鍵的性能指標(biāo)。各工作站間需要自組網(wǎng)、信息共享來(lái)實(shí)現(xiàn)協(xié)同聯(lián)合探測(cè)，特別是移動(dòng)站機(jī)動(dòng)過(guò)程中，行動(dòng)路徑規(guī)劃、各站點(diǎn)空間排布、實(shí)時(shí)探測(cè)口徑優(yōu)化等均為設(shè)計(jì)重點(diǎn)。

4 分布式探測(cè)優(yōu)勢(shì)分析

4.1 單點(diǎn)低功率，隱蔽性強(qiáng)

單程雷達(dá)仿真可表示為

其中，Gt為雷達(dá)天線增益；GR為敵方接收天線增益；Rmax為最大探測(cè)距離。

式（3）中雷達(dá)發(fā)射機(jī)輻射功率為式（1）中遠(yuǎn)距離大功率雷達(dá)發(fā)射機(jī)輻射功率的1／N，同時(shí)天線增益由于口徑變小同樣可降低至前期的1／N，在敵方反輻射雷達(dá)系統(tǒng)靈敏度不變的情況下，雷達(dá)發(fā)射機(jī)的最大探測(cè)距離也降低至1／N，系統(tǒng)隱蔽性大大增強(qiáng)。

4.2 多點(diǎn)聯(lián)合探測(cè)，無(wú)中心化

由于各接收站均能接收到所有發(fā)射站的輻射目標(biāo)后的反射信號(hào)，經(jīng)過(guò)聯(lián)合處理，每個(gè)接收站點(diǎn)均能獲得目標(biāo)的詳細(xì)探測(cè)信息，并且性能指標(biāo)可與原遠(yuǎn)距離大功率雷達(dá)相當(dāng)，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了無(wú)中心化。

4.3 抗打擊能力強(qiáng)

依據(jù)探測(cè)原理，分布式探測(cè)采用了發(fā)射和接收分離的方式，即便某一發(fā)射站受到破壞，也不影響接收站的正常工作。此外，發(fā)射站部分破壞，只會(huì)略微影響系統(tǒng)的性能，但不影響系統(tǒng)的整體工作狀態(tài)。同時(shí)，在“機(jī)動(dòng)探測(cè)”模式下，發(fā)射站也變得難以跟蹤和打擊，“鬼影”模式可使雷達(dá)系統(tǒng)抗打擊能力大大增強(qiáng)。

4.4 反隱身能力強(qiáng)

從“功率域”考慮，在分布式探測(cè)方式下，通過(guò)功率合成，脈沖積累的方式并沒(méi)有降低系統(tǒng)整體的探測(cè)輻射功率，同時(shí)通過(guò)優(yōu)化陣列排布，實(shí)現(xiàn)大口徑天線自適應(yīng)合成，提高整體發(fā)射和接收天線增益，使得系統(tǒng)探測(cè)“功率增益積”得到保障。

從“空域”考慮，任何隱身目標(biāo)都無(wú)法做到空間任何角度下較小的雷達(dá)散射截面積，采用分布式探測(cè)的方式，可實(shí)現(xiàn)空間多角度下的目標(biāo)輻射探測(cè)，變相提高了目標(biāo)的探測(cè)雷達(dá)散射截面積，提升了目標(biāo)探測(cè)概率。

為此，基于分布式探測(cè)方式，從“功率域”和“空域”兩方面，均可使系統(tǒng)的隱身能力大大增強(qiáng)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文依據(jù)當(dāng)今戰(zhàn)爭(zhēng)條件下以遠(yuǎn)距離大功率雷達(dá)為代表的高價(jià)值設(shè)施易成為被打擊目標(biāo)的戰(zhàn)爭(zhēng)模式，分析了遠(yuǎn)距離大功率雷達(dá)易受打擊的原因，主要包括功率大、體積大、不便于機(jī)動(dòng)等。針對(duì)該問(wèn)題提出了基于分布式的隱蔽式探測(cè)方法，給出了系統(tǒng)原理和關(guān)鍵技術(shù)。基于分布式的探測(cè)技術(shù)，由于單點(diǎn)功率低，分布式多點(diǎn)探測(cè)可實(shí)現(xiàn)無(wú)中心化，抗打擊能力大大提升。又鑒于功率域和空域兩方面考慮，分布式探測(cè)在反隱身能力方面具有一定優(yōu)勢(shì)，本文的研究分析成果可為下一代遠(yuǎn)距離大功率雷達(dá)的發(fā)展提供借鑒。