地面情報雷達系統探測盲區分析*

秦衛城　趙匯強　劉　祥　李宗亭

(93498部隊　石家莊　050071)

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地面情報雷達系統探測盲區分析*

秦衛城趙匯強劉祥李宗亭

(93498部隊石家莊050071)

摘要為更好認識到雷達裝備的實際使用性能,對地面情報雷達系統的探測盲區進行了梳理分析。在傳統研究基礎上,通過全面考察目標特性、戰場環境、裝備性能等影響因素,提出將雷達盲區劃分為靜態盲區、暫態盲區和動態盲區,并針對各類盲區進行了具體分析。

關鍵詞盲區; 情報雷達; 戰場環境; 暫態盲區

Blind Space of Ground Based Air Surveillance Radar System

QIN WeichengZHAO HuiqiangLIU XiangLI Zongting

(No. 93498 Troops of PLA, Shijiazhuang050071)

AbstractFor better understanding of the performance of reality radar, blind space of the ground based air surveillance radar system is analyzed. Factors including target performance, battle filed environment, equipment performance etc. are investigated based on the conversional eyes. Category method of blind space is proposed, which is redefined to statistic blind space, temporary blind space and dynamic blind space. Furthermore, detailed analysis is presented correspondingly.

Key Wordsbind space, surveillance radar, battle filed environment, temporary blind space

Class NumberTN95

1問題的提出

雷達盲區與雷達相伴而生,和探測是一組相對概念,因此對雷達盲區的研究可以追溯至雷達誕生之初。傳統上,雷達盲區可劃分為頂空盲區、波瓣分裂盲區、視距盲區、低空盲區,以及氣候因素導致的天氣擴展盲區等。這些盲區主要是基于雷達設計角度進行理論定義、分類和分析,在實際中結合陣地條件、組網方式、資源管理等實際應用方面研究較少,難成體系。

雷達使用方基本將所有精力放在雷達傳感器輸出情報上,較依賴“眼睛”看到的結果,對防區內存在的盲區和盲區變化情況難以做到心中有數,遇到一些突發情況也往往容易陷入應對無措的窘境。

根據探測機理,雷達實際輸出情報嚴重依賴目標特性和戰場環境。一方面,隨著現代飛行器設計技術的發展進步,其RCS越來越小,突防目標飛行速度越來越快,原有的雷達探測區可能將被重新劃分到盲區范圍,如針對特定目標的動態盲區(隱身目標的盲區擴展),如波束掃描空隙盲區等都值得深入探討研究。另外,由于現代電子技術的發展,愈加豐富的電子對抗手段[1～2]、愈加復雜的電磁環境[3～4]都會對陣地情報雷達盲區擴展帶來難以預知的影響,引起雷達設計探測范圍的隨機變化。可以說,對雷達盲區的理論研究早已有之,但實際系統中結合應用重視不夠,不成體系。

2研究現狀評述

1) ××低空監視系統無法從本質上解決低空盲區問題

隨著低空領域逐步開放,對低空目標的探測監視能力需求日益迫切。原有的地面情報雷達系統受原研制任務需求和陣地條件等制約,往往存在大量的低空盲區,對“低、慢、小”目標的探測存在一定的先天性缺陷?；诖?某廠研制了××低空監視系統,該系統相當于一部二次雷達,即在低空目標上均加裝身份識別器,通過與置放在雷達站的接收機通信實施身份驗證,進而完成對低空目標的監視和管理。

該系統可對一些合作低空目標設施簡單高效的航管,為平時低空領域的管理提供了較好的技術途徑。但是,針對低空盲區中的非合作目標,此套系統尚缺乏有效解決方案。而需要指出的是,對情報雷達系統而言,非合作目標探測、監視軍事需求和意義都更顯重大,而××系統尚無法從本質上為解決當前情報雷達低空盲區探測難題提供技術途徑或指導。

2) 某“陣地條件對雷達探測效能的影響分析”項目[5]評述

據資料顯示,該項目主要立足研究雷達在使用過程中的技術性能變化,對雷達工作參數和陣地條件進行數據采集,并基于探測威力覆蓋開發了演示系統,該研究具有重要的實際意義,為對空情報雷達技術狀態評估提供有力支撐。

然而,需要指出的是,該項目雖然基于陣地等條件對雷達探測威力進行了考察(傳統上探測與盲區可視為互補),但尚缺乏通盤考慮,如無法對區域內電磁資源進行全面評估,無法為區域內雷達資源管理提供依據,尤其是針對可能的不同目標,不同突防方式,以及不同地形環境下的盲區動態演變過程缺乏深刻理解,無法為區域防空指揮提供全面、可靠的數據指導。

3地面情報雷達系統盲區分類與分析

在傳統雷達盲區定義基礎上,進行定義擴展、理論梳理和再劃分,結合傳統頂空盲區、視距盲區、低空盲區概念,擬對雷達盲區重新定義為:針對特定的雷達或雷達系統,其無法有效實施探測的空域。

雷達系統研制出廠后各項參數即相對確定,當進入陣地架設后,其頂空盲區、視距盲區、低空盲區和波瓣分裂盲區,以及地形遮蔽盲區即可從理論上確定并保持相對穩定。這里稱之為靜態盲區。由于現代飛行器突防速度越來越快,而雷達為滿足探測精度要求總是有一定的方向性,雖然可以使用波束掃描進行空域覆蓋,但針對高速突防飛行目標和雷達機械掃描方式,這種由于波束掃描造成的暫態盲區愈加不能忽視。從現代雷達信號處理方式上來看,對目標實施有效探測的核心在于滿足一定的信噪比要求,各雷達接收機也有一定的動態范圍。而在復雜電磁環境、變化的氣象條件、可能的各種電磁干擾、電磁特性各異的各種目標等都會在一定條件下對雷達接收機信噪比產生動態變化的信噪比。相應地,依賴于信噪比信號處理理論的現代雷達系統其探測性能亦會表現出相應影響,即產生對應的動態盲區。

在雷達組網探測中,各雷達傳感器探測有一定的補充作用,其靜態盲區、暫態盲區、動態盲區范圍需要進行更復雜的測量與理論計算,其表現形式交織變化,更加復雜。

3.1靜態盲區

1) 低空盲區

由于雷達天線架高,以及波束俯仰掃描角度上的限制,地面情報雷達總是不可避免存在低空盲區,如圖1中陰影。分析看出,雷達天線架設的高度越高,相同條件下低空盲區范圍越大;而在高度一定情況下,天線俯角越大,低空盲區范圍越大。

圖1　低空盲區示意

2) 頂空盲區

同樣受波束俯仰掃描角度限制,對單部地面情報雷達系統而言,在其頂部空域由于掃描仰角上的制約而產生頂空盲區。對于水平360°環掃雷達系統而言,頂空盲區類似于一個巨型倒漏斗。

3) 視距盲區

在雷達實際探測中,如圖2所示,由于地球表面彎曲,會導致雷達看不到超過直視距離以外的目標,即產生視距盲區。敵方可以利用雷達的這種弱點,由雷達視距盲區進入,從地面情報雷達系統視線以下實施超低空、低空突防。

圖2　視距盲區示意

圖3　地球曲率影響

為提高雷達直視距離,常采用架高雷達天線方法。但是這種方法也有一定的局限性,直視距離雖然提高了,但視距盲區仍然存在。如圖3所示,暫不考慮大氣影響,假設地球半徑為Re,雷達天線等效相位中心架高海拔設為ha,則雷達視距即等效相位中心點到地平線距離d可計算為

(1)

如取地球半徑Re為6370km,對于架高ha,可得視距關系表如表1。

表1　視距與架高關系計算

據此,可相應推演低空突防目標飛行高度與雷達徑向距離關系,即飛行器在距離雷達探測徑向多遠時,飛行高度在多少米以下是完全處于雷達盲區內。假設徑向距離R,飛行高度ht,則有關系式

(R-d)2+Re2=(Re+ht)2

(2)

其中d為雷達視距。

當雷達陣地確定后,視距即確定,視距盲區的范圍亦確定。圖4繪制出了雷達天線架高與盲區視距的關系,可見隨著雷達天線高度增高,雷達受地球曲率的影響減小,雷達可視距離增大。即可通過將雷達架設在山頭、高臺、高層建筑物頂端等方法,在一定程度上擴大雷達可視范圍,增強探測能力。

由于飛行器一般總在一定高度上飛行,圖5給出飛行器最大飛行高度與雷達視距最大探測徑向距離的關系,即飛行高度一定時,利用地球曲率的影響,當飛行目標距離雷達徑向距離大于一定關系時,飛行器在雷達探測視線之下,雷達無法實施有效探測。由圖5可以分析得出:飛行器飛行高度不變,雷達天線架設高度越大,視距外探測徑向距離越遠。即可理解通過增加天線架高,一定程度上消除地球曲率的不利影響,增大雷達探測視距。另一方面,如維持一定的可視徑向距離,天線架設高度越高,對飛行器的飛行高度要求越低。即可理解通過增加天線架高,可在一定程度上增強雷達對視距外低空飛行目標探測能力。

圖4　天線架高與盲區視距關系

圖5　盲區視距外最大飛行高度與徑向距離關系

需要說明的是,受實際地形抬高影響,雷達視距會減小,相當于地形遮蔽。

對于俯視情況(即雷達仰角為負數),雷達視距會進一步降低。因此對于俯仰上有掃描的雷達系統,視距會相應進行變化。

4) 波瓣分裂盲區

由于對理論分析并不帶來實質上的變化,暫不考慮此種盲區。

5) 地形遮蔽盲區

多數地面情報雷達波長都位于光學區,受高大山脈和建筑物遮擋,電磁波無法繞射穿透,對威力范圍內的地形隱蔽目標無法實施有效探測,常形成地形遮蔽盲區。當地面情報雷達進入陣地后,其周邊地形地貌特點基本穩定,因此對于單雷達系統而言,其地形遮蔽盲區亦穩定不變。

3.2暫態盲區

從單雷達測向和分辨考慮,地面情報雷達常采用窄波束設計,同時采用空域掃描方式保證空間覆蓋,為保證空間360°全覆蓋,在水平向上常進行機械環掃。而地面情報雷達天線尺寸較大,水平掃描周期一般在3～6r/min,因此可以形成一定的波束掃描空隙。在雷達威力范圍內,波束掃描空隙定義為暫態盲區。對于雷達組網,由于各雷達波束掃描配合方式上的不協同,如圖6所示,有時也會出現掃描空隙區域,即產生暫態盲區?，F代高機動目標突防速度越來越快,越來越有可能利用這種暫態盲區避開雷達網探測,達成突防、突襲。因此,對暫態盲區的研究尚需要引起重視。

圖6　波束掃描空隙暫態盲區

3.3動態盲區

由于外界因素作用于雷達接收機,引起接收信號信噪比消減和處理方式的變化,相應會引起雷達探測威力上的消擴,即盲區的擴消。又由于這些外界因素常動態變化,如天氣變化不定、非合作目標的隨機出現等,而使得這類盲區相應具有動態變化性,因此暫稱之為動態盲區。結合實際情況,這里主要分析消極天氣下的擴展盲區與非合作隨機目標動態盲區兩類。

1) 消極天氣擴展盲區

在惡劣條件下,大氣中的雨、霧等會對電磁波產生較強的衰減作用。文獻[6]對此有較詳細的總結論述,在此不再贅述。

2) 隨機目標動態盲區

從雷達方程出發,有

(3)

其中Pt表示發射天線功率,G表示發射天線增益,λ表示發射信號波長,σ表示雷達目標散射截面積,R表示雷達目標徑向距離,Ls表示系統損耗因子,代表收發轉換開關、功分器、波導和天線罩等部件信號損耗和非自由空間中的傳播損失,La(R)表示天氣衰減因子,是距離的函數,Pr表示雷達接收功率。

可見,在約束各方面條件不變情況下,雷達探測威力四次方與雷達目標散射截面積成正比,即對于散射截面比為16倍的兩目標,同一雷達對其探測威力比為兩倍。由于各目標散射截面積各不相同,因此在約束雷達工作參數不變情況下,雷達探測威力隨目標情況變化而變化,即探測盲區呈現出隨機動態性。

20世紀50年代,各國在設計防空雷達時,探測威力距離一般以典型飛機目標RCS為4m2計算確定。隨著隱身飛機的工程化與實用化,從20世紀80年代開始,防空雷達設計時其典型飛機目標RCS一般定為0.4m2(相當于準隱身戰斗機)。

目標RCS具有姿態敏感性,對于對空地面情報雷達而言,探測距離較遠,一般考慮目標為迎頭接近飛行,即以鼻錐方向RCS為典型值。另,結合理論計算與實際試驗,標準散射體與錐球體等目標的RCS明顯依賴于頻率。飛機屬于復雜結構形狀目標,后向散射較為復雜,其RCS的頻率響應與微波頻段有關,表2給出兩種典型飛機的RCS統計平均值與波段的關系(鼻錐向±45°)[7]。

表2　兩種典型飛機RCS統計平均與波段關系

在戰爭條件下,地面情報雷達系統可能面臨各類導彈的挑戰。文獻[7]給出了“哈姆”反輻射導彈和“幼畜”空地導彈頭部/正側部RCS在不同極化條件下隨波段變化情況。可見極化方式、目標姿態與目標RCS的關系較為密切。

隨著目標隱身技術與低空、超低空飛行技術的不斷進步,鳥和鳥群對地面情報雷達的困擾可能會愈加嚴峻。文獻[8]給出了單只鳥在各波段下的RCS,對于鳥群的RCS可以用單只鳥的RCS乘以數目作簡單估算。與前述表格中目標RCS數據作簡單比較,可見在一定波段如S波段上,數只或幾十只鳥類的RCS即能與導彈目標、隱身無人機、隱身轟炸機等目標RCS相當,在一定探測威力內即有可能對缺少多普勒處理的地面情報雷達探測造成相當大的困擾。

3) 復雜電磁擾動、干擾擴展動態盲區

通過對回波進行處理,雷達最基本的一個功能就是檢測感興趣目標是否存在。隱含在接收回波中的目標信息需要與接收機噪聲、雜波回波,以及有意、無意的電磁干擾競爭,通過某些信號處理方法進行分析,確定其中是否包含感興趣目標,并進一步確定距離、角度與速度信息。

4結語

雷達盲區與探測區正如硬幣的兩面,其中一面

的揭曉就是答案的全部。擦亮現代戰爭的“眼睛”,需要結合目標特性,戰場環境,裝備性能等進行整體通盤考慮,而對探測盲區的研究提供了更便捷的視角,將可在此基礎上形成多維、立體、動態、實時、敏捷反應的區域防空系統,為一體化戰略提供支撐。

參 考 文 獻

[1] 張林讓,趙珊珊,周宇,等.數據采集與處理[J].2014,29(4):516-525.

[2] 劉雙青,蔡新舉,占超.艦船電子工程[J].2013,33(8):7-11.

[3] 李淑華,黃曉剛,劉平.現代雷達[J].2013,35(4):1-5.

[4] 解向軍,鄭敏,徐宏偉.飛機設計[J].2013,33(4):64-68.

[5] 陣地條件對雷達探測效能的影響分析.研究報告.

[6] 許小劍,黃培康.雷達系統及其信息處理[M].北京:電子工業出版社,2010:28-33.

[7] 王小謨,匡永勝,陳忠先.監視雷達技術[M].北京:電子工業出版社,2004:150-165.

[8] 左群聲,徐國良,馬林,等譯.雷達系統導論[M].北京:電子工業出版社,2007:338-341.

中圖分類號TN95

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.01.021

作者簡介:秦衛城,男,高級工程師,研究方向:雷達裝備研究與維修。趙匯強,男,博士研究生,工程師,研究方向:雷達信號處理。劉祥,男,工程師,研究方向:雷達裝備維修。李宗亭,男,碩士研究生,工程師,研究方向:雷達裝備發展與維修。

*收稿日期:2015年7月1日,修回日期:2015年8月26日