預警機雷達探測性能評估與仿真分析

2019-04-27 02:29:14張杲旻姜志敏李永偉

艦船電子對抗 2019年6期

張杲旻，姜志敏，李永偉

(空軍預警學院，湖北武漢 430019)

0 引言

預警機是一種大型、全天候、多傳感器空中預警與指揮控制飛機，比地面雷達具有更強的低空、超低空探測能力、戰場指揮能力和機動能力[1]。但是，目前對于預警機的探測性能的評估卻是一個具有挑戰性的問題，這是由于：(1)預警機雷達采用下視工作方式，面臨著比地面雷達更為嚴重的地物雜波，這勢必會對預警機雷達靜態探測效能產生嚴重影響；(2)預警機在執行巡邏警戒任務時飛行航線選擇的多樣性與不確定性，導致其動態威力覆蓋范圍的不確定性。因此，本文針對上述2個因素，首先研究了地雜波對預警機雷達靜態探測威力的影響，實現了雜波環境下的雷達靜態探測威力評估，并提出了有效減弱雜波影響的合理化建議；而后在此基礎上系統分析評估了不同巡邏航線的預警機動態探測能力，并得出了一系列有益結論，可為預警機的作戰規劃提供重要參考。

1 雜波環境下的預警機雷達探測威力評估

1.1 雜波特性

圖1是機載預警雷達的探測示意圖，假設載機水平勻速飛行，速度為VR，其中雷達主波束指向的方位角為θ，俯仰角為φ，空間錐角為ψ。

圖1 預警機雷達探測示意圖

由圖1可知由于雷達波束下視，機載預警雷達的回波勢必會包含各種地物雜波。機載預警雷達雜波通常分為主瓣雜波、旁瓣雜波和高度線雜波[2]，各類雜波頻譜的分布示意圖如圖2所示。

圖2 預警機雷達雜波頻譜分布示意圖

主瓣雜波即地物回波從天線主波束進入所產生的雜波。預警機雷達的主雜波頻譜與天線主波束的寬度、指向角、載機速度、發射信號波長及地物的變化等因素有關。其中心頻率可表示為:

(1)

地物回波從天線旁瓣進入則形成了旁瓣雜波。由于波束錐角范圍為[-180°,180°]，可知其頻譜范圍為[-2VR/λ,2VR/λ]。

由于載機正下方地物距離雷達最近，垂直反射強，所以在任何時候，在零多普勒頻率處總有一個較強的旁瓣雜波，稱之為高度線雜波。值得注意的是，高度線雜波也具有一定的頻譜寬度。

需要說明的是，圖2中的清潔區是指雜波多普勒頻率未能達到的頻率范圍，若某一目標位于清潔區，則通過后期雷達信號處理后可認為目標信號幾乎不受雜波影響。

1.2 雜波對機載預警雷達探測距離的影響

(1)清潔區機載預警雷達探測距離

雷達的自由空間探測距離受噪聲限制,機載預警雷達探測距離方程為[2]：

(2)

式中：(S/N)為信噪比；Pt為發射峰值功率；G為發射天線的定向增益；A為接收天線有效孔徑面積；σ為目標的雷達截面積；R0為自由空間下雷達最遠探測距離；Ts為系統溫度；Bn為接收機帶寬；Ls為系統損耗因子。

(2)雜波區機載預警雷達探測距離

而在雜波背景中檢測目標時,機載預警雷達探測距離方程為：

(3)

式中：(S/(C+N))為預警雷達的信雜噪比；RC為雜波背景下雷達的最遠探測距離。

從式(3)可得，與自由空間相比，在雜波背景中探測目標時探測距離必然要下降，聯合式(2)與式(3)，則可得到雜波背景下雷達探測距離RC和自由空間雷達探測距離R0折算公式為：

(4)

該式表明雜波環境中的雷達探測距離只與雜噪比有關，若已知自由空間的雷達探測距離以及經過處理后的剩余雜噪比大小，便可直接推算得到雜波環境中的雷達探測距離。表1則為幾組雜波剩余典型值對應的Rc/R0的值。

表1 雜波剩余典型值對應的Rc/R0的值

1.3 單機預警雷達探測威力評估

由1.1～1.2節的分析可知，雜波的存在會顯著削弱機載預警雷達的最大可探測距離，且預警機對某個目標的探測距離不僅僅與雜波強度有關，還與目標的多普勒頻率等因素息息相關。因此，為了更準確地評估預警機在雜波環境中的探測威力，本文假設某一目標以300 m/s的速度朝著同一方向徑直飛行，載機速度為190 m/s，預警機雷達在自由空間的最大探測距離為410 km。則目標處于預警機不同方位時的示意圖如圖3所示，而目標處于不同方位時對應的目標頻率與雜波頻率在頻譜中的相對位置則如圖4所示。

圖3 目標與預警機相對方位示意圖

圖4 目標多普勒頻率相對位置示意圖

由圖4可知，當目標處于圖3中①、⑤位置，即預警機的正前方或者正后方時，目標頻譜位于雜波清潔區，因此不受雜波影響，預警機在這2個方位上的探測距離為410 km；當目標位于圖3中②、④、⑥、⑧位置，即預警機的側面時，目標頻譜位于旁瓣雜波區，假設經雜波抑制處理后雜波剩余為0 dB，則可由式(4)折算得目標落入旁瓣雜波區時預警機的探測距離大約為340 km；當目標位于圖3中③、⑦位置，即預警機的正側面時，此時目標徑向速度為零，目標因落入主雜波區(高度線雜波區)被遮擋而無法檢測到，因此預警機在這2個方位上的探測距離為零。由此可得出預警機在整個方位上的雷達探測威力覆蓋圖，如圖5所示。

圖5 預警機探測威力覆蓋圖

由圖5可知，實際作戰運用中，預警機雷達由于受雜波影響，其威力覆蓋范圍并非是以本身為中心、以最遠可探測距離為半徑的一個圓。雜波的影響使得預警機雷達在某些方位上出現探測距離嚴重衰減甚至無法探測的情況，從而產生探測盲區，這將嚴重影響預警機執行巡邏警戒任務的能力。

1.4 雙機協同機載預警雷達探測威力評估

由1.3節分析可知，單架預警機由于受雜波影響，探測威力存在一定程度的衰減和盲區，難以發揮出最優的作戰效能。為了彌補這一缺陷，進一步擴大預警機的威力覆蓋范圍，提高預警機的探測能力，本節進一步分析基于信號級融合[3]的雙預警機協同的探測性能。

與傳統基于檢測級融合的多預警機協同探測部署[4-5]不同的是：一方面，本節假設2架協同探測的預警機將在巡邏航線上保持相對靜止，互相補盲，共同執行對某一重點區域的巡邏任務，這將會顯著擴大單部預警機的威力覆蓋范圍；另一方面，各協同預警機改變先檢測再融合的傳統模式，直接將原始雷達接收信號進行先融合再檢測，理論上，原始信號包含的信息最豐富，因而融合后檢測的性能也會更佳。

假設某2架預警機1和2(間隔d)以相同速度沿巡邏航線保持相對靜止飛行，雙機系統的配置形式如圖6所示。預警機1、2相距50 km，則兩機融合協同后的探測威力覆蓋圖如圖7所示。

圖6 雙機系統協同配置示意圖

圖7 融合協同后預警機探測威力覆蓋圖

比較圖5與圖7可知，協同補盲后預警機的探測威力覆蓋基本能夠恢復到以預警機為圓心、以最遠探測距離為半徑的理想水平。需要注意的是，補盲效果好壞的關鍵是選擇合適的兩機間隔d。

2 預警機巡邏航線威力覆蓋評估

2.1 典型巡邏航線樣式

當預警機領受作戰任務后，其與護航戰斗機在空中形成編隊，并飛至作戰任務方案中指定空域，根據飛行空域氣象條件和作戰任務，采用不同巡邏航線樣式，進行循環式巡邏飛行。為了獲得較好的低空目標探測效果，預警機一般巡邏航線高度在6 000～10 000 m左右，并且為獲得穩定性高和目標感知信息誤差小等測量效果，其巡邏航線一般穩定在同一高度層，遂行預警監視作戰任務期間，不改變飛行高度。如圖8所示，預警機常用巡邏航線樣式分為雙平行線形、橫8字形和圓形[6]。

圖8 預警機巡邏航線樣式

(1)雙平行線形。因其航跡類似于跑道，故又稱跑道形，它的特點是預警機轉彎半徑小，直線飛行邊較長，便于預警機對寬正面且具有一定縱深的空中目標進行連續預警指揮。雙平行線形巡邏航線是較常用的一種預警機巡邏航線樣式，主要用于前伸預警監視，其直飛航線一般面向敵方來襲方向，巡邏空域無較大側風時使用。

(2)橫8字形。又稱交叉線形，這種航線樣式雖然與雙平行線的飛行軌跡有所區別，但實際效果和使用方法與雙平行線形較為相似，都可以對寬正面且具有一定縱深的空中目標進行連續指揮和控制。橫8字形巡邏航線主要在巡航空域有較大側風時使用，其斜飛直線可減小側風與其飛行方向的夾角，從而提高空中飛行的安全性。

(3)圓形。當空襲兵器可能從不同方向對地面某一重要目標或海上艦船編隊實施突擊時，為了對保衛目標提供全方位、連續不斷的空情預警，空中預警機可采取以保衛目標為中心，以一定的巡邏半徑圍繞保衛目標做圓形飛行。

2.2 幾何評估模型

2.2.1 總覆蓋區

對于預警機而言，總探測覆蓋區是指其在特定高度巡邏航線上巡邏時，能夠覆蓋到的總區域。當預警機采用雙平行線形巡邏航線樣式遂行作戰任務時，令預警機巡邏直飛航線長度為L、轉彎直徑為W，機載預警雷達在H高度層的最大作用距離為RH，其總探測覆蓋區S0如圖9陰影區域所示[7]。

圖9 雙平行線航線總探測覆蓋區

顯然，總探測區域面積S0由2個半圓組成的一個圓的面積S1加上矩形EFGH的面積S2組成：

S0=S1+S2

(5)

S1=π(RH+W)2

(6)

S2=2(RH+W)L

(7)

2.2.2 穩定覆蓋區

穩定探測覆蓋區是指其在特定高度巡邏航線任意位置，均能以規定的發現概率Pd和虛警概率Pfa，對位于高度層H上的指定目標遂行有效探測的區域。所謂指定目標是指目標類型和目標的RCS值均已確定，所謂有效探測是指對目標進行數據率為fc的不間斷探測。當預警機采用雙平行線形巡邏航線樣式遂行作戰任務時，其穩定探測覆蓋區如圖10陰影區域所示。

圖10 雙平行線航線穩定探測覆蓋區

S3的具體估算公式為：

S3=S4+S5-S6

(8)

式中：S4為四邊形ATBTCTDT面積；S5為4條弧對應4個圓心的扇形面積之和；S6為四邊形各邊與4個相應圓心構成的4個三角形面積之和；θ1為∠ATCYBT，且：

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

將式(9)～(13)代入式(8)即可得預警機采用雙平行線形巡邏航線時的穩定覆蓋區面積。

2.3 動態評估模型

由上節分析可知，威力覆蓋范圍的幾何評估模型與具體的巡邏航線樣式有關，當巡邏航線樣式改變時，幾何模型也必須要重新建立，且只適用于具有規則幾何形狀的巡邏航線，因此不具有普適性，不利于各種不同巡邏航線樣式的分析與比較。而動態評估模型則是利用交并集的思想，將航線中的任意一點都考慮進來，不受航線幾何形狀限制，更具有普適性。下面介紹動態評估模型的基本思想。

預警機是一個移動的空中雷達站，假設預警機在空中不動，經協同補盲后其探測范圍是以預警機為圓心、以機載預警雷達探測距離為半徑的一個圓，即瞬時探測覆蓋區。不妨以預警機在巡邏航線上飛行1圈為例，令ts是預警機從起點出發時刻，te是預警機飛行1圈回到起點時刻，ti∈[ts,te]為預警機處于航線中任意一點的時刻，則在ti時刻，預警機瞬時探測覆蓋區面積Sm為：

(14)

當預警機沿巡邏航線做往返飛行時，其探測圓便會隨之一起運動，其所能探測到的區域即為總覆蓋區，即預警機瞬時探測覆蓋區并集。在協同補盲后，且不考慮外部干擾的影響，假設其總探測覆蓋區面積為Su，則其估算模型為：

(15)

同理，穩定覆蓋區面積Sv即為預警機瞬時探測覆蓋區的交集，其估算模型為：

(16)

3 仿真分析

3.1 常規巡邏航線樣式威力覆蓋仿真分析

本節利用動態評估模型，對幾種典型巡邏航線的威力覆蓋范圍進行仿真評估。假設對于某一高度層的空中目標，其最大作用距離RH=410 km，令轉彎點水平距離(圓形航線的直徑)L=100 km，轉彎直徑W=30 km，則可得出3種典型巡邏航線的威力覆蓋范圍如圖11～圖13所示。

圖11 雙平行線航線探測威力評估

圖12 橫8字形線航線探測威力評估

圖13 圓形航線探測威力評估

由圖11～圖13可得，在特定航線參數一致的情況下，總探測區面積：雙平行線形>橫8字形>圓形，而穩定探測區面積：雙平行線形=橫8字形>圓形。易發現，雙平行線形與橫8字形的穩定探測區面積相等，而雙平行線形航線的總探測區面積要更大些。

3.2 威力覆蓋面積隨L變化仿真分析

因為轉彎半徑W是由預警機轉彎飛行速度和轉彎坡度角決定，一般在預警機型號確定后，其不論在何種樣式的巡邏航線上飛行，均會采用最佳轉彎直徑，故而W一般為定值。而以上結論是在L=100 km時的仿真結果，具有特殊性，因此還需進一步分析不同L情況下的仿真結果，以獲得更科學的結論。

圖14、圖15為不同巡邏航線的探測覆蓋區面積隨L變化的曲線圖。由圖14、圖15可知，圓形航線的穩定覆蓋面積在L較小(L<90 km)時有優勢，隨著L的增加，優勢逐漸減少，甚至不如其它2種航線，總探測覆蓋區面積變化規律則恰好相反；而值得注意的是，無論L取何值，雙平行線形與橫8字形航線的穩定覆蓋區總是相等的，但總探測覆蓋區面積雙平行線形要略大于橫8字形，且隨著L的增大面積差也在增大。