雙基地雷達性能分析及作戰應用研究*

王亞莉 賈宏進

（1.91404部隊 秦皇島 066000）（2.91336部隊 秦皇島 066000）

1 引言

雙基地雷達因其“收發分置，無源被動接收”的技術特點而被認為是對抗“四大威脅”的有效體制，收發分置（收發異址）為其本質特征，配置靈活，基本構成有兩類：

1）利用單基地雷達（TR），增設分置的接收系統（R），并使它與原雷達發射系統協同工作，構成雙基地體制的TR-R系統，并可擴充為多基地雷達系統TR-Rn。R站與T或TR站間保持時間、相位和空間同步。

2）發射機（T）只起照射作用，一臺T站可與多部分置的接收機同步工作，共同組成雙基地系統T-R或多基地系統T-Rn，各接收站在時間、相位和空間（波束指向上）亦必須和發射站同步。

1.1 基本關系

圖1中，發射站T和接收站R間的連線稱為雙多基地雷達基線，其長度L稱為基線距離；發射站或接收站任一端向外延伸的基線稱為基線延長線。RT和RR分別為發射站和接收站到目標間的距離，β=θR-θT稱為雙基地角，它是以目標為頂點，發射站、接收站與目標連線之間的夾角。由于幾何結構對稱性，研究問題時只考慮上半平面即可［1～2]。

大多數情況下，雙基地接收機測量來自發射機的直接脈沖和目標回波脈沖之間的延時，如果L已知，將可以得出雙基地的距離和。這樣的測量方法定義了一個橢圓，發射機和接收機就是兩個焦點。

發射機或接收機使用定向波束來指向橢圓上的目標。如果發射機信號是脈沖的（通常如此），雙基地雷達接收機必須與發射機同步。雙基地接收機中信號處理需要以下信息：1）發射機和接收機的位置；2）每個脈沖的發射時間；3）發射波束的指向位置（若定向發射）；4）發射信號的相位（若相干處理）。如果發射機是合作的，可以使用固定鏈路。否則，若其中一個或者兩個都是機載平臺，就必須通過接收直接信號來獲取信息。同步和定位均可使用全球定位系統實現。

圖1 雙基地平面上的幾何關系

1.2 能量關系

雙基地雷達方程中，發射基地到目標的距離與接收基地到目標的距離之積，取代了單基地雷達方程中雷達到目標的距離平方項。在單基地雷達方程中，信噪比等值線為圓，雙基地雷達方程信噪比等值線卻為卡西尼（Cassini）卵形線。用目標的雙基地雷達截面積取代了單基地雷達截面積，用發射基地和接收基地天線增益取代了單基地雷達收發合一的天線增益項。由于收發分置，發射基地和接收基地的方向圖傳播因子將影響雙基地雷達的空間探測范圍。

1.3 目標散射特性

單基地雷達只能從散射場的一小部分中取得目標信息，雙（多）基地雷達卻能從分散的若干位置中獲取信息，因此它具有許多其他雷達所沒有的品質。

設Ei是發射機以(θT，φT)為入射方向入射到目標處的電磁強度，Es是目標以(θR，φR) 為散射方向散射到接收機處的電場強度，則雙基地雷達截面積定義為

與單基地雷達一樣，雙基地雷達目標截面積除了與目標幾何尺寸、形狀和表面材料的電氣性能有關外，還與雷達工作波長、入射與反射角度、極化等因素有關，是收、發基地視線角和雙基地角的函數。根據雙基地角的大小不同，雙基地雷達截面積可大致分為三個區域：準單基地區、雙基地區和前向散射區。在雙基地區，雙基地雷達截面積具有如下特性：

1）該區域的大部分角度范圍內，比視線角在雙基地角平分線上的單基地雷達截面積小，一般小2dB～7dB；

2）該區域的某些角度范圍內，雙基地雷達截面積有增大的現象；

3）該區域內雙基地雷達截面積的閃爍效應減小。閃爍是導彈導引頭目標回波中心的角位移，它是由位于導引頭分辨單元內的兩個或兩個以上主導散射體之間的相位干涉引起的。隨著目標角的變化，相位中心發生變化，導引頭角跟蹤誤差增大，從而造成脫靶。

2 隱身目標的雙基地目標散射特性

2.1 隱身飛機的雙基地目標散射特性

飛行器雷達隱身技術的核心在于盡量減縮飛行器的雷達截面積（RCS）和增大雷達跟蹤誤差。采取的主要措施有外形結構的設計、吸（透）波結構材料的采用、吸波涂層及有源對消技術的應用等。表1列舉了幾型典型飛機目標的散射特性［3]。

表1 幾型典型飛機目標的散射特性

F-117A在微波頻段具有良好的隱身性能，在鼻錐方向±45°范圍內，其RCS的值都很低，但隨著頻率的降低，其RCS有明顯增長趨勢，特別是在米波頻段可呈現極高的諧振點，所以隱身飛機的外形設計和吸波涂層對米波頻段基本無效，這說明隱身飛機存在“頻域窗口”；在遠離鼻錐方向，其RCS值會出現許多較大的峰值點，這些峰值與F-117A外形特征相對應。另外，在雷達波的不同極化狀態下，將出現不同的RCS結果。

可見，隱身飛機RCS減縮技術的核心是盡量減小飛機的后向散射能量，它針對的是處于目標正前方±45°、垂直±30°的單站雷達，而在其他方向其RCS通常存在“空域窗口”，一般增加在10dB以上，最強的側向點增加20dB以上，這是因為飛行器的外形設計不可避免地使電磁波折射到對目標構成威脅較小的幾個方向上去，以躲避單站雷達系統的探測，這一點通過對F-117A、B-2、F-22等的獨特外形設計分析就可一目了然。據報道，海灣戰爭期間沙特阿拉伯的防空導彈雷達、英國三艘驅逐艦上的馬可尼1022型D波段（1-2GHz）雷達均曾發現并跟蹤過F-117A飛機，進一步證明了隱身飛機“頻域窗口”、“空域窗口”的存在。

2.2 隱身艦船的雙基地目標散射特性

對傳統艦船而言，其上層建筑、艦舷、艦船與海面相互作用形成的二次反射等是主要的強散射中心。目前，對海警戒雷達及掠海飛行的反艦導彈是艦船的主要威脅，因此艦船隱身的目的是減少電磁波水平入射時船體主要強散射中心的散射，如臺灣的“拉斐耶特”護衛艦，除進行結構設計和采用吸波材料外，還采用了拱形通信天線和多用途隱形天線等多種技術途徑；美國的隱形戰艦“海影”號外形酷似F-117A，舷側傾斜45°，艦體表面涂有2.5t～4t吸波材料。但由于艦船目標形體龐大，在高入射角或雙基地觀測下的RCS仍會很大，就是采用隱形措施的導彈快艇類目標，其水平方向的RCS可能都在100m2以上，如機載、星載或雙基地雷達進行探測時，將會有很好的檢測效果［4]。

3 雙基地雷達性能分析

雙基地雷達除和單站雷達有許多相似之處外，亦存在著一些顯著的差異，其中之一是雙基地雷達的探測范圍，影響探測范圍的主要因素有工作頻率、發站到目標、目標到收站的電磁波傳播衰減、發站和收站的天線高度等系統和環境因素。上面提到的Cassini卵形線的定義是三角形底邊長度不變，另外兩邊長度乘積為常數的三角形頂點的軌跡［3，6，8～9]。對于相距 L 的某一發站和收站以及恒定的雙基地最大距離積KB：

圖2 雙基地卵形線族

形狀或特殊處理可以使目標的單站RCS最小化，但其雙基地RCS仍然可能具有很高的值。但這不易驗證，因為目標的雙基地測量難以做到。對于非隱身目標，其雙基地RCS通常與其單站RCS差不多。在給定雙基地角的前提下，目標的雙基地RCS等于角平分線上的單站RCS，但在頻率上比雙站RCS高。這些結論都取決于一些假設：一是目標足夠平滑；二是目標的任何部分都不會被其他部分所遮蔽；三是回波是角度的函數。該定理在復雜目標和較大的分量角時要謹慎。

當目標特征尺寸與雷達波長（典型的例子就是飛機目標在VHF或HF頻率下）相當時，目標的RCS會增強；當來自構成目標的不同散射體（例如飛行器的鼻子、駕駛艙、尾翼、發動機的進氣口）的貢獻在特定的雷達頻率和幾何形狀下以相位相加時，就會出現這種共振效應［23]。根據評估表明，目標的前向散射RCS，可能比單站RCS大幾十倍，但目標接近基線時的距離和多普勒分辨力都很差。因此，前向散射可能有利于目標檢測，但用它進行定位和跟蹤就困難些。另外，前向散射的另一個問題是雜波單元面積和雜波散射系數都很大，因此雜波的回波信號也很大。這意味著前向散射中的目標檢測可能是雜波背景下的而不是噪聲背景下的。以某型TR-R雙基地雷達為例，發站TR為坐標點，當計算雙基地雷達在方位θT0、仰角φT上的探測距離時，可采用如圖3所示的坐標變換。至發站

圖3 坐標平移變換關系幾何圖

先將坐標原點 O（0，0，0）左移在新的坐標系x′y′z′中，卡西尼曲面方程為

再將坐標系繞z′軸旋轉θT0得新坐標系x″y″z″，發射波束信號方位角θT0時垂直面y″=0（即X''RZ''面）上的探測范圍為

上式在垂直面y″=0上用極坐標表示為

對于發射和接收波束均為余割平方的對海雙基地雷達，由雙基地雷達截面積公式可得其探測曲線方程為其中分別為發射、接收天線的功率增益方向性系數，令則式（1）可表示為

當已知發射和接收天線的方向性時，對φT和θT0在空間連續取值，利用式（2）即可得到該雙基地雷達的對空探測范圍。由于假設發站和收站均在一個平面上，才易于推出上述對空探測范圍，如兩站海拔高度不一致，接收波束為追趕發射波束，波束仰角需進行調整，但因雙基地一般基線L較大，故上述影響可以忽略［11]。

圖4 某TR-R型雙基地雷達探測范圍截面圖

4 雙基地雷達在作戰應用中的研究分析

雖然雙基地雷達（Bistatic Radar）這樣的結構帶來了一些技術上的難題，特別是發射機和接收機同步問題，還可能增加成本，但它存在一些潛在的技術優勢［5，7，10，12]。

4.1 反隱身

隱身目標會將單站雷達發射的能量散射到各個方向，而雙基地雷達能夠提高對隱身目標的檢測能力。

4.2 反偵察

雙基地雷達的接收機是被動式的，不易被電子支援措施所定位，很難針對雙基地雷達接收機部署對抗措施。因此，任何干擾都必須在一個角度范圍內傳播，削弱其有效性。雙基地雷達的發射機可采用低功率大占空比的發射信號和低副瓣天線等低截獲（LPI）技術，其被偵知概率也低。另外一部雙基地雷達接收機可以利用幾部不同發射機的照射信號，一部發射機也可供多部接收機工作，所以雙基地雷達系統的功能和參數也是敵方很難偵知和判斷的。

4.3 反輻射

反輻射導彈是通過跟蹤雷達發射的電磁波束進行制導而摧毀雷達系統的。首先，雙基地雷達的發射機可放在戰區后方并加以保護，遭受攻擊的概率也比單基地雷達少。其次，一部雙基地接收機可以利用多部發射機的信號工作，一旦某個發射機受損，系統仍能堅持工作。雙（多）基地雷達使用兩個以上的分離基地，發射站與接收站分開設置，其中接收站是無源的，處在隱蔽的地方，受到敵方電子偵察的概率幾乎為零，因此反輻射導彈只能追蹤和攻擊發射站。若合理配置發射站，如遠離戰區或將發射站置于飛機或衛星上，構成空地間的雙基地雷達，就可以避免反輻射導彈的攻擊，增強防御系統的抗摧毀能力。尤其是在無人機系統（UAVs）中，因為無人機可以只攜帶接收機，而重型、復雜、高功耗的發射機可以位于別處。

4.4 反干擾

雙（多）基地雷達不僅接收站相對比較隱蔽，對方無法偵察其具體位置，而且還可以通過兩個以上接收站間的交叉測向確定干擾源的位置，適時地避開干擾源。

強方向性的后向干擾只能對準雙基地雷達的發射機，而對雙基地雷達接收機影響很小。若采用全方向、寬頻帶的干擾，其功率密度和干擾效果自然降低。所以，雙基地雷達體制可以增強雷達抗有源壓制干擾的能力。由于較難判定雙基地雷達系統的參數，不了解雙基地雷達接收機的位置，有源欺騙干擾也難以奏效。

對于無源干擾，因為既不能選定準確的投放方式（位置），也很難把握投放時機，無論是箔條還是其他假目標都難以發揮干擾效果。所以，不管是有源干擾還是無源干擾，雙基地雷達被干擾的概率和受干擾的影響都大大減少。

4.5 抗低空突防

低空和超低空突防是現代飛行和巡航導彈主要的戰術手段之一，而低空和超低空是單基地雷達的盲區，是飛機和巡航導彈突防的主要路徑。雙、多基地雷達的收發區不重疊，可使用合理布站的方式完成，如將發射機布置在衛星上，把接收機布置在戰區前沿的預警機上，以提供充足的預警時間。在接收機前置的情況下，雙基地雷達可探測到發射機視線以下的目標。地面的雙基地雷達接收機可以利用空中、空間的照射源，隱蔽地發現遠區低空目標。

5 結語

雙基地雷達與單基地雷達相比，其戰術性能和收、發站布局及目標的位置有密切的關系。但單基地雷達角度分辨力是恒定的，不隨目標的距離和角度變化而變化，而雙基地雷達由于不能利用單天線雙程方向性這個優點，使其角分辨力隨幾何位置變化而變化，且角分辨力會低于單基地雷達。雙基地區目標閃爍相對單站小，由閃爍引起的雙基地測角誤差將比單站小；由于天線收、發分置，收發天線難于保持極化方向的一致性，可能會引入一些誤差。因此，研究雙基地雷達的諸多技術特點對充分發揮該類裝備的作戰性能具有重要意義。