基于靈敏度的雷達(dá)組網(wǎng)性能分析*

黃利彬 曲愛華

(海軍指揮學(xué)院 南京 211800)

1 引言

在現(xiàn)代高科技戰(zhàn)爭條件下,戰(zhàn)爭形式已從平臺中心戰(zhàn)(FCW)向網(wǎng)絡(luò)中心戰(zhàn)(NCW)轉(zhuǎn)變,電子戰(zhàn)的迅速發(fā)展使雷達(dá)所處的電磁環(huán)境越來越復(fù)雜,加上空襲兵器種類繁多,性能先進(jìn),對雷達(dá)的生存與運(yùn)作提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),使雷達(dá)面臨四大威脅:1)隱身目標(biāo)的威脅;2)反輻射導(dǎo)彈的威脅;3)低空/超低空突防的威脅;4)綜合電子干擾的威脅[1]。其中電子干擾是現(xiàn)代戰(zhàn)爭中雷達(dá)所遇到的最廣泛、最嚴(yán)重的威脅,先進(jìn)的綜合電子干擾系統(tǒng)、多功能多波束相控陣干擾系統(tǒng)、人工智能技術(shù)在干擾設(shè)備中的應(yīng)用,將對現(xiàn)代雷達(dá)的生存與發(fā)展提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。如何降低被敵方偵察的概率,以至在受到敵方干擾的情況下,如何最大程度的保持系統(tǒng)的戰(zhàn)斗力是需要重點(diǎn)考慮的一個(gè)問題。目前,國內(nèi)外雷達(dá)專家一致認(rèn)為,對付四大威脅比較現(xiàn)實(shí)而且有效的措施是采用多雷達(dá)組網(wǎng)技術(shù)。文章首先對雷達(dá)組網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行了概述,然后從靈敏度的角度對雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了分析。

2 雷達(dá)組網(wǎng)概述

2.1 雷達(dá)組網(wǎng)的定義

文獻(xiàn)[2]給出了完整的雷達(dá)組網(wǎng)定義,雷達(dá)組網(wǎng)是指通過將多部不同體制、不同頻段、不同工作方式、不同極化方式的雷達(dá)或者無源偵察裝備適當(dāng)布站,借助于通信手段鏈接成網(wǎng),由中心站統(tǒng)一調(diào)配而形成的一個(gè)有機(jī)整體。網(wǎng)內(nèi)各雷達(dá)和雷達(dá)對抗偵察裝備的信息(原始信號、點(diǎn)跡、航跡等)由中心站收集,綜合處理后形成雷達(dá)網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)的情報(bào)信息,并按照戰(zhàn)爭態(tài)勢的變化自適應(yīng)地調(diào)整網(wǎng)內(nèi)各雷達(dá)的工作狀態(tài),發(fā)揮各個(gè)雷達(dá)和雷達(dá)對抗偵察裝備的優(yōu)勢,從而完成整個(gè)覆蓋范圍內(nèi)的探測、定位和跟蹤等任務(wù)。

從上面的定義可以看出,雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)不僅包括雷達(dá)這種傳感器,通常還可以包括諸如無源偵察裝備之類的電子支援措施(ESM)傳感器。雷達(dá)和ESM 傳感器各具優(yōu)點(diǎn),兩者通過“分布探測,集中處理;主動為主,被動為輔”的技術(shù)機(jī)制形成一個(gè)有機(jī)整體。雷達(dá)探測提供目標(biāo)的方位、俯仰和距離信息,而雷達(dá)對抗偵察裝備提供目標(biāo)的方位和識別信息。兩者結(jié)合可以為現(xiàn)代防空系統(tǒng)提供探測所需要的完整數(shù)據(jù),因此,雷達(dá)和ESM兩種探測技術(shù)的綜合,可以更有效地探測空中、地面各種狀態(tài)下的目標(biāo)。

雷達(dá)組網(wǎng)的技術(shù)基礎(chǔ)是多傳感器信息融合技術(shù)。所謂信息融合就是利用計(jì)算機(jī)技術(shù),將來自多個(gè)傳感器或多源的信息進(jìn)行綜合處理,從而獲得目標(biāo)的精確的狀態(tài)和屬性估計(jì),以及對戰(zhàn)場態(tài)勢、威脅和重要程度的適時(shí)的綜合評估。

圖1 雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)示意圖

2.2 雷達(dá)組網(wǎng)的基本形式

依據(jù)組網(wǎng)雷達(dá)類型的不同,可分為:

1)單基地雷達(dá)組網(wǎng)

單基地雷達(dá)組網(wǎng)中各部雷達(dá)都是單基工作體制,即雷達(dá)的發(fā)射和接收都是由一部雷達(dá)完成。這種形式由于將各自相互獨(dú)立的雷達(dá)通過組網(wǎng)而使其整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成一有機(jī)整體,從而使網(wǎng)內(nèi)雷達(dá)工作方式靈活多變,且雷達(dá)間因?yàn)樵诳臻g位置上分離,在對付“四大威脅”方面具有一定的優(yōu)勢,各雷達(dá)在與網(wǎng)中心失去聯(lián)系時(shí),也可獨(dú)立完成部分工作。

2)雙(多)基地雷達(dá)組網(wǎng)

雙(多)基地雷達(dá)組網(wǎng)中各部雷達(dá)是雙(多)雷達(dá)體制,是對同一個(gè)發(fā)射機(jī)部署了多個(gè)分開的接收機(jī)的雷達(dá)組網(wǎng)。這種組網(wǎng)可充分利用雙/多基地的特性,對抗電子干擾、抗反輻射導(dǎo)彈及反隱身等具有較強(qiáng)的工作能力,輔以空中平臺,還可明顯增強(qiáng)抗低空突防能力。本文重點(diǎn)對該種形式的雷達(dá)組網(wǎng)進(jìn)行了性能分析。

3)單基地、雙/多基地雷達(dá)混合組網(wǎng)

單基地、雙/多基地雷達(dá)混合組網(wǎng)是收發(fā)異地和單基混合組網(wǎng),這種組網(wǎng)形式具有上述兩種方式的共同優(yōu)點(diǎn),其工作方式靈活多變。

此外,還可按照構(gòu)成雷達(dá)網(wǎng)功能的不同,可分為:制導(dǎo)雷達(dá)網(wǎng)、情報(bào)雷達(dá)網(wǎng)、航空管制雷達(dá)網(wǎng)和氣象雷達(dá)網(wǎng)等[1,3]。

2.3 雷達(dá)組網(wǎng)的優(yōu)勢

雷達(dá)組網(wǎng)使用在空間位置分離的收發(fā)裝置。這種布局與單一雷達(dá)和雙基地雷達(dá)相比,擁有無法比擬的優(yōu)勢。優(yōu)勢之一就是能夠最優(yōu)化雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)的作用范圍。該系統(tǒng)使用多個(gè)接收站和發(fā)射站,能夠根據(jù)具體的任務(wù)需要,對各站進(jìn)行合理布置,再與相配的數(shù)據(jù)融合算法相結(jié)合,在指定方向上擴(kuò)展了覆蓋范圍。另一個(gè)優(yōu)勢就是增加了系統(tǒng)靈敏度。由于使用了多個(gè)雷達(dá)發(fā)射裝置,目標(biāo)回波能量得到增強(qiáng),也就增強(qiáng)了總的SNR和雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)的靈敏度。在雷達(dá)組網(wǎng)中,多基地雷達(dá)接收站布置分散,可以從不同位置接收目標(biāo)散射信號,充分利用該信號,能夠改進(jìn)對目標(biāo)的分類和識別能力。

同時(shí),雷達(dá)組網(wǎng)后,系統(tǒng)的生存能力和可靠性得到增強(qiáng)。生存能力特指雷達(dá)抗反輻射導(dǎo)彈摧毀的能力。雷達(dá)接收站不輻射電磁波,而是被動的接收目標(biāo)回波信號,這就增強(qiáng)該站的隱蔽性,被摧毀的概率為零。發(fā)站被摧毀的概率與單基地雷達(dá)相同。但發(fā)站雷達(dá)可部署在后方安全地帶,在配置若干部誘餌發(fā)射機(jī)和火力掩護(hù),可以獲得比單基地雷達(dá)更高的生存能力[4]。可靠性指多方面,損失一個(gè)或幾個(gè)雷達(dá)站,也不會對發(fā)現(xiàn)目標(biāo)形成致命一擊,因?yàn)檫€有其它的雷達(dá)站仍在工作,增強(qiáng)了發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的可靠性;雷達(dá)組網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的情報(bào)資源共享,完成對每個(gè)雷達(dá)站的實(shí)時(shí)指揮控制,增加了實(shí)戰(zhàn)的可靠性。

相關(guān)技術(shù)的發(fā)展,如時(shí)間同步技術(shù)、定位和標(biāo)校技術(shù)、數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)、數(shù)據(jù)融合等技術(shù),提升了雷達(dá)網(wǎng)對小目標(biāo)、隱身目標(biāo)、高速高機(jī)動目標(biāo)、低空目標(biāo)等的探測和跟蹤能力,提高雷達(dá)網(wǎng)的整體抗干擾、抗摧毀能力已成為可能。

3 雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)的靈敏度分析

雷達(dá)靈敏度是評估雷達(dá)系統(tǒng)性能的最重要參數(shù)之一,它表示雷達(dá)能夠探測到目標(biāo)出現(xiàn)的能力,它以接收到信噪比(SNR)表示,通過雷達(dá)距離方程來計(jì)算。當(dāng)給出發(fā)現(xiàn)概率與虛警概率時(shí),能夠計(jì)算出最小檢測信噪比。雷達(dá)靈敏度受多個(gè)參數(shù)影響,包括雷達(dá)本身因素,例如發(fā)射脈沖功率,天線增益,雷達(dá)工作波長等等,雷達(dá)設(shè)計(jì)者能夠決定這些因素,但還有其它不可預(yù)測的因素,例如目標(biāo)截面積,目標(biāo)與接收機(jī)之間距離等等。

單基雷達(dá)的靈敏度能夠根據(jù)傳統(tǒng)單基雷達(dá)方程進(jìn)行計(jì)算。單基雷達(dá)靈敏度在2維和3維空間上的仿真曲線如圖2所示。在這個(gè)仿真中,假設(shè)目標(biāo)回波面不發(fā)生變化,發(fā)射脈沖功率是6kW和探測門限設(shè)為13db。可以看出單基雷達(dá)的靈敏度在2維空間是圓形的范圍,在3維空間是個(gè)半球形范圍,這是由雷達(dá)的能量等方向傳輸引起的。

圖2 單基雷達(dá)在2維和3維空間上的靈敏度仿真

雷達(dá)組網(wǎng)的方程是基于雙基地雷達(dá)方程的。設(shè)整個(gè)雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)由M個(gè)發(fā)射裝置和N個(gè)接收裝置組成。假設(shè)雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)是同步的,每個(gè)接收裝置能夠接收和處理分散的目標(biāo)回波信號。通過計(jì)算每對雙基地雷達(dá)的靈敏度,再求和,就是總的雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)靈敏度。即:

式中,Pti為第i個(gè)發(fā)射裝置的發(fā)射脈沖功率;Gti為第i個(gè)發(fā)射天線的功率增益;Grj為第j個(gè)接收天線的功率增益;σij為對于第i個(gè)發(fā)射裝置第j個(gè)接收裝置,目標(biāo)的等效反射截面積;λi為第i個(gè)發(fā)射裝置的雷達(dá)工作波長;Ts為接收系統(tǒng)噪聲溫度;Bi為對第i個(gè)發(fā)射裝置波形的匹配濾波器帶寬;Lij為對第i個(gè)發(fā)射裝置和第j個(gè)接收裝置的系統(tǒng)損耗;Rti從第i個(gè)發(fā)射裝置到目標(biāo)的距離;Rrj目標(biāo)到第j個(gè)接收裝置的距離。

雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)在2維和3維空間上的靈敏度仿真分別如圖3～5所示,它隨收、發(fā)裝置位置的不同而變化。假設(shè)組網(wǎng)雷達(dá)由三個(gè)發(fā)射裝置和三個(gè)接收裝置組成,每個(gè)發(fā)射裝置的發(fā)射脈沖功率是2kW,這樣雷達(dá)組網(wǎng)的總的發(fā)射脈沖功率是6kW,與前面的單基雷達(dá)一樣。換句話說,在靈敏度比較中,系統(tǒng)總的發(fā)射脈沖功率,保持不變。

在圖3中,三個(gè)發(fā)射裝置和三個(gè)接收裝置放置在一起。這樣雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)的作用范圍,與單基雷達(dá)相似,但作用范圍半徑與單基雷達(dá)相比增大了。這是因?yàn)槊總€(gè)接收裝置都能夠接收每個(gè)發(fā)射裝置發(fā)射的信號,接收到的總的回波能量有所增強(qiáng),所以擴(kuò)大了作用范圍。也就是說雷達(dá)組網(wǎng)與單基雷達(dá)相比,充分利用了信號能量。

圖3 收、發(fā)裝置在一起的雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)在2維和3維空間上的靈敏度仿真

在圖4中,將六個(gè)收、發(fā)裝置分成三組,每組收、發(fā)裝置各一個(gè),三組收、發(fā)裝置布局是分開的。可以看出在2維空間上,作用范圍是擴(kuò)大的,但在3維空間的高度上是減小的。這是因?yàn)榭偟陌l(fā)射能量與圖3是一樣的。在圖5中,收、發(fā)裝置是完全分開的。在這種情況下,作用范圍在2維空間繼續(xù)擴(kuò)大,在3維空間的高度上進(jìn)一步減小。

4 結(jié)語

本文主要研究了雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)性能的一個(gè)重要方面—靈敏度。在2維和3維空間上顯示了它的數(shù)學(xué)模型和仿真結(jié)果。我們可以看出,雷達(dá)組網(wǎng)系統(tǒng)的靈敏度不僅依靠于雷達(dá)參數(shù),也依靠收、發(fā)裝置的空間位置分布。與單基雷達(dá)相比,雷達(dá)組網(wǎng)提供了更加靈活的收、發(fā)裝置位置分布,根據(jù)任務(wù)需要,能夠配置相應(yīng)的雷達(dá)節(jié)點(diǎn),來形成讓人滿意的作用范圍,從而提高“四抗”能力。

[1]何寶民.雷達(dá)組網(wǎng)中采用的關(guān)鍵技術(shù)研究[J].海軍航空工程學(xué)院學(xué)報(bào),2005(7):432～434

[2]陳永光,李修和,沈陽.組網(wǎng)雷達(dá)作戰(zhàn)能力分析與評估[M].北京:國防工業(yè)出版社,2006

[3]花漢兵.雷達(dá)組網(wǎng)的特點(diǎn)及關(guān)鍵技術(shù)研究[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2007(23):33～35

[4]王歡,焦光龍,謝軍偉.基于雷達(dá)組網(wǎng)中新技術(shù)的研究[J].現(xiàn)代雷達(dá),2007(1):9～11

[5]丁鷺飛,耿富錄.雷達(dá)原理[M].第三版.西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2003

[6]趙國慶.雷達(dá)對抗原理[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,1999

[7]楊敏,張小紅.淺談雷達(dá)組網(wǎng)技術(shù)[J].國防技術(shù)基礎(chǔ),2006(1):39～41

[8]王國玉,汪連棟,王國良,等.雷達(dá)電子戰(zhàn)系統(tǒng)數(shù)學(xué)仿真與評估[M].北京:國防工業(yè)出版社,2004

[9]萬安民,陸靜.雷達(dá)組網(wǎng)的特點(diǎn)及其抗干擾設(shè)計(jì)[J].火力與指揮控制,2001(9):41～44