提高雷达低空探测能力的措施研究

2016-04-14曾海兵谢永亮

电子科技 2016年3期

关键词：视距低空杂波

曾海兵,谢永亮,陈　珂

(海军蚌埠士官学校雷达教研室,安徽蚌埠　233012)

提高雷达低空探测能力的措施研究

曾海兵,谢永亮,陈珂

(海军蚌埠士官学校雷达教研室,安徽蚌埠233012)

摘要针对未来战争的作战系统应采用多种探测手段相结合,以形成较为完善的低空防御能力的问题。文中分析了影响雷达低空探测性能的主要因素,并针对各因素提出了改善雷达低空探测性能的各项措施,如减少地球曲率影响、减少多路径效应影响的措施,采用各种新技术和多探测手段有机组合,以提高雷达低空探测性能的方法,并通过功能互补的方式,形成了较为完善的低空防御能力。

关键词地球曲率;多路径效应;组网雷达;数据融合

Methods for Improving Low-altitude Detection Performance of Radar

ZENG Haibing,XIE Yongliang,CHEN Ke

(Teaching and Research Section of Radar,Navy Petty Officer Academy of AnHui Bengbu,Bengbu 233012,China)

AbstractIn future war,the combat system should be combined with a variety of detection methods to form a better capability of low altitude defense.This paper analyzes the main factors affecting the low altitude detection performance of radar,and puts forward such measures as reducing the curvature of the earth and reducing the impact of multi path effects to improve the low altitude detection performance of radar.

Keywordsearth curvature;multi-path effect;netted radar;data fusion

现代战争中,飞机或导弹的低空入侵已成为雷达的主要威胁之一。自60年代以来,军事大国越来越重视低空超低空突防,加紧研制性能优良的低空飞机与导弹,飞机和导弹的超低空突防袭击是常见的攻击方式,其作战有效性已在70年代以来的历次局部战争中得到证实。作为战争情报保障手段之一的雷达,由于受地球曲率、地物遮挡、大气环境、地物杂波和海面杂波等背景杂波以及多路径效应的影响,雷达要在较远的距离内及时发现和准确测定低空和小目标较为困难,即使能在近距离发现目标,面对现代的高速攻击兵器,雷达系统也难以有充裕地反应时间,所以必须提高雷达低空探测性能。

1影响雷达低空探测性能的主要因素

1.1地球曲率的影响

雷达电磁波在空气中的传播是近似沿直线的传播,由于地球是一个球体,距离较远的目标会因为地球表面弯曲而被遮挡,因此无法被发现。如图1所示,设目标的高度为ht,雷达天线的高度为ha,若ha、ht一定,雷达有一个极限的观察距离,即雷达在地平线上的最大观察距离,称为雷达的直视距离,视距公式为[1-2]

(1)

式中,R雷达的视距,单位km;ha雷达天线高度,单位m;ht目标飞行高度,单位m。

若超过此距离,电波被地球表面遮挡而无法射向目标,视线以下的区域称为隐蔽区。

图1　雷达直视距离示意图

1.2地球大气的影响

地球的表面包围着大气,大气的密度随高度而变化。从地面到达约30 km高度之内的大气层,称为对流层。对于一般的雷达目标,大都处于对流层,电磁波在其中传播时,就会产生折射和衰减,这种现象被称为大气折射和大气衰减[3-4]。对雷达低空性能的影响主要来自于大气折射,大气折射主要是由于空气的密度不均匀引起的,离地面越高,空气越稀薄。因此,电磁波正常大气条件下是在非均匀介质中传播,其的传播路径为向下弯曲的曲线而不是直线,如图2射线1所示,由Snell定律可证明,射线的曲率半径与垂直负梯度(dn/dh)有关。

如果垂直负梯度达到157 N/km,大气中水平发出的射线的曲率半径就等于地球表面的半径,雷达的作用距离将不再受到视距限制,这就是临界折射,如图2中射线2所示。由于水平传播的射线实际上是向下弯曲的,其曲率要大于地球表面曲率,故垂直负梯度dn/dh<157 N/km,此时电磁波将被限制在地球表面一定高度的区域内来回反射,产生超折射现象,如图2中射线3所示。因产生超折射时,电磁波在大气中的传播跟在波导中的传输方式相近,故称之为大气波导。

图2　大气传播的典型折射类型

由上述分析可知,大气折射通常能增大雷达的探测距离,巧妙地利用大气折射现象,雷达便可实现超视距探测,即超视距雷达的一种——微波超视距雷达。目前,俄罗斯等国已有利用大气折射现象对远区海面的舰船等武器平台实现超视距探测的实际应用。

1.3电波多路径干涉的影响

为确定地表对雷达电磁波传播的影响,假设一个平整、光滑、全反射的平坦地面,示意图如图3所示,雷达天线位于平面表面上ha高度,天线方向图假设在俯仰角上均匀。目标高度为ht,离雷达的距离为R。雷达天线的辐射能量通过两条分开的路线到达目标,一条是雷达到目标的直线(AB),另一条是经地表前向散射反射的雷达到目标的路线(AMB),目标反射的信号也通过同两条路线返回雷达。回到雷达天线的回波信号幅度决定于通过两条路线传播的信号幅度和相对相位。由于地表存在导致的场强η的改变可由下式来表示[5]

图3　雷达电磁波传播几何示意图

通过计算,雷达上(A点)接收到的回波信号密度相对于自由空间情况下的回波信号密度为η的4次幂,即

(2)

描述接收到的回波功率的雷达方程与式(2)相乘,由于正弦函数的范围为0~1,因此η4的范围为0~16。这说明由于地表的影响在某些仰角上会将接收信号功率增加16倍,在其他仰角上可能减少到0。由于距离和接收回波信号功率间的4次幂关系,雷达的作用距离会是自由空间时的0~2倍。因此在俯仰面上雷达能量分成很多瓣,在某些仰角上其增加了作用距离,而在其他一些仰角上减小了作用距离,如4所示。这种影响通常被称为波束分裂[6]。

图4　波束分裂结构示意图

当式(2)中的正弦自变量等于π/2,3π/2,…,(2n+1)π/2时,存在地表时的场强最大,这里n=0,1,2…。当

(3)

时产生瓣的峰值;当

(4)

时产生零值。由式(3)知,第1(最低)瓣(n=0)的峰值角为

θ1≈ht/R=λ/4ha

(5)

因此,若想在低角度处看目标,必须升高雷达的工作频率,或增大雷达的天线高度。

1.4杂波的影响

杂波表示在雷达荧光屏中出现的不需要的回波,这些不需要的回波“扰乱”了雷达工作,使得对需要目标回波的检测变得更加困难。雷达杂波主要来自于陆地、海面、云层、迁移的鸟群等物体对雷达发射信号所形成的反向、散射波。雷达杂波按不同的类型主要可以分为点杂波、面杂波和体杂波,地海杂波属于面杂波,云雨杂波属于体杂波[7]。

大的杂波回波能够遮蔽所需目标回波,从而限制雷达的探测能力,小的目标回波通常能干扰对所需目标回波的观察,从而降低雷达的检测概率。因此,雷达杂波必须采取措施予以减弱甚至消除。

2提高雷达低空探测性能的主要措施

2.1减小地球曲率影响,扩大雷达视距

要减小地球曲率的影响,目前主要的方法是增大雷达的高度、发展超视距雷达和双/多基地雷达。

增大雷达的高度主要有两种比较有效的方法[8]:(1)机载预警雷达。机载预警雷达以飞机为平台,大幅增加了对低空、超低空的覆盖范围,尤其是轻型机载相控阵雷达监视区域大,下视性能优越,作用距离远,数据率高,使用维护费用低,平台适应性好,只需花较低的费用就可实现对低空飞机、巡航导弹的有效探测;(2)发展气球载雷达。气球载雷达能有效扩大低空探测范围,其留空时间长,利用率高,与机载雷达相比有一个明显的优点是移动较慢,从而无需进行速度补偿。

目前超视距雷达有3种不同类型,即天波超视距雷达、地波超视距雷达和利用大气波导的微波超视距雷达,超视距雷达对低空探测威力的提高有显著作用。

为有效地增加低空探测威力,还可采用双/多基地雷达,发射机放在高空辐射,在低空目标区域配置接收机并尽量在发射机前方放置,这种雷达提高了低空探测范围,也增加了双基角>135°的概率,能明显增加目标的雷达散射截面积(RadarCross-Section,RCS)值,有利于对隐身目标的探测。另外,地面的双基地接收机可利用空中、空间的照射源,隐蔽地发现远区低空目标。对空/空配置的双基地系统还可利用杂波调谐效应有效地检测低空目标。

2.2仰角上实现无缝探测

通过上述分析可知,由于多径效应会导致垂直方向图的波束分裂,尤其是形成低空盲区,从而影响雷达对低空目标的探测。由式(5)可知,要增强雷达的低空探测能力应采用较短的波长,或增大雷达的天线高度[6]。

由于信号/杂波功率比与波长的四次方成反比,所以选择短的波长有利于提高信号/杂波功率比。但波长的选择不能太短,还应考虑要使雨的反射和雨的衰减最小,根据工程经验,一般选择X波段和Ku波段比较合适。

为实现在垂直方向图上的无缝探测,减小低空盲区,通常采用双频分集将两个相差一定频率间隔而形成的盲区错开,从而达到增强雷达探测低空目标能力的目的。双频分集还可降低目标的起伏噪声,从而提高了雷达的探测距离。

为使雷达在多径环境下具有最佳检测低飞目标的能力,研制了双门限(M-N)检测器,并通过理论推导与建模仿真相结合的方法,对雷达检测低空目标时的检测性能进行了分析,得到了在不同场景下M-N检测器具有最佳检测性能时的最佳M值,研究表明:在低信噪比情况下,多径环境下的雷达检测优于自由空间中的检测性能;在N一定的情况下,多径环境下的雷达检测性能对M值较敏感,自由空间中的雷达检测性能受M值的变化影响不大。为使雷达在多径环境具有最好的检测性能,通常N取1~8,最佳M值均为1[9]。

减少多路径效应的影响,还可通过提高天线的高度来实现,从而提高雷达的低空探测威力。

2.3灵活运用技术,减小杂波影响

如何在强的地、海杂波干扰中检测目标,尤其是信号强度较弱的小目标,是低空探测雷达所面临的并需要解决的难题。尽可能地减小雷达的分辨单元,可以减少杂波强度,提高杂波中的目标可见度[8]。

采用数字波束形成(DigitalBeamForming,DBF)技术,产生可控瞬时多波束,进行波束捷变,获得高质量超低副瓣天线,并能实现自适应波束零位控制。这些均有利于发现低空目标。

采用脉冲多普勒技术和动目标检测(MovingTargetDetectoin,MTD)技术,以便在强杂波中有效地检出运动目标。目前具有发展前途的多维信号处理技术是根据目标回波和干扰杂波在时间、方位、极化、幅度、多勒勒频率、反射系数和统计方面的信息差异,从干扰杂波背景中提取目标信息。

采用频率捷变,改变目标的起伏类型,以降低雷达的检测因子值,同时频率捷变加视频积累还能有效地反海浪杂波[1]。

采用脉内调制的相干信号序列,不仅能提高作用距离,还能提高抗干扰能力,同时还能提高准确性、分辨力和改善虚警电平的稳定质量。

另一种用数据处理的方式实现一次雷达动目标检测与跟踪功能的方法是PPI(PlanePositionIndicator)图像的低空目标检测与跟踪算法,此算法中杂波抑制和目标状态估计是两项关键技术,经过背景差分的雷达PPI图像,仍含有大量的背景边缘杂波,然后利用目标和边缘杂波的空域特性,将漏警和虚警同时保持在很低的水平,再通过交互式多模型(IMM,InteractiveMultipleModels)方法对目标的匀速、加速、减速、转弯等机动运动进行跟踪,实时获取目标的位置和速度等状态信息[10]。

对以上提到的技术应加以巧妙的组合应用,才能更好地解决低空探测问题,因为迄今为止,还没有哪种单项技术或雷达设备能满意地克服背景杂波和多路径效应的强烈干扰。

2.4增强低空探测的其他雷达或技术

近年来毫米波雷达技术有了突破性进展,毫米波混合及集成电路在性能、成本、尺寸及重量方面已达到实用要求,器件比较成熟,已达到生产水平。到目前为止,众多毫米波雷达已在服役,比较典型的如美国“霍克”导弹和“黄峰”导弹、俄罗斯SA-10地空导弹的制导系统,美国的双频跟踪雷达等。与微波雷达相比,毫米波雷达有其自身的特点:波长较短,容易做成窄波束,由于角分辨力改善,低角跟踪能力增强,并能减弱多路径效应的影响;对于慢动目标能获得较大的多普勒频移,增强了对动目标探测和识别的能力,抗杂波能力显著增强[8]。

此外,采用雷达与光电跟踪器组合方式能有效提高低空探测能力。随着光电技术的迅速发展,以光电跟踪器为主要探测设备的光电火控系统相继问世,成为辅助雷达火控系统进行低空探测的方法之一。光电跟踪器的主要优点是:隐蔽性好,抗电子干扰能力强;低空探测跟踪性能好,用光电跟踪器探测和跟踪目标,不存在多路径效应,受海杂波的干扰小,对掠海导弹和低空飞机的防御较为有效。

雷达组网也是有效的对抗低空目标的手段之一。由于目标的RCS是视角和波长的函数。因此,目标运动时各雷达所对应的RCS是起伏的,影响着单部雷达对目标的捕获和跟踪,而通过对多部雷达所测数据进行综合处理,可提高发现概率并获得稳定跟踪,从而改善低空性能。

分布式网络雷达是一种新型的雷达探测系统,为一种利用多部小型的M3(Mobile,MultifunctionandModular)节点雷达联网来探测目标的网状雷达系统。单部节点雷达具有探测距离小、受视距影响小,成本低、小型化、轻型化、快速布防等优点,在重点区域可大量部署,能对低空目标进行有效探测,因而在抗低空突防方面有好的应用前景[11]。

低空目标融合系统的前提是雷达组网,是一种由多个异类或异步传感器构成的检测融合系统,由于不同传感器对不同目标的检测性能存在互补性,微弱信号只是针对特定信号形式和位置的单个传感器而言,对于某单个传感器来说的微弱目标,可能易被其他位置或其他类型的传感器检测到。但低空目标融合系统与普通的雷达组网又有区别,主要表现在传感器管理与分配环节,目标检测与跟踪方法融合环节,联合检测、跟踪与识别环节等实现低空目标融合检测与跟踪性能的最优化。从而实现在复杂环境与低信噪比条件下检测与跟踪低空目标的能力[12]。

目前较新型的方式是采用多频段探测系统的数据融合技术。利用微波、毫米波、电视、红处、激光等覆盖宽多频段的各种有源和无源探测器,进行各种传感器集成和信息融合,来对低空目标进行探测。

3结束语

现代防空战的关键问题之一是抗低空突袭,但到目前为止还没有一种单项技术或雷达设备能对低空目标有较好的探测效果,对以上提到的技术和方法应加以巧妙的组合应用,才能更好地解决低空探测问题。因此,未来的作战系统应采用多种探测手段相结合、功能互补的方式,以形成比较完善的低空防御能力。对空防御作战按照近、中、远程纵深层次布防,雷达将通过系统化构成来满足不同探测距离和不同探测精度的要求,即进行雷达探测接力,以便提高雷达系统的预警能力和快速反应能力。

参考文献

[1]吉承灿.海军雷达低空探测技术研究[J].雷达与对抗,1997(1):9-15.

[2]赵亮,董鹏曙,费太勇,等.雷达网低空探测能力评估方法[J].现代雷达,2008,30(6):21-23.

[3]郑琦,刑文革.大气波导效应及其对低空探测的影响分析[J].现代雷达,2005,27(5):19-21,37.

[4]黄小毛,张永刚,唐海川,等.表面波导对雷达低空探测误差影响的研究[J].现代雷达,2006(7):33-36,40.

[5]宋国斌,周建农.情报雷达的低空探测威力[J].零八一科技,2008(2):16-22.

[6]MerrillLLSkolnik.雷达系统导论[M].3版.左群声,徐国良,马林,等,译.北京:电子工业出版社,2010.

[7]冯兵,蔡兴法.舰载雷达低空探测性能分析[J].雷达与对抗,2000(4):16-21.

[8]王小谟,张光义,王德纯,等.雷达与探测[M].2版.北京:国防工业出版社,2008.

[9]杨勇,王雪松,张文明,等.多径环境下海面低空目标检测技术研究[J].电波科学学报,2011,26(3):443-449.

[10]陈唯实,宁焕生.利用一次雷达实现低空空域的安全监视[J].北京航空航天大学学报,2012(2):143-148.

[11]杨庆丰,董鹏曙,张涛,等.分布式网络雷达低空探测能力评估[J].微计算机信息,2009,25(3):167-168,128.