低頻超寬帶雷達對隱身目標的探測性能分析

康 麗, 張元軍, 童廣德

(1.三〇二設計研究所,貴州 貴陽 550009;2.電磁散射重點實驗室,上海 200438)

低頻超寬帶雷達對隱身目標的探測性能分析

康 麗1, 張元軍1, 童廣德2

(1.三〇二設計研究所,貴州 貴陽 550009;2.電磁散射重點實驗室,上海 200438)

基于低頻超寬帶雷達信號,通過對時域分離回波信號的疊加處理等效增大隱身飛機的RCS,通過信號相參積累改善信噪比,實現對隱身目標的遠距離探測和穩定跟蹤。對比分析了低頻超寬帶雷達和常規低頻雷達對隱身飛機的探測性能,低頻超寬帶雷達照射下,通過散射中心疊加后目標全程處于探測范圍,通過信號相參處理后對飛機的檢測概率高達0.9,對目標的探測能力遠遠大于常規雷達,有利于防空武器對隱身目標的及早發現和攔截。

低頻；超寬帶雷達；隱身目標；雷達散射截面積

0 引言

隱身目標由于雷達散射截面(RCS)小,常規雷達對其探測距離大打折扣,從而縮小了傳統防空系統的有效殺傷區,因此提升對隱身飛機的探測能力是非常緊迫的。目前,對隱身目標的探測方法主要有米波雷達探測、低頻超寬帶雷達探測等。

低頻超寬帶雷達,發射脈沖窄,同時具備低頻、寬帶特征,接收處理的是寬譜回波信號,通過對時域分離回波信號的疊加處理可實現對目標多散射點回波信號的疊加,從而等效增大隱身飛機的RCS,提高雷達探測距離;通過信號相參積累改善信噪比,可提高雷達檢測概率,實現對隱身目標的穩定跟蹤。同時,P波段低頻超寬帶雷達的尺寸較米波雷達小,機動性好［1］,且具有低空探測性能好、距離分辯率高等特點,在抗偵察、抗干擾和抗反輻射攻擊等方面也具有明顯優勢。

1 低頻超寬帶雷達對隱身目標的建模

1.1 隱身目標的探測機理

隱身技術的重點是外形隱身和材料隱身。

材料隱身通過飛行器表面涂覆的吸波材料減小雷達散射截面,采用吸波材料的隱身目標一般只對很窄的一個頻段適用。常規窄帶雷達發射的雷達波頻帶窄,特定的吸波材料可大大減弱雷達回波,因此無法有效探測隱身目標。

低頻超寬帶雷達發射的單周期信號包含了豐富的頻率,吸波材料只能吸收總能量的極小部分,此時隱身目標的窄帶吸波涂層就失去了作用;另外,吸波材料大部分為鐵氧體的電波吸收體,其吸收機理是磁壁共振和磁疇旋轉共振引起的電磁損耗,假設共振需要時間為T,當低頻超寬帶雷達的脈沖τ作用于吸收體,由于τ?T,在這個時間間隔內無法建立共振,吸波材料難以吸收照射波的能量,使其無法實現材料隱身。可見,低頻超寬帶雷達具有優越的抗隱身材料能力［2］。

外形隱身是通過翼身融合等方式來減小目標RCS,不同形狀、尺寸和材料的目標,其諧振頻率差別較大。若目標諧振頻率在雷達工作頻譜范圍內,設備具有較好的探測概率和作用距離,若目標諧振頻率不在其頻譜范圍內,雷達性能則快速惡化。

當用常規窄帶雷達照射目標,入射波頻譜資源相對較少,目標的RCS由于相位的變化呈現劇烈震蕩。相對于傳統窄帶信號,低頻超寬帶信號,因信號覆蓋了目標的諧振區,有利于隱身目標的發現,且目標在時域上表現為可分離的多散射中心,回波互不干涉,能量隨目標姿態小范圍變化表現更為穩定。

1.2 隱身飛機散射特性分析

對于窄帶信號,距離分辨率d值很大,可以認為回波信號包絡近似不變,可按點目標處理。低頻超寬帶高分辨雷達的目標照射波不是單色波且頻譜很寬,當寬帶信號作用到目標上,由于目標尺寸較大,目標反射回波由多個脈沖串構成。因此,當寬帶信號沿目標機身方向入射,能夠分離目標結構突變處的不同散射點,如頭向雷達陣面、進氣道、機體機翼結合處、機翼端部、垂尾等位置,即形成目標在時間上分布的一維距離像［3］。

假設飛機模型最大尺寸約20 m,采用信號帶寬300 MHz的低頻超寬帶雷達照射,則回波時域波形如圖1所示。

圖1 低頻超寬帶雷達對飛機的時域成像

窄帶信號入射飛機的RCS如圖2所示。

由圖1和圖2可見,在反外形隱身上,低頻超寬帶信號入射飛機存在多點散射效應,能區分飛機的機頭、座艙、機翼、尾翼等部位。窄帶信號表現為不可分離的單峰回波,且不同頻率信號的回波幅度有劇烈的變化。

1.3 低頻超寬帶雷達的多點疊加性能

圖2 窄帶信號入射時飛機的RCS

根據目標散射中心理論,如圖1所示,可以將目標散射等效為多個孤立的散射中心表征［4］。

對于低分辨的窄帶雷達而言,由于其距離分辨單元遠大于目標長度,因而它不能分辨飛機上的各散射中心。由于是多個散射中心的隨機疊加,因而窄帶信號條件下目標的RCS將隨入射波的照射角度以及頻率的變化呈現較大的變化,不可避免會出現強烈的角閃爍。

對于低頻超寬帶雷達而言,其信號脈沖寬度窄,帶寬較寬。在它的照射下,隱身飛機之類的電大尺寸目標的電磁散射特性將發生較大變化,低頻超寬帶信號將依次與目標各部分進行卷積,然后將每個散射點進行疊加。它的散射可表示為

式中:n為目標散射點個數,i為目標的第i個散射點;σi為第i個散射點的RCS值;σUB為超寬帶信號下目標RCS值。由式(2)可知,寬帶信號照射下的目標雷達散射截面始終大于窄帶信號照射下的目標雷達散射截面,寬帶信號相對同頻段的窄帶信號可有效提高目標雷達散射截面。

1.4 針對目標模型的寬帶和窄帶檢測性能分析

目標模型反映了目標的起伏特性以及等效截面積統計特性。與非起伏信號相比較,起伏情況下的檢測概率需要更大的信噪比。當目標包括多個獨立的散射單元,而且沒有哪一個或少數幾個是主要的時候,目標截面積統計分布為瑞利分布,采用Swerling 1模型。

飛機通過對進氣道、座艙、機翼和尾翼的邊緣等強散射源進行衰減或抑制實現隱身,散射特性用Swerling 1模型描述比較合適。此時,目標散射截面的概率密度函數為

（1）寬帶檢測性能

按照Swerling1模型,假設目標的每個距離單元中都有大量反射強度相近的N個散射點。根據中心極限定理,每個距離單元回波的同相分量和正交分量都服從零均值高斯分布,每個距離單元回波的幅度都服從瑞利分布。如果寬帶雷達可以分辨目標上的這N個散射中心,那么在經過匹配濾波后,這N個散射中心的回波將在N個不同的距離單元中。匹配濾波的回波可寫為

檢測特性的另外一個關鍵因素就是信號處理方式,對于寬帶檢測,考慮對目標沖激響應匹配接收,這也相當于對目標各個散射中心的回波做相參積累。

假設噪聲方差σ2已知,對于平方包絡檢測器,虛警概率為

式中:Vt為門限電壓。

若平方包絡檢測器服從中心參數為2 Na/δ2,自由度為2的非中心分布,概率密度函數為fT(t),則檢測概率為

（2）窄帶檢測性能

對于平方包絡檢測器,窄帶和寬帶的虛警概率相同,如式(4)所示。

對于窄帶雷達,N個散射中心的回波將疊加在同一個距離單元內無法分辨,回波存在起伏,此時匹配濾波器的輸出為

設目標回波的平方包絡服從均值為零,方差為Na/2的高斯分布,且互相獨立,則檢測概率為

2 低頻超寬帶雷達與常規雷達探測下對F-22的RCS仿真

分別采用低頻超寬帶雷達和低頻常規雷達照射F-22飛機,假設常規雷達入射波頻率是低頻超寬帶雷達的中心頻率,采用高頻方法計算目標的雷達散射截面。仿真中,F-22飛機模型為全金屬狀態,且不考慮三維模型的不確定性以及算法本身的精度缺陷。基于相同基準,即在相同的仿真算法和目標幾何模型下,僅考慮照射信號不同,對雷達散射截面進行對比分析。

當入射波沿著F-22飛機頭部正向入射時,寬帶信號與點頻信號對F-22飛機的RCS對比結果,如圖3所示。從圖中可以看出,在頭部±30°范圍內,經多點疊加后的低頻超寬帶雷達比常規雷達平均獲益10 dB～15 dB;在機翼兩側和尾部約平均獲益5 dB,其余方位平均獲益10 d B。

圖3 低頻超寬帶信號與常規信號探測下對F-22的RCS仿真對比

3 低頻超寬帶雷達與常規雷達對F-22的探測性能分析

假設一架F-22隱身飛機進入某個空域,對比低頻超寬帶雷達和常規雷達對其探測性能。

3.1 目標空襲想定及其RCS

以雷達為坐標原點,F-22隱身飛機以一定航路角進入,距離雷達30 km時投制導炸彈,然后調頭逃離。仿真分析時,F-22隱身飛機飛行路線如圖4所示。

圖4 F-22運動示意圖

圖4的說明:目標進入雷達作用范圍時(進入點A)的飛行高度H1=12 km;目標退出雷達作用范圍時(退出點B)的飛行高度H2=12 km;目標進入點到雷達的斜距R1=200 km;目標轉彎點到雷達的斜距R2=30 km;目標轉彎半徑R3= 10 km;目標直線段的飛行速度v1=600 m/s;目標轉彎段的飛行速度v2=200 m/s;目標航路捷徑P=20 km。

F-22從進入、轉彎到退出過程中,低頻超寬帶雷達和常規雷達探測的RCS變化對比如圖5所示。

由于低頻超寬帶雷達采取多散射點疊加處理,因此目標RCS波動相對較小,且增值明顯。

3.2 目標RCS變化對雷達作用距離及檢測概率的影響

假設兩部雷達對2 m2目標的發現距離均為150 km,對目標的穩跟門限為20 dB,則F-22從進入、轉彎到退出這段時間內,兩部雷達由于探測到的目標RCS不同導致作用距離也不同,探測距離對比如圖6所示。

圖5 低頻超寬帶雷達和常規雷達探測RCS隨時間變化的對比

圖6 低頻超寬帶雷達和常規雷達對F-22作用距離對比

圖6中,R0表示F-22與雷達真實距離;Rk為低頻超寬帶雷達對F-22的作用距離;Rd為常規雷達對F-22的作用距離。小于R0時,表示雷達看不到目標。

在目標運動過程中,低頻超寬帶雷達由于多點散射疊加,目標RCS獲益10 dB,信噪比明顯高于常規雷達,如圖7所示。

圖7 運動狀態下低頻超寬帶雷達和常規雷達的信噪比

假設兩部雷達的虛警概率均為10―6,在目標運動過程中,由于低頻超寬帶雷達的信噪比明顯高于常規雷達,故低頻超寬帶雷達的檢測概率明顯高于常規雷達,對比關系如圖8所示。

圖8 運動狀態下低頻超寬帶雷達和常規雷達的檢測概率

設定虛警概率為10―6,若低頻超寬帶雷達和常規雷達分別對回波信號進行相參處理,從圖9可見低頻超寬帶雷達相參處理后檢測概率高達0.9。

圖9 運動狀態下相參積累后低頻超寬帶雷達和常規雷達的檢測概率

按圖4所示的攻防態勢,目標全程處于低頻超寬帶雷達探測范圍。由圖6可見,在F-22從進入到129 km這段時間以及目標逃離距離大于146 km后,目標不在常規雷達探測范圍內。

虛警概率均為10―6時,常規雷達的檢測概率明顯低于低頻超寬帶雷達,低頻超寬帶雷達通過相參積累對飛機的檢測概率Pd=0.9,對目標跟蹤能形成連續航跡。

4 結束語

本文分析了低頻超寬帶雷達對隱身目標的探測機理、低頻超寬帶雷達對隱身飛機探測性能的影響。在低頻超寬帶雷達照射下,目標可以近似為一組離散的散射點,通過將每個散射點進行匹配疊加,可以等效提高目標RCS。在本文仿真中,通過散射中心疊加后目標全程處于低頻超寬帶雷達探測范圍,通過信號相參處理后低頻超寬帶雷達通過相參積累對飛機的檢測概率高達0.9,對目標能形成連續航跡,其作用距離和檢測概率明顯高于常規雷達,有利于防空武器對隱身目標的及早發現和跟蹤攔截。

［1］曹長虹.米波高機動雷達的結構設計［R］.南京:南京電子技術研究所,2008.

［2］劉勁.寬帶雷達探測性能分析［J］.雷達科學與技術,2008,(2).

［3］吳順君,等.雷達信號處理和數據處理技術［M］.北京:電子工業出版社,2004.

［4］黃培康.雷達目標特性［M］.北京:電子工業出版社,2010.

Analysis of Low Frequency Ultra Wideband Radar on the Detection Performance of the Stealth Target

KANG Li1, ZHANG Yuan-jun1, TONG Guang-de2
(1.The 302 Design and Research Institute,Guiyang Guizhou 550009; 2.Science and Technology on Electromagnetic Scattering Laboratory, Shanghai 200438,China)

Based on the low frequency ultra wideband radar signal,this paper equivalently increased the RCS of stealth aircraft through the temporal separation of fall of echo signal processing,and improved the signal-to-noise ratio through signal coherent accumulation, achieved the goal of stealth target detection and track over a long distance.The comparision analysis of the ability for detecting stealth aircraft with low frequency ultra wideband radar and the conventional low frequency radar is analyzed,when the low frequency ultra wideband radar is working,with superposition of scattering centers,the target is in the detection range all the way.After the coherent signal preocessing on the plane,the detection probability is up to 0.9,the target detection ability is stronger than the conventional radar,also it is advantageous to detect and intercept stealth target for the air defense weapon early.

low frequency;ultra wideband radar;stealth target;radar scattering cross section

TN011

A

1671-0576(2014)04-0019-05

2014-08-30

康 麗(1984―),女,工程師,主要從事武器系統總體設計;張元軍(1978―),男,高工,主要從事引信總體設計與測試。