飛艇載無(wú)源雷達(dá)的外輻射源選擇?

王志綱,董鵬曙,吳 瓊

(1.空軍預(yù)警學(xué)院研究生管理大隊(duì),湖北武漢430019;2.空軍預(yù)警學(xué)院二系,湖北武漢430019;3.75240部隊(duì),廣東潮州521041)

0 引言

常規(guī)戰(zhàn)略系統(tǒng)在應(yīng)對(duì)低空/超低空突防、隱身目標(biāo)、反輻射導(dǎo)彈以及以高超聲速臨近空間飛行器為代表的新型武器裝備時(shí)具有一定局限性[1]。作為一種新型臨近空間平臺(tái),平流層飛艇既可搭載常規(guī)有源探測(cè)裝備,也可搭載無(wú)源探測(cè)裝備。通過(guò)加裝偵察傳感器、全波段監(jiān)聽(tīng)器等對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)情況進(jìn)行及時(shí)監(jiān)測(cè)、偵聽(tīng),搜集地面、海洋或空中等目標(biāo)的信息以獲取情報(bào),可以與預(yù)警飛機(jī)和偵察衛(wèi)星構(gòu)成多維一體的偵察體系。平流層飛艇可在特定區(qū)域長(zhǎng)時(shí)間駐留,以確保對(duì)某特定區(qū)域的“凝視”偵察,且偵察覆蓋范圍較大,分辨率高。飛行高度為30 km的臨近空間平臺(tái)其對(duì)地覆蓋范圍可達(dá)3.7×105km2,遠(yuǎn)大于“全球鷹”(1.3×104km2)和預(yù)警機(jī)(4.6×103km2)的覆蓋范圍[2],且平流層飛艇具有快速反應(yīng)能力、快速攻擊能力、快速投遞能力和全面防護(hù)能力,可滿足快速預(yù)警偵察、非對(duì)稱打擊、遠(yuǎn)距離機(jī)動(dòng)等需要[3]。本文提出以平流層飛艇為依托載體,通過(guò)搭建外輻射源雷達(dá)系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)對(duì)臨近空間目標(biāo)的探測(cè)任務(wù),且具有較好的防超低空突防能力。

1 體制論證

基于外輻射源的無(wú)源雷達(dá)由于自身不輻射電磁波信號(hào),而是通過(guò)接收目標(biāo)反射的外輻射源信號(hào)并處理以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)定位,不易被偵察系統(tǒng)發(fā)現(xiàn),具有較強(qiáng)的戰(zhàn)場(chǎng)生存能力。同時(shí)該系統(tǒng)無(wú)需高功率發(fā)射機(jī),在一定程度上降低了系統(tǒng)成本和飛艇的負(fù)載。該雷達(dá)系統(tǒng)在技術(shù)體制上屬于雙基地雷達(dá)的一種,空域上具有一定的反隱身特性。外輻射源雷達(dá)可采用許多種商業(yè)無(wú)線電信號(hào),相對(duì)于傳統(tǒng)有源雷達(dá)無(wú)需發(fā)射機(jī)組件,具有一定的機(jī)動(dòng)性優(yōu)勢(shì)。現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中傳統(tǒng)有源雷達(dá)面臨“四大威脅”的嚴(yán)峻考驗(yàn),更激發(fā)了各國(guó)對(duì)外輻射源雷達(dá)的研究熱情。

1.1 探測(cè)原理

外輻射源雷達(dá)系統(tǒng)可利用不同商業(yè)無(wú)線電信號(hào)作為發(fā)射源來(lái)探測(cè)目標(biāo),因此只需要選取合適的信號(hào)輻射源同安裝于平流層飛艇上的接收機(jī)就可以構(gòu)成預(yù)警探測(cè)系統(tǒng)。由發(fā)射站、接收站和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)構(gòu)成的雙基地雷達(dá)在平面上的幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示[4]。

圖1 飛艇載外輻射源雷達(dá)的基本幾何結(jié)構(gòu)

圖中Tx和Rx分別表示該外輻射源雷達(dá)系統(tǒng)的外輻射源和接收站,L為基線長(zhǎng)度,v為探測(cè)目標(biāo)移動(dòng)速度,?為目標(biāo)速度方向與雙基地角β平分線的夾角,Rt和Rr分別為外輻射源和接收站到目標(biāo)的距離,θt和θr分別為雙基地平面上以外輻射源和接收站為本地坐標(biāo)原點(diǎn)的方位角,也稱為雙基地平面上的目標(biāo)視角。β=θr-θt為雙基地角,它是以目標(biāo)為頂點(diǎn),外輻射源、接收站與目標(biāo)連線之間的夾角。

圖1表示了該雷達(dá)系統(tǒng)的幾何配置,采用雙基地雷達(dá)中常用的距離和-角度定位法,已知基線距離L,距離和(Rt+Rr)以及雙基地平面內(nèi)的接收站目標(biāo)視角θr為測(cè)量參數(shù)。由余弦定理可得

令信號(hào)由外輻射源經(jīng)過(guò)目標(biāo)前向散射到接收站的距離和R=Rt+Rr,代入上式,可得

設(shè)輻射源參考信號(hào)和目標(biāo)反射信號(hào)到達(dá)接收站的時(shí)延為τ,可以求得距離和

式中,c為光速。

時(shí)延τ可通過(guò)廣義互相關(guān)法取得,將輸入信號(hào)分為兩個(gè)支路,直達(dá)波通道由同步天線對(duì)準(zhǔn)外輻射源取得,回波通道則由主天線對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)方向取得。在直達(dá)波通道中,接收機(jī)預(yù)先將信號(hào)解調(diào),并重新調(diào)制,以確保參考信號(hào)無(wú)噪聲干擾;回波信號(hào)通過(guò)直達(dá)波抑制和雜波抑制后,利用參考信號(hào)和回波信號(hào)進(jìn)行相關(guān)處理,求得相關(guān)峰值對(duì)應(yīng)的τ,即時(shí)延參數(shù)[5]。圖2是廣義相關(guān)法估計(jì)時(shí)延的原理圖。

圖2 廣義相關(guān)法估計(jì)時(shí)延的原理框圖

只要滿足外輻射源和接收站之間的視線條件,該方法可適用于任何雙基地雷達(dá)結(jié)構(gòu)。

1.2 可利用的外輻射源及其信號(hào)特點(diǎn)

外輻射源是否能被飛艇載外輻射源雷達(dá)利用,需要優(yōu)先考慮該外輻射源的波長(zhǎng),該信號(hào)的波段直接決定了系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)難度和性能特征[5]。

高頻(HF)以下的外輻射源由于天線尺寸較大,導(dǎo)致接收站的載荷過(guò)大,因此不利于運(yùn)用于平流層飛艇上。而毫米波以上波段的外輻射源,由于照射波束較為狹窄,波束掃描方式復(fù)雜,導(dǎo)致在雙基地體制下的空間同步難以實(shí)現(xiàn)。

從信號(hào)的波長(zhǎng)角度考慮,目前空域中可以利用的外輻射源有FM/AM廣播、模擬電視、微波移動(dòng)通信基站(GSM)、數(shù)字廣播(DAB)、GPS導(dǎo)航信號(hào)、地面數(shù)字電視(DVB-T)、衛(wèi)星直播電視(DVBS)信號(hào)等,以及多種民用和軍用的有源雷達(dá)信號(hào)。

考慮外輻射的可用性,除了其波長(zhǎng)因素外,還需要考慮其輻射功率及波形特征,信號(hào)的分布情況和覆蓋范圍。對(duì)于廣播、模擬電視、數(shù)字電視和移動(dòng)通信基站信號(hào),廣泛分布于全球范圍內(nèi),單個(gè)輻射源的覆蓋范圍可達(dá)數(shù)公里到數(shù)百公里,且在同一地區(qū)可接收到多個(gè)外輻射源信號(hào),有利于對(duì)其優(yōu)化選擇。而GPS、衛(wèi)星直播電視等信號(hào)源單個(gè)輻射源雖然覆蓋半徑可達(dá)數(shù)千公里,但信號(hào)源相對(duì)較少,且遠(yuǎn)離地面。

對(duì)外輻射源雷達(dá)系統(tǒng)而言,由于其收發(fā)分置的技術(shù)體制,其威力范圍以接收機(jī)為中心。雙基地雷達(dá)系統(tǒng)中,最大距離積為

式中,Pt為外輻射源發(fā)射功率;Gt為發(fā)射天線增益;Gr為接收天線增益;λ為外輻射源波長(zhǎng);σB(β)為目標(biāo)散射截面積;Ft,Fr為方向圖傳播因子;g為積累增益;k為玻耳茲曼常數(shù);T S為接收機(jī)噪聲溫度;Bn為接收機(jī)檢波器前的噪聲帶寬;Fn為噪聲系數(shù);(S/N)min為接收機(jī)輸入端最小信噪比;Lt和Lr分別為發(fā)射和接收系統(tǒng)的損耗。

2 探測(cè)性能

2.1 探測(cè)范圍

部分星載外輻射源,如GPS信號(hào),由于距接收機(jī)較遠(yuǎn),基線長(zhǎng)度較長(zhǎng),因此直達(dá)波信號(hào)到達(dá)接收機(jī)強(qiáng)度較弱,目標(biāo)回波信號(hào)更弱,因此必須計(jì)算采用不同信號(hào)作為外輻射源時(shí)所能達(dá)到的探測(cè)距離。由雙基地方程(4)可知,雙基地雷達(dá)最大可探測(cè)距離積與外輻射源功率、發(fā)射天線增益、接收天線增益和信號(hào)波長(zhǎng)成正比,與信號(hào)帶寬、接收機(jī)端信噪比成反比。

下面計(jì)算FM廣播的系統(tǒng)探測(cè)距離。設(shè)接收機(jī)端最小可檢測(cè)信噪比(S/N)min=3 dB,發(fā)射功率Pt=10 k W,發(fā)射天線增益Gt=6 d B,接收天線增益Gr=5 dB,FM信號(hào)工作頻率為97.5 M Hz,有效帶寬為20 k Hz,目標(biāo)散射截面積σB(β)=10 dBm2,相干積累增益為10 dB,計(jì)算得到的采用該外輻射源的雙基地雷達(dá)最大距離為275.4 km。同理,設(shè)定參數(shù)如下,可得其他外輻射源最大探測(cè)距離如表1所示。

為不失一般性,將取RCS=10 d Bm2,根據(jù)文獻(xiàn)[6-7],取相干積累增益為10～80 dB,得出不同外輻射源條件下該系統(tǒng)的最大可探測(cè)距離,如圖3所示;同時(shí)取相干積累增益為10 dB,目標(biāo)散射截面積RCS由0.1 m2增大至100 m2,求不同外輻射源條件下系統(tǒng)的最大可探測(cè)距離,如圖4所示。

圖3 RCS=10 dBm2時(shí)各外輻射源雷達(dá)的探測(cè)距離

圖4 相干積累增益為10 dB時(shí)各外輻射源雷達(dá)的探測(cè)距離

由圖3和圖4可知,在系統(tǒng)相干處理增益為10 dB時(shí),對(duì)于RCS=10 d Bm2的目標(biāo),FM廣播及模擬電視信號(hào)源最大可探測(cè)距離均大于100 km,可滿足預(yù)警探測(cè)的需求,而其他外輻射源則由于發(fā)射功率較小,或外輻射源距離目標(biāo)及接收站較遠(yuǎn),需要較大的相干積累增益,才能滿足預(yù)警探測(cè)的需求。

2.2 飛艇載外輻射源雷達(dá)的觀察面積

根據(jù)文獻(xiàn)[4],可將飛艇載外輻射源雷達(dá)的觀察面積定義為能量約束下的觀察面積和視線約束下的觀察面積。能量約束下的觀察面積定義為雷達(dá)方程約束的卡西尼卵形線圍成的面積,定義為A1。設(shè)式(4)右邊為,可知當(dāng)時(shí),卡西尼卵形線可近似為以外輻射源和接收站為焦點(diǎn)的橢圓曲線;而當(dāng)時(shí),卡西尼卵形線斷裂為圍繞外輻射源和接收站的兩條封閉曲線。以下將這兩種情況分別分析。

由式(6)、(7)可知,當(dāng)系統(tǒng)最大距離積k B一定時(shí),適當(dāng)增大基線長(zhǎng)度,可以在一定程度上增大系統(tǒng)在能量約束下的觀察面積。不同外輻射的外輻射源,系統(tǒng)的基線長(zhǎng)度不盡相同,選取適當(dāng)?shù)南喔煞e累增益,可以得到它們的信噪比等值線圖,如圖5所示。

圖5 不同外輻射源條件下雷達(dá)探測(cè)范圍

通過(guò)對(duì)比,可知飛艇載外輻射源雷達(dá)使用FM廣播、模擬電視作為信號(hào)源時(shí),由于輻射源本身功率較大,且可選源的數(shù)量較多,理論上系統(tǒng)探測(cè)距離可達(dá)300 km,基本滿足預(yù)警探測(cè)的需要;而其他信號(hào)源由于功率過(guò)小,或信號(hào)源距離較遠(yuǎn),需要系統(tǒng)具有較大的信號(hào)處理積累增益,或采用雷達(dá)組網(wǎng)的方式,才能獲得較大的探測(cè)距離。在不增加信號(hào)處理組件的情況下,適宜采用FM廣播、模擬電視等地面信號(hào)作為該雷達(dá)信號(hào)源。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文基于外輻射源雷達(dá)的基本原理,依據(jù)各外輻射源信號(hào)的特征,針對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的探測(cè)性能進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真,通過(guò)對(duì)比給出了使用不同外輻射源所能達(dá)到的探測(cè)距離和觀察面積,驗(yàn)證了飛艇載外輻射源雷達(dá)宜于采用地面信號(hào)作為信號(hào)源。平流層飛艇可執(zhí)行預(yù)警探測(cè)、信息通信、高空偵察等作戰(zhàn)任務(wù),將平流層飛艇作為外輻射源雷達(dá)的搭載平臺(tái),可有效減小該平臺(tái)的載荷負(fù)擔(dān),并融合了該平臺(tái)升空高度高、滯空時(shí)間長(zhǎng)、效費(fèi)比高的特點(diǎn)和外輻射源雷達(dá)在反隱身、反低空突防目標(biāo)等方面優(yōu)勢(shì),有效提高了預(yù)警探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)范圍。未來(lái)可將該體制雷達(dá)系統(tǒng)作為戰(zhàn)略預(yù)警體系的一個(gè)有機(jī)組成部分,彌補(bǔ)現(xiàn)役系統(tǒng)在“四抗”方面的不足。

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