飞艇载无源雷达的外辐射源选择∗

王志纲,董鹏曙,吴 琼

(1.空军预警学院研究生管理大队,湖北武汉430019;2.空军预警学院二系,湖北武汉430019;3.75240部队,广东潮州521041)

0 引言

常规战略系统在应对低空/超低空突防、隐身目标、反辐射导弹以及以高超声速临近空间飞行器为代表的新型武器装备时具有一定局限性[1]。作为一种新型临近空间平台,平流层飞艇既可搭载常规有源探测装备,也可搭载无源探测装备。通过加装侦察传感器、全波段监听器等对战场情况进行及时监测、侦听,搜集地面、海洋或空中等目标的信息以获取情报,可以与预警飞机和侦察卫星构成多维一体的侦察体系。平流层飞艇可在特定区域长时间驻留,以确保对某特定区域的“凝视”侦察,且侦察覆盖范围较大,分辨率高。飞行高度为30 km的临近空间平台其对地覆盖范围可达3.7×105km2,远大于“全球鹰”(1.3×104km2)和预警机(4.6×103km2)的覆盖范围[2],且平流层飞艇具有快速反应能力、快速攻击能力、快速投递能力和全面防护能力,可满足快速预警侦察、非对称打击、远距离机动等需要[3]。本文提出以平流层飞艇为依托载体,通过搭建外辐射源雷达系统,实现对临近空间目标的探测任务,且具有较好的防超低空突防能力。

1 体制论证

基于外辐射源的无源雷达由于自身不辐射电磁波信号,而是通过接收目标反射的外辐射源信号并处理以实现目标定位,不易被侦察系统发现,具有较强的战场生存能力。同时该系统无需高功率发射机,在一定程度上降低了系统成本和飞艇的负载。该雷达系统在技术体制上属于双基地雷达的一种,空域上具有一定的反隐身特性。外辐射源雷达可采用许多种商业无线电信号,相对于传统有源雷达无需发射机组件,具有一定的机动性优势。现代战争中传统有源雷达面临“四大威胁”的严峻考验,更激发了各国对外辐射源雷达的研究热情。

1.1 探测原理

外辐射源雷达系统可利用不同商业无线电信号作为发射源来探测目标,因此只需要选取合适的信号辐射源同安装于平流层飞艇上的接收机就可以构成预警探测系统。由发射站、接收站和运动目标构成的双基地雷达在平面上的几何结构如图1所示[4]。

图1 飞艇载外辐射源雷达的基本几何结构

图中Tx和Rx分别表示该外辐射源雷达系统的外辐射源和接收站,L为基线长度,v为探测目标移动速度,ϕ为目标速度方向与双基地角β平分线的夹角,Rt和Rr分别为外辐射源和接收站到目标的距离,θt和θr分别为双基地平面上以外辐射源和接收站为本地坐标原点的方位角,也称为双基地平面上的目标视角。β=θr-θt为双基地角,它是以目标为顶点,外辐射源、接收站与目标连线之间的夹角。

图1表示了该雷达系统的几何配置,采用双基地雷达中常用的距离和-角度定位法,已知基线距离L,距离和(Rt+Rr)以及双基地平面内的接收站目标视角θr为测量参数。由余弦定理可得

令信号由外辐射源经过目标前向散射到接收站的距离和R=Rt+Rr,代入上式,可得

设辐射源参考信号和目标反射信号到达接收站的时延为τ,可以求得距离和

式中,c为光速。

时延τ可通过广义互相关法取得,将输入信号分为两个支路,直达波通道由同步天线对准外辐射源取得,回波通道则由主天线对准目标方向取得。在直达波通道中,接收机预先将信号解调,并重新调制,以确保参考信号无噪声干扰;回波信号通过直达波抑制和杂波抑制后,利用参考信号和回波信号进行相关处理,求得相关峰值对应的τ,即时延参数[5]。图2是广义相关法估计时延的原理图。

图2 广义相关法估计时延的原理框图

只要满足外辐射源和接收站之间的视线条件,该方法可适用于任何双基地雷达结构。

1.2 可利用的外辐射源及其信号特点

外辐射源是否能被飞艇载外辐射源雷达利用,需要优先考虑该外辐射源的波长,该信号的波段直接决定了系统的实现难度和性能特征[5]。

高频(HF)以下的外辐射源由于天线尺寸较大,导致接收站的载荷过大,因此不利于运用于平流层飞艇上。而毫米波以上波段的外辐射源,由于照射波束较为狭窄,波束扫描方式复杂,导致在双基地体制下的空间同步难以实现。

从信号的波长角度考虑,目前空域中可以利用的外辐射源有FM/AM广播、模拟电视、微波移动通信基站(GSM)、数字广播(DAB)、GPS导航信号、地面数字电视(DVB-T)、卫星直播电视(DVBS)信号等,以及多种民用和军用的有源雷达信号。

考虑外辐射的可用性,除了其波长因素外,还需要考虑其辐射功率及波形特征,信号的分布情况和覆盖范围。对于广播、模拟电视、数字电视和移动通信基站信号,广泛分布于全球范围内,单个辐射源的覆盖范围可达数公里到数百公里,且在同一地区可接收到多个外辐射源信号,有利于对其优化选择。而GPS、卫星直播电视等信号源单个辐射源虽然覆盖半径可达数千公里,但信号源相对较少,且远离地面。

对外辐射源雷达系统而言,由于其收发分置的技术体制,其威力范围以接收机为中心。双基地雷达系统中,最大距离积为

式中,Pt为外辐射源发射功率;Gt为发射天线增益;Gr为接收天线增益;λ为外辐射源波长;σB(β)为目标散射截面积;Ft,Fr为方向图传播因子;g为积累增益;k为玻耳兹曼常数;T S为接收机噪声温度;Bn为接收机检波器前的噪声带宽;Fn为噪声系数;(S/N)min为接收机输入端最小信噪比;Lt和Lr分别为发射和接收系统的损耗。

2 探测性能

2.1 探测范围

部分星载外辐射源,如GPS信号,由于距接收机较远,基线长度较长,因此直达波信号到达接收机强度较弱,目标回波信号更弱,因此必须计算采用不同信号作为外辐射源时所能达到的探测距离。由双基地方程(4)可知,双基地雷达最大可探测距离积与外辐射源功率、发射天线增益、接收天线增益和信号波长成正比,与信号带宽、接收机端信噪比成反比。

下面计算FM广播的系统探测距离。设接收机端最小可检测信噪比(S/N)min=3 dB,发射功率Pt=10 k W,发射天线增益Gt=6 d B,接收天线增益Gr=5 dB,FM信号工作频率为97.5 M Hz,有效带宽为20 k Hz,目标散射截面积σB(β)=10 dBm2,相干积累增益为10 dB,计算得到的采用该外辐射源的双基地雷达最大距离为275.4 km。同理,设定参数如下,可得其他外辐射源最大探测距离如表1所示。

为不失一般性,将取RCS=10 d Bm2,根据文献[6-7],取相干积累增益为10～80 dB,得出不同外辐射源条件下该系统的最大可探测距离,如图3所示;同时取相干积累增益为10 dB,目标散射截面积RCS由0.1 m2增大至100 m2,求不同外辐射源条件下系统的最大可探测距离,如图4所示。

图3 RCS=10 dBm2时各外辐射源雷达的探测距离

图4 相干积累增益为10 dB时各外辐射源雷达的探测距离

由图3和图4可知,在系统相干处理增益为10 dB时,对于RCS=10 d Bm2的目标,FM广播及模拟电视信号源最大可探测距离均大于100 km,可满足预警探测的需求,而其他外辐射源则由于发射功率较小,或外辐射源距离目标及接收站较远,需要较大的相干积累增益,才能满足预警探测的需求。

2.2 飞艇载外辐射源雷达的观察面积

根据文献[4],可将飞艇载外辐射源雷达的观察面积定义为能量约束下的观察面积和视线约束下的观察面积。能量约束下的观察面积定义为雷达方程约束的卡西尼卵形线围成的面积,定义为A1。设式(4)右边为,可知当时,卡西尼卵形线可近似为以外辐射源和接收站为焦点的椭圆曲线;而当时,卡西尼卵形线断裂为围绕外辐射源和接收站的两条封闭曲线。以下将这两种情况分别分析。

由式(6)、(7)可知,当系统最大距离积k B一定时,适当增大基线长度,可以在一定程度上增大系统在能量约束下的观察面积。不同外辐射的外辐射源,系统的基线长度不尽相同,选取适当的相干积累增益,可以得到它们的信噪比等值线图,如图5所示。

图5 不同外辐射源条件下雷达探测范围

通过对比,可知飞艇载外辐射源雷达使用FM广播、模拟电视作为信号源时,由于辐射源本身功率较大,且可选源的数量较多,理论上系统探测距离可达300 km,基本满足预警探测的需要;而其他信号源由于功率过小,或信号源距离较远,需要系统具有较大的信号处理积累增益,或采用雷达组网的方式,才能获得较大的探测距离。在不增加信号处理组件的情况下,适宜采用FM广播、模拟电视等地面信号作为该雷达信号源。

3 结束语

本文基于外辐射源雷达的基本原理,依据各外辐射源信号的特征,针对雷达系统的探测性能进行了计算机仿真,通过对比给出了使用不同外辐射源所能达到的探测距离和观察面积,验证了飞艇载外辐射源雷达宜于采用地面信号作为信号源。平流层飞艇可执行预警探测、信息通信、高空侦察等作战任务,将平流层飞艇作为外辐射源雷达的搭载平台,可有效减小该平台的载荷负担,并融合了该平台升空高度高、滞空时间长、效费比高的特点和外辐射源雷达在反隐身、反低空突防目标等方面优势,有效提高了预警探测系统的探测范围。未来可将该体制雷达系统作为战略预警体系的一个有机组成部分,弥补现役系统在“四抗”方面的不足。

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