基于雷達組網的隱身目標探測技術研究

鄭守峰

(91851部隊 葫蘆島 125001)

基于雷達組網的隱身目標探測技術研究

鄭守峰

(91851部隊 葫蘆島 125001)

隱身目標的常規化、普及化對預警探測系統構成了嚴重威脅,從體系對抗的角度,研究了低RCS目標的探測。論文提出了綜合應用組網雷達系統、改善雷達檢測性能和多雷達航跡先于檢測等技術的反隱身方法,研究結果表明:這些技術的工程應用,可近似抵消隱身目標的RCS下降。

隱身目標; 組網雷達系統; 視頻積累; 信號積累檢測; 航跡先于檢測

Class Number TN95

1 引言

隱身目標的常規化、普及化給獨立探測的單雷達系統構成了嚴重威脅,也給組網程度低、體系對抗能力弱、探測手段單一的情報雷達系統帶來了極大的壓力。如何針對隱身目標不能全方位全頻段隱身的固有局限性,積極利用現役和在研雷達資源,研究反隱身技術途徑以應對隱身目標的挑戰,已引起各級用戶和專家學者的廣泛關注。目前能夠實現的反隱身技術手段主要有:

1) 體系對抗反隱身

改造提升現役雷達性能,適當添加機動性能好的現代化雷達構成組網雷達系統,初步形成體系對抗的網絡,并進一步研究體系對抗的各種措施,逐步形成能對隱身目標進行搜索、跟蹤的預警探測系統。

2) 頻域反隱身

用于隱身的吸波材料和吸波結構主要對1GHz～20GHz頻段內的電磁波產生作用,可采用工作頻率在此范圍以外的米波和毫米波雷達,實現頻率上反隱身。

3) 改善檢測性能反隱身

在役和在研雷達檢測性能提高是反隱身的重要環節,通過積累改善信噪比(SNR)、減小信號處理損失、降低檢測門限、實現多雷達掃描間檢測等都是提高低RCS目標發現概率的有效手段。

已經實現和正在研究中的其他反隱身方法和手段,如自適應極化雷達、高空預警機等都可以歸于體系對抗,實際上反隱身手段應該是各種方法的綜合應用。任何一種成功設計的隱身目標相對常規目標來說,其本質是減小了RCS,這給雷達檢測帶來了難度,解決低RCS目標檢測的雷達設計應引起高度重視。

本文解決隱身目標探測的思路為

1) 按探測任務需求構成組網雷達系統,保證至少有一部雷達能夠對從任何方向來襲的隱身目標在鼻錐方向的水平±45°,垂直±30°以外的區域進行照射,形成多重覆蓋、多視角探測系統;

2) 對現役雷達進行相參和非相參積累改造,降低自動檢測門限,提升其檢測性能,改善雷達對低RCS目標檢測的靈敏度;

3) 采用多雷達航跡先于檢測技術,合理提高各雷達的發現概率,利用多雷達掃描間的關聯,濾除虛警及雜波,改善對目標的發現能力。

本文還分析了多雷達信號積累的可能性,分析結果認為:多雷達信號非相參積累的SNR隨著積累數的增長改善并不顯著,發現目標的能力提升有限;而相參積累的效果較好,特別是在超寬帶處理用于目標識別方面的研究很有價值,但設備復雜度和技術難度都增大很多。文章最后得出結論:采用上述各種方法后,對隱身目標的檢測性能接近隱身前水平。

2 組網雷達系統的設計思路

2.1 組網雷達的反隱身性能

隱身飛機整形設計主要針對易受攻擊的正前方鼻錐方向的水平±45°,垂直±30°的單基地雷達,在這個方向上目標的雷達散射截面積(RCS)縮減了10dB～30dB;而在其他方向上的RCS減小不多,這種設計使得隱身飛機并非是完全“看不見的”,而是給雷達探測留有空間窗口;吸波材料涂層和吸波結構主要對1GHz～20GHz頻段內的微波發生作用,這種特點給雷達探測留下了頻率窗口。組網雷達系統正是利用這種原理,采用多雷達以不同頻率從不同角度照射隱身目標,使處于網絡范圍內的隱身目標可被多部雷達探測到,提高了雷達對隱身目標的發現概率。因此雷達組網是實現反隱身的有效途徑。

2.2 反隱身對組網雷達系統部署的要求

假設雷達網由N部雷達D1,D2,…,DN組成,對應的工作頻率為(f1,f2,…,fN),以中心站為坐標原點,建立地面直角坐標系,雷達部署位置分別為o1(x1,y1),o2(x2,y2),…,oN(xN,yN),目標T的位置坐標為oT(xT,yT),目標飛行的航向為θ0,俯仰角為φ,如圖1所示。

其中θ1,θ2,…,θN分別為雷達對目標的照射角θi=θ(θ0,oi(xi,yi)),假設雷達i的目標反射截面積為RCS(i),則有

RCS(i)=f(θ0,θi,φ,fi)

(1)

假設雷達i對目標的發現概率為Pd(i),則有

Pd(i)=g(θ0,θi,φ,fi,Ri)

(2)

其中:Ri為雷達i與目標的距離,σ為目標的RCS,由式(1)計算。

則雷達組網后對目標的發現概率為

=F(θ0,θi,φ,fi,Ri)

(3)

要使雷達網能發現其覆蓋范圍內的任意位置出現的以任意方式飛行的隱身目標,即雷達網對目標的探測有目標的飛行方式無關,同時雷達網總至少有一部雷達對目標的發現概率大于發現概率的門限值δ,需滿足下面的條件：

(4)

如果式(4)有解,則通過資源的優化配置可實現組網雷達系統對任何方向來襲隱身目標的探測;如果式(4)無解,則不能直接通過現有雷達資源的配置達到全局最優的反隱身效果,這種情況下,一方面在工程上,可以通過現有資源的合理配置,達到在現有資源條件下的局部最優反隱身性能;另一方面由式(4)可以發現,組網雷達系統對隱身目標的發現概率受單雷達的檢測性能的制約,因此通過改善單雷達的檢測性能可以使組網雷達系統對隱身目標的探測能力進一步提高。

3 改善單雷達的積累檢測性能

單雷達相參積累檢測方法很多,這里以動目標檢測(MTD)為例,處理示意如圖2所示。

圖2中對消處理能抑制固定雜波,并降低多普勒濾波所需的動態范圍;多普勒濾波完成相參脈沖串的匹配濾波,利用回波脈沖的相參性而進行相參積累;自適應門限是由同一濾波器的左右相鄰16個距離單元輸出求和得到統計平均值,再由虛警概率的要求,將各個門限乘上相應的常數而確定。零通道處理用于檢測切向運動目標,在動目標檢測系統中用雜波圖作為門限來檢測零多普勒頻率的切向目標。

動目標檢測系統的靈敏度提高主要受積累單元數有限的自適應門限的制約,帶來的積累檢測損失較大。為避免由此帶來的影響,工程設計采用由雜波圖選擇:雜波區選擇相參積累檢測;其他區域選擇非相參積累檢測器。因為雜波區離雷達較近,目標信噪比較強,對檢測器的靈敏度要求不是很苛刻;而非雜波區選用雙門限檢測器,典型代表為二進制滑窗檢測器。這種檢測器電路簡單,工程上易于實現且抗異步干擾性能好,但檢測損失比雙極點和最佳檢測器大2dB以上。為減小檢測損失,這里介紹一種工程上可以實現的視頻積累檢測器。

視頻積累屬于非相參積累,其實現原理為:對雷達探測的視頻回波信號采取多級存貯、逐級抽頭的方法實現信號延時,延時的級數與積累次數相同,對逐級抽頭的信號按給定的權系數相乘并累加,則可實現積累。表達式為

(5)

式中:αi為權系數,由雷達水平波瓣形狀決定;Tr為脈沖重復周期;N為3dB水平波瓣內脈沖個數;ui(t-iTr)為水平波瓣距離剖面的回波幅度值。

相關文獻[3～4]已證明:按上式完成的積累器,是視頻脈沖串的匹配濾波器。工程上為實現方便,一般近似取a1=a2=…=an=1。比按波瓣形狀產生加權系數,積累損失增加了0.3dB左右,但降低了運算的復雜度。

以積累器為核心構成視頻積累自動檢測器如圖3所示。

用視頻積累自動檢測器改造雷達系統的雙門限二進制滑窗檢測器,可改善對低RCS目標和機動目標的檢測性能,減小檢測損失2dB左右,相當于雷達發現距離增加12%。

工程上,可把由虛警概率決定的自動檢測門限VT設計成由數據處理設備或數據融合中心按需要調整,以便進一步提高檢測概率。下面介紹的多雷達航跡先于檢測技術,就是通過調整各雷達的自動檢測門限改善對隱身目標的檢測。

4 組網雷達航跡先于檢測技術

相參與非相參積累都只是解決單次掃描脈沖串之間的積累,利用多次掃描信息進行幀間積累,降低對單次掃描SNR要求,可以改善低RCS目標的發現能力。在組網雷達系統可以使用航跡先于檢測(Trace Before Detection,TBD)技術實現掃描間積累。從關聯算法的角度來說,多雷達的TBD比單雷達TBD還容易實現,因為多雷達點跡數據率比單雷達的點跡數據率要高,所需關聯范圍小,點跡處理的復雜度要低一些。

單雷達TBD方法原理為:按前面介紹的視頻積累方法對雷達回波信號進行積累,由于參加積累的雷達視頻回波均為統計獨立,由中心極限定理知:積累的和信號概率密度函數接近正態分布[5]。假設積累后的變量為y,只有噪聲和信號加噪聲情況下的概率密度函數分別為P(y/0)、P(y/s),如圖4所示。

雷達自動檢測系統按紐曼-皮爾遜準則確定門限,即在給定的虛警概率下,按檢測概率最大設置自動檢測門限。假設檢測門限為VT,這時虛警概率Pf與檢測概率Pd分別表示為

(6)

(7)

工程應用中,一般按虛警概率Pf=10-6計算一定時間內虛警的數目,調整門限VT使之符合虛警數要求,此時發現概率最大。TBD技術要求:在系統能夠承受并能處理的虛警范圍內,調整檢測門限VT,使檢測概率盡可能大,所產生的虛警通過幀間相關濾除,而目標由幀間相關準則M/N進行檢測。

多雷達TBD技術為:按系統處理能力合理設計各雷達自動檢測門限,按時間對點跡數據進行排序,若對N次多雷達掃描,收到同一目標的點跡為M次或M次以上,則判斷目標存在并起始跟蹤。

在單雷達情況下,虛警概率可增大1～2個數量級,考慮到虛警的隨機性,目標在掃描之間的相關性,通過數據處理算法,可濾除虛警點跡。檢測門限越低,虛警越大,檢測概率越大,越有利于低RCS目標的檢測,但受通信鏈路的容量、點跡關聯處理復雜度限制。通過雷達目標模擬器與數據處理設備的試驗表明:在相同的檢測概率條件下,使用TBD方法,SNR的改善大于5dB。

通過分析:多雷達的TBD技術使用其總體效果應優于單雷達情況。工程實現主要難點為:時間基準與點跡數據的實時性;各雷達空間定位準確度與坐標變換誤差;各雷達的基準正北和方位誤差的校正;各雷達系統誤差及校正;各雷達的天線抖動誤差估計及校正等[6]。

5 組網雷達信號積累檢測

組網雷達信號積累分為相參與非相參兩種,積累的雷達方程為

(8)

式中:N為可同時照射目標的雷達數目;M為雷達水平波瓣3dB寬度內脈沖數目,這里假設N部雷達脈沖數目均相同;aij為由第i部雷達水平波束形狀決定的積累加權系數;σi為第i部雷達從不同視角照射的目標RCS;Ri為第i部雷達從不同視角觀測目標的距離;Ki為單雷達方程中的其他參數。

由此看來,用非相參積累來處理組網雷達信號積累檢測,其效果不會隨脈沖數增加而明顯改善;而用相參積累來解決組網雷達信號集中檢測的工程應用問題,尚有不少難題需要解決[7]。故采用多雷達TBD技術實現組網雷達的集中檢測,應是工程實現與實際效果方面的最佳折中方案。

6 結語

根據有關資料[8～9],F-117A在前視方向的RCS下降約22dB,而其他方向平均下降低于9dB。組網雷達系統通過多角度的有效觀測,實際上隱身目標的RCS下降僅為9dB,經采取改善單雷達積累檢測性能獲得2dB得益[10],組網雷達的TBD技術獲得5dB得益,累計隱身目標的RCS僅下降2dB。因此,基于組網雷達系統、改善雷達檢測性能和多雷達航跡先于檢測等技術的綜合應用,可近似抵消隱身技術的作用。

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Detection Technology for the Stealth Target Based on the Netted Radars System

ZHENG Shoufeng

(No. 91851 Troops of PLA, Huludao 125001)

As the routinization and diffusiveness of stealth targets brings serious threatening to the early warning detection system, the detection of low RCS targets will be studied from the aspect of system countermeasure. This paper brings forward the anti-stealth way that synthetically applies the technologies such as the netted radars system, improving the radar’s detection performance and multi-radar’s trace before detection. The analyses indicate that the engineering application of these technologies can almost counteract the RCS decline of the stealth targets.

stealth target, netted radars system, video accumulate, signal accumulate detection, trace before detection

2016年8月16日,

2016年9月23日

鄭守峰,男,助理工程師,研究方向:雷達工程及靶彈控制技術。

TN95

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.02.004