机载雷达无源探测技术研究

唐硕 臧伟旺 李震宇 高兵 张怀根

（中国电子科技集团公司第十四研究所 江苏省南京市 210039）

1 概述

机载雷达根据安装载机平台的不同主要用于控制和制导武器，实施空中警戒、侦察，保障准确航行和飞行安全等。得益于空中平台的运动特性，机载雷达能够灵活的进行大范围的态势感知，在军事领域得到了重大发展和应用，已成为现代防空体系的重要组成部分，是现代战争的重要装备。

随着机载雷达技术水平的高速发展，雷达态势感知能力越来越强、作用距离越来越远、辐射信号功率也越来越大。大功率的雷达信号易被敌方侦查到，容易暴露自己，从而遭到敌方的电磁干扰甚至会被摧毁。为了达到隐蔽探测的目的，通常采用辐射功率管控或特殊探测波形设计等方法，但此方法往往会降低雷达作用距离，削弱雷达态势感知能力，且随着电子侦收设备的灵敏度越来越高，侦收技术越来越先进，功率管控和波形设计已无法达到隐蔽探测的效果。

为解决上述问题，达到完全隐蔽探测效果，本文引入无源探测技术，提出一种基于快速测频的机载雷达无源探测技术。该技术能够提升雷达作用距离，增强雷达态势感知能力，且能够达到完全隐蔽探测效果。

2 雷达无源探测原理及实现方式

2.1 无源探测技术原理

如图1所示，无源探测是一种自身不对外辐射探测信号，通过被动接收目标辐射或者反射的信号，来实现对目标探测的技术，按信号来源可分为：基于目标自身辐射信号的无源探测和基于外辐射源照射的无源探测。

图1：无源探测示意图

无源探测技术可以捕获辐射源的到达时间（TOA）、来波方向（DOA）和频率等参数。其中，干涉仪侧向法是十分广泛的无源定位方法，干涉仪侧向通过测量来波相对不同接收单元的相位差来计算辐射源的角度，一般单观测平台只能获得目标角度，多观测平台可以利用目标相对平台的来波方向参数不同进行定位。

2.2 机载雷达无源探测实现方法

在实际作战中，目标平台上往往也装备可进行探测的雷达，通过捕获目标雷达的辐射信号来对目标进行角度定位和跟踪成为一种完全可行的方法，且自身不辐射信号，具有很强的隐蔽性。以下提供一种在机载雷达平台上实现无源探测和定位的方法。

雷达探测时为了获得足够高的测量信噪比，往往将雷达接收机的带宽设置的很窄，因为雷达辐射信号参数是已知的，即使接收机带宽设置很窄时也可以很好的接收目标回波信号，且能够屏蔽带外干扰信号，获得大的信噪比，提高测量精度，所以雷达通常采用窄带接收机设计。当使用雷达进行无源探测时，由于不知道目标辐射的信号参数，窄带接收机不再适用，为了解决此问题，主要有以下两种方法：

（1）采用宽带接收机，设计足够的接收带宽保证目标辐射信号能够进入雷达的接收机中，此种方案虽然能完全接收目标信号，但需要在雷达系统上增加宽带接收机，增加成本，且采用宽带接收机会导致目标信噪比下降，测量精度得不到保证；

（2）仍然采用窄带接收机，设法将接收机频率对准目标辐射信号频率，保证雷达可以接收到目标辐射信号，且窄带接收方式可以保证接收信噪比高，可以保证测量精度。

对比上述方案，采用方案（2）能够更加简便、有效的在雷达平台上实现无源探测，且使用窄带接收后可以采用成熟的雷达测角技术，如：单脉冲测角等，获得高精度的角度信息。但需要解决接收机频率对准信号频率的问题，解决此问题只需要对目标辐射信号进行一次快速测频即可，对信号进行快速测频已有很多成熟的技术，如：信道化瞬时测频技术等，依靠雷达强大的数字信号处理平台完全可是实现信号的快速测频。雷达无源探测技术信号处理流程如图2所示。

图2：雷达无源探测流程图

机载雷达无源探测从使用平台分类，可分为两大类：

（1）单平台探测场景；

（2）多平台协同探测场景。

单平台雷达无源探测可对目标角度进行测量和跟踪，由于雷达天线增益高，目标辐射信号强，且对雷达检测来说，只需要克服目标辐射的单程衰减，作用距离远，可大幅提升对隐身平台的作用距离，且隐身平台辐射信号越强，雷达作用距离越远。

若本机雷达辐射的峰值功率为：P，天线增益为：G，目标反射面积为：σ，雷达接收天线有效面积为：A，雷达系统损耗为：L，雷达最小可检测信号为：S，则雷达主动探测目标的最大作用距离为：

对于无源探测不需主动辐射信号，只需接收对方雷达信号即可，则无源探测的最大作用距离为：

从式（1）和（2）可以看出，雷达有源探测的作用距离取决于雷达自身辐射信号、目标雷达反射截面积和最小可检测信号等因素，而无源探测的作用距离主要与目标辐射信号有关系。

由式（1）和（2）可得：

若载机雷达与目标机雷达的辐射功率和增益一致，则式（3）可使用如下表达式表示：

由于雷达功率口径积很大，远大于其它因素对作用距离的影响，无源探测的最大作用距离远比主动探测的最大作用距离远。

单平台雷达无源探测只能对目标角度进行测量和跟踪，无法对目标距离进行定位，当多平台进行无源探测时，可利用多平台位置和获得的角度信息对目标进行三角定位测距，并可根据距离的变化规律推测出目标速度，从而完成对目标角度、距离和速度的测量，应用示意图如图3所示。以下以双机协同隐蔽探测为示例，通过三角定位方法解算目标距离。

图3：雷达无源探测应用场景示意图

双机协同探测态势下，双机位置已知，可通过载机上定位设备计算双机距离，构建空间平面三角形，通过解三角形的方法分别解算出目标相对双机的斜距。如图4所示：

图4：双机三角定位示意图

若双机间距为：L，双机测得的目标角度分别为：α 和β，则可计算出双机目标斜距分别为：

其中：γ=π-α-β，为双机与目标所形成的张角。通过双机间距和探测的目标角度，可以解算出目标相对探测平台的斜距。

3 仿真分析

3.1 单平台探测

从上述章节可知，雷达单平台无源探测可对目标角度进行测量和跟踪，且作用距离远。以下仿真分析，相同条件下，雷达有源探测和无源探测的作用距离对比。

假设探测平台雷达参数与目标雷达参数一致，雷达有源探测和无源探测作用距离仿真如图5所示。

图5：雷达有源探测和无源探测作用距离

从图5中可以看出，雷达有源探测时，作用距离与载机雷达辐射功率和目标RCS 反射面积相关，当载机雷达辐射功率越大，目标RCS 反射截面积越大时，雷达作用距离越远；雷达无源探测时，作用距离取决于目标辐射信号强弱，目标辐射信号越强，载机雷达作用距离越远。由于无源探测只需要克服信号的单程衰减，所以随目标辐射信号的增强，雷达作用距离上升更快，且在相同条件下，作用距离远大于雷达有源探测。

3.2 多平台协同探测

多平台协同探测可以利用三角解算对目标距离进行定位，从式（5）可以看出定位误差与目标角度、双机间距相关及测量精度相关。以下以双机探测平台为例分别从目标张角、双机间距和测角误差三个方面进行定位误差精度仿真分析。

通过双机测量的目标角度可以计算出目标张角，目标角度的测量误差直接导致计算的目标张角存在误差，目标张角也间接反映了目标距离与双机间距的比值关系。通过仿真分析，在测量误差一定的情况下，目标定位误差随张角的变化趋势如图6所示。

图6：三角定位距离误差与目标张角关系曲线

可以从图6中看出，90°张角时距离精度最佳，在其他角度时，定位精度变差，在张角接近于0°或180°时，定位精度急剧下降。图6可以说明，当测角所带来的误差不可避免时，在目标张角达到90°时，对定位误差的影响最小。

实际使用中，张角往往达不到最佳角度，且随着目标距离越远，测角误差所带来的测距误差越大，以下仿真分析测距误差随目标距离、双机间距和测角精度的变化情况。

若测角均方根误差σ=0.1°，分别仿真双机间距L=10km 20km 和30km 情况下，测距均方根误差随目标距离和双机间距的变化情况如图7所示。

图7：测距均方根误差随目标距离和双机间距变化图

若双机间距固定L=30km，测角均方根误差分别为：σ=[0.1°0.2°0.3°0.4°0.5°]情况下，测距均方根误差随目标距离和测角误差的变化情况如图8所示。

图8：测距均方根误差随目标距离和测角误差变化图

从图7和8 中可以看出，三角定位测距均方根误差随目标距离越远误差越大；测角误差越大测距误差越大，且在一定测角误差下，随目标距离越远，测角误差对测距误差的影响越大；双机间距越大，测距均方根误差越小。结合图6中仿真结论，当双机间距达到与目标张角90°时，测距均方根误差达到最小，继续增大双机间距，测距均方根误差会增大。

从以上仿真可以得出结论，三角定位测距均方根误差与双机间距、测角精度和目标距离有关。一定范围内双机间距越大，测角精度越高，测距误差越小。

4 结束语

本文对机载雷达无源探测技术进行了研究，提出了简便易行的实现方法，并对应用场景中的作用距离、距离定位方法和精度影响进行了仿真分析。仿真分析结果表明，无源探测技术能够大幅提升雷达作用距离，可用于隐身目标探测，多机协同可实现距离定位，定位精度与双机间距、测角精度和目标距离有关。无源探测技术作为雷达有源探测的补充，弥补了有源探测容易暴露自身和对隐身目标作用距离不足的弊病，达到了隐蔽探测效果，大大提升了雷达的作战性能。