功率管理對LPI雷達低截獲性的影響

肖 鵬，吳宏超，肖衛華，王美玲

(1. 空軍航空大學，長春 130022；2. 95926部隊，長春 130001)

功率管理對LPI雷達低截獲性的影響

肖 鵬1，吳宏超1，肖衛華1，王美玲2

(1. 空軍航空大學，長春 130022；2. 95926部隊，長春 130001)

從實現低截獲概率特性和防止非合作截獲接收機偵獲的角度出發，低截獲概率(LPI)雷達分別從時域、頻域、空域和能量域對雷達設計進行重新思考，擁有了與傳統脈沖體制雷達截然不同的設計特點。從功率管理的角度對LPI雷達的低截獲特性進行了深入的研究。結合典型場景構建，得出了LPI雷達的低截獲特性對場景和截獲接收機的靈敏度具有很強依賴性的事實。

低截獲概率雷達；低截獲性；截獲因子；低利用概率

0 引 言

現代及未來軍事行動需要雷達具有低截獲概率特性(Low Probability of Intercept， LPI)、低利用概率特性(Low Probability of Exploitation，LPE)、低檢測概率特性(Low Probability of Detection，LPD)和抗干擾的特性[1-2]。這些戰術需求不僅是雷達在復雜戰場態勢環境下發揮作戰效能的前提，還是提高自身生存防護能力、避免電子干擾和反輻射打擊的有力措施[3]。

1 采用功率管理的必要性

為了實現獨立控制距離和多普勒頻率分辨率，傳統脈沖體制雷達多采用相干脈沖串的形式發射信號，然而由于其信號峰值功率比較高，極易被非合作偵察截獲接收機偵收。平均功率決定著雷達對電磁目標的探測能力[4]。為了獲得較高的平均功率，脈沖體制雷達必須在一個脈沖周期內利用真空管和高電壓發射高峰值功率脈沖。這不僅違背了低截獲雷達發射機的設計需求，也為器件穩定性、可維護性和使用壽命埋下隱患。

當采用復雜調制連續波信號時，只需較低的發射功率就能獲得與脈沖體制雷達同樣的檢測效果。憑借模塊化設計和輕質固態器件的大量運用，連續波體制雷達的靈活性、穩定性和可維護性得到大幅提升[5]。具有低截獲特性的CW波形與脈沖體制波形功率對比圖如圖1所示。

圖1 CW雷達和脈沖雷達波形功率對比

由圖1可以看出：在實現相同檢測能力的情況下，脈沖體制雷達比CW體制低截獲雷達更易被現代偵察接收機截獲；針對同一目標實施檢測時，CW體制雷達只需發射很少的能量，而脈沖雷達則要付出更大的代價才能確定目標信息。

在考慮發射機輻射信號能量的同時，LPI雷達設計者已經為距離和速度分辨力找到了較好的解決方法。LPI雷達信號采用相移鍵控技術(PSK)、頻移鍵控技術(FSK)、噪聲技術和復合調制技術等，很好地解決了距離和速度分辨力及解模糊的問題[6]，即使LPI雷達信號被非合作方截獲也很難實時提取信號特征，達到了LPE的特性。

2 LPI雷達的截獲

2.1 截獲因子

為了實現對LPI雷達的截獲，下面從截獲因子的角度出發，對比分析其探測距離和截獲距離之間的關系。Schleker于1985年在其發表的文章中提出了截獲因子α的概念[7]：

(1)

式中，RI max為非合作偵察截獲接收機能夠偵收到LPI雷達的最大距離；RR max為LPI雷達探測目標的最大距離，其中對RI max和RR max的確定是在一定的發現概率Pd及虛警概率Pf約束條件下的極限距離。RI max和RR max的關系如圖2所示。

從截獲因子α的定義中可以看出，當α>1時，即偵察接收機的截獲距離大于雷達的探測距離，此時雷達完全暴露在偵察接收機偵收范圍內，雷達在分析其探測范圍內態勢信息時殊不知已被偵察機“靜悄悄”地截獲、識別和定位，很快便會遭到電子攻擊或反輻射打擊，雷達的生存受到嚴重威脅；當α<1時，雷達的探探測距離大于偵察接收機的截獲距離，此時雷達可以對包括截獲接收機在內的任何目標實施監視和分析[8]，獲取敵方防區范圍內武器裝備部署和態勢信息，為下一步采取必要的軍事行動提供可靠依據。

圖2 LPI雷達與目標及偵察截獲

2.2 探測距離

構造如下的雷達探測模型：假定LPI雷達以CW方式工作(dc=1)并將其視為一個全向天線，則距離天線R(m)處的輻射功率密度為

(2)

其中，PCW(W)為CW的平均功率，Gt為雷達的天線增益，L1為單程大氣衰減因子。

考慮到距離雷達RT(m)處目標的雷達散射截面(Radar Cross-Section，RCS)為σT(m2)，則其面向雷達的反射功率密度為

(3)

其中L2為雙程大氣衰減因子。雷達接收到的回波功率為

(4)

其中，Gr為接收天線增益，LRT為雷達發射機與接收天線之間的損耗，LRR為雷達接收天線與接收機之間的損耗，λ為波長。

通常接收機對最小可檢測信號的截獲能力用靈敏度δR=kT0FRBRi(SNRRi)來表示，其中k=1.38×10-23J/K為Boltzmann常數，T0=290 K為標準噪聲溫度，FR為接收機噪聲系數，BRi為雷達接收機輸入帶寬，SNRRi為最小輸入SNR。將式(4)中的PRT替換為δR，則可以推導出LPI雷達的最大探測距離RR max：

(5)

2.3 截獲距離

在探測距離構造的雷達探測模型中，在距離LPI雷達RI(m)遠處的非合作截獲接收機偵收到信號的功率為

(6)

同樣，截獲接收機對最小可偵獲信號的截獲能力用靈敏度δI=kT0FIBI(SNRIi)來表示，其中FI為截獲接收機的噪聲系數，BI為截獲接收機輸入帶寬，SNRIi為最小截獲SNR。將式(6)中的PIR替換為δI，則截獲接收機的最大偵獲距離為

(7)

2.4 截獲因子影響因素分析

經過對RI max和RR max的推導，由式(5)和式(7)可將截獲因子重新定義如下：

(8)

討論一種極限情況：令α=1，即RI max=RR max，此時LPI雷達在剛好不被偵察截獲接收機截獲的情況下達到了最大探測距離：

(9)

圖3 截獲因子與LPI雷達最大探測距離函數關系圖

從圖3可以看出：從主瓣偵收時LPI雷達可檢測88m以內的目標([88,0.9865])；從旁瓣偵收時可探測8767 m以內的目標([8767,0.9828])；當探測10 km范圍內的目標時，截獲因子至少需得到112 dB的改善后方可獲得與旁瓣偵收時相同的效果。所以，LPI雷達為了實現低截獲特性可采取靈活波束控制，減少波束駐留時間等措施。

3 典型空戰場景模擬

現在考慮一種場景設置：在帶有功率管理的導引頭中，發射機采用FMCW信號為發射波形，在距離現代戰機20 km處開啟導引頭并開始鎖定目標(如圖4所示)。

檢測到目標后，導引頭隨即關閉并移動到一個新的位置，使得任何隨之而來的截獲和定位變得不可能。其中，發射機的發射功率電平與被檢測目標的RCS和距離相一致，因此使得信噪比保持為一個常數[2]。場景模擬過程中借鑒了Phillip E. Pace教授[4]在討論功率管理過程中所用的FMCW發射機平均發射功率表達式(由式(5)同樣可以推導出)：

(10)

式中，kT0=4.0×10-21W/Hz,發射機的其余參數設置和說明如表1所示。

選取三代機典型RCS值為5 m2，結合式(10)繪制了圖5所示的導引頭照射目標時發射機平均發射功率與目標距離的關系曲線。

將點(2002e+004，533.7)代入下面的電磁信號的鏈路方程：

Pr=PtGtGr-32.454-20lg(f)-20lg(d)

(11)

其中，Pr為接收功率，Pt為發射功率，f為頻率(單位MHz)，d為傳輸距離(單位km)，Gt為發射機天線相對于偵察天線方向上的增益，Gr為偵察天線相對于發射機方向上的增益(告警器全向天線是平面螺旋天線，全向天線的Gt=Gr=0，加上一定的損耗，所以其典型天線增益為-7 dB左右)。

表1 場景設置中導引頭發射機參數設置

圖5 采用功率管理時導引頭平均發射功率與目標RCS和距離關系曲線

通過上述場景的模擬，得出了下列重要結論：

(1) 經過計算得出Pr=-61.4824 dBm，此值小于接收機靈敏度(-50 dBm左右)，因此采用功率管理的導引頭在20 km處鎖定三代機時，機載雷達全向告警器不能為飛行員提供威脅告警信息和必要的戰術規避引導，戰機將會被“靜悄悄擊落”；

(2) 導引頭使用FMCW波形和自適應功率管理后獲得了LPI特性，在提高了生存能力的同時提高了對目標的打擊效率；

(3) 當采用功率管理時，導引頭對更大RCS值的目標(圖5中RCS=10 m2)其輻射功率會更低，LPI特性會更明顯；

(4) 隨著距離的縮短，導引頭的發射功率越來越小，導彈的LPI特性逐漸凸顯，此時目標面臨的威脅陡增。

4 結束語

本文從功率管理的角度對LPI雷達的低截獲特性進行了深入的分析，結合典型場景的模擬，得出了傳統截獲接收機很難對其實施截獲的事實，凸顯了研究LPI雷達信號截獲、檢測和識別的緊迫性，同時為新型非合作偵察截獲接收機的研制提供了基本的理論支撐。

[1] 黃美秀，陳祝明，段銳，等.編碼跳頻信號的低截獲性能分析[J].現代雷達，2011，33(10):33-37.

[2] Ram M. Narayanan. Sensing and Communications Using Ultrawideband Random Noise Waveforms[R]. 2005 AFOSR Program Review for Sensing, Imaging and Object Recognition , Raleigh, NC, May 26, 2005.

[3] 張信學.艦載低截獲概率雷達技術[J].國防科技，2001(15)：13-14.

[4] Phillip E. Pace .Detecting and Classifying Low Probability of Intercept Radar[M]. 2nd ed.New York:ARTECH HOUSE ,2009.

[5] 馬壽春.AESA有源電子掃描陣雷達的發展[J].國防科技，2003(11)：34-35.

[6] 曹生，程曉佩.從JSF項目看有源電子掃描陣列(AESA)雷達的發展[J].科技信息，2010(33)：67-68.

[7] Schleher D C. Low probability of intercept radar[C]. IEEE international radar conference,1985.

[8] 顧從標，曹傳景，肖志明. 解讀俄第六代戰爭觀及思考[J]. 飛航導彈，2007(1)：25-27.

Effects of power management on low probability of intercept performance of LPI radar

XIAO Peng1, WU Hong-chao1, XIAO Wei-hua1,WANG Mei-ling2

(1.Aviation University of Air Force,Changchun 130022;2.Unit 95926 of the PLA,Changchun 130001)

To achieve the low probability of intercept (LPI) and prevent the radar from being intercepted by the non-cooperation intercept receivers, the LPI radar is redesigned from the time, frequency, space and energy domains, featuring completely different characteristics compared with the conventional pulse radar systems. Based on the power management, the LPI performance of the LPI radar is deeply studied. Combined with the typical scenario construction, it is concluded that the LPI has strong dependence on the scenario and the sensitivity of the intercept receivers.

LPI radar; LPI; interception factor; low probability of exploitation

2014-0717；

2014-09-30

肖鵬 (1989-)，男，碩士研究生 ，研究方向：信號處理；吳宏超(1982-)，男， 講師， 研究方向：信號處理；肖衛華(1977-)，男，講師，研究方向：信號處理；王美玲(1985-) ，女，95926部隊，分析師，研究方向：信號處理。

TN971.1

A

1009-0401(2014)04-0009-04