龔朝輝

(海軍裝備部裝備采購中心，北京 100071)

準連續(xù)波雷達在潛艇中的應用

龔朝輝

(海軍裝備部裝備采購中心，北京 100071)

簡單介紹了潛艇用三大體制雷達的特點，著重從準連續(xù)波雷達的可行性方面進行探討，并對技術實現(xiàn)難點進行了分析，最后闡述了提高雷達性能的新技術發(fā)展。

潛艇；雷達；連續(xù)波雷達；準連續(xù)波雷達

0 引 言

隨著潛艇對隱蔽性的要求不斷提高，潛艇對無線電使用要求越來越高，傳統(tǒng)意義上的雷達因使用功率高已不能滿足隱蔽性要求。研制一種發(fā)射功率低、控制手段復雜的雷達對潛艇而言已顯得十分迫切。隨著準連續(xù)波技術的成熟，準連續(xù)波雷達本身具有的低功率性和易控制性已能滿足隱蔽性和工程應用需求。

1 潛艇三大體制雷達的特點

1.1 脈沖雷達

當今世界潛艇的各型主動雷達絕大部分采用脈沖體制工作，以滿足導航和作戰(zhàn)需求。潛艇使用脈沖雷達，由于雷達作用距離近，發(fā)射功率大，工作頻帶較窄，雷達信號極易被截獲，使?jié)撏幱跇O其被動的地位。因此，對發(fā)射功率小、截獲概率低隱蔽性好的雷達的需求日益強烈，而連續(xù)波雷達由于其發(fā)射功率小、被截獲的概率低正好能滿足這一要求[1]。

1.2 連續(xù)波雷達

從理論上說“連續(xù)波”是指幅度不變、未作調制、帶寬為零的射頻信號，其“頻譜”只有一條射頻譜線，也就是信號發(fā)射時間無限長且永不間斷。顯然，實際信號是不會符合這種情況的，因為要求無限觀測時間的雷達是不實用的?！斑B續(xù)波”實際上是指這樣的信號，它的有限時間T比某個觀測基準時間要長得多，同時它具有固定的幅度。其實可以把這種信號看成是持續(xù)時間為T的“矩形脈沖”。因為發(fā)射時間特長，連續(xù)波雷達多數(shù)還屬于雙基或多基雷達，其發(fā)射天線和接收天線是分置的[2]。當發(fā)射天線和接收天線相距很遠時，幾乎不存在發(fā)射信號耦合到接收天線的問題。當它們靠近時，無論單基或多基雷達便會產生嚴重的“泄露”問題。嚴重的“泄露”能使距離性能比理想的性能要差20～30 dB之多。而潛艇適合裝雷達天線的尺寸極其有限，對連續(xù)波雷達而言，從工程上解決不了信號隔離問題，嚴重的“泄露”問題根本無法解決。

1.3 準連續(xù)波雷達

準連續(xù)波雷達同時具有連續(xù)波雷達和脈沖雷達的特性。具體說，就是用一個工作比較大的大時寬脈沖對連續(xù)波進行幅度調制，再對大時寬脈沖內的載波進行相位調制。在大時寬脈沖工作時間內，雷達發(fā)射連續(xù)波；雷達休止期接收目標回波，在一個雷達重復周期內就能夠完成一次發(fā)射和接收。也就是說，能用一個天線完成信號的發(fā)射和接收任務[3-4]。

由于準連續(xù)波雷達能用單基雷達形式實現(xiàn)，比較適合潛艇的實際情況，可以利用現(xiàn)有的潛艇雷達系統(tǒng)完成雷達的發(fā)射和接收任務。

2 準連續(xù)波雷達的可行性

準連續(xù)波雷達可通過調頻、調相或非脈沖調幅法對連續(xù)波信號進行調制而獲得距離信息。調頻法就是通過一個固定頻帶寬度的低頻調制信號混合上連續(xù)波信號而得到發(fā)射信號。它的頻帶寬度受接收端的帶寬限制。目前高性能濾波器帶寬也就是100 MHz這一數(shù)量級，也就是說調頻法的調制帶寬只能是100 MHz這一數(shù)量級。而目前脈沖雷達跳頻范圍遠大于100 MHz。采用調頻法調制連續(xù)波雷達軍事對抗性差。非脈沖調幅法連續(xù)波由于受海況和目標起伏、海上雜波影響，回波幅度比較復雜且不穩(wěn)定，也不是理想方案。調相連續(xù)波因其對濾波器帶寬沒有過高要求，在工作中極易實現(xiàn)。目前，準連續(xù)波大多采用調相法進行調制，也就是用一個偽隨機的擴譜碼對載波進行相位調制后得到一個發(fā)射信號；對目標回波進行相關運算后重構出一個連續(xù)波信號，這樣就能得到距離信息。潛艇準連續(xù)波雷達完全可以采用調相式這一成熟方案。

下面就準連續(xù)波雷達實現(xiàn)的幾個有效途徑進行探討：

(1) 降低發(fā)射功率，提高雷達的隱蔽性

雷達的發(fā)射脈沖功率越低，被偵察設備截獲的概率越低。發(fā)射功率降低一倍，被截獲的概率降低4倍。而雷達發(fā)射的脈沖功率越低，雷達的隱蔽性越好。準連續(xù)波可通過加大發(fā)射工作時間、增加回波積累數(shù)，提高檢測靈敏度來降低發(fā)射功率。

(a) 加大發(fā)射工作時間，減小發(fā)射功率

由雷達通用方程式：

Rmax={PtτGtGrδ(λFtFr)2/[(4π)3kTsD0CbL]}1/4

其中，Pt為雷達的發(fā)射功率，τ為雷達脈沖時間?？芍?，在雷達天線不變的情況下，雷達作用距離Rmax與Ptτ的1/4次成正比。在保持Rmax不變的情況下，Pt和τ成反比，也就是說提高雷達脈沖時間就能降低對雷達的發(fā)射脈沖功率的要求。目前，脈沖雷達的工作時間比通常都小，有的僅為千分之一甚至萬分之一。把千分之一作基準進行比較，如果把工作比從千分之一提高到千分之幾百，則雷達發(fā)射脈沖功率只需原來的幾百分之一就能達原有雷達的作用距離。

(b) 增加回波積累效果，降低對發(fā)射功率的要求

由雷達回波相干積累理論可知，N個目標回波相干積累后，信號功率將增加N的平方倍，平均噪聲功率在相干相加后將是原來的N倍。也就是說，N個回波相干積累的最終結果是使功率信噪比增加N倍。調相法連續(xù)波是以相位調制基準時間Ti對連續(xù)波進行相位調制而得到載波。相位調制基準時間Ti的時間長短將決定工作時間一定下的調制數(shù)，也確定了目標回波積累數(shù)N。在雷達工作比一定的情況下，減少相位調制基準時間Ti就能增加發(fā)射信號調制n的個數(shù)。以一個發(fā)射寬度原為1 μs、現(xiàn)發(fā)射脈沖寬度增加到M倍的雷達載波為例，采用準連續(xù)波體制，取相位調制基準時間Ti為0.1 μs，一個發(fā)射周期內能進行M×10次相位調制。發(fā)射信號經(jīng)目標反射后全部返回，信噪比將增加M×10倍。在噪聲一定的情況下，發(fā)射功率只需原來的1/(M×10)倍。

(c) 采用高效檢測器件，增加檢測效果

從檢測角度看，在保持Rmax不變的情況下，減少接收機所能接收的最小可辨功率，也能達到降低對雷達的發(fā)射脈沖功率Pt的要求。高性能的數(shù)字式濾波檢測電路的最小可辨功率要大大低于模擬式檢測電路。如果準連續(xù)波雷達采用數(shù)字式檢測濾波器，在保持發(fā)現(xiàn)概率不變的情況下，雷達發(fā)射功率比原模式雷達可降低20 dB左右。

從以上分析可知，由于調相式準連續(xù)波延長了脈沖發(fā)射時間，增加了相干積累效果，加上數(shù)字式濾波檢測，可極大地降低對雷達發(fā)射脈沖功率的要求。由于潛艇雷達天線高度h有限，雷達最大作用距離不應過大。根據(jù)R=2.2(h)1/2，可推出雷達最大作用距離在10 n mile左右。對距離10 n mile、雷達反射面積為2000 m2的目標，用發(fā)射脈寬為1 μs的脈沖型雷達所需發(fā)射脈沖功率也就20 kW左右。如果用一工作時間為100 μs、相位基準調制時間Ti為0.1 μs調相式準連續(xù)波雷達來發(fā)現(xiàn)該目標，加上采用數(shù)字式濾波檢測電路，僅需發(fā)射功率為0.02～0.2 W。做一折算，要發(fā)現(xiàn)雷達反射面積僅為10 m2的目標，所需發(fā)射脈沖功率為4～40 W，平均發(fā)射功率為0.8～8 W。很顯然，幾瓦數(shù)量級的脈沖發(fā)射功率能極大提高雷達的隱蔽性，對在幾海里之外的偵察設備而言一個貌似噪聲的信號發(fā)現(xiàn)概率極低。

(2) 采用偽隨機碼、自由跳頻技術提高雷達的對抗性

如果把相位調制基準時間Ti看成是一個碼，那連續(xù)波調相過程完全可以看作是一個連續(xù)碼的調制過程。很顯然，一個連續(xù)為1的碼的調制波很容易被偵破，也易干擾。如果用隨機碼代替連續(xù)碼，就很難偵破。由于調相過程是隨機的，偵察雷達無法掌握隨機碼，其接收到的信號如同噪聲。為了對付對準工作頻率的干擾噪聲，只要相鄰信號進行相關處理就能有效降低干擾效果。而相關處理要求相鄰信號一致性要強，完全可以用幾個隨機碼相同的信號進行相關處理后采用另一組隨機給出的工作碼進行下一輪信號發(fā)射和相關處理。把這種幾組相同碼工作一定時間再隨機跳碼暫稱為偽隨機碼。采用偽隨機碼工作方式，既降低了被偵破的概率，也提高了雷達的抗干擾能力。

偽隨機碼可在幾十到幾百碼之間變化，碼的長短主要是看雷達發(fā)射工作時間的長短。雷達脈沖工作時間長，碼就相應長；脈沖工作時間短，碼就相應短。碼不應要求過長或過短。因為雷達回波信號比較復雜，過長的碼可導致回波信號碼一致性很差，可能把真目標當成假目標處理而丟失目標。碼過短，抗干擾和隱蔽性都將下降。

如果偽隨機碼還不能有效抗干擾，雷達可采用捷變跳頻模式。跳頻模式為當今許多無線電話所采用。為了提高無線電話的接通率和不掉線，先進的無線電話能在900 MHz和1800 MHz兩個頻率上自由跳動。準連續(xù)波采用跳頻模式在2個或多個頻率上自由跳動，那它的變頻間隔將變得極其寬闊。工作頻率的自由跳動和調相碼的隨機性將使偵察設備無法進行信號積累，其積累效果形同白化噪聲。對付極其廣闊的工作頻帶所能采用的堵塞式干擾對相對瞬間是定頻的連續(xù)波信號的影響微乎其微。

3 難點處理

采用大工作比發(fā)射準連續(xù)波信號，可以降低對發(fā)射信號功率的要求，但近距離回波信號的強干擾問題仍然存在。如果雷達信號輻射后立即接收回波信號，超近距離的強大回波對雷達靈敏度有嚴重的影響，嚴重制約雷達的檢測能力。

由雷達發(fā)射脈沖功率與相干積累數(shù)和脈沖寬度之間的相互作用關系可知，發(fā)現(xiàn)小距離目標所需功率成4次方縮小。用極小工作時間發(fā)射的極小發(fā)射功率就能發(fā)現(xiàn)近距離目標?？梢栽诮邮斩搜娱L一小段時間接收回波以克服近距離的強回波干擾問題。此小段時間產生的盲區(qū)將小于天線的盲區(qū)。用極小工作時間和接收端延長一小段工作時間就能解決近距離的強回波干擾問題。

準連續(xù)波體制可采用跳頻模式作為對抗有源干擾的措施。跳頻模式要求接收端的頻帶寬度與發(fā)射端相一致。單個高頻濾波器無法滿足跳頻要求。準連續(xù)波的自由跳頻可在多個固定頻率上自由跳動。對單個發(fā)射和接收區(qū)間而言，雷達是在一個固定頻率上工作模式，其工作頻帶極窄。從傅里葉分析可知，持續(xù)時間有限的波束的電壓頻譜是眾所周知的sinx/x形式，其帶寬為1/T。由此可推導出準連續(xù)波帶寬為幾兆赫茲。一般濾波器帶寬都能達到幾兆赫茲。只要采用相同頻率的濾波器就能接收發(fā)射信號。采用多個與跳頻同頻的濾波器就能完全達到接收多個自由跳頻的目的。當天線發(fā)射出一固定頻率后同頻的濾波器開始工作，其余濾波器用數(shù)字控制系統(tǒng)予以關閉，這樣可以有效接收回波信號同時避免其余濾波器接收雜波和干擾信號。采用多濾波器跟蹤跳頻可以達到既接收寬頻信號同時又降低干擾影響的目的，是解決接收自由跳頻的極佳方法。

4 采用新技術提高雷達性能

(1) 雷達的發(fā)射系統(tǒng)實現(xiàn)固體化器件

準連續(xù)波雷達體系可以把功率的要求降低至幾瓦，目前先進固體高頻器件完全能實現(xiàn)發(fā)射固體化。

實施固體化發(fā)射信號，可以大大降低功率損耗，對雷達的預熱、散熱、冷卻的要求條件放寬，使發(fā)射分機小型化、安靜化。

實施固體化發(fā)射信號可以大大提高產品的可靠性。固體化器件具有高效率、低電壓、低損耗、低溫等優(yōu)勢，它的可靠性高達幾千到幾萬小時，比脈沖雷達的電真空器件提高了幾個等級。

(2) 采用數(shù)字化電路

雷達的偽隨機碼的產生、自由跳頻的選擇和跳頻跟蹤、雷達盲區(qū)的分段處理、濾波器件的處理、回波信號的累加處理，全都需要數(shù)字電路予以處理。數(shù)字電路具有工作穩(wěn)定、可靠性高、一致性好、互換性強、技術成熟、獲取器件簡便等優(yōu)點，在提高產品可靠性的同時可大大縮短雷達的研制周期。

(3) 采用計算機處理

準連續(xù)波偽隨機碼的貯存和判別、目標回波碼的處理和判別、各種數(shù)字電路之間的連接轉換都可以由計算機來完成。采用計算機處理，可以根據(jù)指揮中心要求及時處理錄取某一區(qū)域內的特定目標，并使雷達工作頻率避開干擾頻率。

5 結束語

準連續(xù)波雷達具有發(fā)射功率低、頻譜寬、信號復雜等優(yōu)點，并具有極好的隱蔽性、軍事對抗能力強、被截獲概率低、抗干擾能力強，以及工作穩(wěn)定、可靠性高、結構輕小簡便等特點。它能夠滿足潛艇雷達的發(fā)射功率小、被截獲的概率低的要求。

[1] 劉國歲，等.連續(xù)波雷達及其信號處理技術[J].現(xiàn)代雷達，1995(6).

[2] 低功耗反射式連續(xù)波雷達模擬源的設計[J].無線電工程,2006(5).

[3] 張可.準連續(xù)波雷達體制研究[D].西安電子科技大學，2005.

[4] 袁嗣杰，等.準連續(xù)波雷達數(shù)字信號處理系統(tǒng)[J].裝備指揮技術學院學報，2005(4).

Application of quasi-continuous wave radar in submarines

GONG Zhao-hui

(Equipment Procurement Center of Navy Armament Department, Beijing 100071)

The characteristics of three types of radar systems for the submarines are briefly introduced. The feasibility and technical difficulties of the quasi-continuous wave radar are analyzed. Finally, the development of the new technologies to improve the radar performances is discussed.

submarine; radar; continuous wave radar; quasi-continuous wave radar

2014-10-20

龔朝輝(1971-)，男，高級工程師，研究方向：雷達總體技術。

TN959.72

A

1009-0401(2014)04-0027-04