低截獲概率雷達在現代戰場的應用

王俊剛

【摘要】針對低截獲概率雷達在現代戰場中的應用問題，文章首先介紹了低截獲概率雷達的相關定義，由雷達方程及偵察作用距離對截獲因子的表達式進行了推導，指出影響截獲因子的參數指標；在此基礎上，對雷達所處的現代復雜戰場電磁環境進行了簡要介紹；針對雷達在戰場中的應用，從雷達信號波形設計、MIMO雷達技術兩方面提出了提升雷達抗截獲能力的技術途徑。

【關鍵詞】低截獲概率；復雜戰場電磁環境；波形設計；MIMO雷達

1.引言

隨著電子信息技術在軍事領域的廣泛應用，現代戰場電磁環境日益復雜，對于雷達設備的分辨率、抗干擾、截獲以及抗摧毀能力提出了更高的要求。低截獲概率技術作為對抗電磁干擾和反輻射導彈的有效措施，是提升雷達生存及作戰能力的重要途徑，引起了業界的廣泛探索和研究。

2.低截獲概率雷達

雷達的低截獲概率是指，在雷達探測到敵方目標的同時，使得敵方截獲到的雷達信號的可能性最小[1]。為了衡量低截獲概率雷達的質量，Schleker提出了衡量LPI雷達質量的因子，稱為截獲因子。截獲因子定義為偵察接收機對雷達的最大作用距離與雷達的作用距離之比[2]：

（1）

其中，Ri表示偵察接收機對雷達的最大作用距離，Rr表示雷達的作用距離。

當<1時，即雷達對偵察接收機的作用距離大于偵察接收機對雷達的最大截獲距離，即雷達能探測到目標，而偵察機無法偵察到雷達信號，此時稱此雷達為LPI雷達，具有LPI優勢。LPI技術即是采取一系列措施使盡可能地小，降低雷達信號被截獲的概率。

雷達方程可以表示[3][4][5]為：

（2）

其中，Pt表示雷達的發射功率，Gt為雷達天線的發射增益，Gr為雷達接收天線的增益，為偵察接收機平臺反射面積，為雷達信號的工作波長，FS為雷達接收機噪聲系數，K為波爾茲曼常數，為雷達接收機噪聲帶寬，Lr為雷達傳輸損耗，（S/N）r為雷達檢測目標所需要的最小信噪比。

在自由空間傳輸條件下，偵察接收機可截獲雷達信號的最大作用距離為：

（3）

其中，Si為偵察接收機靈敏度，Gt'為雷達天線在偵察接收機方向上的增益，Gi為偵察接收機增益，為偵察接收機等效帶寬，為雷達發射信號等效帶寬。則最終截獲因子可以表示為：

（4）

其中，Sr為雷達接收機的靈敏度，即：

（5）

由式（4）可見，雷達的低截獲性能主要取決于雷達和偵察接收機增益、帶寬、損耗以及信噪比等指標。

3.低截獲概率雷達在現代戰場的應用

3.1 雷達面臨的現代戰場環境特性分析

隨著電子戰技術的不斷發展，現代戰場環境逐漸呈現出復雜特性，并且主要體現在電磁空間的復雜性，即現代戰場環境中隨著不同類型電子用頻設備的使用，使得電磁信號在時域、能域、頻域及空間域均呈現出復雜特性，對于處于其中的用頻設備性能的正常發揮產生了明顯的，甚至是致命的威脅。

在現代復雜戰場環境中，對雷達生存及作戰效能存在嚴重威脅的主要包括電磁干擾和反輻射導彈。這里的電磁干擾，主要是戰場環境中的人為有意干擾，特別是人為實施的阻塞式或瞄準式干擾，這些電磁干擾樣式可有效降低雷達信號的信噪比，從而導致雷達信號被偵察接收機有效截獲。反輻射導彈（ARM）是利用其被動導引頭截獲并跟蹤目標雷達的信號，引導導彈命中目標雷達或其他電磁輻射源的電子戰硬殺傷武器[6]。以岸基或艦載相控陣雷達系統在現代戰場中的應用為例，通常需要高的峰值發射功率或采用大的功率孔徑積，以探測隱身作戰飛機或低空突防的隱身巡航導彈等，增大發射信號功率，則很容易在遠距離被敵方電子偵察設備截獲，然后施放大功率有源干擾，使雷達不能正常工作，且使雷達極易受到反輻射導彈的攻擊[7]。

3.2 如何進一步提升雷達的抗截獲能力

為有效偵察、截獲到雷達信號，目前各類偵察接收機采用各種手段和方法，抑制噪聲，提高淹沒于噪聲中的雷達信號的處理增益，實現對雷達信號的有效截獲。目前采用的截獲方法和手段主要有功率檢測法、高階統計量方法、循環平衡分析法、時頻分析法以及其他的信號處理方法等[8]。進一步提升雷達的抗截獲能力，是應對各類截獲方法，實現在復雜戰場電磁環境下應用必須要考慮的問題。

1）選用復雜的信號波形設計

由文獻[9]可知，當為主瓣截獲，并且偵察接收機的有效帶寬與雷達發射機信號帶寬相同時，截獲因子可簡化為：

（6）

其中，k是與偵察接收機及雷達相關的參數，由上式可見，截獲因子與雷達發射信號的時寬帶寬積的平方根成反比。若所設計的雷達信號隨機性很強，時寬帶寬積較大，則由式（6）可知，其截獲因子相應較小，提升了雷達的抗截獲能力。

當前雷達信號多采用FSK或PSK等單一調制體制，以FSK/PSK組合調制為例，其可以有效提升雷達的抗截獲能力。假定PSK信號的的子脈沖寬度為Tp，碼長為P，則應用PSK調制的雷達發射信號的截獲因子；FSK信號的子脈沖寬度為TF，跳頻數為NF，則應用FSK調制的雷達發射信號的截獲因子，則PSK/FSK組合調制后，其截獲因子為。可見，通過雷達波形設計，可有效提升雷達信號的抗截獲能力。

2）MIMO雷達技術的運用

多輸入多輸出技術（MIMO， Multiple input multiple output）應用于雷達系統是近年來國內外研究的熱點。MIMO雷達是利用多個發射天線同步地發射分集的波形，同時使用多個接收天線接收回波信號，并集中處理的一種新型雷達體制[10][11]。以綜合脈沖孔徑雷達（SIAR）為例[7]，其采用將雷達發射天線和接收天線分開放置的布陣方式，每個發射天線發射信號各不相同，并且相互正交；接收采用數字波束形成技術，形成多個同時的接收多波束，實現對發射信號覆蓋空余的全空域接收，是MIMO雷達的雛形，可有效對抗反輻射導彈的攻擊，提升了雷達抗截獲能力。當前，MIMO雷達在實用化方面還存在眾多的難題，使得MIMO雷達的研究常局限于某一問題或領域，但相信在不久的將來，MIMO雷達的實用化將成為可能，提升雷達系統的抗截獲能力也將得以實現。

此外，由截獲因子的定義可知，通過對雷達發射信號的功率控制也可在一定程度上實現低截獲性能。即僅當有必要測量目標時才對雷達進行開機，或者根據目標大小及距離遠近等發射不同的功率等。

4.結論

綜上分析，隨著戰場電磁環境的日益復雜，對雷達系統的性能提出了更高的要求，特別是在復雜電磁干擾及反輻射導彈的影響下，要特別重視雷達信號的抗截獲能力。文章在介紹低截獲概率雷達的基礎上，對其面臨的復雜戰場電磁環境進行了說明，為滿足其在現代戰場中的應用，從信號波形設計、MIMO雷達技術等技術途徑可進一步提升雷達系統的抗截獲能力。

參考文獻

[1]李江源.超寬帶雷達的低截獲性分析[J].雷達科學與技術，2005，3（5）：266-270.

[2]Schleker D C.Low Probability of Intercept Radar[C].IEEE International Radar Conference（CH2076～ 8/85），1985：346-349.

[3]秦為.低截獲概率雷達要素分析與初步設計[J].現代導航，2012，4：275-278.

[4]唐濤.低截獲概率技術對抗反輻射導彈研究[J].現代防御技術，2013，41（2）：40-45.

[5]張錫熊.低截獲概率（LPI）雷達的發展[J].現代雷達，2003，12：1-4.

[6]唐濤.高功率雷達與反輻射導彈對抗研究[J].雷達科學與技術，2012，10（6）：595-598.

[7]何子述.MIMO雷達概率及其技術特點分析[J].電子學報，2005，33（12）：2441-2445.

[8]黃美秀.編碼跳頻信號的低截獲性能分析[J].現代雷達，2011，33（10）：33-37.

[9]郭貴虎.一種新型低截獲FSK/PSK雷達信號分析[J].電訊技術，2009，49（8）：49-52.

[10]J Li，P Stoica.MIMO radar with collocated antennas[J].IEEE Signal Processing Magazine，2007，24（5）：106-114.