直升机载火控雷达盲区及复杂战场环境影响分析

周 俊 杨 军 张大锋 陈志君

(1.陆军航空兵学院陆军航空兵研究所 北京 101121；2.中国人民解放军32145部队 河南新乡 453000)

0 引言

现代战争实践表明，武装直升机是夺取低空/超低空制空权最有效的武器之一，而装备毫米波火控雷达的武装直升机的战场感知能力、火力打击能力和作战效能都会大幅度提高。美军对配备了APG-78“长弓”毫米波火控雷达的AH-64D进行试验评估后认为：与不装备火控雷达的原型机AH-64A相比，AH-64D的战场生存能力提高了7倍，杀伤威力提高了4倍，战场效能提高了28倍[1]。

毫米波火控雷达具有波束窄、分辨率高、可用频带宽、抗多径效应及抗干扰能力强、体积小和重量轻等优点，能够在雨天、雾天以及多种复杂战场环境下工作，具有全天候作战能力。基于这些优势，目前直升机载火控雷达大多数选用毫米波段。由于火控雷达设计方案和技术体制不同，探测的盲区和范围也不一样。例如：调频连续波体制的雷达能够测量几米的目标，几乎没有盲区，但是很难同时兼容数十公里的远距离目标；线性调频脉冲多普勒雷达(PD雷达)能够探测远距离目标，但是由于PD雷达固有体制的缺陷，如主瓣杂波盲区和高度杂波盲区等，对于主发射脉冲内的目标则鞭长莫及，这种雷达受某些微波器件性能的限制，会产生额外的距离盲区。同时，由于雷达系统设计参数的不同，还会产生距离、速度模糊。

武装直升机的作战环境比较严酷，复杂战场环境对毫米波火控雷达使用性能产生直接的影响，这些因素主要有自然环境和人为干扰等。本文重点对直升机载火控雷达盲区计算方法和复杂战场环境的影响进行分析。

1 直升机载火控雷达盲区分析

由于战场环境、电磁波传播特性、目标速度和雷达性能等原因，会造成直升机载火控雷达在某些空域范围无法探测到目标，从而产生探测盲区，主要包括波束覆盖盲区、机身遮挡盲区、距离模糊盲区和径向速度盲区。

1.1 波束覆盖盲区

由于受到扫描波束角度限制，产生了火控雷达探测的顶空盲区和低空盲区，如图1所示。火控雷达波束覆盖盲区的范围计算方法为

(1)

图1 直升机载火控雷达波束覆盖盲区

其中，Δh为目标与载机的相对高度差；φ为雷达波束俯仰角，Rblind为距离盲区范围。

1.2 机身旋翼遮挡盲区

直升机载火控雷达通常安装在桅杆顶部，受到机身和旋翼遮挡，形成了探测盲区。

1)机身遮挡盲区

在火控雷达下视条件下，由于直升机机体空间遮挡，在俯仰方向会形成机身遮挡盲区。

2)旋翼遮挡盲区

直升机旋翼会对火控雷达探测造成一定影响。由于旋翼、机体距离天线很近，当电磁波从这些部位直接反射回时，接收机尚处于关闭状态，这种干扰不会影响的雷达性能；需要考虑干扰能量经地面反射后，回到接收天线，遇到旋翼遮挡引起的干扰。由于旋翼宽度有限，干扰并非一直存在，而是伴随旋翼转动。采用近区场分析法，根据Maxwell方程计算天线在旋翼上的感生电流以及旋翼的干扰功率电平。

采用矩形脉冲近似为

Si(f)=τidMi[sin(πτif)/πτif]2

(2)

采用三角形脉冲近似为

Si(f)=τidMi[sin(πτif)/πτif]4

(3)

其中，τi第ι个旋翼调制持续期为

(4)

dMi=τi/Tm=τiFm

(5)

其中，W为旋翼宽度，L为旋翼长度，n为旋翼转速，Fm为调制信号的脉冲重复频率，nb为旋翼数。

1.3 距离模糊盲区

火控雷达距离模糊与脉冲重复频率有关，距离模糊盲区长度与发射信号脉冲宽度相关[1-2]。以美军“长弓阿帕奇”直升机为例，其“长弓”火控雷达采用了收发公用天线，当发射机发射脉冲信号时，接收机处于关闭状态，雷达无法接收回波信号，由此产生距离模糊盲区。

1.4 径向速度盲区

径向速度盲区主要由多普勒效应而产生。设直升机以速度VR水平飞行，雷达天线主波束下俯角为φ，雷达在各方向上的波束宽度为θ，波长为λ。当径向速度小于某个值Vmin时，一些特定回波频率与地面杂波频率重合，并淹没有用信号，这些回波信号包括主瓣杂波、旁瓣杂波、高度杂波和目标回波[1,3]，如图2所示。

图2 雷达杂波及目标回波示意图

1)目标1以速度Vt1从正迎头方向飞来，多普勒频移为2|VR|+|Vt1|/λcosψ，由于载机与目标的夹角ψ很小，因此回波频移大于旁瓣杂波的最大频移2|VR|/λ，回波信号落入无杂波区，火控雷达对此类目标的探测性能最好。

2)目标2以速度Vt2沿载机速度的垂直方向飞过，目标径向运动速度为0，回波落入主瓣杂波区，并直接被滤除。由于主杂波频谱和雷达抑制滤波都有相应带宽，由此产生了径向速度盲区。

3)目标3和目标4分别以小于和大于载机速度，与载机同向飞行，多普勒频移为[2(|VR|-|Vt1|)/λ]cosψ，回波信号落入旁瓣杂波区。与迎头方向进入的目标相比，火控雷达对此类目标的检测能力有所降低。

2 自然环境对毫米波火控雷达的影响

2.1 大气衰减的影响

与可见光和红外相比，毫米波在微雨和雾天条件下具有较少的损耗，因而可以在微雨和雾天进行探测[4]。空气水分凝结物(如雨、雾、雪、霜、云等)也会引起附加的衰减，但是，对于雾而言，除非能见度很低(例如低于100m)，一般引起的损耗(与温度有关)较小；由于其范围有限，云的衰减量通常也很小；由于其介电常数比液体水小得多，卷冰云引起的衰减也很小，冰的衰减可以忽略。与光波相比，毫米波在传播窗口处由于大气吸收和衰减产生的损耗相对较低，因此在恶劣气象条件下毫米波比光电探测器更为有效。毫米波频段的大气和传播特性见表1所示。

表1 毫米波频段的大气和传播特性[5]

降雨会对毫米波造成衰减，并降低雷达作用距离。在雨中探测目标时，由降雨形成的后向散射回波，会影响雷达的探测性能，降低接收信号的信噪比。不同气象条件下信噪比与雷达作用距离的关系如图3所示[6]。

图3 信噪比与距离的关系

典型气象条件下雷达作用距离的计算方法为

(6)

(7)

其中，Pt为发射功率；λ为雷达工作波长；Bn为接收机噪声带宽；Fn为系统噪声系数；L1为射频损耗；Latm为大气衰减，Latm=100.2αR，其中α为衰减系数；G0为天线波束中心增益；σ为目标雷达截面积；T0为环境温度；R为雷达目标距离；k为波尔兹曼常数(1.38×10-23J/K)。

2.2 战场烟雾的影响

毫米波通过空中微粒(如灰尘、烟尘及战场遮蔽物)会引起衰减，但悬浮在大气中烟尘的数量，在140GHz以下所产生的衰减难以察觉[3]。因此，与红外、激光相比，毫米波受战场烟雾、烟尘的影响很小。

2.3 杂波的影响

雷达杂波是地形、地物、海浪、云雨等产生的回波，包括地杂波、海杂波和气象杂波。直升机经常采用低空、超低空作战方式，目标背景较为复杂，往往存在严重的地物杂波。这些地杂波由位置相对固定、运动变化较小、形状不规则的地物形成，如植被、丘陵、岩石、耕地、房屋、桥梁、塔架等。

地杂波对雷达探测性能的影响主要是目标检测概率、目标虚警概率、雷达作用距离等。受到地杂波的影响，雷达作用距离为

(8)

其中，σ为目标有效散射面积；V为地杂波回波功率，S/V为信杂比正是目标和杂波的有效雷达截面积之比；ΔR为距离分辨率；θ为雷达波束与水平面的夹角；θ0.5为波束宽度；σ0为地面平均单位有效散射率。

3 人为干扰对毫米波火控雷达的影响

3.1 有源干扰的影响

有源干扰主要有压制式干扰和各类角度、速度、距离欺骗式干扰等。由于毫米波火控雷达波束窄，实现波束对准干扰的难度较大，有源干扰主要为副瓣干扰。

1)压制式干扰

受到压制性干扰时，增强干扰强度会降低雷达探测能力，导致无法检测目标信号，无法正常跟踪目标，此时雷达的最大作用距离为

(9)

其中，Pr为雷达发射功率，PJ为干扰机发射功率，Gr为雷达天线主瓣方向增益，Gj为干扰天线增益，σ为目标的雷达截面积，K为方向增益系数，Kj为雷达压制系数，γ为干扰信号对雷达天线的极化系数，θ为雷达与目标连线和雷达与干扰机连线之间的夹角，θ0.5为天线波瓣宽度，RJ为雷达距干扰机的距离，H为目标高度。可以看出，与无干扰的雷达距离方程相比，压制性干扰会降低雷达作用距离，影响雷达使用效果。

2)欺骗式干扰

欺骗式干扰通过采用与真实目标特性相近的假目标和信息，干扰雷达的目标检测和跟踪系统，使雷达无法准确测量目标参数，以达到迷惑和扰乱雷达检测和跟踪的目的。欺骗式干扰主要作用于雷达的跟踪模块，产生跟踪误差或跟踪假目标，进而丢失真正目标。

3.2 无源干扰对毫米波火控雷达的影响

无源干扰是利用发射装置投放毫米波干扰物，对毫米波波束进行散射、反射或吸收电磁波，扰乱电磁波传播途径，并改变其散射特性或形成假目标和干扰屏障。目前常用的毫米波无源干扰主要有：毫米波箔条/箔片、气溶胶、角反射器、毫米波吸收材料、毫米波等离子体等[7-8]。由于无源干扰可不必事先测定毫米波火控雷达的工作频率，因而能够对其实施有效干扰。

4 结束语

本文详细研究了直升机载火控雷达的探测盲区，给出了不同类型盲区分析计算方法，分析了战场自然环境和人为干扰(有源干扰和无源干扰)等对火控雷达使用的影响。其中，在雾霾、小雨、小雪等气象条件下，雷达作用距离变化不大；但是在大雨、大雾等恶劣天气时，受到物理特性影响，雷达作用距离会有较大衰减。战场烟尘烟雾对雷达使用的影响较小，一般可以忽略，但地物杂波会对雷达探测产生影响，可通过设置不同背景的检测门限来抵消杂波影响。

无源干扰和有源干扰会对毫米波火控雷达造成不同程度的影响。其中，对于角度、速度等欺骗式干扰，可通过信号及数据处理自动进行对抗；对于压制、阻塞、扫频、转发式干扰等，可通过自动调频、随机调频、非相参积累、大范围调频来对抗。