超寬帶雷達(dá)反隱身技術(shù)研究

黃永飛 錢林杰

摘 要

隨著隱身技術(shù)的大力發(fā)展及廣泛應(yīng)用，防空預(yù)警系統(tǒng)面臨空前壓力。如何發(fā)展完善防空預(yù)警系統(tǒng)是當(dāng)前人們關(guān)心的熱點問題，本文通過對超寬帶雷達(dá)的特點分析，介紹了超寬帶雷達(dá)在反隱身方面做得重要改進(jìn)，以及超寬帶雷達(dá)為應(yīng)對隱身威脅所做的深入研究。介紹了信號形式及新的探測手段在雷達(dá)中的應(yīng)用，分析展望反隱身雷達(dá)發(fā)展方向，力爭為當(dāng)前防空預(yù)警系統(tǒng)提供現(xiàn)實幫助和理論支持。

關(guān)鍵詞

超寬帶雷達(dá);越寬帶信號;RCS;反隱身

中圖分類號： ?O451 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.07.079

0 引言

通過外形設(shè)計、表面涂料和加載阻抗等方法實現(xiàn)飛行器隱身以減弱散射分布特性是當(dāng)前隱身飛行器的主流設(shè)計方法，以此來達(dá)到降低雷達(dá)探測可能性。美國新一代戰(zhàn)機F-35上的APG-81 AESA雷達(dá)雖然陣面尺寸相比傳統(tǒng)機載雷達(dá)小，但是擁有同時進(jìn)行合成孔徑雷達(dá)地圖測繪（SAR）和地面移動目標(biāo)指示（GMTI）的能力，探測能力大幅度增強。因此F-35不僅戰(zhàn)斗力更為驚人，隱身技術(shù)的應(yīng)用也表現(xiàn)得更為出色。

本文針對目前反隱身技術(shù)面臨的壓力，從超寬帶雷達(dá)的反隱身技術(shù)手段入手，介紹目前較為雷達(dá)反隱身的機理及技術(shù)應(yīng)用，為反隱身技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供思考。

1 超寬帶雷達(dá)反隱身機理分析

反隱身的本質(zhì)就是尋找飛行器隱身技術(shù)的薄弱環(huán)節(jié)或漏洞并加以利用，使飛行器的隱身功能效果降低甚至不起作用，以達(dá)到準(zhǔn)確探測目標(biāo)的目的。從原理上來看，超寬帶雷達(dá)具有不同于傳統(tǒng)雷達(dá)的諸多優(yōu)勢。

1.1 頻域分析

超寬帶雷達(dá)的研究一直是雷達(dá)探測技術(shù)研究的主要方向之一，受到國際上普遍關(guān)注。超寬帶雷達(dá)是指使用系統(tǒng)與信號的相對瞬時帶寬大于或等于25%的雷達(dá)，探測目標(biāo)時可以提取豐富的目標(biāo)信息。從目前服役的隱身飛機性能來看，探測雷達(dá)使用頻率超過隱身目標(biāo)使用的頻率范圍，探測能力就會得到顯著增強，從而有效應(yīng)對目標(biāo)的隱身性能[1]。

目標(biāo)RCS與波長的關(guān)系可分為瑞利區(qū)、諧振區(qū)和光學(xué)區(qū)三個區(qū)域。瑞利區(qū)的特點是RCS正比于頻率的四次方，目標(biāo)形狀影響較小;在光學(xué)區(qū)，目標(biāo)的尺寸比雷達(dá)波長大得多，即目標(biāo)可作為散射體的集合來處理;在諧振區(qū)，雷達(dá)截面隨頻率的變化呈振蕩變化，因此散射體上每點的場都是散射場的疊加。

1.2 時域分析

超寬帶雷達(dá)發(fā)射的脈沖寬度極窄，除了包含的頻譜極寬以外，它還是一種瞬態(tài)的過程。由于在吸波材料中，分子對入射的響應(yīng)需要時間，故脈沖越短，傳播時的衰減越小，這就是分子的弛豫現(xiàn)象。反射信號能量隨著弛豫時間的減小而減少[2]。由于UWB信號帶寬比吸收材料的頻帶大得多，即使入射脈沖的能量有較大衰減，但吸收頻帶外的分量仍然占主導(dǎo)地位，因此短脈沖傳輸?shù)男盘柲芰勘乳L脈沖大得多，因此獲取的目標(biāo)信息相對來說也會更豐富。

1.3 空域分析

空間域反隱身是利用飛機的幾何外形特征來實現(xiàn)。就是利用飛機的外形設(shè)計將探測電磁波散射到其他方向來降低電波反射的能量。若在射方向以外的其他方向也有接收機存在，則飛機的隱身功能將大大降低。從目前的應(yīng)用上來看，就要有以下幾個方面的應(yīng)用：一是雙/多基地雷達(dá)。它通常由一個發(fā)射站和多個接收站構(gòu)成。二是利用空間多點取樣。三是雷達(dá)組網(wǎng)。利用網(wǎng)絡(luò)把各獨立雷達(dá)站組合起來，則不同頻率、不同程式的雷達(dá)可發(fā)揮各自優(yōu)勢，形成功能特點互補，發(fā)揮如同多基地雷達(dá)的優(yōu)勢。

1.4 極化域分析

信號的極化方向與天線接收的方向相匹配。極化的可選擇性是目標(biāo)隱身的一大特點，也即只有特定極化方向的電磁波才能對隱身目標(biāo)的極化探測有效，因此特定目標(biāo)對某一極化的雷達(dá)可能隱身效果很好，但對其他不同極化方式的雷達(dá)便會失效。

通過分析電磁波的極化特性有利于提高雷達(dá)對隱身目標(biāo)的探測能力，這是因為隱身目標(biāo)使用的電磁波存在極化特性，只要針對這種特性來選擇探測電磁波，發(fā)現(xiàn)隱身目標(biāo)的概率便會大幅度增加。另外，可通過對極化特性的調(diào)整和處理，與傳統(tǒng)的反隱身技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步提升雷達(dá)系統(tǒng)的反隱身能力。

2 超寬帶雷達(dá)反隱身技術(shù)

雷達(dá)探測目標(biāo)需要主動發(fā)射電磁波，敵方便有可能捕獲電磁波信號而發(fā)現(xiàn)雷達(dá)位置。UWB雷達(dá)信號相對頻率范圍大，相對于傳統(tǒng)雷達(dá)而言，便具有許多探測優(yōu)勢。因此，可以針對飛行器隱身技術(shù)從雷達(dá)信號的選擇、天線陣列的設(shè)計以及信號處理方式上來提高探測能力，降低隱身技術(shù)對雷達(dá)探測的影響。

2.1 超寬帶信號

2.1.1 瞬時帶寬信號

相控陣?yán)走_(dá)是新型雷達(dá)的發(fā)展方向，對相控陣?yán)走_(dá)信號的研究顯得非常有必要。信號在面陣中傳播的最大時間稱為孔徑渡越時間，陣列設(shè)計得越大，這個時間便會越長，當(dāng)這個時間大于信號帶寬的倒數(shù)時，陣元的輻射信號便不能同時到達(dá)波束指向方向。這對目標(biāo)的探測目標(biāo)是不利的，更不要說提高探測精度和針對目標(biāo)反隱身了。解決的辦法是利用瞬時寬帶信號波束形成，即通過控制天線陣元的發(fā)射信號有規(guī)律產(chǎn)生時延，使所有陣元的信號均能同時疊加。這種方法沒有改變孔徑渡越時間的限制，反而有可能使時間延長，但是信號效果提升了，這正是相控陣?yán)走_(dá)的優(yōu)勢。

2.1.2 頻率步進(jìn)信號

頻率步進(jìn)信號是一種瞬時窄帶通過延遲后進(jìn)行疊加的信號形式，它可以看作是頻率不同的脈沖信號的集合，因此具有瞬時脈沖信號的優(yōu)勢。對于頻率步進(jìn)寬帶相控陣?yán)走_(dá)，每個脈沖信號都是獨立的，可以通過控制相位改變波束指向，使信號方向集中，這便解決了信號方向性的問題。另外，瞬時帶寬信號存在的孔徑渡越時間，在使用頻率步進(jìn)信號時這個限制被放寬，若步進(jìn)頻信號由M個發(fā)射脈沖組成，則可以放寬M倍[3]。因此，頻率步進(jìn)雷達(dá)的距離分辨率可以得到充分保證。

2.1.3 正交頻分多路復(fù)用（OFDM）信號

正交頻分多路復(fù)用（OFDM）雷達(dá)信號由多個子載頻組成，具有大時寬帶寬積，且信號編碼方式靈活，通過不同的波形設(shè)計準(zhǔn)則，能夠自適應(yīng)調(diào)整信號子載頻的系數(shù)，具備了認(rèn)知雷達(dá)系統(tǒng)的基本特點[4]。OFDM信號各子載波能夠靈活使用不同的編碼方式，具備了低截獲概率特性。

當(dāng)前隱身與反隱身的對抗也是體系與體系的對抗，采用OFDM信號所具有的多功能特性及抗干擾特性，對于反隱身也是至關(guān)重要[5]。在雷達(dá)系統(tǒng)的反隱身水平一定情況下，提高雷達(dá)系統(tǒng)生存能力，增強系統(tǒng)信息處理能力和智能、網(wǎng)絡(luò)、通信等多功能集成，有利于雷達(dá)反隱身能力發(fā)揮。

2.2 超寬帶天線

超寬帶相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)工作頻率必須選擇在超寬帶系統(tǒng)要求的范圍。天線設(shè)計需要考慮信號空間采樣，為保證空間采樣率則陣元密集，增大了系統(tǒng)設(shè)計復(fù)雜度和成本，天線尺寸也受到限制。因此應(yīng)結(jié)合系統(tǒng)的需求，兼顧天線設(shè)計和陣面優(yōu)化[6]?？衫妙l率步進(jìn)信號特點和陣列設(shè)計調(diào)整波瓣圖，使主瓣能量集中。

對多輸入多輸出（MIMO）雷達(dá)的天線陣列進(jìn)行設(shè)計，不僅可以達(dá)到系統(tǒng)要求，還能節(jié)約成本。與傳統(tǒng)的雷達(dá)陣列設(shè)計方式相比，MIMO系統(tǒng)的性能主要以虛擬陣列體現(xiàn)，因此可以簡化設(shè)計，利用稀疏陣列來完成對大尺寸天線的模擬，形成有效的虛擬天線陣列，這比傳統(tǒng)陣列的有效面積大得多。因此，MIMO系統(tǒng)會在較少陣元和較經(jīng)濟的結(jié)構(gòu)設(shè)計基礎(chǔ)上，獲得更好的分辨率。

2.3 超寬帶信號處理

傳統(tǒng)雷達(dá)信號精確已知，提取目標(biāo)就是僅需匹配濾波，獲取目標(biāo)信息。但超寬帶雷達(dá)的回波信號較分散，來自目標(biāo)對信號的反射，特征各異，因而傳統(tǒng)方法并不適用。但是復(fù)雜的目標(biāo)信號具有其他的顯著特點，可隨著信號處理技術(shù)的發(fā)展，把一些最新的信號處理方法應(yīng)用到回波信號處理之中，如深度學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。

3 發(fā)展前景分析

雷達(dá)反隱身技術(shù)對提高雷達(dá)系統(tǒng)的生存能力和探測能力具有重要意義?？蓮囊韵聨讉€方面來看將來雷達(dá)反隱身技術(shù)的發(fā)展。

3.1 多技術(shù)融合

隨著飛行器戰(zhàn)技術(shù)的發(fā)展，尤其是以隱身技術(shù)為代表的新技術(shù)的發(fā)展，單一雷達(dá)在反隱身的局限性越來越突出，如超視距雷達(dá)的分辨率較低，超寬帶雷達(dá)功率較高容易被探測等問題，綜合運用多種反隱身技術(shù)探測隱身目標(biāo)已是必然趨勢。為提升雷達(dá)系統(tǒng)探測性能，將電子偵察、技術(shù)偵察等手段融入雷達(dá)系統(tǒng)中，組成綜合反隱身的信息融合系統(tǒng)。

3.2 多功能集成

寬帶相控陣?yán)走_(dá)正在向多功能發(fā)展，除了常規(guī)地對目標(biāo)進(jìn)行檢測、搜索以獲取目標(biāo)的方位、高度以及距離信息外，還需測量目標(biāo)的速度、類別等其他信息，對目標(biāo)回波信號進(jìn)行綜合處理并成像[7]。進(jìn)一步加強信號處理的抗干擾能力，提高目標(biāo)信息提取的質(zhì)量和效率。當(dāng)然，隨著電子戰(zhàn)技術(shù)的不斷發(fā)展，寬帶相控陣?yán)走_(dá)還必須保持自身生存能力的同時，保持對戰(zhàn)場條件的感知，以適應(yīng)環(huán)境需要。

3.3 特殊探測手段

為提高雷達(dá)探測效率，提高對隱身目標(biāo)的探測概率，發(fā)展特殊探測手段也是研究發(fā)展的重要方向，如無源探測。無源雷達(dá)自身生存能力強，可從多個方向?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行跟蹤分析，同時可接收通信、導(dǎo)航、干擾等信號，進(jìn)行輔助判斷并跟蹤監(jiān)視，避免了隱身目標(biāo)的外形以及吸波材料對雷達(dá)的影響，提高發(fā)現(xiàn)隱身目標(biāo)概率。當(dāng)然，多頻段集成雷達(dá)、激光雷達(dá)、諧振雷達(dá)等各種特殊手段雷達(dá)均可以應(yīng)用到對隱身目標(biāo)的探測之中，從而進(jìn)一步提升對隱身目標(biāo)的探測概率。

4 結(jié)語

超寬帶雷達(dá)具有許多獨特的性能，具備探測隱身目標(biāo)的優(yōu)勢。實現(xiàn)反隱身的關(guān)鍵是雷達(dá)要具有特定的信號形式，高效率、高增益的天線陣列設(shè)計，高功率的脈沖發(fā)射以及超高靈敏度的接收機等分系統(tǒng)。同時合成孔徑、新技術(shù)在雷達(dá)上的應(yīng)用，不斷提升雷達(dá)信號處理能力、抗干擾能力，為雷達(dá)信號處理打下堅實基礎(chǔ)，為探測隱身目標(biāo)，甚至跟蹤監(jiān)視隱身目標(biāo)成為可能。另外，超寬帶雷達(dá)還可以與紅外、聲吶等技術(shù)探測手段相結(jié)合，大大豐富雷達(dá)探測的方式和手段，提升雷達(dá)探測效率和質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)

[1]代紅，何丹.飛機隱身與雷達(dá)反隱身技術(shù)綜述[J].電子信息對抗技術(shù)，2016.31（6）：40.

[2]何建國，陸仲良，劉克成.超寬帶雷達(dá)反隱身機理綜述[J].國防科技大學(xué)學(xué)報， 1997（02）：71.

[3]遠(yuǎn)海鵬，曾大志，龍騰.頻率步進(jìn)相控陣?yán)走_(dá)原理與實現(xiàn)方案的研究[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2008.（07）：24.

[4]劉曉斌，劉進(jìn)，趙鋒，等.OFDM雷達(dá)及其關(guān)鍵技術(shù)研究進(jìn)展[J].無線電工程， 2016，46（1）：25-29.

[5]霍凱，趙晶晶.OFDM新體制雷達(dá)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].電子與信息學(xué)報， 2015（11）：2776.

[6]付林，唐霜天.超寬帶多功能數(shù)字化相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)技術(shù)[J].雷達(dá)與對抗，2007.（04）：01.

[7]文樹梁，袁起，秦忠宇.寬帶相控陣?yán)走_(dá)的設(shè)計準(zhǔn)則與發(fā)展方向[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2005（06）：1007.