准连续波雷达在潜艇中的应用

龚朝辉

(海军装备部装备采购中心，北京 100071)

准连续波雷达在潜艇中的应用

龚朝辉

(海军装备部装备采购中心，北京 100071)

简单介绍了潜艇用三大体制雷达的特点，着重从准连续波雷达的可行性方面进行探讨，并对技术实现难点进行了分析，最后阐述了提高雷达性能的新技术发展。

潜艇；雷达；连续波雷达；准连续波雷达

0 引 言

随着潜艇对隐蔽性的要求不断提高，潜艇对无线电使用要求越来越高，传统意义上的雷达因使用功率高已不能满足隐蔽性要求。研制一种发射功率低、控制手段复杂的雷达对潜艇而言已显得十分迫切。随着准连续波技术的成熟，准连续波雷达本身具有的低功率性和易控制性已能满足隐蔽性和工程应用需求。

1 潜艇三大体制雷达的特点

1.1 脉冲雷达

当今世界潜艇的各型主动雷达绝大部分采用脉冲体制工作，以满足导航和作战需求。潜艇使用脉冲雷达，由于雷达作用距离近，发射功率大，工作频带较窄，雷达信号极易被截获，使潜艇处于极其被动的地位。因此，对发射功率小、截获概率低隐蔽性好的雷达的需求日益强烈，而连续波雷达由于其发射功率小、被截获的概率低正好能满足这一要求[1]。

1.2 连续波雷达

从理论上说“连续波”是指幅度不变、未作调制、带宽为零的射频信号，其“频谱”只有一条射频谱线，也就是信号发射时间无限长且永不间断。显然，实际信号是不会符合这种情况的，因为要求无限观测时间的雷达是不实用的。“连续波”实际上是指这样的信号，它的有限时间T比某个观测基准时间要长得多，同时它具有固定的幅度。其实可以把这种信号看成是持续时间为T的“矩形脉冲”。因为发射时间特长，连续波雷达多数还属于双基或多基雷达，其发射天线和接收天线是分置的[2]。当发射天线和接收天线相距很远时，几乎不存在发射信号耦合到接收天线的问题。当它们靠近时，无论单基或多基雷达便会产生严重的“泄露”问题。严重的“泄露”能使距离性能比理想的性能要差20～30 dB之多。而潜艇适合装雷达天线的尺寸极其有限，对连续波雷达而言，从工程上解决不了信号隔离问题，严重的“泄露”问题根本无法解决。

1.3 准连续波雷达

准连续波雷达同时具有连续波雷达和脉冲雷达的特性。具体说，就是用一个工作比较大的大时宽脉冲对连续波进行幅度调制，再对大时宽脉冲内的载波进行相位调制。在大时宽脉冲工作时间内，雷达发射连续波；雷达休止期接收目标回波，在一个雷达重复周期内就能够完成一次发射和接收。也就是说，能用一个天线完成信号的发射和接收任务[3-4]。

由于准连续波雷达能用单基雷达形式实现，比较适合潜艇的实际情况，可以利用现有的潜艇雷达系统完成雷达的发射和接收任务。

2 准连续波雷达的可行性

准连续波雷达可通过调频、调相或非脉冲调幅法对连续波信号进行调制而获得距离信息。调频法就是通过一个固定频带宽度的低频调制信号混合上连续波信号而得到发射信号。它的频带宽度受接收端的带宽限制。目前高性能滤波器带宽也就是100 MHz这一数量级，也就是说调频法的调制带宽只能是100 MHz这一数量级。而目前脉冲雷达跳频范围远大于100 MHz。采用调频法调制连续波雷达军事对抗性差。非脉冲调幅法连续波由于受海况和目标起伏、海上杂波影响，回波幅度比较复杂且不稳定，也不是理想方案。调相连续波因其对滤波器带宽没有过高要求，在工作中极易实现。目前，准连续波大多采用调相法进行调制，也就是用一个伪随机的扩谱码对载波进行相位调制后得到一个发射信号；对目标回波进行相关运算后重构出一个连续波信号，这样就能得到距离信息。潜艇准连续波雷达完全可以采用调相式这一成熟方案。

下面就准连续波雷达实现的几个有效途径进行探讨：

(1) 降低发射功率，提高雷达的隐蔽性

雷达的发射脉冲功率越低，被侦察设备截获的概率越低。发射功率降低一倍，被截获的概率降低4倍。而雷达发射的脉冲功率越低，雷达的隐蔽性越好。准连续波可通过加大发射工作时间、增加回波积累数，提高检测灵敏度来降低发射功率。

(a) 加大发射工作时间，减小发射功率

由雷达通用方程式：

Rmax={PtτGtGrδ(λFtFr)2/[(4π)3kTsD0CbL]}1/4

其中，Pt为雷达的发射功率，τ为雷达脉冲时间。可知，在雷达天线不变的情况下，雷达作用距离Rmax与Ptτ的1/4次成正比。在保持Rmax不变的情况下，Pt和τ成反比，也就是说提高雷达脉冲时间就能降低对雷达的发射脉冲功率的要求。目前，脉冲雷达的工作时间比通常都小，有的仅为千分之一甚至万分之一。把千分之一作基准进行比较，如果把工作比从千分之一提高到千分之几百，则雷达发射脉冲功率只需原来的几百分之一就能达原有雷达的作用距离。

(b) 增加回波积累效果，降低对发射功率的要求

由雷达回波相干积累理论可知，N个目标回波相干积累后，信号功率将增加N的平方倍，平均噪声功率在相干相加后将是原来的N倍。也就是说，N个回波相干积累的最终结果是使功率信噪比增加N倍。调相法连续波是以相位调制基准时间Ti对连续波进行相位调制而得到载波。相位调制基准时间Ti的时间长短将决定工作时间一定下的调制数，也确定了目标回波积累数N。在雷达工作比一定的情况下，减少相位调制基准时间Ti就能增加发射信号调制n的个数。以一个发射宽度原为1 μs、现发射脉冲宽度增加到M倍的雷达载波为例，采用准连续波体制，取相位调制基准时间Ti为0.1 μs，一个发射周期内能进行M×10次相位调制。发射信号经目标反射后全部返回，信噪比将增加M×10倍。在噪声一定的情况下，发射功率只需原来的1/(M×10)倍。

(c) 采用高效检测器件，增加检测效果

从检测角度看，在保持Rmax不变的情况下，减少接收机所能接收的最小可辨功率，也能达到降低对雷达的发射脉冲功率Pt的要求。高性能的数字式滤波检测电路的最小可辨功率要大大低于模拟式检测电路。如果准连续波雷达采用数字式检测滤波器，在保持发现概率不变的情况下，雷达发射功率比原模式雷达可降低20 dB左右。

从以上分析可知，由于调相式准连续波延长了脉冲发射时间，增加了相干积累效果，加上数字式滤波检测，可极大地降低对雷达发射脉冲功率的要求。由于潜艇雷达天线高度h有限，雷达最大作用距离不应过大。根据R=2.2(h)1/2，可推出雷达最大作用距离在10 n mile左右。对距离10 n mile、雷达反射面积为2000 m2的目标，用发射脉宽为1 μs的脉冲型雷达所需发射脉冲功率也就20 kW左右。如果用一工作时间为100 μs、相位基准调制时间Ti为0.1 μs调相式准连续波雷达来发现该目标，加上采用数字式滤波检测电路，仅需发射功率为0.02～0.2 W。做一折算，要发现雷达反射面积仅为10 m2的目标，所需发射脉冲功率为4～40 W，平均发射功率为0.8～8 W。很显然，几瓦数量级的脉冲发射功率能极大提高雷达的隐蔽性，对在几海里之外的侦察设备而言一个貌似噪声的信号发现概率极低。

(2) 采用伪随机码、自由跳频技术提高雷达的对抗性

如果把相位调制基准时间Ti看成是一个码，那连续波调相过程完全可以看作是一个连续码的调制过程。很显然，一个连续为1的码的调制波很容易被侦破，也易干扰。如果用随机码代替连续码，就很难侦破。由于调相过程是随机的，侦察雷达无法掌握随机码，其接收到的信号如同噪声。为了对付对准工作频率的干扰噪声，只要相邻信号进行相关处理就能有效降低干扰效果。而相关处理要求相邻信号一致性要强，完全可以用几个随机码相同的信号进行相关处理后采用另一组随机给出的工作码进行下一轮信号发射和相关处理。把这种几组相同码工作一定时间再随机跳码暂称为伪随机码。采用伪随机码工作方式，既降低了被侦破的概率，也提高了雷达的抗干扰能力。

伪随机码可在几十到几百码之间变化，码的长短主要是看雷达发射工作时间的长短。雷达脉冲工作时间长，码就相应长；脉冲工作时间短，码就相应短。码不应要求过长或过短。因为雷达回波信号比较复杂，过长的码可导致回波信号码一致性很差，可能把真目标当成假目标处理而丢失目标。码过短，抗干扰和隐蔽性都将下降。

如果伪随机码还不能有效抗干扰，雷达可采用捷变跳频模式。跳频模式为当今许多无线电话所采用。为了提高无线电话的接通率和不掉线，先进的无线电话能在900 MHz和1800 MHz两个频率上自由跳动。准连续波采用跳频模式在2个或多个频率上自由跳动，那它的变频间隔将变得极其宽阔。工作频率的自由跳动和调相码的随机性将使侦察设备无法进行信号积累，其积累效果形同白化噪声。对付极其广阔的工作频带所能采用的堵塞式干扰对相对瞬间是定频的连续波信号的影响微乎其微。

3 难点处理

采用大工作比发射准连续波信号，可以降低对发射信号功率的要求，但近距离回波信号的强干扰问题仍然存在。如果雷达信号辐射后立即接收回波信号，超近距离的强大回波对雷达灵敏度有严重的影响，严重制约雷达的检测能力。

由雷达发射脉冲功率与相干积累数和脉冲宽度之间的相互作用关系可知，发现小距离目标所需功率成4次方缩小。用极小工作时间发射的极小发射功率就能发现近距离目标。可以在接收端延长一小段时间接收回波以克服近距离的强回波干扰问题。此小段时间产生的盲区将小于天线的盲区。用极小工作时间和接收端延长一小段工作时间就能解决近距离的强回波干扰问题。

准连续波体制可采用跳频模式作为对抗有源干扰的措施。跳频模式要求接收端的频带宽度与发射端相一致。单个高频滤波器无法满足跳频要求。准连续波的自由跳频可在多个固定频率上自由跳动。对单个发射和接收区间而言，雷达是在一个固定频率上工作模式，其工作频带极窄。从傅里叶分析可知，持续时间有限的波束的电压频谱是众所周知的sinx/x形式，其带宽为1/T。由此可推导出准连续波带宽为几兆赫兹。一般滤波器带宽都能达到几兆赫兹。只要采用相同频率的滤波器就能接收发射信号。采用多个与跳频同频的滤波器就能完全达到接收多个自由跳频的目的。当天线发射出一固定频率后同频的滤波器开始工作，其余滤波器用数字控制系统予以关闭，这样可以有效接收回波信号同时避免其余滤波器接收杂波和干扰信号。采用多滤波器跟踪跳频可以达到既接收宽频信号同时又降低干扰影响的目的，是解决接收自由跳频的极佳方法。

4 采用新技术提高雷达性能

(1) 雷达的发射系统实现固体化器件

准连续波雷达体系可以把功率的要求降低至几瓦，目前先进固体高频器件完全能实现发射固体化。

实施固体化发射信号，可以大大降低功率损耗，对雷达的预热、散热、冷却的要求条件放宽，使发射分机小型化、安静化。

实施固体化发射信号可以大大提高产品的可靠性。固体化器件具有高效率、低电压、低损耗、低温等优势，它的可靠性高达几千到几万小时，比脉冲雷达的电真空器件提高了几个等级。

(2) 采用数字化电路

雷达的伪随机码的产生、自由跳频的选择和跳频跟踪、雷达盲区的分段处理、滤波器件的处理、回波信号的累加处理，全都需要数字电路予以处理。数字电路具有工作稳定、可靠性高、一致性好、互换性强、技术成熟、获取器件简便等优点，在提高产品可靠性的同时可大大缩短雷达的研制周期。

(3) 采用计算机处理

准连续波伪随机码的贮存和判别、目标回波码的处理和判别、各种数字电路之间的连接转换都可以由计算机来完成。采用计算机处理，可以根据指挥中心要求及时处理录取某一区域内的特定目标，并使雷达工作频率避开干扰频率。

5 结束语

准连续波雷达具有发射功率低、频谱宽、信号复杂等优点，并具有极好的隐蔽性、军事对抗能力强、被截获概率低、抗干扰能力强，以及工作稳定、可靠性高、结构轻小简便等特点。它能够满足潜艇雷达的发射功率小、被截获的概率低的要求。

[1] 刘国岁，等.连续波雷达及其信号处理技术[J].现代雷达，1995(6).

[2] 低功耗反射式连续波雷达模拟源的设计[J].无线电工程,2006(5).

[3] 张可.准连续波雷达体制研究[D].西安电子科技大学，2005.

[4] 袁嗣杰，等.准连续波雷达数字信号处理系统[J].装备指挥技术学院学报，2005(4).

Application of quasi-continuous wave radar in submarines

GONG Zhao-hui

(Equipment Procurement Center of Navy Armament Department, Beijing 100071)

The characteristics of three types of radar systems for the submarines are briefly introduced. The feasibility and technical difficulties of the quasi-continuous wave radar are analyzed. Finally, the development of the new technologies to improve the radar performances is discussed.

submarine; radar; continuous wave radar; quasi-continuous wave radar

2014-10-20

龚朝辉(1971-)，男，高级工程师，研究方向：雷达总体技术。

TN959.72

A

1009-0401(2014)04-0027-04