機(jī)載有源相控陣?yán)走_(dá)給告警器帶來的威脅

李健偉，劉 璘，吳宏超，呂亞昆

(空軍航空大學(xué)，長春 130022)

機(jī)載有源相控陣?yán)走_(dá)給告警器帶來的威脅

李健偉，劉 璘，吳宏超，呂亞昆

(空軍航空大學(xué)，長春 130022)

介紹了機(jī)載有源相控陣?yán)走_(dá)的工作原理，對(duì)其功率管理技術(shù)和使告警接收機(jī)失配技術(shù)的工作特點(diǎn)進(jìn)行了深入的分析，并從雷達(dá)告警器的角度總結(jié)了其信號(hào)參數(shù)隨機(jī)化的特點(diǎn)，指明了目前雷達(dá)告警器無法有效告警此類信號(hào)的原因，最后給出了應(yīng)對(duì)策略，為下一步研制新型機(jī)載雷達(dá)告警器提供了借鑒。

機(jī)載有源相控陣?yán)走_(dá)；功率管理；接收機(jī)失配；告警器

0 引 言

通過測(cè)量和分析照射到載機(jī)上的雷達(dá)信號(hào)，機(jī)載雷達(dá)告警器(Radar Warning Receiver)向飛行員提示威脅輻射源的方位、類型和工作狀態(tài)，以確保飛行員可以全面把握戰(zhàn)場態(tài)勢(shì)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)敵方各種威脅，并采取相應(yīng)的保護(hù)措施[1]。機(jī)載雷達(dá)告警器在空戰(zhàn)時(shí)最為常見的作戰(zhàn)目標(biāo)是機(jī)載火控雷達(dá)，能否對(duì)其進(jìn)行有效的告警直接關(guān)系著未來空戰(zhàn)的勝負(fù)。隨著科技的發(fā)展，相控陣天線技術(shù)已成功地應(yīng)用于機(jī)載火控雷達(dá)。與傳統(tǒng)的機(jī)械式掃描雷達(dá)相比，機(jī)載有源相控陣火控雷達(dá)具有波束靈活可控、高輻射能量效率、高探測(cè)與跟蹤能力、高可靠性、低可截獲性等優(yōu)點(diǎn)[2]。目前，美國的四代機(jī)F-22和F-35配備的AN/APG-77 和AN/APG-81都是先進(jìn)的有源相控陣?yán)走_(dá)，大部分三代機(jī)也都由機(jī)械式掃描火控雷達(dá)升級(jí)為機(jī)載有源相控陣?yán)走_(dá)[3]。因此，有必要對(duì)機(jī)載有源相控陣?yán)走_(dá)工作特點(diǎn)及信號(hào)特點(diǎn)進(jìn)行分析，為機(jī)載雷達(dá)告警器成功告警此類信號(hào)提供思路。文獻(xiàn)[4]簡要介紹了機(jī)載有源相控陣?yán)走_(dá)的特征，并闡述了對(duì)截獲系統(tǒng)帶來的影響，但未從告警器的角度分析其工作特點(diǎn)和信號(hào)特點(diǎn)。因此，在分析機(jī)載有源相控陣?yán)走_(dá)工作原理的基礎(chǔ)上，本文深入研究了機(jī)載有源相控陣?yán)走_(dá)的工作特點(diǎn)及其信號(hào)特點(diǎn)，指出機(jī)載雷達(dá)告警器在告警此類信號(hào)時(shí)的不足，為下一步有效告警指明了方向。

1 機(jī)載有源相控陣?yán)走_(dá)工作原理

相控陣天線由多個(gè)天線單元組成，通過改變每一天線單元通道傳輸信號(hào)的相位與幅度，改變相控陣列天線口徑照射函數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)天線波束的快速掃描與形狀變化。

圖1所示為一個(gè)發(fā)射和接收共用的線性相控陣列天線。發(fā)射時(shí)，發(fā)射機(jī)輸出信號(hào)經(jīng)功率分配網(wǎng)絡(luò)分為N路信號(hào)，再經(jīng)移相器移相后送至每一個(gè)天線單元，向空中輻射，使天線波束指向預(yù)定方向；接收時(shí)，N個(gè)天線單元收到的回波信號(hào)分別通過移相器移相，經(jīng)功率相加網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)相加，然后送接收機(jī)。發(fā)射和接收信號(hào)的轉(zhuǎn)換依靠收發(fā)開關(guān)實(shí)現(xiàn)[5]。

圖2所示為一種典型的相控陣?yán)走_(dá)組成方框圖，圖中相控陣天線為無源相控陣天線，收、發(fā)共用天線。除相控陣天線及其功率相加與分配網(wǎng)絡(luò)外，波束控制分系統(tǒng)及主控計(jì)算機(jī)是相控陣?yán)走_(dá)所特有的。如果在每一個(gè)天線單元通道中接入有源部件，例如功率放大器、低噪聲放大器、混頻器與收/發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)等電路，或接入將發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、移相器和衰減器等集成在一起的發(fā)射/接收組件，則稱為有源相控陣天線。采用有源相控陣天線的雷達(dá)稱為有源相控陣?yán)走_(dá)[6]。

圖1 相控陣?yán)走_(dá)工作原理圖

圖2 典型的相控陣?yán)走_(dá)組成方框圖

2 機(jī)載有源相控陣?yán)走_(dá)特點(diǎn)分析

2.1 工作特點(diǎn)分析

2.1.1 功率管理

功率管理是指通過控制天線發(fā)射功率的能力，以限制功率使其恰好能滿足一定距離/雷達(dá)截面積條件下的探測(cè)需求[7]。功率管理技術(shù)主要包括以下幾種方式：

(1) 限制雷達(dá)開機(jī)時(shí)間

只要雷達(dá)開機(jī)，就有可能被告警接收機(jī)截獲，所以最有效的戰(zhàn)術(shù)是雷達(dá)根本不開機(jī)。實(shí)際上，機(jī)載有源相控陣?yán)走_(dá)大部分時(shí)間處于不開機(jī)或猝發(fā)開機(jī)狀態(tài)。不過要想工作在這種狀態(tài)是要有前提的：執(zhí)行的任務(wù)對(duì)雷達(dá)隱身的要求大于雷達(dá)探測(cè)的要求或者雷達(dá)可以通過其他方式獲得戰(zhàn)場的態(tài)勢(shì)。在滿足這個(gè)前提時(shí)雷達(dá)可以保持不開機(jī)或猝發(fā)開機(jī)的狀態(tài)。當(dāng)雷達(dá)不得不開機(jī)工作時(shí)，需要滿足以下條件：盡量利用外部信息，盡量增加兩次猝發(fā)工作的時(shí)間間隔，輻射功率要與武器需求相一致[7]。

(2) 采用超低副瓣天線

低副瓣天線是指副瓣電平低于-30 dB的天線，超低副瓣天線是指副瓣電平低于-40 dB的天線，目前最低的副瓣可以達(dá)到-60 dB。采用超低副瓣的天線會(huì)增加截獲接收機(jī)從副瓣截獲信號(hào)的難度。

(3) 無源探測(cè)裝備引導(dǎo)雷達(dá)探測(cè)

美國F-22的ALR-94已經(jīng)具備了這樣的能力：ALR-94在大約460 km，可以探測(cè)到敵方機(jī)載火控雷達(dá)的信號(hào)，可以實(shí)現(xiàn)高精度的單站快速無源定位，獲得距離信息，可用于引導(dǎo)雷達(dá)進(jìn)行功率管理。使用無源探測(cè)裝備引導(dǎo)雷達(dá)探測(cè)的工作方式，不僅減少了隱身飛機(jī)被敵方截獲系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的概率，同時(shí)其探測(cè)距離相對(duì)有源探測(cè)方式大大提高[7]。

2.1.2 使截獲接收機(jī)失配

(1) 發(fā)射寬帶信號(hào)

雷達(dá)探測(cè)距離與距離分辨率是一對(duì)矛盾體，雷達(dá)設(shè)計(jì)師可以通過脈沖壓縮技術(shù)在提高探測(cè)距離的同時(shí)提高距離分辨力，而不用提高峰值功率。由于截獲接收機(jī)必須保證具有足夠小的頻率分辨力，當(dāng)雷達(dá)信號(hào)瞬時(shí)帶寬超過截獲接收機(jī)的頻率分辨力時(shí)截獲接收機(jī)對(duì)雷達(dá)信號(hào)的失配變得嚴(yán)重。這將嚴(yán)重影響后續(xù)告警接收機(jī)對(duì)信號(hào)的截獲與檢測(cè)[8]。

對(duì)機(jī)載火控雷達(dá),寬帶脈沖信號(hào)有如表1所示幾種形式[9]。

表1 寬帶脈沖信號(hào)

(2) 波形參數(shù)隨機(jī)化

機(jī)載有源相控陣?yán)走_(dá)要對(duì)抗告警接收機(jī)的分選和識(shí)別過程，而這就要求在任何時(shí)候都需要最大的信號(hào)不確定性。目前，告警器主要是通過將接收信號(hào)的參數(shù)與威脅數(shù)據(jù)表里的參數(shù)進(jìn)行比較匹配來完成信號(hào)的分選與識(shí)別，而波形參數(shù)隨機(jī)化將會(huì)使這種匹配過程出錯(cuò)。如圖3所示，F(xiàn)-18E/F的機(jī)載有源相控陣?yán)走_(dá)的工作頻段很寬，當(dāng)告警器接收并測(cè)量該雷達(dá)信號(hào)后，與威脅數(shù)據(jù)表匹配時(shí)會(huì)有多個(gè)載機(jī)的雷達(dá)匹配成功，造成了嚴(yán)重的“虛警”現(xiàn)象。可以用于匹配的參數(shù)有載頻(RF)、脈沖到達(dá)方向(TOA)、脈沖間隔(PRI)等。對(duì)于載頻的隨機(jī)化體現(xiàn)在大瞬時(shí)帶寬，到達(dá)方向的隨機(jī)化體現(xiàn)在低旁瓣、多波束和每次輻射信號(hào)后變化，脈沖間隔的隨機(jī)化體現(xiàn)在使用多個(gè)PRI、PRI調(diào)制、低峰值功率[10]。

圖3 典型機(jī)載火控雷達(dá)工作頻段分布圖

2.2 信號(hào)特點(diǎn)分析

從告警器的角度看截獲到的機(jī)載有源相控陣?yán)走_(dá)信號(hào)，主要有以下特點(diǎn)：

(1) 工作頻段范圍大

如圖3所示，以F-18E/F的機(jī)載有源相控陣火控雷達(dá)AN/APG-79為例，其工作頻段在9.1～9.8GHz范圍內(nèi)，而在這段頻率范圍存在著大量的普通的機(jī)械式掃描火控雷達(dá)。

(2) 到達(dá)角變化幅度大

由于機(jī)載有源相控陣?yán)走_(dá)采用相控陣天線，其波束靈活可控，所以在告警接收機(jī)接收到的信號(hào)的到達(dá)角會(huì)是突變的而不是漸變的情況，使后續(xù)信號(hào)處理變得更加困難。

(3) 脈沖間隔變化規(guī)律復(fù)雜

機(jī)載火控雷達(dá)具有高、中、低三種重頻方式，傳統(tǒng)的機(jī)載火控雷達(dá)間隔變化規(guī)律簡單，主要是固定、脈組參差。而機(jī)載有源相控陣?yán)走_(dá)為了達(dá)到使接收機(jī)失配的目的會(huì)在間隔變化規(guī)律上大做文章，會(huì)采用間隔滑變、間隔抖動(dòng)、間隔調(diào)制等方式。復(fù)雜的間隔變化規(guī)律給告警器威脅數(shù)據(jù)的加載和匹配告警造成了嚴(yán)重的困難，會(huì)導(dǎo)致很嚴(yán)重的“虛警”現(xiàn)象。

(4) 脈沖幅度無鐘形包絡(luò)

如圖4所示，告警接收機(jī)在截獲機(jī)械式掃描雷達(dá)的信號(hào)時(shí)會(huì)形成鐘形的包絡(luò)，這個(gè)特點(diǎn)可以用于告警器的信號(hào)處理、威脅等級(jí)判定等。而對(duì)于機(jī)載有源相控陣?yán)走_(dá)其脈沖幅度沒有鐘形包絡(luò)，只是少量的等幅脈沖，很容易被當(dāng)成雜散脈沖忽略掉。

圖4 機(jī)械式掃描天線與相控陣天線形成幅度包絡(luò)示意圖

3 機(jī)載有源相控陣?yán)走_(dá)給雷達(dá)告警器帶來的挑戰(zhàn)

3.1 告警器信號(hào)感知能力的不足

3.1.1 截獲距離有限

電磁信號(hào)的鏈路方程為

PR=PT+GT-32-20log(f)-20log(d)+GR

(1)

其中，PR為接收功率；PT為發(fā)射功率；f為頻率，單位MHz；d為傳輸距離，單位km；GT為發(fā)射機(jī)天線增益；GR為接收機(jī)增益。

雷達(dá)的功率方程為

PR=PT+2G-103-20log(f)-

40log(d)+10log(σ)

(2)

其中σ是目標(biāo)截面積。

某典型偵察設(shè)備對(duì)低截獲雷達(dá)信號(hào)的偵察能力計(jì)算見表2所示。針對(duì)APG-77的截獲距離是以雷達(dá)主瓣來計(jì)算的，主瓣增益為32 dB，副瓣比主瓣增益要低40 dB，因此對(duì)副瓣的偵察距離只有主瓣的1/100。對(duì)于相控陣?yán)走_(dá)而言，對(duì)主瓣的截獲概率很低。APG-77具備功率管理模式時(shí)，按實(shí)際的發(fā)射功率為峰值的1/200進(jìn)行計(jì)算。三代的電子偵察系統(tǒng)對(duì)低截獲信號(hào)偵察距離的計(jì)算見表2。由表2可看出，當(dāng)APG-77使用功率管制、對(duì)敵方飛機(jī)(RCS視為5m2)探測(cè)距離為140 km時(shí)，敵三代飛機(jī)的偵察距離最多只有112 km，且超外差由于瞬時(shí)帶寬小，因此根本無法截獲APG-77雷達(dá)；當(dāng)APG-77探測(cè)距離為80 km時(shí)，敵飛機(jī)偵察距離僅為35 km，無法截獲APG-77；當(dāng)APG-77探測(cè)距離為30 km時(shí)，敵方告警器探測(cè)距離僅為5 km。

表2 告警器雷達(dá)對(duì)有源相控陣?yán)走_(dá)信號(hào)偵察距離計(jì)算

3.1.2 信號(hào)檢測(cè)能力弱

機(jī)載有源相控陣?yán)走_(dá)采用給定狀態(tài)下能獲得的最低峰值功率和最高平均功率的波形，如圖5所示。對(duì)于所有的雷達(dá)都會(huì)使用相干傳輸和處理來提高處理增益。如果告警接收機(jī)只使用非相干積累，機(jī)載有源相控陣?yán)走_(dá)的輻射強(qiáng)度只要遠(yuǎn)低于告警接收機(jī)分辨單元中所有的其他輻射源即可。這些因素將迫使告警器設(shè)計(jì)者依據(jù)單個(gè)脈沖峰值功率檢測(cè)法進(jìn)行初始檢測(cè)，而這種方法的檢測(cè)概率非常低，虛警率非常高，而告警器實(shí)時(shí)的告警也限制了其他復(fù)雜檢測(cè)方法的使用[10]。在密集信號(hào)環(huán)境中只增加靈敏度而不提高選擇性會(huì)導(dǎo)致虛警和不能識(shí)別。

圖5 單個(gè)脈沖峰值功率檢測(cè)

3.2 告警器信號(hào)處理能力的不足

由于機(jī)載有源相控陣?yán)走_(dá)波形參數(shù)變化復(fù)雜，使作戰(zhàn)之前難以加載其威脅參數(shù)，因?yàn)閰?shù)變化范圍大、變化規(guī)律復(fù)雜多變，難以簡單地表達(dá)。即使以大區(qū)間的形式加載了輻射源的威脅參數(shù)，在進(jìn)行威脅參數(shù)匹配時(shí)也會(huì)出現(xiàn)大量的“虛警”現(xiàn)象的發(fā)生。

4 應(yīng)對(duì)策略

面對(duì)機(jī)載有源相控陣?yán)走_(dá)給雷達(dá)告警器帶來的挑戰(zhàn)，主要的應(yīng)對(duì)策略有:

(1) 提高接收機(jī)靈敏度，擴(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍；通過采用數(shù)字化告警接收機(jī)，能對(duì)同時(shí)到達(dá)的多個(gè)復(fù)雜波形信號(hào) (以AESA雷達(dá)為代表)進(jìn)行正確告警，保持足夠高的截獲概率和足夠低的虛警率。

(2) 探索實(shí)用的測(cè)頻和側(cè)向方法，提高精度，實(shí)現(xiàn)單站快速無源定位。

(3) 探索新的信號(hào)處理方法，將智能信息處理用于信號(hào)分選、識(shí)別，達(dá)到在復(fù)雜信號(hào)環(huán)境下進(jìn)行快速的分選、識(shí)別的目的[11]。

[1] 韓國璽.機(jī)載雷達(dá)告警接收機(jī)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].航空科學(xué)技術(shù)，2006(6)：3-6.

[2] 賁德.機(jī)載有源相控陣火控雷達(dá)的新進(jìn)展及發(fā)展趨勢(shì)[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2008，30(1)：1-4.

[3] 朱家昌，趙玉潔，賁德.機(jī)載有源相控陣火控雷達(dá)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J].電訊技術(shù)，2007，47(4)：6-10.

[4] 張成偉，李登，孫時(shí)珍.機(jī)載有源相控陣?yán)走_(dá)特征分析[J].電子信息對(duì)抗技術(shù)，2010(7)：25(4) ：10-11.

[5] 郭艷昌，錢繼曾，黃富雄，等.相控陣和頻率掃描天線原理[M].北京：國防工業(yè)出版社，1978.

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Threats to radar warning receiver that airborne active phased array radars bring

LI Jian-wei, LIU Lin, WU Hong-chao, LU Ya-kun

(Aviation University of Air Force, Changchun 130022)

The working principles of the airborne active phased array radar are introduced, with an in-depth analysis on its power management techniques and the technology of making the radar warning receiver (RWR) mismatch. Besides, the randomization features of the signal parameters are summarized from the RWR perspective. The reasons for which current RWRs cannot effectively warn such signals are indicated. Finally, the corresponding strategies are given to provide a reference for the development of new airborne RWRs.

airborne active phased array radar; power management; receiver mismatch; RWR

2014-02-20

李健偉(1989-)，男，碩士研究生，研究方向：航空裝備建設(shè)與發(fā)展；劉璘(1962-)，男，副教授，研究生導(dǎo)師，研究方向：雷達(dá)對(duì)抗)；吳宏超(1982-)，男，講師，研究方向：航空電子對(duì)抗情報(bào)；呂亞昆(1989-)，男，碩士研究生，研究方向：航空電子對(duì)抗情報(bào)。

TN 958.92

A

1009-0401(2014)02-0014-04