低截获概率雷达技术研究

作者：信息来源:电子市场 2007-6-6

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摘要：文章对影响低截获雷达截获因子的因素进行了简单分析，最后讨论了雷达实现低截获性能的技术途径。关键词：低截获概率。ESM 在现代高技术战争中，雷达已成为获取信息不可缺少的主要手段。同时随着电子侦察技术的发展，雷达在电子对抗环境中面临着越来越严峻的生存威胁，低截获概率（LPI）雷达正是为了提高战场生存能力...

摘　要：文章对影响低截获雷达截获因子的因素进行了简单分析，最后讨论了雷达实现低截获性能的技术途径。
关键词：低截获概率；截获因子；连续波；ESM

　　在现代高技术战争中，雷达已成为获取信息不可缺少的主要手段。同时随着电子侦察技术的发展，雷达在电子对抗环境中面临着越来越严峻的生存威胁，低截获概率（LPI）雷达正为了提高战场生存能力而发展起来的一种新体制的雷达系统。
目前外已出现了多种新型对空监视的低截获概率雷达。例如，TWSQR，M-2140，PILOT和俄罗斯的“首领”及“先知”等雷达系统。
　　在国内载频捷变、重频捷变抖动、波形捷变、时宽、大带宽低峰值功率发射信号以及超低副瓣天线等雷达新技术都有研究或取得一定研究成果，各单项技术在雷达中的应用都可对雷达的低截获性能有所得益，但与实现真正意义上的LPI（即α≤1）性能相比较还有很大差距。作为一种全新体制的雷达，LPI雷达的研究在国内也才刚刚起步。

1　低截获雷达原理及性能分析
　　低截获雷达（LPIR）作为一种新体制的雷达技术，为定量分析雷达的性能，施里海尔（Schleher）提出了
　　截获概率因子（α）的定义：

其中：R_I为ESM侦察接收机能发现LPI雷达辐射信号的最大距离；R_r为LPI雷达对侦察接收机平台目标的最大发现距离。

　　从截获概率因子α的定义可以看出，当α＞1时，表明截获接收机可以判定雷达的存在而雷达不能发现截获接收机平台目标，此时侦察设备占优势，雷达有被干扰和摧毁的危险；当α＜1时，表明的雷达能发现截获接收机平台目标而截获接收机不能判定雷达的存在，时雷达占优势，这种雷达我们称之为低截获概率雷达或“寂静”雷达。α越小，雷达的反侦察性能越好。
　　当然，R_I及R_r都是一定的发现概率和虚警概率下的距离，因此低截获也是一个概率事件，低截获雷达对某种截获设备是低截获的，但对另一种截获设备就不一定是低截获的了。
　　目前，侦察接收机绝大多数是基于能量检测的工作原理，第一步先是探测到雷达辐射信号，再对接收到的雷达信号进行分析、识别，进而引导干扰机或反辐射导弹（RAM）对雷达平台进行干扰或攻击。在低截获概率雷达与截获接收机的对抗中，由于低截获概率雷达的被截获因子α＜1，敌方截获接收机不能侦察到雷达信号，对方干扰机无法进行有针对性的干扰，只能采用宽带干扰，必然降低其干扰功率谱密度，同时也因其从截获接收机的工作原理及攻击模式可以看到，低截获雷达具有极佳的抗干扰、抗RAM能力。
　　下面对与截获因子α有关的数进行简单的分析，为便于分析，我们只考虑主瓣截获的情况：
　　自由空间中雷达作用距离方程为：

其中：R_r为雷达作用距离；λ为雷达工作波长；P₁为雷达发射功率；G_rt为雷达发射天线在平台侦察接收机（或目标）方向的增益；G_rr为雷达接收天线在目标方向的增益；L_r为雷达系统所有（含双程传播）损耗；S_r为雷达接收灵敏度；σ为目标有效反射面积。
    平台侦察接收机可截获雷达信号的最大自由空间距离R_I：

其中：P_rL为有L_Lt损耗的雷达发射功率；L_I为平台侦察接收机系统所有（含单程传播）损耗；S_I为平台侦察接收机灵敏度；G_I为平台侦察接收机天线在被侦察雷达方向的增益。
    将式（2）、式（3）代入式（1），可以得到：

　　对式（4）分析表明，在雷达作用距离一定的情况下，欲想减小截获因子α，则必须：
　　①尽可能增大S_I和L_I的值，即降低平台侦察接收机的灵敏度和增加平台侦察接收机的损耗；增大雷达在目标方向上的接收天线增益。
　　②尽可能减小S_r的值，即提高雷达接收机的灵敏度；降低雷达接收系统的损耗；减小平台侦察接收天线G_I的增益。
　　同时从式（4）也可以看到，在雷达的作用距离一定时，雷达反射截面积越大的目标，实现低截获越容易；对一定反射截面积的目标而言，雷达的作用距离越远，要做到低截获越困难。
2　实现低截获雷达的技术途径
　　雷达LPI性能与雷达的设计参数、平台侦察接收机的设计参数和RCS有关，但其中最重要的却是“雷达发射的信号功率”这个核心参数，因为他的量值（大小）直接涉及到平台侦察接收机能否敏感雷达的存在；同样也涉及到雷达的战术设计要求，特别是达到所设计的作用距离或跟踪距离的要求，并同时不被平台侦察接收机所发现。
    （1）采用连续波发射体制
　　将常规雷达的脉冲发射体制改成连续波发射体制。连续波占空系数是1，连续波发射可大幅度地降低雷达发射信号的峰值功率，这对将峰值功率作为检测基础的平台侦察接收机来讲，使其侦察截获的难度大大增加。据估算用10 W的功率发射时，雷达的最大作用距离可达100 km^［3］，这一量级的发射功率，固态发射目前可完全胜任，可大大提高雷达可靠性，减小体积，降低了成本。
　　（2）采用宽波束低增益天线发射，多波束天线接收发射天线采用宽波束使辐射能量在空间上广为分布，使ESM接收机很难截获，即使被截获也难以准确定位。他可以在不扫描的情况下实现对大范围空域的监视，进一步降低发射机成本，战时可设置多部发射单元相互备用，进一步提高系统抗反辐射导弹攻击能力。接收采用多波束接收天线阵列，用模拟或数字波束形成的方法进一步提高接收天线的增益，以保证雷达作用距离不变。多波束接收天线相应需要多路接收机信号处理通道，波束越多系统越复杂。同时采用多波束，由于天线波束不扫描，这也有利于信号处理实现长时间相干积累。
    （3）采用宽带编码扩谱发射信号
　　大的发射信号带宽使得敌方电子侦察接收机在频谱域上大大失配，而我方雷达在频谱域上能进行匹配接收，有利于提高雷达的低截获性能。其中以随机信号最为优越，随机信号具有最大熵，是理想的“图钉型”模糊函数，波形设计自由度大，但产生和处理较困难。多相码是目前研究较多的一种雷达编码信号，其信号特征之一就是信号频谱展宽，功率谱密度降低，且利用匹配滤波可得到信号处理增益，辐射信号峰值功率可进一步降低。他具有较低的距离旁瓣，不存在距离－多谱勒耦合问题，且容易利用数字技术实现雷达工作过程中编码序列的改变，随着多普勒补偿算法和多普勒频率预处理技术研究的进一步成熟，多相码对多普勒信息敏感的问题也得以解决。
    （4）功率管理
　　仅当有必要测量目标时才辐射能量，并且根据目标大小及距离远近辐射不同量值的能量。
    （5）长时间相干／非相干积累
　　实现低截获概率，一般首先想到降低雷达的发射信号功率，但发射功率减少将影响雷达作用距离，为补偿此损失，采用长时间相干／非相干积累，以增加实际利用的信号能量，是提高监测性能的有效手段。
3　结　语
　　在现代高技术战争中，只有具备“四抗”能力的雷达系统才具有生命力和战斗力。低截获概率雷达是雷达抗干扰、抗RAM、抗摧毁技术的综合体现。低截获概率雷达采用低的发射峰值功率以及复杂的波形设计等技术的综合运用，使敌对方平台侦察接收机难以截获雷达发射的信号，就可避免雷达遭受（或减弱）敌对方的干扰和攻击。LPI雷达实质就是从现代雷达系统“四抗”能力的要求出发，综合采用多种抗侦察、抗干扰措施的新体制雷达系统。