双基地雷达作战与抗干扰效能的分析*

成天桢，刘尚钞，韦杉，蔡志坚

( 1. 北京无线电测量研究所，北京 100854；2. 中国人民解放军驻二八三厂军事代表室，北京 100854)

双基地雷达作战与抗干扰效能的分析*

成天桢1，刘尚钞2，韦杉1，蔡志坚1

( 1. 北京无线电测量研究所，北京 100854；2. 中国人民解放军驻二八三厂军事代表室，北京 100854)

研究了双基地雷达的几何特性与多普勒频移特性，基于雷达探测区域分析了双基地雷达作战与抗干扰效能，给出了在无干扰和存在自卫瞄准式干扰条件下双基地雷达作战效能分析结果。仿真结果表明，自卫瞄准式噪声干扰条件下，双基地雷达具有比单基地雷达明显优越的作战效能。

双基地雷达；几何特性；多普勒频移；自卫干扰；抗干扰效能

0 引言

双基地雷达起源于雷达雏形产生时期，那时由于技术限制发射和接收必须使用不同的天线，而单基地雷达的盛行则是由于天线收发开关的出现[1]。出于对抗有源干扰、隐身武器和反辐射导弹等威胁的需求，双基地雷达由于其收发异址的工作特点再次受到越来越多的关注[2-7]。

国外从20世纪70年代即开始重视战术双(多)基地雷达的研制和试验工作，美国、英国等国家开展了大量的双基地雷达试验项目，获得了大量研究成果，例如美国MARS双基地相控阵炮位侦察校射雷达、AN/TPS-71移动式超视距后向散射雷达、乌克兰“天波”移动超视距表面波雷达和澳大利亚Jindalee双基地雷达网等[8-9]。

分析双基地雷达特性和比较其与单基地雷达的作战性能，是双基地雷达技术研究的重要问题。本文对双基地雷达类型和优势进行了分析，研究了双基地雷达的几何特性和多普勒频移特性，采用基于雷达探测面积指标的双基地雷达作战效能分析方法，对比单基地雷达作战效能，研究了接收站与发射站距离的最优配置，通过仿真分析给出了正常无干扰条件下和自卫瞄准式噪声干扰条件下双基地雷达的作战效能分析结果。

1 双(多)基地雷达

双基地雷达相对常见单基地雷达而言，是指发射天线与接收天线不在同一位置，两者与目标的角度或距离有较大差异的雷达系统[2]。狭义的理解定义可以认为双基地雷达由一个发射站和一个分离的接收站组成，它与类双基地雷达和多-双基地雷达系统可区分对待，具体示例见图1。图1是一个简易双(多)基地雷达分类图，图中简略地描述了单、双基地以及多基地等不同类型雷达。

图1 双(多)基地雷达示意图Fig.1 Introduction of bistatic (multistatic) radars

类双基地雷达，指那些不共用发射天线和接收天线的雷达，天线之间的距离足够小，使其拥有部分双基地和单基地雷达的特性[10]。多基地雷达通常指由多个(大于等于2)不同位置的雷达单元协同工作形成的系统，这些雷达单元既可以是发射站、接收站，也可以是收发同站，可以是移动平台，也可以是静止平台。如图1所示，多个雷达单元之间需要协同工作，发射站需要通过通讯或定时实现发射控制，接收站需要通讯协同实现多基地探测、信号处理和目标跟踪。狭义的双基地雷达需要特别的协同工作模式，基地间需要模式、信号相位、频率、时间或距离以及波束指向上的同步[8]。

另外，双基地雷达还包括一种发射站自主工作(非协同式)，接收站独立工作，两者间没有直接的同步，称之为被动双基地雷达，此类雷达通过辅助天线接收发射站直接辐射信号形成反馈同步机制[11]。此处的“被动”含义不同于单个或多个接收站依靠目标能量辐射定位干扰或辐射目标源的场景，而特指区别于单基地和狭义双基地主动雷达的雷达系统。

2 特性分析

双基地雷达由一个发射站(T，transmitter)和一个接收站(R, receiver)组成，两者之间距离L(也称为基线)相比于目标(O，objective)与两站的距离足够大，其几何关系如图2所示。双基地雷达受益也受制于收发异地带来的2种特性：①发射与接收天线分离特性；②发射站-目标-接收站三角特性。

图2 双基地雷达几何关系图(T发射站，R接收站，O目标)Fig.2 Geometrical characters of bistatic radars (T-transmit station, R-receiving station, O-object)

双基地雷达优势：分离特性使得①连续波模式变得可行；②不再需要发射接收切换；③发射和接收站可独立优化与设计；④系统动态布置能力提高；⑤接收站不易被发现，受到物理打击可能性变小。三角特性使得①时间滤波和空间滤波可用于提升距离分辨力；②波形选择范围增加；③高重频脉冲串波形提升杂波抑制能力；④接收站不易被干扰；⑤抗隐身目标能力提高。

双基地雷达劣势：分离特性使得①两站间的同步要求增加；②接收站需获取额外的基线信息；③两站均需要人员配置和维护。三角特性使得①雷达作战效能能受限于目标位置；②低空目标探测盲区增加；③接收站波束指向需与发射波束空间同步；④同步需求减少了可能的雷达工作模式；⑤技术复杂度如雷达控制、信号处理和目标跟踪等上升。

2.1 几何关系

以发射站、目标和接收站三点确定双基地雷达作战平面，图2为此平面上双基地雷达几何示意图，其中L为基线，rT和rR分别为目标到发射站和接收站的距离，ψT和ψR分别为发射角和接收角，θT和θR分别为发射波束和接收波束宽度。根据几何原理，可推算出双基地雷达作战平面参数关系：

(1)

由于目标与两站的距离通常不易直接分别测量，在实际中式(2)更易于使用：

(2)

式中：rs=rT+rR=ct为发射站和接收站到目标距离之和；t为雷达波传播时间；c为雷达波传播速度。

双基地雷达中，发射站与接收站间的分离关系通常是固定不变的(或相对缓慢变化的)，而三角关系则受到目标位置与基线位置关系的极大影响。通常可用双基地雷达双站角描述目标位置与基线位置的关系，即图2中角∠TOR=ψR-ψT，也可用三角因子F表示：

(3)

基于公式(3)，Matlab仿真可以得到某确定基线的双基地雷达的三角因子分布，如图3a)，图中T和R分别代表发射站和接收站位置。

依据不同F值可将双基地雷达作战区域划为3个部分：

(1) 侧翼区，0.1≤F≤0.9，在此区域双站角较大，双基地雷达可表现出与单基地雷达明显差异特性，可称之为真双基地区；

(2) 横向区，F<0.1，此区域双站角较小，对于目标来说发射站与接收站几乎处于同一方位，双基地雷达与单基地雷达表现出类似特性，故可称之为类单基地区；

(3) 基线区，F>0.9，此区域目标介于发射站和接收站之间，三者几乎位于同一直线，接收站可能受到发射站发射波形的直接干扰，多普勒和距离分辨率均有降低，故又可称之为干扰区。

图3 三角因子和多普勒频移衰减因子分布图Fig.3 Distribution of the triangle-factor and the Doppler-attenuation-factor

2.2 多普勒频移

双基地雷达中目标移动引起的多普勒频移特性与单基地雷达所观察到的现象是不同的。单基地雷达中，多普勒频移fd由目标相对单一雷达位置的径向速度引起，而双基地雷达目标的多普勒频移则受到目标相对发射站和接收站的速度引起：

(4)

设目标运动速度为v，则式(4)亦可写为

fd=fmaxDcosδ，

(5)

式中：fmax=2v/λ为以速度v运动的目标在波长为λ的单基地雷达处所能观察到的最大多普勒频移；δ为目标运动方向与双站角平分线的夹角：

(6)

式(6)说明，双基地雷达中目标多普勒频移产生最大方向为以发射站和接收站为焦点的双曲线方向，而零多普勒方向为以发射站和接收站为焦点的椭圆切线方向。D为目标双基地雷达多普勒频移衰减因子，如图3b)所示：

(7)

从图3b)可以看出，当目标沿以发射站和接收站为焦点的双曲线方向运动时，双基地雷达所观察到的目标多普勒频移在最大多普勒频移(目标距离较远时)和零多普勒频移(目标穿越基线时)间变化。因此,目标双基地雷达多普勒频移特性在某种程度上可以作为目标航迹预测的一种方法。

3 作战效能分析

雷达作战效能分析是衡量雷达系统性能的重要方法，在现代高技术条件和复杂环境下的局部战争中对雷达性能的掌握显得越来越重要[12-13]。想要对双基地雷达进行作战效能分析，就需要建立双基地雷达效能评估准则，需要选择效能指标体系的效能参数。

由于双基地雷达结构上的复杂性，本文选择单一的威力(探测区域面积)准则作为双基地雷达作战效能评估准则，通过与单基地雷达相同作战效能参数的对比，获取双基地雷达的作战效能分析结果[14]：

(8)

式中：SB为双基地雷达目标探测区域大小；SM为单基地雷达目标探测区域大小。

基于Matlab仿真，本节分析了某参数条件的双基地雷达在正常工作和有干扰情况下的作战效能，涉及部分关键参数见表1。仿真分析中，双基地雷达基线保持不变，假设目标RCS大小不随双站角变化。

表1 雷达和干扰机关键参数表Table 1 Parameter of the radar and jammer

3.1 接收站最优配置

由于地球曲率的影响，对于某高度目标，雷达存在直视最大距离，如图4所示。设双基地雷达发射站天线高度ht，接收站天线高度hr，目标飞机高度H，由于地球的表面曲率，使雷达看不到超过直线视距外的目标。若目标飞机保持恒定高度，即可知双基地雷达的目标发现区域为发射站和接收站视线间所夹航线[9]。雷达发射站和接收站最大直视距离(km)可表示为

(9)

图4 地球曲率对双基地雷达目标发现区影响图Fig.4 Impact of the detection area of bistatic radars by the earth’s curvature

给定最大直视距离，可计算双基地雷达发射和接收站公共覆盖区域面积为

(10)

设双基地雷达发射站和接收站最大直视距离相等，即rT=rR，根据式(8)和(10)可计算不同基线情况下双基地雷达作战效能因子如图5所示，横轴为基线长度与接收站最大直视距离比值。从图中可知，随着基线变长，双基地作战效能逐渐下降，当基线长度为接收站最大直视距离2倍时，双基地作战效能降为0。根据图5分析，双基地雷达基线应当小于接收站最大直视距离的一半长度，方能保证作战效能较单基地雷达衰减较小。

图5 双基地作战效能因子与基线关系曲线Fig.5 Relationship of the performance factor and the baseline of bistatic radars

3.2 正常工作条件

首先比较正常工作状态下，单基地雷达与双基地雷达作战威力，设单基地雷达与双基地雷达发射站位于同一位置，双基地雷达基线为10 km。根据经典雷达方程，可以得到双基地雷达方程为[15]

(11)

式中：Pt为雷达发射峰值功率；Gt,Gr分别为发射天线和接收天线增益；λ为雷达工作波长；σ为目标RCS；k=1.38×10-23(J/K)为玻尔兹曼常数；Ts为以K为单位的雷达等效噪声温度；Fn为雷达噪声系数；Br为接收机带宽；Ls为雷达衰减因子。

信噪比是反应雷达威力的直接指标，信噪比越大雷达所能探测的距离也越大。基于表1参数，根据式(8)，可计算该双基地雷达在正常工作条件下作战效能为

(12)

从式(12)可以发现，当探测信噪比门限较低，雷达探测距离较远时，双基地雷达作战效能接近1，即双基地雷达与单基地雷达在此条件下性能几乎一致；而随着探测信噪比门限提高，雷达探测距离变近，双基地雷达作战效能逐渐下降。图6为正常工作条件下，单基地雷达等信噪比图和双基地雷达等信噪比图，图中等高线中数字为信噪比值(dB)。从图6可发现，双单基地雷达探测区域呈圆形，而基地雷达探测区域在信噪比较低区域呈现椭圆型，随着信噪比的提高，其探测区域呈现经典的卡西尼卵形线图形。

3.3 自卫干扰条件

图6 单、双基地雷达等信噪比图Fig.6 Equal SNR of monostatic radar and bistatic radars

雷达作为战场对抗的重要武器，受到有针对性的干扰几乎是必然的，因此需要对存在干扰影响条件下的双基地雷达作战效能进行分析。最常见的干扰形式通常为宽带压制式噪声干扰，其效果反映在雷达接收系统中为抬高了处理信号中噪声的分量，等效于抬高接收机噪声温度。因此干扰条件下双基地雷达方程可写为

(13)

式中：TJ为接收机处干扰等效噪声温度，

(14)

式中：Pj为干扰机发射功率；Gj为干扰机天线增益；Bj为干扰机工作带宽；Lj为衰减因子；rj为干扰机距离。

自卫式噪声干扰根据干扰机天线的特性可以分为瞄准式和全向式。双基地雷达由于收发异址，对瞄准式干扰相对于单基地雷达有较好抗干扰性能，而对全向式干扰则无此优势。基于干扰形成机理，根据式(13)和前一节分析，可知有无全向式干扰不改变双基地作战效能，故本节只针对瞄准式干扰，干扰机天线增益特性为

(15)

式中：θ0.5为干扰机主瓣宽度；β=0.05为波束宽度因子。

基于式(8)，自卫瞄准式干扰条件下利用信干比作为雷达威力指标，获得双基地雷达作战效能分析结果如下：

(16)

从分析结果可以发现，在自卫瞄准式干扰条件下双基地雷达相对于单基地雷达的作战效能有显著提升，随着信干比门限的提高，雷达探测距离变小，双基地雷达三角关系更为显著，双基地雷达的作战效能也随之提高。图7为自卫瞄准式干扰条件下，单基地雷达等信干比图和双基地雷达等信干比图，图中等高线中数字为信噪比值(dB)。从图7可发现，在自卫瞄准式干扰条件下，相同干信比条件下，双基地雷达探测区域明显大于单基地雷达探测区域，印证了第2节关于双基地雷达具有较好抗瞄准式干扰优势的分析。

图7 单、双基地雷达等干信比图Fig.7 Equal SNR of monostatic radar and bistatic radars

4 结束语

双基地雷达作为应对越来越严峻的现代战场对抗的重要手段之一，在近些年受到了越来越多的关注。本文从几何特性和多普勒频移特性角度分析了双基地雷达的特点，以雷达探测区域为指标，基于单基地雷达对比分析了双基地雷达作战效能，研究了接收站与发射站距离的最优配置，并给出了正常工作条件和自卫干扰条件下双基地雷达的作战效能评估。分析结果表明，正常工作条件下双基地雷达具有与单基地雷达相当的作战效能，而在存在自卫瞄准式噪声干扰条件下双基地雷达具有比单基地雷达明显优越的作战效能。

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Performance Analysis of Bistatic Radars Under Jamming

CHENG Tian-zhen1,LIU Shang-chao2, WEI Shan1,CAI Zhi-jian1

(1.Beijing Institute of Radio-Meterage，Beijing 100854,China; 2. PLA,Military Delegate at 283 Factory,Beijing 100854,China)

The benefits and handicaps of bistatic radars are compared, and some characteristics in the geometry and Doppler frequency are analyzed. Based on the parameters of radars’ detection areas, the best base-line of a bistatic radar is discussed, a comparative simulation result between the performance of bistatic radars and monostatic radars under the self-defense spot jamming is provided. Results show that the bistatic radar could achieve much better performance under the self-defense spot jamming.

bistatic radar; geometrical characters; Doppler frequence; self-defense jamming; antijamming performance

2014-10-01；

2014-12-29

有

成天桢(1985-)，男，重庆忠县人。高工，博士，研究方向为雷达系统与抗干扰技术、网电安全技术、无线电传感器网络安全技术等。

通信地址：100854 北京142信箱203分箱 E-mail：rickchina23@163.com

10.3969/j.issn.1009-086x.2015.03.001

TN97

A

1009-086X(2015)-03-0001-06

编者按：“2014年复杂战场环境与精确制导技术研讨会”成功举行。会议得到了国内从事空天防御的军方、军工单位、科研院所、高校等的积极响应和大力支持，征集到近70篇论文，《现代防御技术》特开辟专栏陆续分期刊登此次会议的部分优秀论文，供读者参考。