低空目标探测技术分析与展望

周 豪，胡国平，师俊朋

（空军工程大学防空反导学院，西安 710051）

低空目标探测技术分析与展望

周 豪，胡国平，师俊朋

（空军工程大学防空反导学院，西安 710051）

发展低空目标探测技术是应对低空、超低空突防目标威胁的重要手段。在对低空目标探测影响因素和目标低空突防缺陷进行分析的基础上，从克服地球曲率及地形遮蔽影响、抑制多径效应、角闪烁效应和复杂背景杂波4个方面分析研究了低空目标探测技术，对典型的低空目标探测雷达进行了分析探讨，并对未来低空目标探测的发展趋势进行了展望。

低空目标探测，多径效应，角闪烁，信息融合

0 引言

在现代战争中，低空、超低空突防已成为各国夺取制空权的基本战术手段，从阿富汗战争到利比亚战争，美国等西方国家屡屡采用低空、超低空飞行的飞机、巡航导弹等重创敌方。高超声速飞行、隐身技术、电子干扰技术与低空突防相结合更是给防空带来严峻的挑战。低空目标探测已经成为亟待解决的难点问题。本文从低空目标突防理论、低空目标探测技术应用、常用低空目标探测雷达、低空目标探测发展趋势等方面进行分析，为深入研究低空目标探测问题提供参考。

1 低空目标探测影响因素分析

低空突防本质是利用低空复杂电磁环境规避雷达探测，实施突袭。由于受到地球曲率和地形遮蔽、多径效应、角闪烁效应及复杂背景杂波的影响，在低空环境下雷达探测性能急剧下降，目标突防成功率大大提高。

1.1 地球曲率及地形遮挡

地球表面的弯曲使雷达的直视距离受到限制，设雷达和目标高度分别为h1和h2，则直视距离为［1］：

在h1一定的情况下减小h2，雷达的直视距离d随之减小。此外，山地、丛林等地形会阻碍雷达电磁波的直线传播，形成雷达探测盲区。雷达遮蔽角α与雷达的探测距离D满足关系：

式中H代表目标飞行高度，R为地球半径。α一定时减小H，探测距离D随之下降。说明利用雷达探测盲区采用低空飞行会使雷达的预警时间缩短。

1.2 多径效应

多径效应是指当突防目标飞行高度较低时，雷达发射的探测波束经由多条路径返回到雷达接收机并产生相互干涉。多径效应造成接收信号幅度的起伏、波瓣的分裂以及低角度测量的误差。多径效应的示意图如图1所示。

图1 多径效应示意图

1.3 角闪烁效应

角闪烁效应是指雷达近距离探测由多个点散射单元组成的复杂低空目标时，目标等效散射中心随雷达探测波束角度的变化而变化。角闪烁效应机理可用图2说明［2］，由于两散射单元散射强度和相位的变化，在垂直于传播方向上会产生测量线偏差，即角闪烁。角闪烁效应会造成雷达天线的剧烈抖动，影响低空目标角度测量精度。

图2 双散射单元目标几何图

1.4 复杂背景杂波

低空突防目标的回波信号会被强背景杂波淹没。而且，对于采用下视探测体制的雷达，雷达自身的运动会导致地物等静止目标的回波产生多普勒频移和杂波频谱展宽，目标回波信号将更加难以检测。图3所示为机载雷达杂波和目标回波频谱结构［3］。

2 低空目标突防缺陷分析

虽然低空目标突防极具威胁，但亦存在缺陷：

图3 机载雷达杂波和目标回波频谱图

1是地形阻碍作用有限。地球曲率和地形的遮蔽只能阻碍普通地基雷达的直视探测，因此，低空目标可利用的盲区有限，可以采用扩展探测空域的方法使目标无处藏身。

2是目标和杂波特性不同。与地杂波杂乱无章的分布不同，目标回波信号之间有较强的相关性，可以利用两者在时域、频域等方面的不同将目标检测出来。

3是红外辐射较强。为规避地形障碍，低空突防目标需要进行灵活的机动，发动机工作过程中会喷射高温气流产生红外辐射，有可能被红外系统探测到。

4是电磁信息辐射较强。为在复杂地形环境中实现低空突防，需要接收GPS等外部导航信息，并实施环境侦查、航迹规划，这些过程中产生大量的电磁波辐射有可能会泄露突防目标的信息。

3 低空目标探测技术

低空目标探测技术是指能够有效检测、跟踪低空中各类目标的技术。利用低空突防的缺陷，有针对性地采用技术手段克服地球曲率及地形的阻碍，抑制多径效应、角闪烁效应及复杂的背景杂波等，就可以提高探测系统发现概率，增大预警时间，增强防空系统应对低空突防威胁的能力。

3.1 克服地球曲率及地形影响的技术

低空目标探测受到地球曲率和地形的限制，根本原因在于电磁波的直线传播受到了阻碍。解决问题的思路有两类，第1类是发展高空平台的雷达探测技术，包括机载雷达技术和气球、飞艇载雷达技术等；第2类是利用电离层对电磁波的折射，发展超视距雷达技术。

3.2 多径效应抑制技术

低空目标探测受到多径效应影响的实质是经地面反射的回波与目标直接回波产生了干涉相消。目前抑制多径效应的典型技术有：

从工作体制入手，采用偏轴测量技术、窄波束低副瓣技术和分集技术。偏轴测量技术是指在俯仰角较低时，采用偏零技术进行测量，避免了因天线主波束过低而使反射回波进入。窄波束低副瓣技术减小了多径信号进入接收机的可能；分集技术分为频域分集、空域分集、极化分集等［4］，是通过多样化的频率、空间位置、极化方式等避免回波信号的剧烈起伏，从而减弱多径效应［5］。

从信号处理入手，采用盲分离技术。其基本思想是在缺少可用的信源、信道信息条件下，构建分离矩阵，将目标直接回波信号与反射信号分离开以抑制多径干扰。

偏轴测量技术只能在一定的角度范围内保证对多径效应的抑制效果；分集技术能避免回波信号的剧烈起伏，但实现相对复杂；盲分离技术能够在缺乏先验知识的条件下抑制多径效应，且实现简单，但难以处理带噪信号或非平稳信号。

3.3 角闪烁效应抑制技术

本质上讲，角闪烁效应是复杂目标不同部位反射回波在相位上相互干涉造成的。目前抑制角闪烁效应的典型技术有：

从工作体制入手，采用频率捷变技术和高分辨技术。频率捷变技术通过消除回波之间的相干性抑制角闪烁效应。高分辨技术通过对目标成像，将目标的多个散射中心区分开来，从而抑制各散射中心间的相互干涉。

从信号处理入手，采用加权抑制技术和改进的卡尔曼滤波技术。加权抑制技术是根据低空目标RCS与角闪烁误差较强的负相关性，在角度跟踪系统中对角度幅度值进行加权抑制角闪烁。改进的卡尔曼滤波技术是先对非高斯长拖尾分布的角闪烁噪声进行预白化，再利用卡尔曼滤波处理。

加权抑制技术仅适用于小RCS目标；改进卡尔曼滤波技术能够提高雷达探测精度，但不能从根本上抑制角闪烁效应；雷达高分辨技术是从本质入手抑制角闪烁效应，但受目前技术水平所限，准确区分目标各散射单元仍存在较大难度。

3.4 复杂背景杂波抑制技术

抑制复杂背景杂波对低空目标探测的影响包括两个方面的问题，一是强杂波中微弱目标的检测，二是杂波中动目标检测。

解决强杂波背景微弱目标检测的技术有检测前跟踪技术、改进的先检测后跟踪技术等。检测前跟踪技术是将每次扫描得到的信号存储起来进行相关积累，滤除无法形成连续航迹的杂波，形成运动目标的航迹［6］。其算法流程如图4所示。改进的先检测后跟踪技术是引入神经网络、分形、混沌理论、小波变换、SAR成像处理、自适应匹配滤波等理论改进传统检测技术，提高检测性能。

检测前跟踪技术克服了传统的先检测后跟踪方法不能充分利用回波信息的不足，但运算量过大，难以运用到雷达实际探测中。目前已提出多级假设检验、动态规划等改进方法。改进的先检测后跟踪技术能在一定程度上改善检测性能，但存在对时间序列长度要求高、计算量大等不足。

图4 检测前跟踪检测算法流程

解决杂波中动目标检测的典型技术有相位中心偏置天线技术、脉冲多普勒技术、空时自适应信号处理技术（STAP）等。相位中心偏置天线技术是指采用两根天线同时进行SAR成像，使不满足相位中心偏置条件的动目标保留下来。其原理框图如图5所示。脉冲多普勒技术是利用静物与动目标在频谱上的差异，采用频域滤波将动目标进行筛选。STAP是利用地杂波信号空时二维耦合的特性，通过在空时二维平面形成凹口的方法滤除杂波，检测到强杂波中的目标［7］。

相位中心偏置天线技术在探测复杂地形时的能力不强。脉冲多普勒技术的速度分辨率高，杂波改善因子较大，对动目标有较好检测性能。但实现低副瓣天线、高纯度频谱比较困难，信息处理比较复杂。STAP技术能较好地滤除杂波，但数据计算量大，且构建协方差矩阵要求的大量独立同分布训练样本难以在非均匀环境下获得。

图5 相位中心偏置天线技术原理图

4 典型的低空目标探测雷达

4.1 空基雷达

空基雷达是以高空飞行的飞机、系留气球、飞艇等为平台，具有搜索、探测、识别、跟踪等多种功能的雷达。预警机机载雷达对于低空、超低空飞行的目标预警能力强，机动灵活，探测范围大、效率高。据报道，美军E-2C使用的AN/APS-145型雷达，对飞机目标的探测距离在556 km以上［8］。机载雷达的不足在于费用昂贵，无法长时间对空监视，易受反辐射导弹攻击，地杂波干扰严重。气球、飞艇载雷达可实现较长时间的对空监视、目标探测，且造价低，使用维护方便，但需在系统稳定性、探测高度、隐身能力等方面有所提高。

4.2 超视距雷达

超视距雷达是能够探测监视地平线以下目标的雷达，分为高频天波超视距雷达、高频地波超视距雷达和微波大气波导超视距雷达3种［9］。其中天波超视距雷达应用最广泛，它能够不受地球曲率影响，对位于地平线之下的远程目标进行探测，大大提高了预警时间。据称，超视距雷达在警戒低空入侵的飞机、巡航导弹时，可以在200 km～400 km的距离内发现目标。但由于电离层的时变性和不均匀性，电磁波传输过程中会产生多模传播，造成较大测量误差。此外，超视距雷达带宽受电离层特性及干扰所限，距离分辨率较差。

4.3 低空补盲雷达

低空补盲雷达是主要用于搜索发现低空、超低空目标的地基雷达。低空补盲雷达通过综合采用超余割平方波束、动目标检测技术及宽带、捷变频、低副瓣等多种技术，具有较强的反地杂波性能和抗干扰性能。法国Thomson-CSF公司新研制的三坐标低空监视雷达RAC对常见低空目标探测范围达到100 km，距离精度15m，方位/俯仰角精度小于5mrad。低空补盲雷达的不足在于其雷达高度有限，对低空目标探测距离相对较短。

4.4 组网雷达

组网雷达是能根据战场态势和探测任务，通过系统的优化组合实现低空目标探测的雷达集合。组网雷达能够实现不同雷达的优势互补，扩展探测空域，避免回波信号强烈起伏，改善信噪比，对目标实施稳定精确的跟踪。据报道，美国联合监视系统通过将85个监视雷达站组网，在美国本土及其周围形成了宽度达320 km的雷达覆盖区域，能够昼夜监视来袭目标并引导防空武器予以拦截。组网雷达的技术难点在于实现不同雷达站信息的同步和合理判断取舍。

5 低空目标探测发展趋势

5.1 发展无源射频探测技术

如前所述，目标低空突防过程中会产生电磁辐射信息，无源射频探测技术可以截获目标在侦查、通信等过程中的电磁波，从而发现、识别目标。这种技术探测距离远、隐蔽性好，大大提高了探测系统自身的生存能力，具有广阔的发展前景。据报道，美国F-22战斗机上配备的无源态势感知系统ALR-94对飞行器的无源探测距离大于460 km。能够识别超过10 000种辐射源模式。

5.2 发展复合探测技术

低空目标探测的复杂性决定了单一技术难以完成探测任务，通过各种技术的优势互补来提高探测效能将是低空目标探测的发展趋势。美军现役的E-3预警机装备的AN/APY-1/2型S波段脉冲多普勒雷达综合采用窄主瓣、低旁瓣的波导缝隙阵列天线、捷变频技术、多脉冲重复频率技术、脉冲多普勒技术等。美军在新一代预警机设计中综合运用SAR成像技术、动目标指示技术、STAP技术等，充分说明未来低空目标探测技术将向综合化、一体化方向发展。

5.3 发展新体制雷达

近年来提出的一些新体制雷达在低空目标探测方面性能优良，典型代表有激光雷达、天基预警雷达、MIMO雷达等。

激光雷达是通过向目标辐射激光，接收目标反射光电信息来测量目标形状、运动参数的雷达。激光能量集中，工作频率高且具有良好的相干性，跟踪精度高、分辨率高，使得探测低空目标能力有了质的突破［10］。据报道，美国雷锡恩公司正在研制ILR100成像激光雷达，可通过机载在120m～460m高空执行侦查任务。

天基预警雷达系统是工作在地球大气层之外，以卫星、航天飞机、空间站等为平台的预警雷达。它可以不受国界、天气和时间的限制进行探测，预警时间长，探测范围大，精度高，能够对低空目标实施及时有效的预警探测。美国空军方面对天基预警雷达需求迫切，特别是在天基雷达的动目标检测特性和全天候成像—监视能力方面，会在这些方面进行持续深入的研究［11］。

MIMO雷达即多输入多输出数字阵列雷达，是通过多个发射/接收单元分别发射、接收正交波形实现目标探测的雷达。它实现了雷达波束的频率分集与空间分集，能够有效抑制多径效应和角闪烁效应，且增大了雷达的功率孔径积，改善了信噪比，因而大大提高了低空目标的探测效能。据报道，美国空军对MIMO雷达发展给予了经费支持，麻省理工学院林肯实验室等机构也正在对MIMO雷达展开深入研究［12］。

5.4 发展多探测系统信息融合技术

雷达进行低空目标探测时会受到复杂电磁环境的影响。而红外探测系统通过探测低空目标辐射的红外辐射信号实现目标探测，具有对环境依赖小、抗干扰能力强、测量精度高等优点。光电探测系统通过对目标光电辐射源信号的截获和处理获取目标的信息，探测精度高，目标识别能力强。通过将雷达、红外、光电等系统融合起来进行探测将大大提高应对低空突防威胁的能力。据报道，美国AIL公司研制的AN/TPS74系统采用先由雷达探测，再由红外或光学系统进行识别观测的体制，提高了目标探测效能。

6 结束语

在国内外专家学者的努力下，低空目标探测领域的研究已取得了不少成果，但目前还存在以下问题：对多径效应、角闪烁效应的形成、抑制机理研究还不够彻底；对复杂电磁环境下高速、隐身低空突防目标探测技术研究还比较少；对技术的理论和仿真研究较多，而对技术的实际工程应用研究偏少等。因此，必须从加强基础理论研究，加快探测体制、技术创新，加强工程实践研究等多个方面入手，推动低空目标探测技术的快速发展，有效保卫国家领空安全。

［1］Merrill IS.Radar Handbook［M］.3rd edition，McGraw-Hill Professional，2008.

［2］黄培康，殷红成，许小剑.雷达目标特性［M］.北京：电子工业出版社，2005.

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［5］张瑜，房少娟.低角雷达多径误差抑制的盲分离方法［J］.电光与控制，2011（10）:32-34.

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［8］陈国海.下一代预警机雷达技术［J］.现代雷达，2010，32（3）：1-4.

［9］王小谟，张光义.雷达与探测［M］.北京：国防工业出版社，2008.

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［11］朱庆明，金术玲.国外天基预警雷达系统发展现状及关键技术［J］.电讯技术，2012（6）：1054-1058.

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Analysisand Prospectof Low-altitude Target Detection Technologies

ZHOUHao，HUGuo-ping，SHIJun-peng
（School of Air and Missile Defense，Air Force Engineering University，Xi’an 710051，China）

The development of low-altitude target detection technologies is an importantmeans to cope with the safety threat brought by low-altitude target and ultra-low-altitude target.By analyzing the factors which affect the low-altitude target detection and the disadvantages of low-altitude breakthrough，technologies to overcome earth’s curvature and landform defilade，to depress multipath effect and glint，to depress complicated background clutter are analyzed in details.The typical lowaltitude target detection radars are analyzed，and the development trends in the future are viewed.

low-altitude targetdetection，multipath effect，glint，information fusion

TN957

A

1002-0640（2015）11-0005-05

2014-10-05

2014-11-07

周 豪（1990- ），男，河南南阳人，硕士研究生。研究方向：低空目标探测系统。