一种用于隐身目标探测的外辐射源雷达组网系统

陈建军 王江涛 李大圣 王盛利

（南京电子技术研究所，南京，210039）

引 言

在现代战争中，利用隐身技术可以大大提高飞行器、导弹等的生存、突防和纵深打击能力。因此近年来各国研制的各种作战平台，特别是第四／五代战机（如美国F－35、俄罗斯 T－50、日本的F－X隐身战机等）都特别重视隐身技术的使用［1］。

与此相应，现代雷达也必须具备反隐身探测能力，才能在复杂的战场环境中处于优势地位。传统的依靠提高雷达发射功率和增大天线增益的手段在现代先进的隐身技术面前已显得十分乏力。所以，必须针对现有的隐身手段，尽可能综合采取多种反隐身措施，才能取得较好的探测效果。本文首先介绍了目前已有的隐身手段和一些现役隐身目标。在综合梳理现有雷达反隐身技术基础上，本文提出了外辐射源雷达组网反隐身系统。

1 隐身和反隐身技术

隐身技术通过改变武器装备的电、光、声、磁等特征，使对方设备难以发现和识别，包括弱化表示目标存在的射频、红外、声波和视觉等信号特征来降低系统发现和跟踪目标能力的各种技术［2］。反隐身技术则是指使目标采用的隐身措施效果降低甚至失效的技术。

1.1 隐身技术

隐身技术，主要包括：无源隐身技术、有源隐身技术和等离子体隐身［2］。

无源隐身技术是指利用电磁波的传播规律，将吸波材料和透波材料涂覆到飞行器上，使得电磁波信号照射到目标上时能量减弱；或者利用电磁反射规律，合理设计目标外形，使其对电磁波在某些方向的反射大大减弱，从而使对方的探测系统难以发现或发现概率很低［3］。采取的措施主要有整形设计、涂覆吸波材料和阻抗加载技术等。

有源隐身技术是指通过主动发射信号（如电磁波、声波等）来迷惑、干扰或抵消对方探测系统，使己方目标隐蔽。这类技术是靠加强目标的可探测信号来达到目标隐身的目的。

除了这两种隐身技术之外，还有等离子体隐身技术。这种技术是将飞机周围的空气变成等离子云，以此来吸收和散射雷达波。20世纪80年代初，苏联就已开始等离子体隐身技术的研究，最近已经取得了突破性进展，发展至第3代。前2代等离子体隐身产品已经进行过飞行和地面试验，可将飞机被雷达发现的概率降低99%［1］。

1.2 反隐身技术

隐身技术不可能在所有的角度和频率上都具有优良的隐身效果，还是给雷达探测留有“空间窗口”和“频率窗口”。综合起来看，雷达反隐身技术主要包括以下几个方面［4］。

（1）研制米波雷达 米波雷达可以对付隐身目标的外形隐身设计以及吸波材料隐身。米波雷达工作在目标散射的谐振区。经试验分析，同频率下处于雷达谐振区（Radar cross section，RCS）的目标比光学区提高10～20dB。国外对各种受关注目标的RCS频率特性都有大量的试验积累，表明谐振区多在米波段［5］。

（2）采用双／多基地雷达系统 双／多基地雷达系统将发射机和接收机分置在两个或者多个不同的站点。通过合理布站可形成大双站散射角，获得空间增益文［6－7］。

（3）发展空基或天基平台雷达 现有空中隐身目标的重点一般在鼻锥方向±45°角范围内。因此，将空基或天基雷达向下探测，可获得大RCS，提高检测性能。美国空军的E－3A预警机和海军的“钻石眼”预警机以及高空预警气球都可以有效地探测隐身目标。另外，美国还在研制预警飞艇、预警直升机和预警卫星等［8］。

（4）提高现有雷达的探测能力 可以通过采用功率合成技术等增加雷达的发射功率。发展微弱信号检测、智能杂波抑制等雷达信号处理技术，提高雷达信号处理能力。

综合起来看，现有反隐身技术是通过利用目标散射特性、改进现有雷达工作方式等措施来探测隐身目标［9］。

2 外辐射源雷达组网反隐身系统

纵观目前世界上的雷达反隐身技术和现有产品可以看出，当今的反隐身技术主要是利用已有隐身技术存在的“空间窗口”和“频率窗口”来探测隐身目标。本文将多种反隐身技术相结合，提出了利用外辐射源雷达组网反隐身系统。该系统兼有米波工作频段、外辐射源、准连续波、双／多基地和雷达组网等多方面的优势。另外，该系统主要是基于已有的雷达设备，无需昂贵的高功率发射机，因此系统研制生产成本较低。

2.1 系统构成和工作原理

外辐射源雷达组网反隐身系统的总体框图如图1所示。系统的主要组成部分包括：待探测隐身目标、外辐射源（调频电台）、外辐射源雷达、雷达网数据传输和处理中心等。

图1 外辐射源雷达组网反隐身系统构成

外辐射源（调频广播电台）发射的信号有一部分直接被雷达接收（直达波），可以作为样本参考信号，用于相干处理。外辐射源的发射信号也在隐身目标表面发生散射，外辐射源雷达通过接收上述散射信号，从而实现对目标的检测。由于在市区内调频电台较多，在某个区域附近可能会存在多个可用的外辐射源信号。因此，多部外辐射源雷达可以组成雷达网，协同探测。各部雷达的接收数据或者探测结果传输到雷达网的数据处理中心，通过数据融合，综合探测目标。

根据选用的外辐射源和参与工作的雷达数量，外辐射源雷达组网反隐身系统可以有4种不同的工作模式。

（1）单外辐射源单部雷达 网络中只使用一部雷达工作，而且只使用一座调频电台作为外辐射源。这种工作方式的优点是系统构成简单，便于实现，而且成本也最低。其缺点是使用的外辐射源数量和雷达数量少，只能从有限的几何构成中观察目标，因此系统的探测威力有限。

（2）多外辐射源单部雷达 网络中有一部雷达系统工作，但该雷达利用多部调频电台的辐射信号来探测目标。此时系统使用多个电台信号，可用不同的工作频率和入射方位照射目标，增加了探测目标的威力。此时仍是一部雷达工作，使用数字波束形成技术同时接收多座电台的信号，因此系统复杂度的增加主要是在雷达信号处理部分，成本增加有限。但这种工作方式使雷达的工作负荷较大，且不能多角度接收散射回波，雷达的工作状态对系统性能影响很大。

（3）单外辐射源多部雷达 多部雷达同时工作，而且所有的雷达都使用同一外辐射源。在这种工作方式中，系统可以接收目标对入射波在多个方向上的散射回波，提高了探测目标的性能。而且多部雷达使用同一外辐射源工作，易于实现射频信号融合。

（4）多外辐射源多部雷达 多部雷达组网同时工作，而且使用多个外辐射源信号。此时可以充分发挥本文提出的外辐射源雷达组网反隐身系统在多工作频率、多发射、多接收等方面的优势，最大程度地提高系统的探测性能。然而这种工作方式最复杂，对系统性能的要求也最高。另外，由于需要多部雷达，而且需要有数据综合传输处理中心，系统的成本费用也最高。

2.2 系统反隐身原理

2.2.1 工作频段

外辐射源雷达是工作在米波频段的雷达系统。在此频段内，目标的后向散射特性处于谐振区或者近谐振区内。根据电磁散射理论，谐振区内目标的RCS与其形状没有关系，而只是取决于目标的体积或者雷达波的照射面积。这样目标的RCS相对于其他频段就有很大幅度的提高，使赋形隐身技术失效。

图2给出了美国F－22隐身战斗机在VHF（100MHz），P，L和S频段时RCS的仿真结果。从图中可以看出，与其他频段相比，VHF频段的RCS较大，且随方位角的变化不剧烈，闪烁不明显。因此，该频段更有利于对隐身目标的探测和跟踪。

图2 工作频段F－22的RCS

采用RAM涂层隐身技术只是对雷达工作频率在1～20GHz范围内才比较有效，而对于此频率范围以外的雷达信号，目标的隐身效果不明显。外辐射源雷达系统使用调频广播信号，工作频率在88～108MHz左右。所以，外辐射雷达组网反隐身系统可以克服现有的RAM涂覆隐身技术，提高探测隐身目标的可能性。

2.2.2 双／多基地工作模式

隐身目标的整形设计，主要是减小其鼻锥方向附近的RCS值，而在其他方向上减少不多。所以其虽然增加了单基地雷达探测目标的难度，还是为双／多基地雷达探测隐身目标提供了空域观察窗口［9］。而且隐身目标存在侧向、前向和后向散射回波，采用多基地雷达布站工作方式，更加有利于从多个不同的方向接收目标回波，探测隐身目标。

工作频率为100MHz，双基地工作模式下的F－22的RCS由图3给出。图中，x轴为双站角，y轴为入射角，z轴为RCS。单基地的RCS对应图中最左侧的竖线。从图中可以看出，目标RCS较大的区域并非分布在后向散射方向上，而是在前向散射方向区域附近。这表明，双／多基地工作方式有可能比单基地获得更大的RCS。

外辐射源雷达组网反隐身系统的外辐射源和雷达接收机是在不同地点，因此可以发挥双／多基地雷达在反隐身方面的优势，为探测隐身目标提供有利条件。由于可以使用多个调频电台作为外辐射源，从而由多个不同方向照射目标。而接收机也分布在不同的方位，就有可能从隐身目标散射雷达能量较强的方向接收到回波信号，从而提高隐身目标的RCS值。

2.2.3 雷达组网

通过多部雷达组网和数据融合，可以获得单部雷达无法获得的数据和探测能力，从而可以进一步提高对隐身目标的探测性能［10］。

另外，雷达组网还可以实现“雷达接力”。由于隐身目标的RCS较小，大大缩短了单部雷达的探测距离。外辐射源雷达组网可以利用广泛分布的调频广播电台和无源雷达不易被敌方侦测摧毁的优势，沿防御区域由远及近地部署多部雷达。这样就可以采用雷达接力的方式，先由靠近敌方的外辐射源雷达搜索探测目标，发现目标之后，就可以为后方的雷达引导指示目标，依次交替，实现对隐身目标连续稳定的跟踪。

2.2.4 多频信号

在目标外表上涂敷雷达吸波材料的确可以降低目标反射回波，但是其只在较窄的频带内才有较好的吸收效果，这就为雷达探测隐身目标提供了频域观察窗口［11］。

外辐射源雷达组网反隐身系统工作时使用多个电台，各个电台工作频率不同，这使得该系统是在多个频率上工作。不同频率的电磁波信号经过不同的入射和反射路径，而且其照射隐身目标的方位角也不一样，这样就会比使用单个工作频率的雷达获得更多的目标信息，提高探测隐身目标的能力。

图3 双基地时F－22的RCS

图4给出了80MHz，88MHz，100MHz和108MHz时，F－22的RCS。从图中可以看出，虽然都是属于VHF频段，但是F－22的RCS随着频率的不同还是有较大的变化。因此外辐射源雷达组网反隐身系统的多频工作模式有可能获得较大的RCS。

图4 多频工作模式时F－22的RCS

2.2.5 准连续波

外辐射源雷达组网反隐身系统是采用收、发分置形式工作的双／多基地雷达系统。外辐射源为调频广播电台，发射的是准连续波信号，而且对连续波信号进行调频编码，把信号分布在较宽的频带上。在接收时，通过数字波束形成技术形成多个波束，实现对直达波和目标回波信号的提取。

与普通的脉冲体制雷达相比，连续波雷达可以长时间地照射目标，持续对目标进行观测，获得更快的数据刷新率。这样就进一步提高了对目标的检测概率和跟踪的稳定性。

3 外辐射源雷达组网反隐身系统关键技术

要充分发挥外辐射源雷达组网反隐身系统的作用，还有一些关键技术需要进一步深入研究。

3.1 自适应外辐射源选择

由目标的电磁散射特性可知，目标的RCS在谐振区是随着雷达的工作频率成振荡变化的。在波峰处，目标的RCS相对于光学区有明显增加；但是如果落入波谷，目标的RCS不但不会增加，反而有可能减小。因此，该系统的关键技术之一就是要选择适当的频率点，使其工作频率在目标RCS谐振的波峰附近。采用自适应外辐射源选择系统可以较好地解决这一问题。该系统可以从备选的调频电台中选择在目标谐振频率附近的工作频率，专门用于探测与工作频率谐振的目标。

3.2 目标特征数据库

在选择目标谐振频率点的过程中，除了自适应外辐射源选择系统之外，还需要待探测隐身目标的谐振频率。目标不同，目标的运动姿态不同，其谐振频率就不相同。这样就需要根据目标自身的物理特性和其运动特征确定不同目标的谐振频率范围，建立各种目标的谐振频率数据库。在探测隐身目标时，就可以根据谐振频率数据库选择适当的外辐射源，使其工作频率与目标产生谐振，发挥米波雷达的反隐身优势。但是构造目标谐振频率数据库，实现起来比较困难。

4 结束语

隐身通过综合外形设计、吸波涂覆等多方面技术来实现，因此雷达反隐身技术也应该是多种措施相结合的。反隐身还应具有一定针对性，不可能设计出一种能对付各种隐身目标的雷达系统。本文提出了外辐射源雷达组网反隐身探测系统，该系统具有米波工作频段、外辐射源、准连续波、双／多基地和雷达组网等多个方面的优势，而且系统成本较低。对该系统进行进一步深入研究和改进，尽量发挥其功能优势，增强我国在未来反隐身作战中先敌发现、先敌打击和先敌摧毁能力。后续将继续深入开展该系统的相关技术研究，并研究该系统与其他传感器系统融合，组成多传感器网络的可行性问题。

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