无源超视距侦察系统的原理与实现

朱拥建，罗 熙，梁国富

(中国电子科技集团公司第51研究所，上海 201802)

0 引 言

现代战争的一个显著特点就是要求武器系统具有远程预警、远程探测定位以及隐蔽性好的能力[1]。与有源探测系统相比，无源侦察系统主要用于接收雷达等辐射源向外辐射的单程电磁波信号，它自身不主动向外辐射电磁波信号，从而具有侦察距离远、预警时间长、隐蔽性强等优点。因此，无源侦察系统已成为新时期电子战装备的研究重点[2-3]。

随着国际形势的变化，为有效应对其他国家对我海洋安全构成的威胁，必须确保对重点海域和空域的全天候、全天时远程侦察监视。从而要求无源侦察系统能够对超过视距范围外的目标进行侦察、发现和定位，达到战略预警的目的。常规的解决方法是将侦察设备架设到空中平台上，但其连续观测时间受载机平台巡航时间的限制，很难遂行全天候侦察任务；另外，无源侦察载荷也会因其尺寸、重量的局限性，使得侦察性能有限。本文介绍的方案则是将侦察设备装配在车载或岸基平台上。显然，车载或岸基等平台的尺寸重量相对宽裕、使用条件优越，可充分利用电波的对流层散射机理，采用超大尺寸的天线阵面、高灵敏度数字接收技术及弱信号检测提取技术，将系统的作用距离从视距拓展至超视距(如乌克兰的“Koltchuga”侦察系统[8])，为雷达侦察从近程搜索向远程预警发展提供新的支撑手段[4]。

1 基于对流层散射的微波超视距传播机理

1.1 对流层的气象参数

电磁波在自然空间中的传输主要受地球曲率和地表大气层的影响，对流层则是地表大气层的最低层。它的顶端高度，主要随纬度而不同[5]。在赤道附近，对流层的平均高度为16～18Km；在南北极，对流层平均高度为8～10Km；在温带地区对流层平均高度为10～12Km。对流层中富含的水汽，以各种云层、旋转气团、雾、雨、雪、冰雹等形式出现在离地表数公里的高度范围内，形成湍动区，这对基于对流层散射的电磁波传播有着重要影响[6]。

1.2 对流层的折射指数

对流层特性对电磁波的传输影响可用折射指数来表达。我们知道，折射指数与大气的湿度、温度和压强三种气象因素存在着密切关系，并随空间和时间发生复杂的变化[4]，从而引发了对流层中各种各样的传播现象，如收发两地传播路径上的时延效应、多径叠加、大气波导、极化旋转和信号功率衰落等。对流层的折射系数计算如下：

N=(77.6/T)*[p+(4810*e)/T]

(1)

式中：p为大气总气压；e为水汽压；T为温度。

1.3 对流层散射传播理论

早在上世纪三十年代，对流层散射传播现象被发现，绕射理论曾被作为超视距通信的基础理论，人们认为电磁波超视距传输遵循绕射理论；马可尼的试验则推翻了这一观点，因为在远超视距的测试点，能得到比绕射理论的强度要大得多的信号。随着技术的进一步发展，越来越多的超视距传播现象被发现，国内外研究机构为此建立了一些传播线路，开展了大量试验，根据试验数据分析，不规则层非相干反射理论、湍流非相干散射理论和稳定层相干散射理论三种主要对流层散射传输理论模型被提出。我国科学家张明高院士总结上述三种主要理论的研究结果，提出了广义散射理论截面理论模型，认为基于对流层的电磁波超视距传播一般是三者共同作用的结果[4]。

由于对流层中不均匀介质对电磁波的散射效应，不考虑辐射源功率和收发天线孔径的影响，二次散射的电磁波能够到达介质上可观测到的所有接收点。当对流层中的介质散射体在距离地表10 km以上的高度时，其传播跨距可达几百公里甚至上千公里，这也说明了基于对流层散射传播机理能够实现视距外的电磁波传输。

2 基于对流层散射的传输损耗工程估算

2.1 散射传播损耗的理论计算

发射站主动辐射的电磁波经过对流层散射传输后，到达接收站的场强是由不均匀介质的散射而引起的，其计算方法与直射波场强计算方法不同，需引入一个新的参量σ(θ)(有效散射面积)，即：

Ls=Pt/Pr=(4*π3*R4)/[Gt*Gr*λ2*σ(θ)]

(2)

式中：Ls为对流层的散射传播损耗；R为发射、接收站之间的距离；Gt为发射天线增益；Gr为接收天线增益；λ为工作波长；σ(θ)为有效散射面积。

2.2 散射传播损耗的工程估算

我国从事电波传播研究的专业人员通经过大量的实验观测，形成了完备的对流层散射传播损耗数据分析和模型计算结果，并在广义散射截面计算的基础上(广义散射截面模型已成为ITU推荐的国际通用建议)，得出散射传输损耗的计算公式如下[7]：

Lm=F+30lgf+30lgΘ0+10lgd+20lg(5+γH)+

4.343γh0+Lc

(3)

式(3)中，Lm为损耗中值；F为气象因子；f为电磁波载频；Θ0、d、H、h0是和传输电路有关的参数，γ为衰减系数，Lc为耦合损耗。各主要气候区的气象参数如表1所示。

表1 气象和大气结构参数F和γ

上表中所列的气候区：1-赤道；2-沙漠；3-海洋性温带陆地；4-大陆性温带；5-大陆性亚热带；6-海洋性温带海面；7-海洋性亚热带。

3 对流层散射传播的特点

上文基于对流层散射的微波超视距传播机理进行了分析，从而得出电磁波信号经过对流层介质散射具有特定的传播特性，具体地可从传输损耗特性、带宽特性和衰落特性三点来考虑。

3.1 传输损耗特性

由公式(3)可以看出，散射传输损耗与气象因子、收发距离、电磁波载频、散射角、散射体高度、电磁波横跨区域等诸多因素相关：散射损耗随距离增大而增加，据统计，在收发两站间距1000 km的范围内，距离每增加100 km，传输损耗约增加8～10 dB；散射损耗随电磁波载频增高而略有增加；散射损耗具有较强的季节敏感性，不同季节，同一辐射源经过对流层散射传播的信号幅度变化可达20 dB以上，极限情况下，同一天早晚的信号幅度相差都可能达到10 dB以上。

3.2 带宽特性

当某个宽频带信号经过对流层散射传输至接收站时，由于不均匀介质散射体空间分布的不规律性，它们通过各自的散射路径到达接收站，会产生不同时延；另外，相同时延对不同的频率分量也会产生不同的相位变化，致使信号波形失真，所以在实际工程中基于对流层散射的宽带超视距侦察应考虑带宽的影响。

3.3 衰落特性

基于对流层散射的超视距传输，散射信号的衰落现象包括慢衰落和快衰落两种。实验结果显示，散射信号慢衰落呈现出统计规律特性，信号功率的对数近似正态分布规律；散射信号快衰落则主要由不均匀介质散射体多径传播导致，与电磁波频率和收发站跨距等因素有关。

4 无源超视距侦察系统样机设计

4.1 超视距测向基本原理

基于对流层散射的超视距传输过程中，其具备的损耗特性和能量前向散射特性可在工程设计中加以利用。无源超视距侦察设备可利用对流层对信号的前向散射作用，对雷达辐射源目标进行超视距侦察测向，图1为超视距测向原理示意图。

图1 超视距测向原理示意图

4.2 无源超视距侦察系统设计

无源超视距侦察定位系统，基本定位原理是采用测向交会定位原理[10]。利用大气对流层对雷达辐射源信号的散射效应，用两套相同的侦察设备通过合理布站就可以对辐射源信号进行截获测量和测向，实现雷达辐射源目标的超视距侦察定位，侦察设备主要包含天馈、射频前端、变频单元、信号采集、信号处理和综合显控等构成，设备组成原理框图如图2所示。

图2 侦察设备组成原理框图

为获得较高的测向精度，要求侦察设备具有较窄的测向波束[11]，在原理样机设计过程中我们可以采用兼具高增益和窄波束的大反射面的抛物面天线，馈源分0.8～2 GHz、2～4 GHz和4～6 GHz三段，可以满足0.8 GHz～6 GHz的频率覆盖指标要求，当然在通道及处理资源丰富的情况下，我们也可以阵列天线技术，通过数字波束形成技术，在空域上形成多个高增益数字波束，在确保高增益接收的情况下，提升空域覆盖能力。

射频前端主要对天线接收到微弱信号进行放大滤波，该功能在工程设计中一般紧靠天馈放置，以改善整个射频链路的噪声系数，变频单元则将射频信号放大、混频和滤波后变为中频信号，经信号采样后送入信号处理单元。

信号处理完成雷达信号的频率、脉宽、方位等参数的测量，形成脉冲信号描述字(PDW)，经过信号分选后生成辐射源参数情报。为获得较高的系统灵敏度，除采取高增益天线外，还需采取数字接收与相关处理技术来实现弱小目标的检测。

4.3 超视距侦察原理样机设计要点

为克服利用对流层散射带来的信号传输损耗大、信号衰落严重的影响[12]，根据上述对流层散射传输损耗理论分析和工程估算可以得出，在P/L/S频段，电磁波超视距传输损耗超过200 dB，在工程实施上可采取下列措施：

(1)高增益天线

构建高增益接收天线，形成接收方位窄波束，提升系统灵敏度，并减小收发共视区内散射体的体积，有效降低衰落。经过工作计算分析，系统对天线增益的要求在20～45 dB之间。

(2)高灵敏度接收设备

要求侦察接收的灵敏度在100 MHz的中频带宽时达-145 dBW以上，这在接收处理需采用数字处理技术，以提高信号检测灵敏度[9]。

(3)侦察设备站址选择

通常来讲，散射角θ越小，传输损耗越小，因此在超视距侦察站部署时，应尽可能将站址设在局部制高点，沿岸部署的设备应尽可能靠近海边，减少收发跨距中的陆地丘陵距离，接收天线的俯角不能太高[13]；此外站址选择上还应避开广播电台、移动通信系统以及周围雷达、干扰设备的影响。

4.4 试验情况

(1)试验目的

通过外场试验检验无源超视距侦察原理样机(单站设备)在实际信号环境下的超视距侦察能力，探索收发地气候环境与超视距截获概率间的一般关系，为超视距侦察技术的工程应用提供技术支撑。

(2)试验场景规划

试验场景规划重点确定原理样机与大功率雷达辐射源间的相对位置关系，必须满足下述要求：一、收发地间距满足样机超视距侦察距离验证需求；二、信号传输路径剖面上没有高山或高原，以最大限度降低地理因素对信号传输的影响[14]；三、在信号传播路径上距原理样机和辐射源雷达30 km范围内没有高层建筑或高山等遮挡物，以减小信号路径传输损耗。四、原理样机周边尽量空旷，以减小多径效应。根据上述原则，原理样机放置在上海海边某空旷基地，配试雷达则选择渤海湾某S波段雷达，两者之间的信号传输路径垂直剖面位于黄海及渤海上空，没有导致信号大幅度衰落地理因素，是试验的理想场景。

(3)试验结果

通过在一段时间内的不同时刻观测的样机的侦收结果，以工作时段内一分钟为考核单元，以考核单元侦收到目标雷达信号为截获依据，以截获单元数占工作时段的百分比为系统侦察概率，现给出试验过程中典型统计数据如表2所示。超视距侦察概率如图3所示。

表2 侦察概率数据统计表

续表2

图3 侦察概率直方图统计

试验表明，原理样机在该试验场景下具备一定的超视距侦察能力。试验也说明基于对流层散射的超视距侦察对气候环境的依赖性较高[15]，气候环境适宜时，超视距侦察的阶段信号侦察概率达80%以上，但当气候条件恶劣时，信号侦察概率低于50%，甚至出现不能侦察到目标信号的现象。

5 结 语

电波的超视距传播是一种自然现象，本文通过基于对流层散射机理的超视距无源侦察定位技术的分析研究，并以此为依据开展样机的研制工作。作者所在的课题组分别在在“十一五”和“十二五”期间，利用该项技术完成了超视距车载原理样机和超视距阵列体制原理样机的设计，外场试验的测试结果充分证明了该技术的可实现性和技术优势。在大量外场试验过程中，作者发现在超视距探测过程中存在短时(10 s)信号幅度起伏超过20 dB的现象，什么因素能导致这种状态的发生呢？非常有必要进行进一步探索。同时作者还发现在环境潮湿、云层较厚，人感觉闷热时，传输损耗大幅度增加，探测效果不佳；若天高云淡、海面微风、温度适中，给人感觉舒适的时候，往往传输损耗减小，探测效果较好。一天中的早上及晚上传输损耗较小，中午传输损耗相对较大，以上现象是个例还是具有普遍性？有待后续进一步研究分析。