預警體系面臨新型目標的嚴峻挑戰

湯子躍，余方利，朱振波，周 暢

（空軍預警學院，湖北 武漢430019）

0 引言

2002年，美國首次提出“全球快速打擊”概念，即“一小時全球打擊”的戰略構想。如今，“獵鷹”HTV-2、X-37B、X-51A 以及“黑鷹之子”SR-72 等新型空天飛行器正逐步嶄露頭角。X-37B是第一架既能在地球軌道上飛行，又能進入大氣層的航空器；X-51A 則用于構建臨近空間的打擊武器平臺，即高超聲速巡航導彈，可在大氣層內實現6倍聲速飛行；而SR-72則主要用于快速、實時、高效偵察，同時兼顧攻擊、摧毀等能力，速度是原始“黑鳥”SR-71的2倍。正是基于這些新型空天武器的支撐力量，美國“全球快速打擊”裝備體系已初步形成，未來戰爭格局將進入嶄新階段。

“雙三”目標一直是常規雷達探測和地空導彈攻擊的極限，即對于高度超過3萬米、速度Ma 數超過3的目標，常規雷達和導彈是“看不見、夠不著”。冷戰時期的巔峰“神器”SR-71正是憑借著“雙三”絕技在他國領空偵察，獲取大量軍事情報，其服役期間從未有過被擊落的記錄。而新型空天飛行器的航行高度、速度都遠遠超過了“雙三”指標，因此現役雷達預警系統面臨更加嚴峻的挑戰。

隨著“閃擊全球”計劃的不斷深入，可供早期預警的時間大幅縮短，如何實現連續、準確探測目標成為亟待解決的問題。一方面，必須瞄準空天探測需求，對現役單型雷達進行技術升級改造，同時積極研制新型多功能雷達裝備，美、俄等發達國家在這方面處于領先地位，如美國“海上巨眼”SBX-1（海基X 波段雷達）能夠在4600km 外識別一個72～75mm 的目標；俄羅斯的“沃羅涅日-DM”雷達發射功率達到625kW，能提供6000km 處的導彈預警［1］。另一方面，應該面向體系作戰，充分發揮多雷達協同探測、雷達組網的工作效能，大幅提高雷達的探測距離。

本文從新型空天目標的特點出發，就傳統雷達面臨的困難，以及下一步雷達技術及裝備發展所需關注問題進行分析和討論。

1 傳統雷達技術

傳統雷達結構和信號處理技術發展主要基于常規飛機目標特征（散射特性、機動能力、電磁環境等）。表1給出了常規警戒引導雷達的指標參數，通過分析，可總結出傳統雷達技術考慮的三個側重點。

1.1 責任防區覆蓋

雷達威力范圍需覆蓋整個責任防區，重點區域／方向應實現多重覆蓋，以兼顧警戒、跟蹤和引導任務需求。同時，防區間應盡可能實現無縫覆蓋，減小探測盲區。

一般來說，警戒雷達探測距離在300～500km，探測高度在25km 以下，而跟蹤和引導雷達的威力范圍則更小些。對常規飛機來說，其基本能夠達到較高的檢測概率。

1.2 常規目標檢測

常規目標特性決定傳統雷達的探測性能，雷達威力一定時，信號處理技術和數據率是影響雷達檢測性能的兩個關鍵因素。以典型的信號處理技術：相參積累為例，一般假設在一個相參處理時間（CPI）內，目標的位移小于半個距離分辨單元，多普勒變化小于半個多普勒分辨單元，這是依據常規飛機的速度和加速度得到的經驗結果。

另一方面，數據率表示對空域完成一次搜索的時間，反映了單位時間內空域目標的信息量，對信號積累和目標識別發揮重要作用。常規機掃雷達天線轉速固定，數據率通常為6～10s，基本能夠對聲速以下（Ma數為1～2）的飛機目標實現高質量檢測。

1.3 干擾雜波抑制

雜波和干擾是雷達面臨的最典型的電磁環境。對于雜波環境，雷達中通常設置了反地雜波模式和反氣象雜波模式，綜合利用MTI／AMTI、MTD、PD 和雜波圖處理等方法對雜波進行抑制；而對于干擾環境，以抗副瓣干擾為主，如超低副瓣天線、旁瓣對消和旁瓣匿影等，主瓣抗干擾技術還遠未成熟。總體來說，反雜波技術發展超前于雷達抗干擾技術，這是常規空間探測環境特點所決定的。

表1 常規警戒雷達指標參數

2 新型目標特點

由于空氣動力學、機械加工和材料技術等飛速發展，新型高超聲速飛行器、彈道導彈、巡航導彈等陸續研制并投入軍事作戰中，因此空間目標呈現“三高”新特點。

2.1 超高空

普通民航機一般在海拔7～12km 的平流層飛行，最高飛行高度不會超過12.6km。戰斗機為執行空中警戒、搜索、摧毀地面目標等任務，通常需要載人、高機動飛行，飛行高度一般也不會超過25km。為實現多維探測、縱深打擊，美國、俄羅斯等國家將作戰空間拓展至臨近空間（20～100km），甚至太空（100km 以上）。但發展太空武器需要巨額資金支持，目前僅有美國在進行類似的激光和電磁武器試驗。發展臨近空間武器是研究的前沿熱點。

臨近空間基本上是各國預警探測系統的盲區，利用臨近空間武器實施打擊具有突發性，且難以設防，因此各軍事強國都積極發展臨近空間武器或平臺。三種臨近空間武器的發射方式如圖1所示。可以看出，這種新型飛行器飛行高度一般在30km 以上，預計能夠達到90km 或更高。高度跨度較大，且基本實現了超高空飛行，這是該類飛行器的典型特征。

圖1 臨近空間武器的發射方式

2.2 超聲速

為達到全球快速打擊的目標，超高聲速武器的研究一直在推進。美國國家航空航天倡議（NAI）就將高超聲速技術列入未來發展路線圖的三大方向之一（還包括太空進入技術和空間技術），該技術的主要組成要素如圖2所示。

目前，美國的“X-51”乘波者計劃已經基本試驗成功，通過B-52轟炸機空中投放，經過助推火箭達到高超聲速狀態后進入臨近空間（Ma 數為5）。而“FALCON”計劃雖然屢遭失敗，但美國空軍仍給予充分的耐心，因為該武器研制成功后，即使敵方的預警系統發現目標，憑借其最高Ma 數達到20的再入速度，普通的導彈也根本無法實施有效攔截。此外，超高聲速帶來的動能沖擊能輕易穿透敵方的地下掩體，軍事意義重大［2-3］。

圖2 高超聲速技術發展路線圖

2.3 高機動

為及時規避預警系統探測、近距空中格斗等目的，高機動性也是新型航空航天武器的重要特性之一。目前，新型戰斗機的高機動應用已比較成熟，例如幾種經典機動方式：Herbst機動（快速大攻角過失速180°轉彎）、普加喬夫眼鏡蛇機動、大攻角機頭轉向、“榔頭”機動和大攻角下滑倒轉機動［3］。由于飛行員的生理機能限制，載人飛機的最大過載一般不超過9g。

為獲得更大的空戰交換比，大幅提高空中戰機的近距格斗能力，瞬態機動能力已成為新型近距空戰飛機的關鍵技術。但在“先敵發現、先敵打擊、先敵摧毀”的觀念指導下，先進戰斗機的近距格斗能力已成為超視距作戰的補充形式。然而高機動能力仍是未來發展的方向，因為隨著高超聲速飛行器研制技術不斷成熟，高機動性也必將成為新型空天飛行器的重要指標［3］。

3 預警裝備對新型目標的探測能力

新型航空航天目標呈現“三高”的特點，是其不同于傳統飛行目標的最大差別。傳統雷達將面臨嚴峻的挑戰。本節主要針對雷達預警裝備對新型目標的探測能力進行分析。

3.1 高空目標

為了控制雷達能量的定向輻射，雷達波束形狀通常呈筆形、扇形、余割平方形等。波束形狀、大小選擇一般需綜合考慮天線尺寸、提高角分辨率、減小測角誤差和背景雜波起伏等因素。

搜索警戒雷達在俯仰向常采用余割平方波束，如圖3所示。其能有效地利用雷達發射功率Ps，對于雷達威力范圍內的恒定高度目標，回波信號功率能保持恒定。相對于扇形波束來說，這種波束能實現對責任空域更加完整的覆蓋，發現目標的概率更高。

通過對雷達波束形狀進行簡單分析，能夠得到雷達的測高范圍。以俯仰余割平方波束為例，一般要求當目標在最大高度Hmax上飛行時，其回波功率P（Hmax）應該大于接收機的靈敏度Pr，min，即：

圖3 二維搜索雷達威力圖

從圖3中的雷達威力圖來看，余割平方波束可以看作一個遠波瓣的扇形波束覆蓋從地平線到α 的角度，經過調制后主瓣增寬至β［4］。假設雷達的最遠作用距離為300km，扇形波束寬度α＝5°，考慮地球曲率的影響，有：

式中，Re為地球等效半徑，近似為8500km，此時Hmax＝26.24km。

對采用跟蹤體制的雷達來說，波束寬度α較窄，通常在1°～2°甚至更低，計算得到的最大探測高度更低，所以，30km 高空以上是普通雷達探測的盲區。

對于我國現在的市場狀況來說，市場主要是依據消費者的需求而存在的，屬于買方市場。但是我國在當下的環境中，大多數的企業不具備相應的市場開發能力。在這些企業之中，部分企業的產品不能夠做到與時俱進，產品種類少，并且企業相應的技術部門不具備產品創新意識和市場開拓能力。因此，在市場激烈的競爭之下，很多企業生存困難，并且完全喪失自己的核心競爭力，以至于相應的企業最終會被市場淘汰［3］。

3.2 高速動目標

一個CPI內，對于高速高機動目標，可近似認為目標的運動模型為勻速或者勻加速運動，而對于高速高機動目標，高速導致目標在原相參處理時間發生位移（跨距離單元）。具體以線性調頻信號（LFM）為例進行分析。

假設雷達發射的脈沖串信號為：

式中，τm表示第m個脈沖回波信號延遲。則經過脈沖壓縮后得到的信號為：

對于高速運動目標（考慮勻速模型），根據回波距離特征建立如下關系式：

由式（6）可以看出，信號峰值位于mT＋τm。假設某型雷達信號帶寬為5MHz，脈沖重復頻率fr＝400Hz，對于徑向速度Ma數大于3的目標來說，其走動情況如圖4所示。可以看出，高速目標容易產生距離走動（即觀測時間內目標位移超出距離分辨單元），可積累脈沖數減少，相參積累增益無法滿足要求。

圖4 高速目標距離走動情況

3.3 高機動目標

高機動帶來目標回波多普勒頻率彌散（回波信號能量在頻譜上分散），進而導致其檢測困難。對于高機動目標（考慮勻加速模型）可根據回波距離特征建立如下關系式：

由于mTr?τm／2，近似（mTr＋τm／2）2≈（mTr）2，可得：

重頻為1000Hz、運動目標初始多普勒頻率為800Hz條件下的仿真結果如圖5所示。隨著加速度的增大，目標回波的多普勒頻譜展寬嚴重（即回波多普勒頻率彌散），且回波幅度減小，嚴重影響了目標在雜波噪聲中的檢測性能。

4 對策與方法

針對現代空天目標呈現的“新”特點，預警裝備應著眼解決“看得到”和“跟得上”兩個關鍵問題，一種具體的對策如圖6所示。

首先，對于單部／型／體制雷達，應盡量增大發射功率，提高對高空、隱身等小目標的發現概率；同時，改進或發展適用于高速、高機動目標的檢測、跟蹤技術。第二，積極開展雷達組網的研究，以突破單部雷達威力限制、單型雷達硬件水平限制和單體制雷達處理手段限制，達到“1＋1＞2”的效果。

圖5 高機動目標多普勒走動情況

圖6 探測新型空天目標的發展思路

4.1 研制具有大空域覆蓋能力的新體制雷達

高超聲速武器的研制大幅提高了防區外武器的作戰半徑，任意區域部署、實現全球打擊將成為可能。由于空天武器發射區域與布防區域相距較遠，該類武器的早期預警實際上是對低仰角、遠距離小目標的探測問題，必須研制大威力、大空域覆蓋的新型雷達，在此前提下，綜合解決多徑效應、雜波干擾等問題。

國內外充分重視該方向的研究，以美國為例，第三代數字陣列反導雷達正在研發中，確定的S波段立體搜索雷達（AMDR-S）信噪比要求是“宙斯盾”雷達的32倍，探測威力是其2.37倍，被稱為“下一代的‘宙斯盾’雷達”。同時，美國還提出了分布式相參合成雷達和機會陣（DARBC）的新概念，作為下一代雷達的理論支撐［5］。

4.2 提升現役裝備高數據率搜索、高檢測性跟蹤的信號處理技術

新型空天武器常在防區外發射，破壞性僅次于核武器，對預警裝備的時間性要求較高。傳統機械掃描雷達數據率較低，基本不具備探測新型空天目標的能力。而相控陣雷達能靈活控制波束指向，能搜索同時也能跟蹤（TAS）。因此新型防空反導雷達基本采用相控陣體制。

圖7 反導模式搜索屏

以大型遠程相控陣雷達為例，在反導流程中，其主要擔任搜索任務，兼顧部分粗跟蹤任務。雷達反導模式下的搜索屏示意圖如圖7所示。針對1000km 內的中程彈道導彈，設置4°和20°兩道搜索屏，其中4°搜索屏用于探測和跟蹤上升段彈道導彈，20°搜索屏則負責監視彈道導彈中段信息。根據作戰任務不同，還能設置不同角度的單／多道搜索屏，每道搜索屏的數據率T搜應該不大于穿越該搜索屏的時間T穿，即T搜≤T穿。此外，還應綜合考慮掃描角度、脈沖重頻等因素，合理配置搜索數據率。若搜索數據率過高，目標跟蹤時間較短；若搜索數據率過低，又容易丟失機動目標。總之，雷達系統應根據任務需求、戰場態勢，靈活進行資源調度和管理，確保正常跟蹤的情況下對目標空域實現高數據率搜索［6］。

實現高檢測性跟蹤，一般做法是采用積累技術提高目標的信噪比。由前面分析可知，高速高機動目標容易引起距離走動和多普勒走動，常規的相參或非相參積累技術存在較大問題，需要進行修正。修正的方法類似于成像雷達中的包絡對齊方法，估計目標速度后進行多普勒補償，但該方法在低RCS條件下使用比較困難。而近年來提出的檢測前跟蹤（TBD）算法，采用一些跟蹤算法估計目標的空間位置，然后用序列檢測算法對估計的航跡進行檢測判決，可實現弱小目標沿其航跡積累的效果［7］，但該技術存在假航跡和計算量過大等缺點。

4.3 面向體系預警，多型裝備協同、組網探測

單個雷達即使威力范圍再大，也無法解決視距問題，同時由于數據率的限制，單型雷達很難對高機動目標實現高效檢測，需要將多型裝備組網，協同探測。

以反導作戰為例，為實現遠距離搜索、高精度跟蹤，常利用大型遠程相控陣雷達（如大P 雷達）設置多道搜索屏，發現目標后，進行粗跟蹤，并上報目標的方位、距離信息，指控中心引導多功能相控陣雷達（如大X 雷達）交接班后精確跟蹤，并引導攔截打擊武器［5-6］。反導任務交接班示意圖如圖8所示。該聯合探測模式已通過試驗驗證，在一定程度上解決了搜索數據率和跟蹤時間的矛盾，但是單型雷達的自身限制問題（視距、跟蹤資源飽和）仍存在。若采用組網探測，則有以下優勢：1）利用前沿部署可以實現P 首截獲點前移，增加預警時間；2）多雷達聯合探測能實現早交接班，增加截獲概率和時間裕度，避免反復交接班；3）利用數據融合，能夠提高跟蹤精度，確保制導雷達接收目標準確信息。

圖8 反導任務交接班示意圖

5 結束語

信息戰對預警系統的能力提出嚴峻挑戰，而預警系統建設迫切需要雷達發揮更加重要的作用。根據一體化聯合作戰的需求，獲得空天目標準確、實時的信息對未來戰爭的局勢起決定性作用，因此亟需大力建設和完善預警系統。本文從傳統雷達技術出發，針對新型航空航天目標“三高”的技術特征，結合現役雷達的作戰指標對其探測威脅進行了詳細分析，最后闡述了當今前沿雷達技術的熱點，對雷達裝備的改造和新研具有一定的指導意義。■

［1］Committee on an Assessment of Concepts and Systems for U.S.Making sense of ballistic missle defense：an assessment of concepts and systems for U.S boost-phase missle defense in comparison to other alternative［M］.Washington DC：The National Academies Press，2012.

［2］彭為.美國反導雷達裝備發展綜述［J］.現代雷達，2013，35（11）：22-25.

［3］牛文，王自勇.歐洲高超聲速技術發展路線研究［J］.戰術導彈技術，2013（6）：10-14.

［4］Skolnik MI.Introduction to radar systems［M］.3rd ed.McGraw Hill Company，2001.

［5］包云霞，張維剛，等.臨近空間武器對預警探測制導技術的挑戰［J］.現代防御技術，2012，40（1）：42-47.

［6］宇文靜波，唐立文.美國“快速全球打擊”計劃探討與啟示［J］.裝備指揮技術學院學報，2011，22（3）：58-60.

［7］吳順君，梅曉春.雷達信號處理和數據處理技術［M］.北京：電子工業出版社，2008：186.