雷達(dá)隱蔽成像性能分析*

曾小東,王勝喜,王亞濤,2,周龍建,2

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第十研究所，四川 成都 610036；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 航空電子信息系統(tǒng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610036)

0 引言

面臨越來越惡劣的電磁對(duì)抗環(huán)境，為了提高載機(jī)的生存力，機(jī)載的射頻傳感器普遍采用了多種技術(shù)措施，實(shí)現(xiàn)了隱蔽探測(cè)[1-2]、隱蔽通信[3-5]以及隱蔽定位[6]等功能。文獻(xiàn)[2]研究了相控陣?yán)走_(dá)的截獲因子，并分析了實(shí)現(xiàn)射頻隱身對(duì)雷達(dá)功率控制的要求。文獻(xiàn)[4-5]研究了水聲通信采取猝發(fā)擴(kuò)頻波形設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了隱蔽通信。文獻(xiàn)[7-9]研究了雷達(dá)采用低截獲概率波形設(shè)計(jì)，對(duì)偵察系統(tǒng)調(diào)制識(shí)別以及參數(shù)估計(jì)造成的影響。

機(jī)載SAR成像獲取目標(biāo)二維或三維像，具有瞬時(shí)覆蓋范圍小和定位精度高等特點(diǎn)，需要主動(dòng)輻射電磁波，且為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、高精度的SAR成像，往往發(fā)射功率較大[10-11]，不利于射頻隱身，需要和火控雷達(dá)、通信數(shù)據(jù)鏈一樣，采取相應(yīng)的射頻隱身措施，以實(shí)現(xiàn)隱蔽成像。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，借鑒傳統(tǒng)雷達(dá)的截獲因子定義，研究了成像雷達(dá)的截獲因子，分析了實(shí)現(xiàn)隱蔽成像的技術(shù)措施，并通過仿真進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 隱蔽成像原理

為了估計(jì)雷達(dá)隱蔽成像的性能，引用成像雷達(dá)截獲因子α，其表示對(duì)方偵察接收機(jī)平臺(tái)對(duì)雷達(dá)平臺(tái)的截獲距離與雷達(dá)對(duì)目標(biāo)平臺(tái)的成像距離的關(guān)系，如圖1所示。

(1)

式中:Ri為對(duì)方偵察接收機(jī)平臺(tái)對(duì)雷達(dá)平臺(tái)的截獲距離;Rd為雷達(dá)對(duì)目標(biāo)平臺(tái)的成像距離。

雷達(dá)隱蔽成像的含義是使得截獲因子α≤1，即雷達(dá)隱蔽成像能夠做到我方先對(duì)目標(biāo)平臺(tái)成像，而后其偵察接收機(jī)才能發(fā)現(xiàn)我方雷達(dá)信號(hào)。

1.1 偵察接收機(jī)截獲距離

(2)

式中:Pt為雷達(dá)發(fā)射峰值功率；Bc為子信道帶寬；B為雷達(dá)信號(hào)帶寬；Gt為雷達(dá)發(fā)射天線增益；Gr為偵察接收天線增益；λ為信號(hào)波長(zhǎng)；Lsl為雷達(dá)副瓣電平；SE=kT0BcFneDE為偵察接收機(jī)靈敏度，其中k為玻爾茲曼常數(shù)，T0為標(biāo)準(zhǔn)噪聲溫度，F(xiàn)ne為偵察接收機(jī)噪聲系數(shù)，DE為偵察檢測(cè)因子。

1.2 SAR成像距離

(3)

(4)

1.3 成像雷達(dá)截獲因子

將式(2)和式(3)代入式(1)，整理可得

(5)

1.4 隱蔽成像距離

令成像雷達(dá)截獲因子α=1，

圖1 雷達(dá)隱蔽成像圖Fig.1 Radar stealth imaging

(6)

可得臨界發(fā)射功率

將臨界發(fā)射功率Pt0代入式(2)，得到隱蔽成像距離R0:

(7)

整理得

(8)

2 隱蔽成像的技術(shù)措施

隱蔽成像的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)截獲因子α≤1，由式(5)可知，雷達(dá)可以采取的技術(shù)措施如下所示。

2.1 功率控制

由截獲因子定義可得出

(9)

雷達(dá)發(fā)射功率越大，就越容易被偵察接收機(jī)截獲到，而偵察接收機(jī)是以雷達(dá)峰值功率為檢測(cè)基礎(chǔ)[12]。

因而，采用雷達(dá)功率控制，降低雷達(dá)的峰值功率對(duì)于提高隱蔽成像性能是一種十分有效的途徑。在實(shí)際使用中，僅進(jìn)入雷達(dá)隱蔽成像距離時(shí)才打開輻射，當(dāng)成像目標(biāo)以后，可根據(jù)成像質(zhì)量、目標(biāo)大小以及距離遠(yuǎn)近輻射不同量值的功率。

2.2 高增益低副瓣天線

由截獲因子定義可得出

(10)

高增益有利于遠(yuǎn)距離目標(biāo)的成像，極低的天線副瓣可以做到除主波束之外輻射極小功率，偵察接收機(jī)截獲雷達(dá)的時(shí)間變短，從而截獲概率降低。因此，采用高增益低副瓣天線對(duì)提高雷達(dá)的隱蔽成像性能是有益的。

2.3 大時(shí)寬-帶寬積信號(hào)

(11)

在雷達(dá)成像中，廣泛運(yùn)用的大時(shí)寬-帶寬積信號(hào)為線性調(diào)頻信號(hào)，并且隨著線性調(diào)頻信號(hào)帶寬的增加，雷達(dá)成像的截獲因子降低[13-15]。

2.4 雷達(dá)信號(hào)處理的優(yōu)化

由截獲因子定義可得出

(12)

在雷達(dá)的設(shè)計(jì)過程中，通過優(yōu)化雷達(dá)接收機(jī)噪聲系數(shù)以及降低雷達(dá)檢測(cè)因子，可以提高雷達(dá)靈敏度，有利于雷達(dá)隱蔽成像性能的提高。

3 仿真分析

為了驗(yàn)證雷達(dá)隱蔽成像的性能，采取如下參數(shù)進(jìn)行仿真分析。

Pt為雷達(dá)發(fā)射峰值功率取10～80 dBW，Bc為子信道帶寬取15 MHz，B為雷達(dá)信號(hào)帶寬取5～30 MHz，Gt為雷達(dá)發(fā)射天線增益取15 dB，Gr為偵察接收天線增益取10 dB，SE為偵察接收機(jī)靈敏度取-60～-80 dBm，λ為信號(hào)波長(zhǎng)取0.03 m，Lsl為雷達(dá)副瓣電平取-5～-15 dB，η為脈沖占空比取0.1，c為光速取3×108m/s，σ0為地面散射面積取45 m2，va為載機(jī)速度取300 m/s，SR為雷達(dá)接收機(jī)靈敏度取-90～-105 dBW。

3.1 截獲因子仿真

截獲因子隨信號(hào)帶寬的變化關(guān)系如圖2所示。

從圖2可以看出，在不同的雷達(dá)信號(hào)帶寬下，隨著功率的降低，雷達(dá)成像的截獲因子減?。辉谕还β氏?，雷達(dá)信號(hào)帶寬越寬，截獲因子越小。對(duì)于5 MHz帶寬信號(hào)，功率控制量為40 dB時(shí)，截獲因子α≤1，雷達(dá)實(shí)現(xiàn)隱蔽成像。對(duì)于10 MHz帶寬信號(hào)，實(shí)現(xiàn)隱蔽成像的功率控制量為31 dB；15 MHz帶寬信號(hào)，功率控制量為25 dB；30 MHz帶寬信號(hào)，功率控制量為16 dB。

截獲因子隨副瓣電平變化關(guān)系如圖3所示。

從圖3可以看出，在不同的雷達(dá)副瓣電平下，隨著功率的降低，雷達(dá)成像的截獲因子減??；在同一功率下，雷達(dá)副瓣電平越低，截獲因子越小。對(duì)于-5 dB副瓣電平，功率控制量為16 dB時(shí)，截獲因子α≤1，雷達(dá)實(shí)現(xiàn)隱蔽成像。對(duì)于-10 dB副瓣電平和-15 dB副瓣電平，在滿功率輻射時(shí)實(shí)現(xiàn)隱蔽成像。

圖2 截獲因子隨雷達(dá)信號(hào)帶寬變化圖Fig.2 Interception factor variation with radar signal bandwidth

圖3 截獲因子隨副瓣電平變化圖Fig.3 Interception factor variation with sidelobe level

截獲因子隨雷達(dá)靈敏度變化關(guān)系如圖4所示。

從圖4可以看出，在不同的雷達(dá)靈敏度下，隨著功率的降低，雷達(dá)成像的截獲因子減?。辉谕还β氏?，雷達(dá)靈敏度越好，截獲因子越小。對(duì)于-90 dBW的雷達(dá)靈敏度，功率控制量為40 dB時(shí)，截獲因子α≤1，雷達(dá)實(shí)現(xiàn)隱蔽成像。對(duì)于-95 dBW的雷達(dá)靈敏度，功率控制量為31 dB；-100 dBW的雷達(dá)靈敏度，功率控制量為22 dB；-105 dBW的雷達(dá)靈敏度，功率控制量為10 dB。

3.2 臨界發(fā)射功率和隱蔽成像距離

雷達(dá)在實(shí)現(xiàn)隱蔽成像時(shí)的臨界發(fā)射功率主要與雷達(dá)信號(hào)帶寬和偵察接收機(jī)靈敏度有關(guān)。由表1可知，在同一雷達(dá)信號(hào)帶寬下，偵察系統(tǒng)靈敏度每提高5 dB，臨界發(fā)射功率下降15 dB，即雷達(dá)功率控制的深度要高出15 dB。

圖4 截獲因子隨雷達(dá)靈敏度變化圖Fig.4 Interception factor variation with radar sensitivity

表1 臨界發(fā)射功率Table 1 Critical transmit powerdBW

雷達(dá)在實(shí)現(xiàn)隱蔽成像時(shí)的隱蔽成像距離同樣與雷達(dá)信號(hào)帶寬和偵察接收機(jī)靈敏度有關(guān),由表2可知，雷達(dá)信號(hào)帶寬越寬，偵察系統(tǒng)靈敏度越差，隱蔽成像距離越遠(yuǎn)。在對(duì)抗-65 dBm靈敏度的偵察系統(tǒng)時(shí)，雷達(dá)采用30 MHz帶寬的信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)169.9 km的隱蔽成像距離，滿足戰(zhàn)術(shù)使用需求。

表2 隱蔽成像距離Table 2 Stealth imaging distance km

4 結(jié)束語(yǔ)

不同的技術(shù)措施對(duì)隱蔽成像的作用是不同的，隱蔽成像的效果也與偵察接收機(jī)的性能息息相關(guān)。隱蔽成像多用在對(duì)地目標(biāo)的成像過程中，為了獲取目標(biāo)的信息，以便載機(jī)能夠識(shí)別目標(biāo)，先敵發(fā)起攻擊，同時(shí)不被對(duì)方的地面無(wú)源探測(cè)系統(tǒng)截獲。雷達(dá)需要綜合采用多種技術(shù)措施，在保證成像質(zhì)量的前提下，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的隱蔽成像。下一步的研究工作將結(jié)合實(shí)際作戰(zhàn)任務(wù)，研究針對(duì)不同的偵察對(duì)象，雷達(dá)隱蔽成像能夠達(dá)到的性能邊界，并進(jìn)一步給出使用建議。