窄带侦察机对机载AESA侦察能力探析

方棉佳，吕 涛，杨小雷

(空军装备研究院雷达所，北京100085)

0 引言

电子对抗情报侦察特别是战时不间断地情报侦察是电子对抗作战的核心支撑条件，也是国家战略预警能力的重要补充。战场电子对抗情报获取的快速、准确与高效是赢得现代战争胜利的关键，已成为敌对双方较量的基石［1，2］。

我周边国家和地区主力战机正由装备机扫脉冲多普勒雷达的三代机，逐步过渡到装备有源相控阵雷达的三代半、四代战机。日本F－2战机配备了J/APG－1有源相控阵雷达，还将采购配备 AN/APG－81有源相控阵雷达的 F－35战机;台湾F－16战机升级后将换装有源相控阵雷达;印度苏－30MIK战机配备无源相控阵雷达，新采购的法国“阵风”战机配备了RBE－2有源相控阵雷达;同时美军也在冲绳基地部署了配备AN/APG－77有源相控阵雷达的F－22战机。与传统的机械扫描阵列雷达相比，有源相控阵雷达由数百至数千个独立控制的低功率发射/接收(T/R)组件构成，通过高速处理器连接在一起，具有波束指向灵活、可灵活控制辐射能量在时间和空间上的分布、工作频率捷变范围达4 GHz、参数变化快、截获概率低等特点，大大增大了现役窄带侦察机获取其电子对抗情报的难度［3］。

下面以F/A－22战机配备的AN/APG－77雷达为例，分别从侦察距离和截获概率2个方面分析现役典型窄带侦察机对F－22战机有源相控阵雷达的侦察能力(窄带侦察机以以色列的Top Scan雷达对抗侦察系统为例，其侦察频率为0.5～18 GHz，侦察灵敏度为－70 dBm，瞬时带宽为0.5 GHz，测向范围方位为360°，俯仰为±45°，装载于无人机平台)。

1 对机载有源相控阵雷达的侦察距离

1.1 雷达功率管理原则

F－22战机已将隐身概念从低RCS发展到战术隐身，对其机载有源相控阵雷达信号在强度、持续时间和空间都进行了严格的管理，从而降低被电子对抗侦察装备的截获概率。

F－22战机有源相控阵雷达一般按如下原则对雷达发射功率进行管理［4，5］:

①雷达在初始搜索时，为保证更远距离发现目标，雷达一般采用最大的能量进行探测，也就是采用最大的发射功率和有效的探测时间(有时甚至牺牲目标分辨率和探测精度)。

②雷达在发现目标后，可以根据处理后的目标信号强度(信噪比)进行功率管理(降低发射功率)或发射时间管理(缩短发射时间)来实现低截获概率。雷达可在一定距离内正常探测、跟踪目标的情况下，目标的电子对抗侦察装备无法实现对雷达信号的有效截获(接收的雷达信号达不到灵敏度要求)。

③由于空间态势感知以及威胁警戒的需要，F－22战机有源相控阵雷达需定期结合典型作战对象(如对方四代战机等隐身目标)的RCS以及自身武器配置(AIM－120C最大射程80 km)情况，按照一定发射功率对作战空域进行大范围搜索，重新确立对周围态势的有效感知。

1.2 雷达最大发射功率时的侦察距离

雷达对抗侦察方程［1］为:

式中，Prmin为灵敏度;Rmax为最大侦察距离;PtGt为雷达等效辐射功率;λ为雷达信号波长;L为附加损耗。

从雷达对抗侦察方程可知，侦察距离的平方与雷达的有效辐射功率(ERP)成正比，AN/APG－77雷达全功率发射时等效辐射功率典型值约为120 MW，雷达信号频率约为10 GHz。以附加损耗－8 dB，雷达近旁瓣比主瓣低15 dB，平均副瓣比主瓣低30 dB计算。不同距离下侦察机对AN/APG－77雷达主瓣、近旁瓣和平均副瓣信号的侦察灵敏度需求如图1所示。

图1 雷达全功率发射时侦察灵敏度需求

可见，在AN/APG－77雷达全功率发射时(等效辐射功率120 MW)，灵敏度为－70 dBm的侦察机可在800 km外(或视距，下同)侦察其主瓣信号，160 km外侦察其近旁瓣信号，40 km外侦察其旁瓣信号。

1.3 雷达功率管理时的侦察距离

根据雷达方程［6］:

式中，R为探测距离;Pt为发射脉冲功率;τ为脉冲宽度;Gt为发射天线增益;Gr为接收天线增益;σ为目标的雷达截面积(RCS);λ为雷达信号波长;k为波尔兹曼常数(1.38×10－23W(Hz×K));T为标准温度(290 K);F为侦察机的噪声系数;S/N为信噪比。

从雷达方程可知，探测距离的4次方与目标雷达散射截面积成正比。根据相关资料估算，AN/APG－77雷达对RCS为1 m2目标的有效探测距离约为290 km。雷达采用辐射功率自适应管理后，要达到同样的探测性能，对于相同距离的目标，需要辐射的功率随着目标RCS的增大呈线性减小;对于同一RCS目标，随着目标距离的接近，需要的辐射功率呈4次方减小，对应侦察机需要的灵敏度呈2次方增加。

下面针对典型的作战场景进行仿真，分析侦察机对AN/APG－77雷达实施功率管理时的探测距离。

1.3.1 典型场景1

F－22战机朝侦察机平台飞行，且其雷达主瓣直接对侦察机平台进行跟踪照射，随着F－22战机与侦察机平台距离的缩短，AN/APG－77雷达启动功率管理，逐渐降低发射功率。侦察机对 AN/APG－77雷达主瓣信号进行侦察。

按照AN/APG－77雷达对RCS为1 m2目标探测距离约为290 km，侦察机的RCS按10 m2估算(无人机平台)，则在雷达功率管理时，不同距离下侦察机对AN/APG－77雷达主瓣信号的侦察灵敏度需求如图2所示。可见，在AN/APG－77雷达采用功率管理措施时，侦察机可在220～620 km侦察其主瓣信号。

1.3.2 典型场景2

F－22战机根据自身武器配置情况确定相应的态势感知和威胁警戒范围，按照一定发射功率对作战空域进行大范围搜索，侦察机在其作战空域外飞行(即雷达探测主瓣外)。假设AN/APG－77雷达与其探测目标距离100 km(考虑其挂载的AIM－120C导弹最大射程80 km，雷达以1.2倍的距离进行探测或跟踪目标)，同时AN/APG－77雷达启动功率管理措施进行目标探测。由于F－22战机的AN/APG－77雷达主瓣未跟踪侦察机，侦察机只能对其副瓣信号进行侦察。

按照F－22战机作战对象为典型三代、三代半战机，RCS以10 m2分析，AN/APG－77雷达对RCS为1 m2目标探测距离约为290 km，则雷达功率管理时，不同距离下侦察机对AN/APG－77雷达副瓣信号的侦察灵敏度需求如图3所示。

图2 雷达功率管理时主瓣侦察灵敏度需求

图3 雷达功率管理时副瓣侦察灵敏度需求

可见，在AN/APG－77雷达采用功率管理措施对100 km处目标进行探测时，侦察机(灵敏度－70 dBm)基本不具备对AN/APG－77雷达副瓣信号的侦察能力。

2 对机载有源相控阵雷达的截获概率

如果到达侦察机天线口面的信号强度满足灵敏度要求，则侦察机对目标信号的截获概率主要取决于二者在瞬时空域、频域覆盖的匹配情况。如侦察机瞬时宽空域覆盖(如瞬时方位覆盖360°，俯仰覆盖±45°)，则在侦察时不需要进行空域搜索。因此，主要考虑机载有源相控阵雷达瞬时带宽4 GHz对窄带侦察机截获概率带来的影响。

以侦察机瞬时带宽覆盖0.5 GHz分析，由于其瞬时带宽与AN/APG－77雷达的工作带宽范围不匹配，会对侦察机的频域截获概率带来影响。

设AN/APG－77雷达回访周期为T1，波段驻留时间为t1，频率捷变范围为8～12 GHz。侦察机瞬时带宽为0.5 GHz，将8～12 GHz频率范围划分为8个波段，进行频率扫描侦察，波段驻留时间为t2，对8～12 GHz频率的扫描周期为T2=8×t2［7，8］。

令 B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8分别代表侦察机驻留的8个波段，假设AN/APG－77雷达发射信号频率位于各个波段的概率为:

若AN/APG－77雷达发射信号频率位于波段Bi时，设侦察机对雷达发射脉冲的截获概率为:

则当AN/APG－77雷达发射信号频率在8～12 GHz频率范围内捷变时，侦察机对雷达的截获概率可以表示为:

考虑当雷达信号频率在波段Bi内时，对于侦察机而言，等价对一个固定频点雷达信号的截获。由于侦察机的8个驻留波段带宽相同，均为侦察机瞬时带宽Bw，即有

同时，不论雷达信号位于哪个波段，侦察机均采用相同的频率扫描方式对其进行搜索。因此，可以得到:

进一步考虑AN/APG－77雷达发射信号频率均在8～12 GHz范围内，即有

可以得到:

P(T)表示当雷达信号频率始终位于侦察机的某个驻留波段内时，侦察机对该雷达信号的截获概率。因此P(T)可以采用窗口函数模型进行计算。

考虑雷达回访过程和侦察机频率扫描搜索过程，可以建立如下2个窗口函数:

窗口1的参数定义:窗口宽度为雷达波段驻留时间t1;窗口周期为雷达回访周期T1;

窗口2的参数定义:窗口宽度为侦察机波段驻留时间t2;窗口周期为侦察机波段扫描周期T2。

根据窗口模型，可以得到平均重叠宽度为:

平均重叠周期为:

平均相对重叠时间为:

则侦察机在搜索T时间后对雷达信号的截获概率为:

综合上述各式，可以得到侦察机对AN/APG－77雷达的截获概率为:

假设AN/APG－77雷达回访周期T1=3 s，雷达波段驻留时间t1=10 ms，侦察机瞬时带宽0.5 GHz，扫描频率范围8～12 GHz，扫描波段数为8，则侦察机选择不同波段驻留时间下的截获概率如图4所示。

图4 侦察机不同波段驻留时间的截获概率

假设侦察机瞬时带宽0.5 GHz，扫描频率范围8～12 GHz，扫描波段数目为8，波段驻留时间t2为1 s，AN/APG －77 雷达波段驻留时间 t1=10 ms，则不同雷达回访周期下的截获概率如图5所示。

可见，当雷达回访周期固定时，在相同截获时间内，侦察机对AN/APG－77雷达信号的截获概率随着侦察机波段驻留时间的缩短而提高;而当侦察机波段驻留时间固定时，在相同截获时间内，侦察机对AN/APG－77雷达信号的截获概率随着雷达回访周期的缩短而提高。

由仿真结果可见，侦察机波段驻留时间1 ms时，在一个雷达回访周期内(3 s)都能够获得超过80%的截获概率。而当侦察机波段驻留时间超过0.1 s后，截获概率80%所需的截获时间将达到38 s以上。

因此，在雷达回访周期3 s、雷达波段驻留时间10 ms的条件下，侦察机选择波段驻留时间为1 ms以内时可以实现对AN/APG－77雷达信号的有效截获，截获概率超过80%。

图5 雷达不同回访周期的截获概率

3 结束语

机载有源相控阵雷达具有工作带宽宽、参数捷变快和截获概率低等特点，对现役电子对抗窄带侦察机构成了严重威胁。因此，需高度重视电子对抗侦察能力的提升，一方面通过加大科研投入力度，研制新一代宽带、高灵敏度电子对抗侦察机;另一方面更要通过作战使用方法的研究，进一步提高现役窄带电子对抗侦察机的侦察效能［9］。

［1］张永顺，童宁宁，赵国庆.雷达电子战原理［M］.北京:国防工业出版社，2010.

［2］候印鸣，李德成，孔宪正，等.综合电子战—现代战争的杀手锏［M］.北京:国防工业出版社，2001.

［3］张 伟.机载雷达装备［M］.北京:航空工业出版社，2009.

［4］张成伟，李 登.机载有源相控阵雷达特征分析［J］.电子信息对抗技术，2010(4):10－11.

［5］冒 燕，何明浩，朱元清，等.一种实现信号反侦察的新方法［J］.无线电工程，2006，36(6):30 －32.

［6］丁鷺飞，耿富录.雷达原理(第4版)［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2009.

［7］卢 峰.新的电磁环境下雷达信号分析与处理思考［J］.电子信息对抗技术，2010(2):11 －15.

［8］江 卫.机载相控阵火控雷达搜索方式的参数选择［J］.电子科学技术评论，2005(5):15 －17.

［9］贲 德.机载有源相控阵火控雷达的新进展及发展趋势［J］.现代雷达，2008(1):1－4.

［10］解 静，陈卫东.基于自适应滤波的宽带多信道校准技术研究［J］.无线电通信技术，2009，35(6):22－24.