超寬帶雷達反隱身技術研究

黃永飛 錢林杰

摘 要

隨著隱身技術的大力發展及廣泛應用，防空預警系統面臨空前壓力。如何發展完善防空預警系統是當前人們關心的熱點問題，本文通過對超寬帶雷達的特點分析，介紹了超寬帶雷達在反隱身方面做得重要改進，以及超寬帶雷達為應對隱身威脅所做的深入研究。介紹了信號形式及新的探測手段在雷達中的應用，分析展望反隱身雷達發展方向，力爭為當前防空預警系統提供現實幫助和理論支持。

關鍵詞

超寬帶雷達;越寬帶信號;RCS;反隱身

中圖分類號： ?O451 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.07.079

0 引言

通過外形設計、表面涂料和加載阻抗等方法實現飛行器隱身以減弱散射分布特性是當前隱身飛行器的主流設計方法，以此來達到降低雷達探測可能性。美國新一代戰機F-35上的APG-81 AESA雷達雖然陣面尺寸相比傳統機載雷達小，但是擁有同時進行合成孔徑雷達地圖測繪（SAR）和地面移動目標指示（GMTI）的能力，探測能力大幅度增強。因此F-35不僅戰斗力更為驚人，隱身技術的應用也表現得更為出色。

本文針對目前反隱身技術面臨的壓力，從超寬帶雷達的反隱身技術手段入手，介紹目前較為雷達反隱身的機理及技術應用，為反隱身技術的進一步發展提供思考。

1 超寬帶雷達反隱身機理分析

反隱身的本質就是尋找飛行器隱身技術的薄弱環節或漏洞并加以利用，使飛行器的隱身功能效果降低甚至不起作用，以達到準確探測目標的目的。從原理上來看，超寬帶雷達具有不同于傳統雷達的諸多優勢。

1.1 頻域分析

超寬帶雷達的研究一直是雷達探測技術研究的主要方向之一，受到國際上普遍關注。超寬帶雷達是指使用系統與信號的相對瞬時帶寬大于或等于25%的雷達，探測目標時可以提取豐富的目標信息。從目前服役的隱身飛機性能來看，探測雷達使用頻率超過隱身目標使用的頻率范圍，探測能力就會得到顯著增強，從而有效應對目標的隱身性能[1]。

目標RCS與波長的關系可分為瑞利區、諧振區和光學區三個區域。瑞利區的特點是RCS正比于頻率的四次方，目標形狀影響較小;在光學區，目標的尺寸比雷達波長大得多，即目標可作為散射體的集合來處理;在諧振區，雷達截面隨頻率的變化呈振蕩變化，因此散射體上每點的場都是散射場的疊加。

1.2 時域分析

超寬帶雷達發射的脈沖寬度極窄，除了包含的頻譜極寬以外，它還是一種瞬態的過程。由于在吸波材料中，分子對入射的響應需要時間，故脈沖越短，傳播時的衰減越小，這就是分子的弛豫現象。反射信號能量隨著弛豫時間的減小而減少[2]。由于UWB信號帶寬比吸收材料的頻帶大得多，即使入射脈沖的能量有較大衰減，但吸收頻帶外的分量仍然占主導地位，因此短脈沖傳輸的信號能量比長脈沖大得多，因此獲取的目標信息相對來說也會更豐富。

1.3 空域分析

空間域反隱身是利用飛機的幾何外形特征來實現。就是利用飛機的外形設計將探測電磁波散射到其他方向來降低電波反射的能量。若在射方向以外的其他方向也有接收機存在，則飛機的隱身功能將大大降低。從目前的應用上來看，就要有以下幾個方面的應用：一是雙/多基地雷達。它通常由一個發射站和多個接收站構成。二是利用空間多點取樣。三是雷達組網。利用網絡把各獨立雷達站組合起來，則不同頻率、不同程式的雷達可發揮各自優勢，形成功能特點互補，發揮如同多基地雷達的優勢。

1.4 極化域分析

信號的極化方向與天線接收的方向相匹配。極化的可選擇性是目標隱身的一大特點，也即只有特定極化方向的電磁波才能對隱身目標的極化探測有效，因此特定目標對某一極化的雷達可能隱身效果很好，但對其他不同極化方式的雷達便會失效。

通過分析電磁波的極化特性有利于提高雷達對隱身目標的探測能力，這是因為隱身目標使用的電磁波存在極化特性，只要針對這種特性來選擇探測電磁波，發現隱身目標的概率便會大幅度增加。另外，可通過對極化特性的調整和處理，與傳統的反隱身技術相結合，進一步提升雷達系統的反隱身能力。

2 超寬帶雷達反隱身技術

雷達探測目標需要主動發射電磁波，敵方便有可能捕獲電磁波信號而發現雷達位置。UWB雷達信號相對頻率范圍大，相對于傳統雷達而言，便具有許多探測優勢。因此，可以針對飛行器隱身技術從雷達信號的選擇、天線陣列的設計以及信號處理方式上來提高探測能力，降低隱身技術對雷達探測的影響。

2.1 超寬帶信號

2.1.1 瞬時帶寬信號

相控陣雷達是新型雷達的發展方向，對相控陣雷達信號的研究顯得非常有必要。信號在面陣中傳播的最大時間稱為孔徑渡越時間，陣列設計得越大，這個時間便會越長，當這個時間大于信號帶寬的倒數時，陣元的輻射信號便不能同時到達波束指向方向。這對目標的探測目標是不利的，更不要說提高探測精度和針對目標反隱身了。解決的辦法是利用瞬時寬帶信號波束形成，即通過控制天線陣元的發射信號有規律產生時延，使所有陣元的信號均能同時疊加。這種方法沒有改變孔徑渡越時間的限制，反而有可能使時間延長，但是信號效果提升了，這正是相控陣雷達的優勢。

2.1.2 頻率步進信號

頻率步進信號是一種瞬時窄帶通過延遲后進行疊加的信號形式，它可以看作是頻率不同的脈沖信號的集合，因此具有瞬時脈沖信號的優勢。對于頻率步進寬帶相控陣雷達，每個脈沖信號都是獨立的，可以通過控制相位改變波束指向，使信號方向集中，這便解決了信號方向性的問題。另外，瞬時帶寬信號存在的孔徑渡越時間，在使用頻率步進信號時這個限制被放寬，若步進頻信號由M個發射脈沖組成，則可以放寬M倍[3]。因此，頻率步進雷達的距離分辨率可以得到充分保證。

2.1.3 正交頻分多路復用（OFDM）信號

正交頻分多路復用（OFDM）雷達信號由多個子載頻組成，具有大時寬帶寬積，且信號編碼方式靈活，通過不同的波形設計準則，能夠自適應調整信號子載頻的系數，具備了認知雷達系統的基本特點[4]。OFDM信號各子載波能夠靈活使用不同的編碼方式，具備了低截獲概率特性。

當前隱身與反隱身的對抗也是體系與體系的對抗，采用OFDM信號所具有的多功能特性及抗干擾特性，對于反隱身也是至關重要[5]。在雷達系統的反隱身水平一定情況下，提高雷達系統生存能力，增強系統信息處理能力和智能、網絡、通信等多功能集成，有利于雷達反隱身能力發揮。

2.2 超寬帶天線

超寬帶相控陣雷達系統工作頻率必須選擇在超寬帶系統要求的范圍。天線設計需要考慮信號空間采樣，為保證空間采樣率則陣元密集，增大了系統設計復雜度和成本，天線尺寸也受到限制。因此應結合系統的需求，兼顧天線設計和陣面優化[6]。可利用頻率步進信號特點和陣列設計調整波瓣圖，使主瓣能量集中。

對多輸入多輸出（MIMO）雷達的天線陣列進行設計，不僅可以達到系統要求，還能節約成本。與傳統的雷達陣列設計方式相比，MIMO系統的性能主要以虛擬陣列體現，因此可以簡化設計，利用稀疏陣列來完成對大尺寸天線的模擬，形成有效的虛擬天線陣列，這比傳統陣列的有效面積大得多。因此，MIMO系統會在較少陣元和較經濟的結構設計基礎上，獲得更好的分辨率。

2.3 超寬帶信號處理

傳統雷達信號精確已知，提取目標就是僅需匹配濾波，獲取目標信息。但超寬帶雷達的回波信號較分散，來自目標對信號的反射，特征各異，因而傳統方法并不適用。但是復雜的目標信號具有其他的顯著特點，可隨著信號處理技術的發展，把一些最新的信號處理方法應用到回波信號處理之中，如深度學習、神經網絡等。

3 發展前景分析

雷達反隱身技術對提高雷達系統的生存能力和探測能力具有重要意義。可從以下幾個方面來看將來雷達反隱身技術的發展。

3.1 多技術融合

隨著飛行器戰技術的發展，尤其是以隱身技術為代表的新技術的發展，單一雷達在反隱身的局限性越來越突出，如超視距雷達的分辨率較低，超寬帶雷達功率較高容易被探測等問題，綜合運用多種反隱身技術探測隱身目標已是必然趨勢。為提升雷達系統探測性能，將電子偵察、技術偵察等手段融入雷達系統中，組成綜合反隱身的信息融合系統。

3.2 多功能集成

寬帶相控陣雷達正在向多功能發展，除了常規地對目標進行檢測、搜索以獲取目標的方位、高度以及距離信息外，還需測量目標的速度、類別等其他信息，對目標回波信號進行綜合處理并成像[7]。進一步加強信號處理的抗干擾能力，提高目標信息提取的質量和效率。當然，隨著電子戰技術的不斷發展，寬帶相控陣雷達還必須保持自身生存能力的同時，保持對戰場條件的感知，以適應環境需要。

3.3 特殊探測手段

為提高雷達探測效率，提高對隱身目標的探測概率，發展特殊探測手段也是研究發展的重要方向，如無源探測。無源雷達自身生存能力強，可從多個方向對目標進行跟蹤分析，同時可接收通信、導航、干擾等信號，進行輔助判斷并跟蹤監視，避免了隱身目標的外形以及吸波材料對雷達的影響，提高發現隱身目標概率。當然，多頻段集成雷達、激光雷達、諧振雷達等各種特殊手段雷達均可以應用到對隱身目標的探測之中，從而進一步提升對隱身目標的探測概率。

4 結語

超寬帶雷達具有許多獨特的性能，具備探測隱身目標的優勢。實現反隱身的關鍵是雷達要具有特定的信號形式，高效率、高增益的天線陣列設計，高功率的脈沖發射以及超高靈敏度的接收機等分系統。同時合成孔徑、新技術在雷達上的應用，不斷提升雷達信號處理能力、抗干擾能力，為雷達信號處理打下堅實基礎，為探測隱身目標，甚至跟蹤監視隱身目標成為可能。另外，超寬帶雷達還可以與紅外、聲吶等技術探測手段相結合，大大豐富雷達探測的方式和手段，提升雷達探測效率和質量。

參考文獻

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