飛艇載無源雷達的外輻射源選擇?

王志綱,董鵬曙,吳 瓊

(1.空軍預警學院研究生管理大隊,湖北武漢430019;2.空軍預警學院二系,湖北武漢430019;3.75240部隊,廣東潮州521041)

0 引言

常規戰略系統在應對低空/超低空突防、隱身目標、反輻射導彈以及以高超聲速臨近空間飛行器為代表的新型武器裝備時具有一定局限性[1]。作為一種新型臨近空間平臺,平流層飛艇既可搭載常規有源探測裝備,也可搭載無源探測裝備。通過加裝偵察傳感器、全波段監聽器等對戰場情況進行及時監測、偵聽,搜集地面、海洋或空中等目標的信息以獲取情報,可以與預警飛機和偵察衛星構成多維一體的偵察體系。平流層飛艇可在特定區域長時間駐留,以確保對某特定區域的“凝視”偵察,且偵察覆蓋范圍較大,分辨率高。飛行高度為30 km的臨近空間平臺其對地覆蓋范圍可達3.7×105km2,遠大于“全球鷹”(1.3×104km2)和預警機(4.6×103km2)的覆蓋范圍[2],且平流層飛艇具有快速反應能力、快速攻擊能力、快速投遞能力和全面防護能力,可滿足快速預警偵察、非對稱打擊、遠距離機動等需要[3]。本文提出以平流層飛艇為依托載體,通過搭建外輻射源雷達系統,實現對臨近空間目標的探測任務,且具有較好的防超低空突防能力。

1 體制論證

基于外輻射源的無源雷達由于自身不輻射電磁波信號,而是通過接收目標反射的外輻射源信號并處理以實現目標定位,不易被偵察系統發現,具有較強的戰場生存能力。同時該系統無需高功率發射機,在一定程度上降低了系統成本和飛艇的負載。該雷達系統在技術體制上屬于雙基地雷達的一種,空域上具有一定的反隱身特性。外輻射源雷達可采用許多種商業無線電信號,相對于傳統有源雷達無需發射機組件,具有一定的機動性優勢。現代戰爭中傳統有源雷達面臨“四大威脅”的嚴峻考驗,更激發了各國對外輻射源雷達的研究熱情。

1.1 探測原理

外輻射源雷達系統可利用不同商業無線電信號作為發射源來探測目標,因此只需要選取合適的信號輻射源同安裝于平流層飛艇上的接收機就可以構成預警探測系統。由發射站、接收站和運動目標構成的雙基地雷達在平面上的幾何結構如圖1所示[4]。

圖1 飛艇載外輻射源雷達的基本幾何結構

圖中Tx和Rx分別表示該外輻射源雷達系統的外輻射源和接收站,L為基線長度,v為探測目標移動速度,?為目標速度方向與雙基地角β平分線的夾角,Rt和Rr分別為外輻射源和接收站到目標的距離,θt和θr分別為雙基地平面上以外輻射源和接收站為本地坐標原點的方位角,也稱為雙基地平面上的目標視角。β=θr-θt為雙基地角,它是以目標為頂點,外輻射源、接收站與目標連線之間的夾角。

圖1表示了該雷達系統的幾何配置,采用雙基地雷達中常用的距離和-角度定位法,已知基線距離L,距離和(Rt+Rr)以及雙基地平面內的接收站目標視角θr為測量參數。由余弦定理可得

令信號由外輻射源經過目標前向散射到接收站的距離和R=Rt+Rr,代入上式,可得

設輻射源參考信號和目標反射信號到達接收站的時延為τ,可以求得距離和

式中,c為光速。

時延τ可通過廣義互相關法取得,將輸入信號分為兩個支路,直達波通道由同步天線對準外輻射源取得,回波通道則由主天線對準目標方向取得。在直達波通道中,接收機預先將信號解調,并重新調制,以確保參考信號無噪聲干擾;回波信號通過直達波抑制和雜波抑制后,利用參考信號和回波信號進行相關處理,求得相關峰值對應的τ,即時延參數[5]。圖2是廣義相關法估計時延的原理圖。

圖2 廣義相關法估計時延的原理框圖

只要滿足外輻射源和接收站之間的視線條件,該方法可適用于任何雙基地雷達結構。

1.2 可利用的外輻射源及其信號特點

外輻射源是否能被飛艇載外輻射源雷達利用,需要優先考慮該外輻射源的波長,該信號的波段直接決定了系統的實現難度和性能特征[5]。

高頻(HF)以下的外輻射源由于天線尺寸較大,導致接收站的載荷過大,因此不利于運用于平流層飛艇上。而毫米波以上波段的外輻射源,由于照射波束較為狹窄,波束掃描方式復雜,導致在雙基地體制下的空間同步難以實現。

從信號的波長角度考慮,目前空域中可以利用的外輻射源有FM/AM廣播、模擬電視、微波移動通信基站(GSM)、數字廣播(DAB)、GPS導航信號、地面數字電視(DVB-T)、衛星直播電視(DVBS)信號等,以及多種民用和軍用的有源雷達信號。

考慮外輻射的可用性,除了其波長因素外,還需要考慮其輻射功率及波形特征,信號的分布情況和覆蓋范圍。對于廣播、模擬電視、數字電視和移動通信基站信號,廣泛分布于全球范圍內,單個輻射源的覆蓋范圍可達數公里到數百公里,且在同一地區可接收到多個外輻射源信號,有利于對其優化選擇。而GPS、衛星直播電視等信號源單個輻射源雖然覆蓋半徑可達數千公里,但信號源相對較少,且遠離地面。

對外輻射源雷達系統而言,由于其收發分置的技術體制,其威力范圍以接收機為中心。雙基地雷達系統中,最大距離積為

式中,Pt為外輻射源發射功率;Gt為發射天線增益;Gr為接收天線增益;λ為外輻射源波長;σB(β)為目標散射截面積;Ft,Fr為方向圖傳播因子;g為積累增益;k為玻耳茲曼常數;T S為接收機噪聲溫度;Bn為接收機檢波器前的噪聲帶寬;Fn為噪聲系數;(S/N)min為接收機輸入端最小信噪比;Lt和Lr分別為發射和接收系統的損耗。

2 探測性能

2.1 探測范圍

部分星載外輻射源,如GPS信號,由于距接收機較遠,基線長度較長,因此直達波信號到達接收機強度較弱,目標回波信號更弱,因此必須計算采用不同信號作為外輻射源時所能達到的探測距離。由雙基地方程(4)可知,雙基地雷達最大可探測距離積與外輻射源功率、發射天線增益、接收天線增益和信號波長成正比,與信號帶寬、接收機端信噪比成反比。

下面計算FM廣播的系統探測距離。設接收機端最小可檢測信噪比(S/N)min=3 dB,發射功率Pt=10 k W,發射天線增益Gt=6 d B,接收天線增益Gr=5 dB,FM信號工作頻率為97.5 M Hz,有效帶寬為20 k Hz,目標散射截面積σB(β)=10 dBm2,相干積累增益為10 dB,計算得到的采用該外輻射源的雙基地雷達最大距離為275.4 km。同理,設定參數如下,可得其他外輻射源最大探測距離如表1所示。

為不失一般性,將取RCS=10 d Bm2,根據文獻[6-7],取相干積累增益為10～80 dB,得出不同外輻射源條件下該系統的最大可探測距離,如圖3所示;同時取相干積累增益為10 dB,目標散射截面積RCS由0.1 m2增大至100 m2,求不同外輻射源條件下系統的最大可探測距離,如圖4所示。

圖3 RCS=10 dBm2時各外輻射源雷達的探測距離

圖4 相干積累增益為10 dB時各外輻射源雷達的探測距離

由圖3和圖4可知,在系統相干處理增益為10 dB時,對于RCS=10 d Bm2的目標,FM廣播及模擬電視信號源最大可探測距離均大于100 km,可滿足預警探測的需求,而其他外輻射源則由于發射功率較小,或外輻射源距離目標及接收站較遠,需要較大的相干積累增益,才能滿足預警探測的需求。

2.2 飛艇載外輻射源雷達的觀察面積

根據文獻[4],可將飛艇載外輻射源雷達的觀察面積定義為能量約束下的觀察面積和視線約束下的觀察面積。能量約束下的觀察面積定義為雷達方程約束的卡西尼卵形線圍成的面積,定義為A1。設式(4)右邊為,可知當時,卡西尼卵形線可近似為以外輻射源和接收站為焦點的橢圓曲線;而當時,卡西尼卵形線斷裂為圍繞外輻射源和接收站的兩條封閉曲線。以下將這兩種情況分別分析。

由式(6)、(7)可知,當系統最大距離積k B一定時,適當增大基線長度,可以在一定程度上增大系統在能量約束下的觀察面積。不同外輻射的外輻射源,系統的基線長度不盡相同,選取適當的相干積累增益,可以得到它們的信噪比等值線圖,如圖5所示。

圖5 不同外輻射源條件下雷達探測范圍

通過對比,可知飛艇載外輻射源雷達使用FM廣播、模擬電視作為信號源時,由于輻射源本身功率較大,且可選源的數量較多,理論上系統探測距離可達300 km,基本滿足預警探測的需要;而其他信號源由于功率過小,或信號源距離較遠,需要系統具有較大的信號處理積累增益,或采用雷達組網的方式,才能獲得較大的探測距離。在不增加信號處理組件的情況下,適宜采用FM廣播、模擬電視等地面信號作為該雷達信號源。

3 結束語

本文基于外輻射源雷達的基本原理,依據各外輻射源信號的特征,針對雷達系統的探測性能進行了計算機仿真,通過對比給出了使用不同外輻射源所能達到的探測距離和觀察面積,驗證了飛艇載外輻射源雷達宜于采用地面信號作為信號源。平流層飛艇可執行預警探測、信息通信、高空偵察等作戰任務,將平流層飛艇作為外輻射源雷達的搭載平臺,可有效減小該平臺的載荷負擔,并融合了該平臺升空高度高、滯空時間長、效費比高的特點和外輻射源雷達在反隱身、反低空突防目標等方面優勢,有效提高了預警探測系統的探測范圍。未來可將該體制雷達系統作為戰略預警體系的一個有機組成部分,彌補現役系統在“四抗”方面的不足。

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