雷達隱蔽成像性能分析*

曾小東,王勝喜,王亞濤,2,周龍建,2

(1.中國電子科技集團公司 第十研究所，四川 成都 610036；2.中國電子科技集團公司 航空電子信息系統(tǒng)技術(shù)重點實驗室，四川 成都 610036)

0 引言

面臨越來越惡劣的電磁對抗環(huán)境，為了提高載機的生存力，機載的射頻傳感器普遍采用了多種技術(shù)措施，實現(xiàn)了隱蔽探測[1-2]、隱蔽通信[3-5]以及隱蔽定位[6]等功能。文獻[2]研究了相控陣雷達的截獲因子，并分析了實現(xiàn)射頻隱身對雷達功率控制的要求。文獻[4-5]研究了水聲通信采取猝發(fā)擴頻波形設(shè)計，實現(xiàn)了隱蔽通信。文獻[7-9]研究了雷達采用低截獲概率波形設(shè)計，對偵察系統(tǒng)調(diào)制識別以及參數(shù)估計造成的影響。

機載SAR成像獲取目標二維或三維像，具有瞬時覆蓋范圍小和定位精度高等特點，需要主動輻射電磁波，且為了實現(xiàn)遠距離、高精度的SAR成像，往往發(fā)射功率較大[10-11]，不利于射頻隱身，需要和火控雷達、通信數(shù)據(jù)鏈一樣，采取相應(yīng)的射頻隱身措施，以實現(xiàn)隱蔽成像。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，借鑒傳統(tǒng)雷達的截獲因子定義，研究了成像雷達的截獲因子，分析了實現(xiàn)隱蔽成像的技術(shù)措施，并通過仿真進行了驗證。

1 隱蔽成像原理

為了估計雷達隱蔽成像的性能，引用成像雷達截獲因子α，其表示對方偵察接收機平臺對雷達平臺的截獲距離與雷達對目標平臺的成像距離的關(guān)系，如圖1所示。

(1)

式中:Ri為對方偵察接收機平臺對雷達平臺的截獲距離;Rd為雷達對目標平臺的成像距離。

雷達隱蔽成像的含義是使得截獲因子α≤1，即雷達隱蔽成像能夠做到我方先對目標平臺成像，而后其偵察接收機才能發(fā)現(xiàn)我方雷達信號。

1.1 偵察接收機截獲距離

(2)

式中:Pt為雷達發(fā)射峰值功率；Bc為子信道帶寬；B為雷達信號帶寬；Gt為雷達發(fā)射天線增益；Gr為偵察接收天線增益；λ為信號波長；Lsl為雷達副瓣電平；SE=kT0BcFneDE為偵察接收機靈敏度，其中k為玻爾茲曼常數(shù)，T0為標準噪聲溫度，F(xiàn)ne為偵察接收機噪聲系數(shù)，DE為偵察檢測因子。

1.2 SAR成像距離

(3)

(4)

1.3 成像雷達截獲因子

將式(2)和式(3)代入式(1)，整理可得

(5)

1.4 隱蔽成像距離

令成像雷達截獲因子α=1，

圖1 雷達隱蔽成像圖Fig.1 Radar stealth imaging

(6)

可得臨界發(fā)射功率

將臨界發(fā)射功率Pt0代入式(2)，得到隱蔽成像距離R0:

(7)

整理得

(8)

2 隱蔽成像的技術(shù)措施

隱蔽成像的目標是實現(xiàn)截獲因子α≤1，由式(5)可知，雷達可以采取的技術(shù)措施如下所示。

2.1 功率控制

由截獲因子定義可得出

(9)

雷達發(fā)射功率越大，就越容易被偵察接收機截獲到，而偵察接收機是以雷達峰值功率為檢測基礎(chǔ)[12]。

因而，采用雷達功率控制，降低雷達的峰值功率對于提高隱蔽成像性能是一種十分有效的途徑。在實際使用中，僅進入雷達隱蔽成像距離時才打開輻射，當成像目標以后，可根據(jù)成像質(zhì)量、目標大小以及距離遠近輻射不同量值的功率。

2.2 高增益低副瓣天線

由截獲因子定義可得出

(10)

高增益有利于遠距離目標的成像，極低的天線副瓣可以做到除主波束之外輻射極小功率，偵察接收機截獲雷達的時間變短，從而截獲概率降低。因此，采用高增益低副瓣天線對提高雷達的隱蔽成像性能是有益的。

2.3 大時寬-帶寬積信號

(11)

在雷達成像中，廣泛運用的大時寬-帶寬積信號為線性調(diào)頻信號，并且隨著線性調(diào)頻信號帶寬的增加，雷達成像的截獲因子降低[13-15]。

2.4 雷達信號處理的優(yōu)化

由截獲因子定義可得出

(12)

在雷達的設(shè)計過程中，通過優(yōu)化雷達接收機噪聲系數(shù)以及降低雷達檢測因子，可以提高雷達靈敏度，有利于雷達隱蔽成像性能的提高。

3 仿真分析

為了驗證雷達隱蔽成像的性能，采取如下參數(shù)進行仿真分析。

Pt為雷達發(fā)射峰值功率取10～80 dBW，Bc為子信道帶寬取15 MHz，B為雷達信號帶寬取5～30 MHz，Gt為雷達發(fā)射天線增益取15 dB，Gr為偵察接收天線增益取10 dB，SE為偵察接收機靈敏度取-60～-80 dBm，λ為信號波長取0.03 m，Lsl為雷達副瓣電平取-5～-15 dB，η為脈沖占空比取0.1，c為光速取3×108m/s，σ0為地面散射面積取45 m2，va為載機速度取300 m/s，SR為雷達接收機靈敏度取-90～-105 dBW。

3.1 截獲因子仿真

截獲因子隨信號帶寬的變化關(guān)系如圖2所示。

從圖2可以看出，在不同的雷達信號帶寬下，隨著功率的降低，雷達成像的截獲因子減小；在同一功率下，雷達信號帶寬越寬，截獲因子越小。對于5 MHz帶寬信號，功率控制量為40 dB時，截獲因子α≤1，雷達實現(xiàn)隱蔽成像。對于10 MHz帶寬信號，實現(xiàn)隱蔽成像的功率控制量為31 dB；15 MHz帶寬信號，功率控制量為25 dB；30 MHz帶寬信號，功率控制量為16 dB。

截獲因子隨副瓣電平變化關(guān)系如圖3所示。

從圖3可以看出，在不同的雷達副瓣電平下，隨著功率的降低，雷達成像的截獲因子減小；在同一功率下，雷達副瓣電平越低，截獲因子越小。對于-5 dB副瓣電平，功率控制量為16 dB時，截獲因子α≤1，雷達實現(xiàn)隱蔽成像。對于-10 dB副瓣電平和-15 dB副瓣電平，在滿功率輻射時實現(xiàn)隱蔽成像。

圖2 截獲因子隨雷達信號帶寬變化圖Fig.2 Interception factor variation with radar signal bandwidth

圖3 截獲因子隨副瓣電平變化圖Fig.3 Interception factor variation with sidelobe level

截獲因子隨雷達靈敏度變化關(guān)系如圖4所示。

從圖4可以看出，在不同的雷達靈敏度下，隨著功率的降低，雷達成像的截獲因子減小；在同一功率下，雷達靈敏度越好，截獲因子越小。對于-90 dBW的雷達靈敏度，功率控制量為40 dB時，截獲因子α≤1，雷達實現(xiàn)隱蔽成像。對于-95 dBW的雷達靈敏度，功率控制量為31 dB；-100 dBW的雷達靈敏度，功率控制量為22 dB；-105 dBW的雷達靈敏度，功率控制量為10 dB。

3.2 臨界發(fā)射功率和隱蔽成像距離

雷達在實現(xiàn)隱蔽成像時的臨界發(fā)射功率主要與雷達信號帶寬和偵察接收機靈敏度有關(guān)。由表1可知，在同一雷達信號帶寬下，偵察系統(tǒng)靈敏度每提高5 dB，臨界發(fā)射功率下降15 dB，即雷達功率控制的深度要高出15 dB。

圖4 截獲因子隨雷達靈敏度變化圖Fig.4 Interception factor variation with radar sensitivity

表1 臨界發(fā)射功率Table 1 Critical transmit powerdBW

雷達在實現(xiàn)隱蔽成像時的隱蔽成像距離同樣與雷達信號帶寬和偵察接收機靈敏度有關(guān),由表2可知，雷達信號帶寬越寬，偵察系統(tǒng)靈敏度越差，隱蔽成像距離越遠。在對抗-65 dBm靈敏度的偵察系統(tǒng)時，雷達采用30 MHz帶寬的信號，可實現(xiàn)169.9 km的隱蔽成像距離，滿足戰(zhàn)術(shù)使用需求。

表2 隱蔽成像距離Table 2 Stealth imaging distance km

4 結(jié)束語

不同的技術(shù)措施對隱蔽成像的作用是不同的，隱蔽成像的效果也與偵察接收機的性能息息相關(guān)。隱蔽成像多用在對地目標的成像過程中，為了獲取目標的信息，以便載機能夠識別目標，先敵發(fā)起攻擊，同時不被對方的地面無源探測系統(tǒng)截獲。雷達需要綜合采用多種技術(shù)措施，在保證成像質(zhì)量的前提下，實現(xiàn)遠距離的隱蔽成像。下一步的研究工作將結(jié)合實際作戰(zhàn)任務(wù)，研究針對不同的偵察對象，雷達隱蔽成像能夠達到的性能邊界，并進一步給出使用建議。