肖 鵬，吳宏超，肖衛(wèi)華，王美玲

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

功率管理對(duì)LPI雷達(dá)低截獲性的影響

肖 鵬1，吳宏超1，肖衛(wèi)華1，王美玲2

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

從實(shí)現(xiàn)低截獲概率特性和防止非合作截獲接收機(jī)偵獲的角度出發(fā)，低截獲概率(LPI)雷達(dá)分別從時(shí)域、頻域、空域和能量域?qū)走_(dá)設(shè)計(jì)進(jìn)行重新思考，擁有了與傳統(tǒng)脈沖體制雷達(dá)截然不同的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。從功率管理的角度對(duì)LPI雷達(dá)的低截獲特性進(jìn)行了深入的研究。結(jié)合典型場(chǎng)景構(gòu)建，得出了LPI雷達(dá)的低截獲特性對(duì)場(chǎng)景和截獲接收機(jī)的靈敏度具有很強(qiáng)依賴性的事實(shí)。

低截獲概率雷達(dá)；低截獲性；截獲因子；低利用概率

0 引 言

現(xiàn)代及未來軍事行動(dòng)需要雷達(dá)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(cè)概率特性(Low Probability of Detection，LPD)和抗干擾的特性[1-2]。這些戰(zhàn)術(shù)需求不僅是雷達(dá)在復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)環(huán)境下發(fā)揮作戰(zhàn)效能的前提，還是提高自身生存防護(hù)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(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制距離和多普勒頻率分辨率，傳統(tǒng)脈沖體制雷達(dá)多采用相干脈沖串的形式發(fā)射信號(hào)，然而由于其信號(hào)峰值功率比較高，極易被非合作偵察截獲接收機(jī)偵收。平均功率決定著雷達(dá)對(duì)電磁目標(biāo)的探測(cè)能力[4]。為了獲得較高的平均功率，脈沖體制雷達(dá)必須在一個(gè)脈沖周期內(nèi)利用真空管和高電壓發(fā)射高峰值功率脈沖。這不僅違背了低截獲雷達(dá)發(fā)射機(jī)的設(shè)計(jì)需求，也為器件穩(wěn)定性、可維護(hù)性和使用壽命埋下隱患。

當(dāng)采用復(fù)雜調(diào)制連續(xù)波信號(hào)時(shí)，只需較低的發(fā)射功率就能獲得與脈沖體制雷達(dá)同樣的檢測(cè)效果。憑借模塊化設(shè)計(jì)和輕質(zhì)固態(tài)器件的大量運(yùn)用，連續(xù)波體制雷達(dá)的靈活性、穩(wěn)定性和可維護(hù)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(duì)比圖如圖1所示。

圖1 CW雷達(dá)和脈沖雷達(dá)波形功率對(duì)比

由圖1可以看出：在實(shí)現(xiàn)相同檢測(cè)能力的情況下，脈沖體制雷達(dá)比CW體制低截獲雷達(dá)更易被現(xiàn)代偵察接收機(jī)截獲；針對(duì)同一目標(biāo)實(shí)施檢測(cè)時(shí)，CW體制雷達(dá)只需發(fā)射很少的能量，而脈沖雷達(dá)則要付出更大的代價(jià)才能確定目標(biāo)信息。

在考慮發(fā)射機(jī)輻射信號(hào)能量的同時(shí)，LPI雷達(dá)設(shè)計(jì)者已經(jīng)為距離和速度分辨力找到了較好的解決方法。LPI雷達(dá)信號(hào)采用相移鍵控技術(shù)(PSK)、頻移鍵控技術(shù)(FSK)、噪聲技術(shù)和復(fù)合調(diào)制技術(shù)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(dá)信號(hào)被非合作方截獲也很難實(shí)時(shí)提取信號(hào)特征，達(dá)到了LPE的特性。

2 LPI雷達(dá)的截獲

2.1 截獲因子

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)LPI雷達(dá)的截獲，下面從截獲因子的角度出發(fā)，對(duì)比分析其探測(cè)距離和截獲距離之間的關(guān)系。Schleker于1985年在其發(fā)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(jī)能夠偵收到LPI雷達(dá)的最大距離；RR max為LPI雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)的最大距離，其中對(duì)RI max和RR max的確定是在一定的發(fā)現(xiàn)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(guān)系如圖2所示。

從截獲因子α的定義中可以看出，當(dāng)α>1時(shí)，即偵察接收機(jī)的截獲距離大于雷達(dá)的探測(cè)距離，此時(shí)雷達(dá)完全暴露在偵察接收機(jī)偵收范圍內(nèi)，雷達(dá)在分析其探測(cè)范圍內(nèi)態(tài)勢(shì)信息時(shí)殊不知已被偵察機(jī)“靜悄悄”地截獲、識(shí)別和定位，很快便會(huì)遭到電子攻擊或反輻射打擊，雷達(dá)的生存受到嚴(yán)重威脅；當(dāng)α<1時(shí)，雷達(dá)的探探測(cè)距離大于偵察接收機(jī)的截獲距離，此時(shí)雷達(dá)可以對(duì)包括截獲接收機(jī)在內(nèi)的任何目標(biāo)實(shí)施監(jiān)視和分析[8]，獲取敵方防區(qū)范圍內(nèi)武器裝備部署和態(tài)勢(shì)信息，為下一步采取必要的軍事行動(dòng)提供可靠依據(jù)。

圖2 LPI雷達(dá)與目標(biāo)及偵察截獲

2.2 探測(cè)距離

構(gòu)造如下的雷達(dá)探測(cè)模型：假定LPI雷達(dá)以CW方式工作(dc=1)并將其視為一個(gè)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(dá)的天線增益，L1為單程大氣衰減因子。

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

(3)

其中L2為雙程大氣衰減因子。雷達(dá)接收到的回波功率為

(4)

其中，Gr為接收天線增益，LRT為雷達(dá)發(fā)射機(jī)與接收天線之間的損耗，LRR為雷達(dá)接收天線與接收機(jī)之間的損耗，λ為波長。

通常接收機(jī)對(duì)最小可檢測(cè)信號(hào)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(shù)，T0=290 K為標(biāo)準(zhǔn)噪聲溫度，F(xiàn)R為接收機(jī)噪聲系數(shù)，BRi為雷達(dá)接收機(jī)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(dǎo)出LPI雷達(dá)的最大探測(cè)距離RR max：

(5)

2.3 截獲距離

在探測(cè)距離構(gòu)造的雷達(dá)探測(cè)模型中，在距離LPI雷達(dá)RI(m)遠(yuǎn)處的非合作截獲接收機(jī)偵收到信號(hào)的功率為

(6)

同樣，截獲接收機(jī)對(duì)最小可偵獲信號(hào)的截獲能力用靈敏度δI=kT0FIBI(SNRIi)來表示，其中FI為截獲接收機(jī)的噪聲系數(shù)，BI為截獲接收機(jī)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(jī)的最大偵獲距離為

(7)

2.4 截獲因子影響因素分析

經(jīng)過對(duì)RI max和RR max的推導(dǎo)，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(shí)LPI雷達(dá)在剛好不被偵察截獲接收機(jī)截獲的情況下達(dá)到了最大探測(cè)距離：

(9)

圖3 截獲因子與LPI雷達(dá)最大探測(cè)距離函數(shù)關(guān)系圖

從圖3可以看出：從主瓣偵收時(shí)LPI雷達(dá)可檢測(cè)88m以內(nèi)的目標(biāo)([88,0.9865])；從旁瓣偵收時(shí)可探測(cè)8767 m以內(nèi)的目標(biāo)([8767,0.9828])；當(dāng)探測(cè)10 km范圍內(nèi)的目標(biāo)時(shí)，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(shí)相同的效果。所以，LPI雷達(dá)為了實(shí)現(xiàn)低截獲特性可采取靈活波束控制，減少波束駐留時(shí)間等措施。

3 典型空戰(zhàn)場(chǎng)景模擬

現(xiàn)在考慮一種場(chǎng)景設(shè)置：在帶有功率管理的導(dǎo)引頭中，發(fā)射機(jī)采用FMCW信號(hào)為發(fā)射波形，在距離現(xiàn)代戰(zhàn)機(jī)20 km處開啟導(dǎo)引頭并開始鎖定目標(biāo)(如圖4所示)。

檢測(cè)到目標(biāo)后，導(dǎo)引頭隨即關(guān)閉并移動(dòng)到一個(gè)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(fā)射機(jī)的發(fā)射功率電平與被檢測(cè)目標(biāo)的RCS和距離相一致，因此使得信噪比保持為一個(gè)常數(shù)[2]。場(chǎng)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(fā)射機(jī)平均發(fā)射功率表達(dá)式(由式(5)同樣可以推導(dǎo)出)：

(10)

式中，kT0=4.0×10-21W/Hz,發(fā)射機(jī)的其余參數(shù)設(shè)置和說明如表1所示。

選取三代機(jī)典型RCS值為5 m2，結(jié)合式(10)繪制了圖5所示的導(dǎo)引頭照射目標(biāo)時(shí)發(fā)射機(jī)平均發(fā)射功率與目標(biāo)距離的關(guān)系曲線。

將點(diǎn)(2002e+004，533.7)代入下面的電磁信號(hào)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(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)天線相對(duì)于偵察天線方向上的增益，Gr為偵察天線相對(duì)于發(fā)射機(jī)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(chǎng)景設(shè)置中導(dǎo)引頭發(fā)射機(jī)參數(shù)設(shè)置

圖5 采用功率管理時(shí)導(dǎo)引頭平均發(fā)射功率與目標(biāo)RCS和距離關(guān)系曲線

通過上述場(chǎng)景的模擬，得出了下列重要結(jié)論：

(1) 經(jīng)過計(jì)算得出Pr=-61.4824 dBm，此值小于接收機(jī)靈敏度(-50 dBm左右)，因此采用功率管理的導(dǎo)引頭在20 km處鎖定三代機(jī)時(shí)，機(jī)載雷達(dá)全向告警器不能為飛行員提供威脅告警信息和必要的戰(zhàn)術(shù)規(guī)避引導(dǎo)，戰(zhàn)機(jī)將會(huì)被“靜悄悄擊落”；

(2) 導(dǎo)引頭使用FMCW波形和自適應(yīng)功率管理后獲得了LPI特性，在提高了生存能力的同時(shí)提高了對(duì)目標(biāo)的打擊效率；

(3) 當(dāng)采用功率管理時(shí)，導(dǎo)引頭對(duì)更大RCS值的目標(biāo)(圖5中RCS=10 m2)其輻射功率會(huì)更低，LPI特性會(huì)更明顯；

(4) 隨著距離的縮短，導(dǎo)引頭的發(fā)射功率越來越小，導(dǎo)彈的LPI特性逐漸凸顯，此時(shí)目標(biāo)面臨的威脅陡增。

4 結(jié)束語

本文從功率管理的角度對(duì)LPI雷達(dá)的低截獲特性進(jìn)行了深入的分析，結(jié)合典型場(chǎng)景的模擬，得出了傳統(tǒng)截獲接收機(jī)很難對(duì)其實(shí)施截獲的事實(shí)，凸顯了研究LPI雷達(dá)信號(hào)截獲、檢測(cè)和識(shí)別的緊迫性，同時(shí)為新型非合作偵察截獲接收機(jī)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(hào)的低截獲性能分析[J].現(xiàn)代雷達(dá)，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(xué).艦載低截獲概率雷達(dá)技術(shù)[J].國防科技，2001(15)：13-14.

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[5] 馬壽春.AESA有源電子掃描陣?yán)走_(dá)的發(fā)展[J].國防科技，2003(11)：34-35.

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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(hào)處理；吳宏超(1982-)，男， 講師， 研究方向：信號(hào)處理；肖衛(wèi)華(1977-)，男，講師，研究方向：信號(hào)處理；王美玲(1985-) ，女，95926部隊(duì)，分析師，研究方向：信號(hào)處理。

TN971.1

A

1009-0401(2014)04-0009-04