機(jī)載雷達(dá)無(wú)源探測(cè)技術(shù)研究

唐碩 臧偉旺 李震宇 高兵 張懷根

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十四研究所 江蘇省南京市 210039）

1 概述

機(jī)載雷達(dá)根據(jù)安裝載機(jī)平臺(tái)的不同主要用于控制和制導(dǎo)武器，實(shí)施空中警戒、偵察，保障準(zhǔn)確航行和飛行安全等。得益于空中平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)特性，機(jī)載雷達(dá)能夠靈活的進(jìn)行大范圍的態(tài)勢(shì)感知，在軍事領(lǐng)域得到了重大發(fā)展和應(yīng)用，已成為現(xiàn)代防空體系的重要組成部分，是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的重要裝備。

隨著機(jī)載雷達(dá)技術(shù)水平的高速發(fā)展，雷達(dá)態(tài)勢(shì)感知能力越來(lái)越強(qiáng)、作用距離越來(lái)越遠(yuǎn)、輻射信號(hào)功率也越來(lái)越大。大功率的雷達(dá)信號(hào)易被敵方偵查到，容易暴露自己，從而遭到敵方的電磁干擾甚至?xí)淮輾А榱诉_(dá)到隱蔽探測(cè)的目的，通常采用輻射功率管控或特殊探測(cè)波形設(shè)計(jì)等方法，但此方法往往會(huì)降低雷達(dá)作用距離，削弱雷達(dá)態(tài)勢(shì)感知能力，且隨著電子偵收設(shè)備的靈敏度越來(lái)越高，偵收技術(shù)越來(lái)越先進(jìn)，功率管控和波形設(shè)計(jì)已無(wú)法達(dá)到隱蔽探測(cè)的效果。

為解決上述問(wèn)題，達(dá)到完全隱蔽探測(cè)效果，本文引入無(wú)源探測(cè)技術(shù)，提出一種基于快速測(cè)頻的機(jī)載雷達(dá)無(wú)源探測(cè)技術(shù)。該技術(shù)能夠提升雷達(dá)作用距離，增強(qiáng)雷達(dá)態(tài)勢(shì)感知能力，且能夠達(dá)到完全隱蔽探測(cè)效果。

2 雷達(dá)無(wú)源探測(cè)原理及實(shí)現(xiàn)方式

2.1 無(wú)源探測(cè)技術(shù)原理

如圖1所示，無(wú)源探測(cè)是一種自身不對(duì)外輻射探測(cè)信號(hào)，通過(guò)被動(dòng)接收目標(biāo)輻射或者反射的信號(hào)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)探測(cè)的技術(shù)，按信號(hào)來(lái)源可分為：基于目標(biāo)自身輻射信號(hào)的無(wú)源探測(cè)和基于外輻射源照射的無(wú)源探測(cè)。

圖1：無(wú)源探測(cè)示意圖

無(wú)源探測(cè)技術(shù)可以捕獲輻射源的到達(dá)時(shí)間（TOA）、來(lái)波方向（DOA）和頻率等參數(shù)。其中，干涉儀側(cè)向法是十分廣泛的無(wú)源定位方法，干涉儀側(cè)向通過(guò)測(cè)量來(lái)波相對(duì)不同接收單元的相位差來(lái)計(jì)算輻射源的角度，一般單觀測(cè)平臺(tái)只能獲得目標(biāo)角度，多觀測(cè)平臺(tái)可以利用目標(biāo)相對(duì)平臺(tái)的來(lái)波方向參數(shù)不同進(jìn)行定位。

2.2 機(jī)載雷達(dá)無(wú)源探測(cè)實(shí)現(xiàn)方法

在實(shí)際作戰(zhàn)中，目標(biāo)平臺(tái)上往往也裝備可進(jìn)行探測(cè)的雷達(dá)，通過(guò)捕獲目標(biāo)雷達(dá)的輻射信號(hào)來(lái)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行角度定位和跟蹤成為一種完全可行的方法，且自身不輻射信號(hào)，具有很強(qiáng)的隱蔽性。以下提供一種在機(jī)載雷達(dá)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)無(wú)源探測(cè)和定位的方法。

雷達(dá)探測(cè)時(shí)為了獲得足夠高的測(cè)量信噪比，往往將雷達(dá)接收機(jī)的帶寬設(shè)置的很窄，因?yàn)槔走_(dá)輻射信號(hào)參數(shù)是已知的，即使接收機(jī)帶寬設(shè)置很窄時(shí)也可以很好的接收目標(biāo)回波信號(hào)，且能夠屏蔽帶外干擾信號(hào)，獲得大的信噪比，提高測(cè)量精度，所以雷達(dá)通常采用窄帶接收機(jī)設(shè)計(jì)。當(dāng)使用雷達(dá)進(jìn)行無(wú)源探測(cè)時(shí)，由于不知道目標(biāo)輻射的信號(hào)參數(shù)，窄帶接收機(jī)不再適用，為了解決此問(wèn)題，主要有以下兩種方法：

（1）采用寬帶接收機(jī)，設(shè)計(jì)足夠的接收帶寬保證目標(biāo)輻射信號(hào)能夠進(jìn)入雷達(dá)的接收機(jī)中，此種方案雖然能完全接收目標(biāo)信號(hào)，但需要在雷達(dá)系統(tǒng)上增加寬帶接收機(jī)，增加成本，且采用寬帶接收機(jī)會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)信噪比下降，測(cè)量精度得不到保證；

（2）仍然采用窄帶接收機(jī)，設(shè)法將接收機(jī)頻率對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)輻射信號(hào)頻率，保證雷達(dá)可以接收到目標(biāo)輻射信號(hào)，且窄帶接收方式可以保證接收信噪比高，可以保證測(cè)量精度。

對(duì)比上述方案，采用方案（2）能夠更加簡(jiǎn)便、有效的在雷達(dá)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)無(wú)源探測(cè)，且使用窄帶接收后可以采用成熟的雷達(dá)測(cè)角技術(shù)，如：?jiǎn)蚊}沖測(cè)角等，獲得高精度的角度信息。但需要解決接收機(jī)頻率對(duì)準(zhǔn)信號(hào)頻率的問(wèn)題，解決此問(wèn)題只需要對(duì)目標(biāo)輻射信號(hào)進(jìn)行一次快速測(cè)頻即可，對(duì)信號(hào)進(jìn)行快速測(cè)頻已有很多成熟的技術(shù)，如：信道化瞬時(shí)測(cè)頻技術(shù)等，依靠雷達(dá)強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理平臺(tái)完全可是實(shí)現(xiàn)信號(hào)的快速測(cè)頻。雷達(dá)無(wú)源探測(cè)技術(shù)信號(hào)處理流程如圖2所示。

圖2：雷達(dá)無(wú)源探測(cè)流程圖

機(jī)載雷達(dá)無(wú)源探測(cè)從使用平臺(tái)分類，可分為兩大類：

（1）單平臺(tái)探測(cè)場(chǎng)景；

（2）多平臺(tái)協(xié)同探測(cè)場(chǎng)景。

單平臺(tái)雷達(dá)無(wú)源探測(cè)可對(duì)目標(biāo)角度進(jìn)行測(cè)量和跟蹤，由于雷達(dá)天線增益高，目標(biāo)輻射信號(hào)強(qiáng)，且對(duì)雷達(dá)檢測(cè)來(lái)說(shuō)，只需要克服目標(biāo)輻射的單程衰減，作用距離遠(yuǎn)，可大幅提升對(duì)隱身平臺(tái)的作用距離，且隱身平臺(tái)輻射信號(hào)越強(qiáng)，雷達(dá)作用距離越遠(yuǎn)。

若本機(jī)雷達(dá)輻射的峰值功率為：P，天線增益為：G，目標(biāo)反射面積為：σ，雷達(dá)接收天線有效面積為：A，雷達(dá)系統(tǒng)損耗為：L，雷達(dá)最小可檢測(cè)信號(hào)為：S，則雷達(dá)主動(dòng)探測(cè)目標(biāo)的最大作用距離為：

對(duì)于無(wú)源探測(cè)不需主動(dòng)輻射信號(hào)，只需接收對(duì)方雷達(dá)信號(hào)即可，則無(wú)源探測(cè)的最大作用距離為：

從式（1）和（2）可以看出，雷達(dá)有源探測(cè)的作用距離取決于雷達(dá)自身輻射信號(hào)、目標(biāo)雷達(dá)反射截面積和最小可檢測(cè)信號(hào)等因素，而無(wú)源探測(cè)的作用距離主要與目標(biāo)輻射信號(hào)有關(guān)系。

由式（1）和（2）可得：

若載機(jī)雷達(dá)與目標(biāo)機(jī)雷達(dá)的輻射功率和增益一致，則式（3）可使用如下表達(dá)式表示：

由于雷達(dá)功率口徑積很大，遠(yuǎn)大于其它因素對(duì)作用距離的影響，無(wú)源探測(cè)的最大作用距離遠(yuǎn)比主動(dòng)探測(cè)的最大作用距離遠(yuǎn)。

單平臺(tái)雷達(dá)無(wú)源探測(cè)只能對(duì)目標(biāo)角度進(jìn)行測(cè)量和跟蹤，無(wú)法對(duì)目標(biāo)距離進(jìn)行定位，當(dāng)多平臺(tái)進(jìn)行無(wú)源探測(cè)時(shí)，可利用多平臺(tái)位置和獲得的角度信息對(duì)目標(biāo)進(jìn)行三角定位測(cè)距，并可根據(jù)距離的變化規(guī)律推測(cè)出目標(biāo)速度，從而完成對(duì)目標(biāo)角度、距離和速度的測(cè)量，應(yīng)用示意圖如圖3所示。以下以雙機(jī)協(xié)同隱蔽探測(cè)為示例，通過(guò)三角定位方法解算目標(biāo)距離。

圖3：雷達(dá)無(wú)源探測(cè)應(yīng)用場(chǎng)景示意圖

雙機(jī)協(xié)同探測(cè)態(tài)勢(shì)下，雙機(jī)位置已知，可通過(guò)載機(jī)上定位設(shè)備計(jì)算雙機(jī)距離，構(gòu)建空間平面三角形，通過(guò)解三角形的方法分別解算出目標(biāo)相對(duì)雙機(jī)的斜距。如圖4所示：

圖4：雙機(jī)三角定位示意圖

若雙機(jī)間距為：L，雙機(jī)測(cè)得的目標(biāo)角度分別為：α 和β，則可計(jì)算出雙機(jī)目標(biāo)斜距分別為：

其中：γ=π-α-β，為雙機(jī)與目標(biāo)所形成的張角。通過(guò)雙機(jī)間距和探測(cè)的目標(biāo)角度，可以解算出目標(biāo)相對(duì)探測(cè)平臺(tái)的斜距。

3 仿真分析

3.1 單平臺(tái)探測(cè)

從上述章節(jié)可知，雷達(dá)單平臺(tái)無(wú)源探測(cè)可對(duì)目標(biāo)角度進(jìn)行測(cè)量和跟蹤，且作用距離遠(yuǎn)。以下仿真分析，相同條件下，雷達(dá)有源探測(cè)和無(wú)源探測(cè)的作用距離對(duì)比。

假設(shè)探測(cè)平臺(tái)雷達(dá)參數(shù)與目標(biāo)雷達(dá)參數(shù)一致，雷達(dá)有源探測(cè)和無(wú)源探測(cè)作用距離仿真如圖5所示。

圖5：雷達(dá)有源探測(cè)和無(wú)源探測(cè)作用距離

從圖5中可以看出，雷達(dá)有源探測(cè)時(shí)，作用距離與載機(jī)雷達(dá)輻射功率和目標(biāo)RCS 反射面積相關(guān)，當(dāng)載機(jī)雷達(dá)輻射功率越大，目標(biāo)RCS 反射截面積越大時(shí)，雷達(dá)作用距離越遠(yuǎn)；雷達(dá)無(wú)源探測(cè)時(shí)，作用距離取決于目標(biāo)輻射信號(hào)強(qiáng)弱，目標(biāo)輻射信號(hào)越強(qiáng)，載機(jī)雷達(dá)作用距離越遠(yuǎn)。由于無(wú)源探測(cè)只需要克服信號(hào)的單程衰減，所以隨目標(biāo)輻射信號(hào)的增強(qiáng)，雷達(dá)作用距離上升更快，且在相同條件下，作用距離遠(yuǎn)大于雷達(dá)有源探測(cè)。

3.2 多平臺(tái)協(xié)同探測(cè)

多平臺(tái)協(xié)同探測(cè)可以利用三角解算對(duì)目標(biāo)距離進(jìn)行定位，從式（5）可以看出定位誤差與目標(biāo)角度、雙機(jī)間距相關(guān)及測(cè)量精度相關(guān)。以下以雙機(jī)探測(cè)平臺(tái)為例分別從目標(biāo)張角、雙機(jī)間距和測(cè)角誤差三個(gè)方面進(jìn)行定位誤差精度仿真分析。

通過(guò)雙機(jī)測(cè)量的目標(biāo)角度可以計(jì)算出目標(biāo)張角，目標(biāo)角度的測(cè)量誤差直接導(dǎo)致計(jì)算的目標(biāo)張角存在誤差，目標(biāo)張角也間接反映了目標(biāo)距離與雙機(jī)間距的比值關(guān)系。通過(guò)仿真分析，在測(cè)量誤差一定的情況下，目標(biāo)定位誤差隨張角的變化趨勢(shì)如圖6所示。

圖6：三角定位距離誤差與目標(biāo)張角關(guān)系曲線

可以從圖6中看出，90°張角時(shí)距離精度最佳，在其他角度時(shí)，定位精度變差，在張角接近于0°或180°時(shí)，定位精度急劇下降。圖6可以說(shuō)明，當(dāng)測(cè)角所帶來(lái)的誤差不可避免時(shí)，在目標(biāo)張角達(dá)到90°時(shí)，對(duì)定位誤差的影響最小。

實(shí)際使用中，張角往往達(dá)不到最佳角度，且隨著目標(biāo)距離越遠(yuǎn)，測(cè)角誤差所帶來(lái)的測(cè)距誤差越大，以下仿真分析測(cè)距誤差隨目標(biāo)距離、雙機(jī)間距和測(cè)角精度的變化情況。

若測(cè)角均方根誤差σ=0.1°，分別仿真雙機(jī)間距L=10km 20km 和30km 情況下，測(cè)距均方根誤差隨目標(biāo)距離和雙機(jī)間距的變化情況如圖7所示。

圖7：測(cè)距均方根誤差隨目標(biāo)距離和雙機(jī)間距變化圖

若雙機(jī)間距固定L=30km，測(cè)角均方根誤差分別為：σ=[0.1°0.2°0.3°0.4°0.5°]情況下，測(cè)距均方根誤差隨目標(biāo)距離和測(cè)角誤差的變化情況如圖8所示。

圖8：測(cè)距均方根誤差隨目標(biāo)距離和測(cè)角誤差變化圖

從圖7和8 中可以看出，三角定位測(cè)距均方根誤差隨目標(biāo)距離越遠(yuǎn)誤差越大；測(cè)角誤差越大測(cè)距誤差越大，且在一定測(cè)角誤差下，隨目標(biāo)距離越遠(yuǎn)，測(cè)角誤差對(duì)測(cè)距誤差的影響越大；雙機(jī)間距越大，測(cè)距均方根誤差越小。結(jié)合圖6中仿真結(jié)論，當(dāng)雙機(jī)間距達(dá)到與目標(biāo)張角90°時(shí)，測(cè)距均方根誤差達(dá)到最小，繼續(xù)增大雙機(jī)間距，測(cè)距均方根誤差會(huì)增大。

從以上仿真可以得出結(jié)論，三角定位測(cè)距均方根誤差與雙機(jī)間距、測(cè)角精度和目標(biāo)距離有關(guān)。一定范圍內(nèi)雙機(jī)間距越大，測(cè)角精度越高，測(cè)距誤差越小。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)機(jī)載雷達(dá)無(wú)源探測(cè)技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了簡(jiǎn)便易行的實(shí)現(xiàn)方法，并對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景中的作用距離、距離定位方法和精度影響進(jìn)行了仿真分析。仿真分析結(jié)果表明，無(wú)源探測(cè)技術(shù)能夠大幅提升雷達(dá)作用距離，可用于隱身目標(biāo)探測(cè)，多機(jī)協(xié)同可實(shí)現(xiàn)距離定位，定位精度與雙機(jī)間距、測(cè)角精度和目標(biāo)距離有關(guān)。無(wú)源探測(cè)技術(shù)作為雷達(dá)有源探測(cè)的補(bǔ)充，彌補(bǔ)了有源探測(cè)容易暴露自身和對(duì)隱身目標(biāo)作用距離不足的弊病，達(dá)到了隱蔽探測(cè)效果，大大提升了雷達(dá)的作戰(zhàn)性能。