王 博，陳長興，牛德智，卞東亮

(空軍工程大學 理學院 電子系，陜西 西安710051)

0 引 言

臨近空間是一片有待開發(fā)的空間資源，屬于空天的結(jié)合部，通常被稱為“亞太空”、“超高空”。因臨近空間作戰(zhàn)平臺相對于一般飛機和衛(wèi)星具有飛行高度適中、生存概率高、威脅作用大、部署速度快等獨特的優(yōu)點［1］，而得到各國的廣泛關(guān)注，美國在臨近空間的發(fā)展上處于世界領(lǐng)先地位，美國國防技術(shù)開發(fā)局的ISIS計劃目前正處于關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)階段。按照計劃，該飛艇可留空1 年以上，利用其有源相控陣雷達對空中和地面目標進行監(jiān)視和跟蹤。我國對臨近空間有一定的研究。2005 年，由605 所自行研制了“哨兵3”型飛艇［2］。飛艇長30 m、高15 m，載重150 kg，不足的是，該飛艇沒有動力裝置，主要靠空氣浮力升空，飛行高度僅僅達到1 000 m，與國外先進飛艇差距很大。由于我國沒有自己的臨近空間飛行器作為平臺，因此目前對臨近空間的相關(guān)技術(shù)研究均處于理論探索階段。

2009 年空軍工程大學田新華副教授將臨近空間作戰(zhàn)領(lǐng)域與收發(fā)分置體制相結(jié)合，提出了一種基于臨近空間作戰(zhàn)平臺的雙基地雷達反隱身技術(shù)［3］，臨近空間雙基地雷達的構(gòu)想應(yīng)運而生。作為一種新型體制的雷達，目前對其探索相對較少，在探測隱身目標方面的優(yōu)勢已經(jīng)得到證實，但在探測范圍上的優(yōu)劣卻沒有較為具體的論述，本文將從這個問題入手。

1 臨近空間雙基地雷達布站方式

臨近空間雙基地雷達布站方式如圖1 所示，發(fā)射站位于地面T 處，接收站置于臨近空間平臺R 處，基線長為L，地球半徑為R0，臨近空間平臺高度為H，發(fā)射站、接收站與地心的連線夾角為θ1，為增加雷達布站時的可操作性，根據(jù)余弦定理，計算地心角θ1和平臺高度H 與基線長L 之間的關(guān)系:

圖1 臨近空間雙基地雷達布站方式

假設(shè)平臺高度H 固定為20 km，基線長L 隨地心角θ1的增大而變大，其關(guān)系如圖2 所示。這樣在將地面發(fā)射站固定之后，即可根據(jù)基線長度從而選擇適當?shù)摩?，進而來確定臨近空間平臺的位置。

圖2 H=20 km 時，L 隨θ1 的變化關(guān)系

這種布站方式的雙基地雷達與地波超視距雷達相比，因?qū)⒔邮照局糜谂R近空間，能克服單一地波雷達探測能力受雙程電波繞射傳播衰減因素的影響［4］;與天波雷達系統(tǒng)相比，因平臺高度的大大降低，可提高對艦船等低速目標的發(fā)現(xiàn)概率。對于隱身目標來說，由于大部分隱身目標在上下兩側(cè)的隱身能力較弱，所以該類型雷達在探測隱身目標上有突出優(yōu)勢。

2 雷達作用距離

2.1 雷達作用距離

假設(shè)不考慮方向圖傳播因子、大氣衰減因子，雙基地雷達方程為:

式中:Pt為發(fā)射機信號發(fā)射功率;Gt、Gr分別為發(fā)射天線和接受天線的功率增益;λ 為雷達工作波長;σB為目標的雙基地雷達截面積;k 為玻耳茲曼常數(shù);Ts接收機的噪聲溫度;Bn為接收機檢波器前的噪聲帶寬;(S/N)min為接收機輸入端所需的最小信噪比;LB為雙基地雷達的總損耗。

記式(2)右端為kB，當雙基地雷達系統(tǒng)參數(shù)確定后，kB為常數(shù)，即目標到T、R 兩點的距離乘積(RtRr)max為常數(shù)kB。

圖3 臨近空間雙基地雷達幾何配置

臨近空間雙基地雷達幾何配置如圖3 所示，Tg為需要探測的目標;Rt、Rr分別為發(fā)射站和接收站到目標Tg的發(fā)射距離和接收距離;β 為雙基地雷達基線與發(fā)射站處地球切線所夾銳角;α 為待探測目標偏離雷達水平線的角度。

根據(jù)余弦定理可得:

將式(3)代入式(2)，可得:

2.2 探測范圍分析

當基線長L 確定時，不難確定β 角為定值。因此在式(4)中，探測距離Rt僅與α 角有關(guān)。而在L 取不同值時，對于雷達的覆蓋面積又有不同的算法［5］:

3 仿 真

3.1 臨近空間雙基地雷達的探測性能仿真

為方便討論，以下仿真中取地球半徑R0=6 371 km。下面對臨近空間雙基地雷達探測范圍進行仿真，仿真參數(shù)如下:發(fā)射機功率Pt=200 kW，發(fā)射天線功率增益Gt=35 dB，接收天線功率增益Gr=35 dB，發(fā)射波長λ=0.3 m，雙基地雷達的目標RCS 為σB=－10 dB，kTs=4 ×10－21W/Hz，接收機噪聲帶寬Bn=1 MHz，檢測所需最小信噪比(S/N)min=12 dB，雙基地雷達的總損耗LB=10 dB。

3.1.1 固定基線條件下的仿真

固定臨近空間平臺H =20 km，取基線長L =80 km，在圖1 中，由各角度關(guān)系可計算出∠β =0.246 5，根據(jù)(4)式，圖4 給出了在雷達基線長度為80 km，雷達平臺高20 km 時，探測距離Rt與α 角的關(guān)系，隨著α 角的增大，探測距離Rt逐漸減小。這是由于雙基地雷達的探測范圍在平面上類似于一個橢圓，在α 角為零時，探測半徑Rt與基線L 的延長線即橢圓的長軸部分重合。當α 角增大時，最大探測半徑Rt所對應(yīng)的點沿著橢圓邊緣移動，探測半徑逐漸減小。按照上述方法計算，最遠探測距離為α=0 時，Rt≈107.036 km。

根據(jù)雷達方程，很容易得出在相同參數(shù)條件下，單基地雷達的最大探測距離為RMmax≈61.53 km;地基雙基地雷達的最大探測距離為R'tmax≈92.31 km。由此可見，臨近空間雙基地雷達有較大的低空探測距離。

圖4 α 角與探測距離Rt 的關(guān)系

3.1.2 變基線條件下的仿真

為探究臨近空間雙基地雷達的最大作用距離，固定臨近空間平臺H=20 km，取α =0。利用MATLAB，根據(jù)式(4)可得出當基線L 變化時，雷達探測距離Rt的變化關(guān)系如圖5 所示。隨L 的增大，Rt增大。

3.1.3 變平臺高度條件下的仿真

固定基線L=120 km，取α=0。利用Matlab，根據(jù)式(4)可得出當雷達平臺高度H 變化時，探測距離Rt的變化關(guān)系如圖6 所示。隨H 的增大，Rt減小。

3.2 影響雷達探測性能因素分析

3.2.1 發(fā)射機輸出功率的改變對探測性能的影響

根據(jù)方程2，不同的發(fā)射機輸出功率會產(chǎn)生不同的探測距離，而發(fā)射機置于地面，其功率大小的調(diào)節(jié)相對容易。下面通過仿真分析當發(fā)射功率分別為Pt=30 kW，Pt=50 kW 和Pt=200 kW，其他參數(shù)同3.1，圖7 給出了發(fā)射機功率變化時雙基地雷達探測范圍的變化。

圖5 基線L 與探測距離Rt 的關(guān)系

圖6 雷達平臺高度與探測距離Rt 的關(guān)系

圖7 不同發(fā)射功率時的雙基地雷達探測范圍圖

圖7 中的卵形線由內(nèi)到外分別為發(fā)射功率為30、50 和200 kW 時的探測范圍，仿真結(jié)果可知:①Pt=30 kW 時為雙卵形線，最大可探測距離為95.22 km，最大探測范圍為2 061 km2。②Pt=50 kW 時為單卵形線，最大可探測距離為98. 91 km，最大探測范圍為4 751.2 km2。③Pt=200 kW 時為單卵形線，最大可探測距離為113.37 km，最大探測范圍為11 193.1 km2。

3.2.2 發(fā)射波波長的改變對探測性能的影響

為討論波長的影響，在甚高頻(VHF)、特高頻(UHF)、超高頻(SHF)、極高頻(EHF)頻段內(nèi)各取一波長。取λ 分別為0.01、0.05、0.3、1 m，其他參數(shù)同3.1。圖8 顯示的是發(fā)射波分別在上述4 種波長下，雷達的探測范圍，由內(nèi)到外分別是波長為0.01、0.05、0.3、1 m 時的探測范圍。圖9 所示為圖8 中左側(cè)雙卵形的放大圖。

圖8 不同波長時的雙基地雷達探測范圍圖

圖9 圖8 中左側(cè)雙卵形的放大圖

仿真結(jié)果:①λ=0.01 m 時為雙卵形線，最大可探測距離為81.53 km，最大探測范圍為15.26 km2。②λ=0. 05 m 時為雙卵形線，最大可探測距離為87.16 km，最大探測范圍為381.60 km2。③λ =0.3 m時與3.2 中①的第二種情況相同。④λ=1 m 時，最大可探測距離為113.36 km，最大探測范圍為39 002.1 km2。

在式(2)中影響探測性能的其它因素，如目標RCS、收發(fā)天線功率增益積GtGr在文獻5 中有詳細說明。

4 結(jié) 語

(1)在基線和平臺高度固定時，臨近空間雙基地雷達的探測距離，隨著待探測目標偏離雷達水平線的角度α 的增加，逐漸減小，在α 為零時雷達可探測距離最大。

(2)臨近空間雙基地雷達具有優(yōu)于單基地、地基雙基地雷達的低空探測能力。

(3)在平臺高度和待探測目標固定時，臨近空間雙基地雷達的探測距離與基線的變化成正比關(guān)系。

(4)在基線長度和待探測目標固定時，臨近空間雙基地雷達的探測距離與雷達平臺高度的變化成反比。

(5)發(fā)射機發(fā)射功率越大，探測距離和探測范圍越大;發(fā)射波長越長即頻率越低，探測距離和探測范圍越大。但考慮到成本和隱蔽性問題，發(fā)射機功率不可能無限增大;同樣基于對信息分辨率、時效和繞射影響等原因，發(fā)射波長也不會無限增大。最優(yōu)發(fā)射頻段的最終確定還需要進一步探討。

(6)可通過配置多個接收機，實現(xiàn)以發(fā)射機為中心的無盲區(qū)360°探測。

［1］ 宮 健，王春陽. 新型臨近空間收發(fā)分置反隱身方式探討［J］.專題技術(shù)與工程應(yīng)用，2008，38(10):62-64.

［2］ 沈 陽，陳永光，李昌錦，等. 雙基地雷達抗低空突防能力研究［J］.航天電子對抗，2004(5):1-4.

［3］ 陳昌孝，何明浩，李成龍，等.基于臨近空間的預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)研究［J］. 空軍雷達學院學報，2010，24(5):344-346.

［4］ 何彥峰. 淺析臨近空間平臺的軍事應(yīng)用［J］.國防科技，尖端科技，2007(6):32-35.

［5］ 李 錚，趙大勇.美軍臨近空間平臺的開發(fā)利用及對我軍的啟示［J］.火力與指揮控制，2009，34(8):1-3.

［6］ 樊倡信.一種發(fā)展中的新移動通信方式——平流層通信研發(fā)概況［EB/OL］. http://www. ilib2. com/A-xddzjs200519001. html，2005.

［7］ 門向生，田新華.臨近空間雙基雷達探測隱身目標性能研究［J］.電光與控制，2009，16(5):43-46.

［8］ 陳長興，王 博. 臨近空間雙基地雷達抗低空突防能力分析［J］. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2011(23):1-3.

［9］ 丁鷺飛，耿富錄.雷達原理［M］.3 版.西安:西安電子科技大學出版社，2002:156，163-164.

［10］ 周文瑜，焦培南.超視距雷達技術(shù)［M］. 北京:電子工業(yè)出版社，2008:2-5.

［11］ 戰(zhàn)立曉，湯子躍，朱振波.變基線地空雙基地雷達動態(tài)探測性能研究［J］. 艦船電子對抗2009.12 32(6):58-61 82.

［12］ 楊振起，張永順，駱永軍.雙(多)基地雷達系統(tǒng)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1998:159-163.

［13］ 切爾尼亞克(俄)，雙(多)基地雷達系統(tǒng)［M］.周萬幸等譯. 北京:電子工業(yè)出版社，2011.49-62.

［14］ 吳小坡，劉湘?zhèn)?雙基地雷達系統(tǒng)抗低空突防作戰(zhàn)效能分析［J］.中國雷達，2009(1):17-19.

［15］ 中航雷達與電子設(shè)備研究院. 雷達系統(tǒng)［M］. 北京. 國防工業(yè)出版社，2006.