王曉科，馮周江

（上海機電工程研究所，上海 201109）

0 引言

低頻雷達主要指工作頻率在 VHF（30～300MHz）和 UHF（300～1 000MHz）頻段的雷達，對應(yīng)的工作波長相應(yīng)為（10～1m）和（1.0m～0.3m）。與微波頻段雷達相比，低頻雷達工作波長較長，天線單元間距較大，天線口徑相同時，低頻雷達的收發(fā)波束寬，測角精度差，同時低空區(qū)域由于波瓣打地，造成波瓣分裂嚴重、多路徑效應(yīng)明顯，幾乎無法測角。因此，現(xiàn)有的防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)中低頻雷達主要用于早期預(yù)警，跟蹤制導(dǎo)功能主要由微波頻段雷達完成。從現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢可知，以F-22為代表的隱身戰(zhàn)斗機、B-2為代表的隱身轟炸機以及隱身無人機等具有微波頻段較強隱身能力的目標(biāo)，將成為未來戰(zhàn)爭的主要威脅。這類目標(biāo)在S、C、X等頻段雷達中的散射截面積（RCS）約0.01m2，導(dǎo)致這些頻段制導(dǎo)雷達對隱身目標(biāo)的探測距離大幅下降，進而極大降低了武器系統(tǒng)對隱身目標(biāo)的攔截能力。以對常規(guī)飛機（RCS＝2m2）探測距離為200km的S波段雷達為例，其對隱身目標(biāo)的探測距離僅53km，計及系統(tǒng)反應(yīng)時間、導(dǎo)彈飛行時間等因素，此時武器系統(tǒng)對隱身飛機的攔截距離約20km，已基本喪失防空能力。

低頻雷達的工作波長接近隱身目標(biāo)整體或局部尺寸，可引起電磁諧振，使目標(biāo)形成較強散射回波，能有效對抗隱身目標(biāo)的外形隱身設(shè)計；工作頻率在吸波涂層有效頻段之外，低頻雷達能有效減少隱身目標(biāo)吸波材料對雷達電磁波的吸收，這些特性使低頻雷達對隱身目標(biāo)有較好的探測效果。國內(nèi)外的研究結(jié)果表明：相對微波頻段，在VHF，UHF頻段隱身飛機F-22的RCS將增大幾十甚至幾百倍，這證明了低頻雷達具備較強的反隱身能力［1－2］。

此外，為能精確追蹤目標(biāo)雷達，反輻射導(dǎo)彈天線口徑至少要大于1個雷達工作波長。對大波長的低頻雷達來說，很難有反輻射導(dǎo)彈的天線口徑與其波長相當(dāng)，致使反輻射導(dǎo)彈無法對低頻雷達實施精確定位與高精度制導(dǎo)。因此，低頻雷達還具有良好的對抗反輻射導(dǎo)彈的能力。

為有效應(yīng)對日益嚴峻的隱身目標(biāo)威脅，增強國土防衛(wèi)能力，防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)需配備低頻制導(dǎo)雷達，用以對隱身目標(biāo)進行遠距離精確跟蹤，引導(dǎo)導(dǎo)彈實施有效攔截。伴隨技術(shù)進步，雷達高精度測角、結(jié)構(gòu)集成優(yōu)化等技術(shù)的日益成熟，以及武器系統(tǒng)制導(dǎo)體制的優(yōu)化，低頻雷達作為制導(dǎo)雷達應(yīng)用于防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)將成為可能。本文對低頻制導(dǎo)雷達在防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)中的應(yīng)用進行了研究。

1 能力需求

制導(dǎo)雷達主要用于對來襲目標(biāo)進行穩(wěn)定連續(xù)跟蹤，為武器系統(tǒng)提供目標(biāo)位置、速度等運動參數(shù)，以引導(dǎo)導(dǎo)彈對目標(biāo)實施攔截。如欲將低頻雷達作為跟蹤制導(dǎo)雷達應(yīng)用于防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)，須滿足武器系統(tǒng)對目標(biāo)遠程精確殺傷、抗飽和攻擊能力強和機動能力良好三項要求。為此，低頻制導(dǎo)雷達應(yīng)具備以下能力。

a）高精度測角、遠距離探測

為滿足武器系統(tǒng)對目標(biāo)的遠距離高精度殺傷要求，低頻制導(dǎo)雷達的測量精度應(yīng)為0.2°～0.3°，才能保證高概率的中末制導(dǎo)交班，保證導(dǎo)彈武器系統(tǒng)對目標(biāo)的殺傷概率。

此外，隱身作戰(zhàn)飛機主要作戰(zhàn)樣式是發(fā)射遠程精確制導(dǎo)彈藥打擊重要軍事設(shè)施。研究分析表明，目前隱身飛機攜帶的空地導(dǎo)彈射程絕大部分小于110km，為在隱身飛機投彈前將其摧毀，考慮系統(tǒng)反應(yīng)時間、導(dǎo)彈飛行時間等因素，低頻制導(dǎo)雷達對隱身飛機的跟蹤距離至少應(yīng)為200km。

b）多目標(biāo)、抗干擾

為滿足武器系統(tǒng)抗飽和攻擊要求，低頻制導(dǎo)雷達須具備多目標(biāo)能力。根據(jù)隱身飛機作戰(zhàn)樣式，低頻制導(dǎo)雷達至少在以高數(shù)據(jù)率跟蹤6～8批目標(biāo)的同時，還要能以低數(shù)據(jù)率跟蹤6～8批。同時，低頻制導(dǎo)雷達還須具備干擾源被動定位、干擾對消、自適應(yīng)變頻等干擾對抗能力，以提高武器系統(tǒng)的戰(zhàn)場生存能力。

c）自動展開／撤收

防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)作戰(zhàn)使命通常為要地及野戰(zhàn)防空，這要求武器系統(tǒng)各作戰(zhàn)車輛具備一定的機動能力以滿足武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)準(zhǔn)備時間、運輸和作戰(zhàn)使用靈活等要求。低頻制導(dǎo)雷達由于天線口徑較大（8～10m），為滿足機動能力要求，須具備自動展開、架設(shè)和撤收的能力。

2 關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)上述能力需求，結(jié)合目前的研究成果，低頻制導(dǎo)雷達須解決高精度測角、數(shù)字T／R組件和自動展開撤收三項關(guān)鍵技術(shù)。關(guān)鍵技術(shù)的解決，要兼顧雷達掃描體制的可實現(xiàn)性、提高測量精度的有效性及大容量高速率數(shù)據(jù)傳輸處理的可行性等因素，力求達到雷達總體性能的最佳化和性價比最優(yōu)化。

2.1 高精度測角

低頻雷達受波長長、天線尺寸和架高有限等因素的制約，天線波束寬度寬、角度分辨力差，更重要的是低空區(qū)域地（海）面反射嚴重，多徑效應(yīng)明顯，使雷達難以測量目標(biāo)俯仰角度。對波束寬度約6°的低頻雷達來說，常規(guī)的單脈沖比幅／比相測角技術(shù)的測角精度最高可達0.4°，無法滿足武器系統(tǒng)對目標(biāo)遠距離的精確跟蹤制導(dǎo)要求。因此，低頻雷達的高精度測角技術(shù)尤其是低仰角區(qū)域的高精度測量技術(shù)，是低頻制導(dǎo)雷達的核心關(guān)鍵技術(shù)。該技術(shù)需通過有效的超分辨信號處理算法突破角度分辨力的瑞利極限，以提高低頻雷達的空間分辨力和角度估計精度［3］。

目前，雖有多種超分辨算法可用于雷達信號處理，但在實際復(fù)雜多變的多徑反射環(huán)境中，多種理論性能優(yōu)異的超分辨算法存在不易建模、不能定量描述的缺陷，很難在工程應(yīng)用中取得令人滿意的效果。

2.2 數(shù)字T／R組件

低頻雷達T／R組件間距大，輻射單元個數(shù)少，如不實現(xiàn)T／R組件的數(shù)字化很難形成多通道數(shù)字收發(fā)波束（DBF），不能有效地實現(xiàn)數(shù)字波束控制及能量管理，無法滿足武器系統(tǒng)對低頻制導(dǎo)雷達遠距離探測及大空域、多目標(biāo)和高數(shù)據(jù)率跟蹤制導(dǎo)等要求［4］。為此，需突破單個輻射單元的數(shù)字化技術(shù)，以形成盡可能多的數(shù)字化通道，通過數(shù)字化通道實現(xiàn)發(fā)射與接收信號形式的多樣化，完成波束的相位掃描、能量控制。

該技術(shù)從設(shè)備成本和數(shù)字化技術(shù)工程實現(xiàn)來說是可行的，但解決多通道定時和相位同步問題，以及保證雷達在惡劣電磁環(huán)境中正常工作是數(shù)字T／R組件設(shè)計的難點。

2.3 自動展開撤收

雷達的架設(shè)、運輸轉(zhuǎn)移能力是武器系統(tǒng)機動性的重要指標(biāo)。低頻雷達天線尺寸大，6°波束寬度的UHF頻段雷達展開后的天線尺寸約10m×10m，大尺寸天線陣面的展開撤收難度較大，其展開撤收時間直接關(guān)系武器系統(tǒng)的戰(zhàn)斗準(zhǔn)備時間，此外武器系統(tǒng)要求制導(dǎo)雷達須具備較高的機動性，能滿足鐵路、公路和航空的運輸要求。因此，低頻制導(dǎo)雷達需攻克大口徑天線自動展開、架設(shè)、折疊和撤收技術(shù)。

該技術(shù)需考慮天線陣面骨架和背架在工作狀態(tài)和運輸狀態(tài)下的應(yīng)力載荷以及天線陣面的安裝精度，使其能適應(yīng)各種惡劣環(huán)境的工作和運輸要求，同時要考慮天線輻射單元數(shù)選取、陣面分塊布局、運動機構(gòu)和傳動機構(gòu)的精度和剛度計算、伺服控制、總線排布等因素，是低頻制導(dǎo)雷達結(jié)構(gòu)設(shè)計的一項關(guān)鍵技術(shù)。

3 解決途徑

3.1 高精度測角技術(shù)

3.1.1 算法選擇

根據(jù)目前的研究現(xiàn)狀，超分辨算法通過對雷達回波數(shù)據(jù)進行多徑信號的去相干處理，能精確測量出目標(biāo)仰角，是突破低頻制導(dǎo)雷達高精度測角技術(shù)的有效途徑。

常用的超分辨算法主要有最大似然（ML）算法、空間平滑MUSIC算法和線性預(yù)測算法。為比較三種算法性能，進行了一組實驗對比，實驗條件為陣元24個；發(fā)射頻率262.5MHz；信號源2個（直達波信號＋多徑反射信號）；天線架高10m；目標(biāo)高度1 500m；目標(biāo)斜距100km；掃描范圍－5°～5°；信噪比0～20dB；地面反射系數(shù)0.9，統(tǒng)計100次（Monte-Carlo隨機產(chǎn)生），結(jié)果如圖1所示。由圖1可知：信噪比相同時，ML算法的測高精度高于空間平滑和線性預(yù)測算法，且隨信噪比增大，ML算法的測高精度提高明顯?；贛L算法的超分辨測角技術(shù)，理論上更適于低頻制導(dǎo)雷達。

圖1 三種超分辨算法性能Fig.1 Performance of three super-distinguish programs

3.1.2 工程實現(xiàn)

根據(jù)ML算法理論，低頻制導(dǎo)雷達可預(yù)先建模，算得不同目標(biāo)高度下雷達各陣列接收的信號模型，并將其作為參考向量。雷達實際工作時，將陣列實際接收的信號與參考向量進行匹配，通過比較匹配輸出估計目標(biāo)的真實高度。超分辨處理時，需將雷達陣面分為多個收發(fā)陣列（1，2，…，N），以形成接收目標(biāo)直射回波和地面反射回波的多個通道，如圖2所示。

圖2 超分辨測角工程原理Fig.2 Principle of angle measuring principle

3.1.3 工作流程

低頻制導(dǎo)雷達使用超分辨算法時，因信源數(shù)多、計算量大，數(shù)據(jù)處理延時大，故該算法不適于全程搜索跟蹤處理，而只對過雷達檢測門限的信號進行處理。其工作流程如圖3所示：雷達采集多路信號，經(jīng)模數(shù)變換放于緩存中，數(shù)據(jù)處理時先進行動目標(biāo)檢測等濾波處理，最后進行超分辨處理，以減少不必要的計算資源浪費。此外，進行平坦地形背景中的仰角超分辨處理時，可認為只有直達波和多徑（反射波）2個信源，對兩信號進行相關(guān)處理，可減小運算量；當(dāng)?shù)匦伪尘皬?fù)雜，直達波與多徑兩路信號關(guān)系不確定時，可通過多次迭代縮小搜索范圍的方式，降低運算量。

圖3 超分辨處理流程Fig.3 Flowchart of super-distinguish processing

3.1.4 實際效果

對低頻雷達超分辨測角技術(shù)展開了研究，進行了理論仿真和算法優(yōu)化改進，開展了包括淡水反射面、海水反射面、平坦陸地反射面、丘陵地帶、山區(qū)地形起伏大的山地反射面等多種戰(zhàn)地背景的試驗研究，獲得了不同陣地反射面條件下的測高數(shù)據(jù)，得到了多種基于地形匹配的超分辨測角算法模型。這些模型具備對不同地形的匹配性，能精確估計多徑環(huán)境中低仰角目標(biāo)的角度。根據(jù)目前的研究狀況可得到如下結(jié)論。

a）超分辨測角方法可有效克服地面多路徑效應(yīng)引起的測角誤差增大問題。當(dāng)信噪比約20dB時，測角精度可達1／15～1／20倍波束寬度；當(dāng)信噪比約30dB時，測角精度約為波束寬度的1／30。

b）超分辨測角方法存在低仰角限制區(qū)域，但低仰角限制區(qū)域遠小于常規(guī)測角方法。常規(guī)測角時，在1／2～1倍波束寬度以下的仰角區(qū)域，測角精度明顯變差；超分辨測角時，低仰角限制區(qū)域可壓縮至1／4～1／6倍波束寬度。

3.2 數(shù)字T／R組件技術(shù)

數(shù)字化T／R組件使每個單元可靈活地產(chǎn)生多種信號形式，實現(xiàn)數(shù)字移相，控制發(fā)射與接收波束進行相位掃描，真正實現(xiàn)波束形成和掃描的全數(shù)字化。每個組件的接收通道可直接進行射頻采樣，既能減少系統(tǒng)設(shè)備量、增加穩(wěn)定性，又可顯著提高多通道的一致性。

3.2.1 存在問題

數(shù)字組件技術(shù)的低頻雷達收發(fā)單元由天線、收發(fā)組件、前端數(shù)字單元等構(gòu)成。信號發(fā)射時，數(shù)字單元直接產(chǎn)生發(fā)射波形，經(jīng)射頻前端進行功率放大，再由天線發(fā)射；回波信號接收時，先經(jīng)天線進入低噪聲放大器，后進入數(shù)字單元的A／D采集后處理。各單元需同步工作，并通過調(diào)整相位差合成不同的波束指向。

天線單元的位置間隔通常為0.7倍波長。對波長在米級的低頻雷達來說，為滿足200km的探測要求，其陣面面積約100m2。在該幾何尺寸下，實現(xiàn)有源相控陣中各收發(fā)單元數(shù)據(jù)收集的難點有：數(shù)字T／R組件相位、頻率和幅值的高控制精度實現(xiàn)；數(shù)字T／R組件間的電磁兼容、輸出信號雜散、高低頻接地等；數(shù)據(jù)傳輸模式和接口設(shè)置；散熱。

3.2.2 解決方法

基于以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)互聯(lián)結(jié)構(gòu)及基于專用時鐘同步分發(fā)設(shè)備的同步方式，可有效解決低頻雷達數(shù)字T／R技術(shù)帶來的電磁兼容、信號雜散及高精度同步控制等難題，其原理如圖4所示。每個數(shù)字單元有1個標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)接口，通過CAT-5雙絞線連接到網(wǎng)絡(luò)交換機，主控計算機可通過網(wǎng)絡(luò)直接訪問到各數(shù)字單元，并與數(shù)字單元間傳輸數(shù)據(jù)。采用多級管理、網(wǎng)絡(luò)分層等方法，陣列規(guī)?？刹粩鄶U大；獨立于網(wǎng)絡(luò)之外的時鐘同步系統(tǒng)，由時鐘同步產(chǎn)生、分發(fā)設(shè)備和時鐘電纜構(gòu)成，主要用于實現(xiàn)各單元的相參工作。

圖4 基于數(shù)字T／R技術(shù)的雷達原理Fig.4 Principle of radar with digital T／R

此外，可通過電磁兼容設(shè)計消除數(shù)字T／R組件間的電磁干擾；大容量數(shù)字傳輸技術(shù)（光纖技術(shù)）和數(shù)據(jù)通信技術(shù)能實現(xiàn)數(shù)字T／R通道的接口和傳輸；大接觸面積的液冷技術(shù)可實現(xiàn)數(shù)字T／R組件的高效散熱。根據(jù)預(yù)研成果及部分樣機的試驗情況，低頻雷達的數(shù)字T／R組件技術(shù)較成熟，能實現(xiàn)T／R收發(fā)通道的數(shù)字化管理，實現(xiàn)雷達的相控陣波束控制，滿足系統(tǒng)對低頻制導(dǎo)雷達多目標(biāo)、抗干擾能力要求。

3.2.3 實際效果

某低頻雷達采用數(shù)字T／R組件技術(shù)后，由480個組件形成480個數(shù)字收發(fā)通道，具備對8批次隱身目標(biāo)8Hz數(shù)據(jù)率的跟蹤制導(dǎo)能力。此外，多數(shù)字收發(fā)通道可實現(xiàn)靈活的數(shù)字波束控制，干擾對抗的能力較強。

3.3 自動展開撤收技術(shù)

3.3.1 天線陣面骨架和背架

天線陣面骨架和背架是主要受力部位，在保證其足夠的剛強度條件下，應(yīng)盡量減小尺寸、減輕重量，以便于加工生產(chǎn)。結(jié)構(gòu)設(shè)計中，可進行充分的分析計算和三維建模仿真。相關(guān)研究結(jié)果表明：天線骨架可采用無縫鋼管桁架結(jié)構(gòu)，背架可采用高強度鋼板焊接的箱型結(jié)構(gòu)。

為滿足自動架設(shè)要求，陣面骨架和背架上應(yīng)設(shè)置傳動機構(gòu)安裝接口，接口位置和選型應(yīng)兼顧整體結(jié)構(gòu)完整、機構(gòu)運動流暢，避免產(chǎn)生應(yīng)力過度集中現(xiàn)象。

合理分塊設(shè)計天線輻射單元布局，在不破壞陣面骨架和背架整體力學(xué)性能的前提下，綜合考慮運輸載荷、運輸尺寸界限、機構(gòu)運動流暢、運動中剛度、再定位精度、鎖定、便于加工生產(chǎn)等因素。

3.3.2 各類運動機構(gòu)

大陣面的傳動機構(gòu)較多，運動機構(gòu)選擇、傳動比確定、剛強度和運動精度分析都需保證陣面骨架和背架的整體力學(xué)性能不被破壞，同時兼顧運動方式、運動行程、重量、可靠性、維修性等因素；應(yīng)根據(jù)運動關(guān)系、空間位置、運輸尺寸界限，統(tǒng)一布置各機構(gòu)的位置和接口，統(tǒng)一分配、確定各機構(gòu)的傳動比和傳動精度。

合理可靠的運動機構(gòu)，還要保證系統(tǒng)的可靠性、維修性，以及人員設(shè)備的安全性。

3.3.3 伺服控制系統(tǒng)

伺服控制系統(tǒng)主要實現(xiàn)天線車的調(diào)平、天線升舉和方位旋轉(zhuǎn)控制。伺服控制精度直接關(guān)系雷達的測量精度。因此，伺服控制系統(tǒng)設(shè)計中須關(guān)注精度設(shè)計，合理分配調(diào)平傳感器精度、撐腿的步距精度、結(jié)構(gòu)安裝誤差，以及傳感器校準(zhǔn)精度，使其滿足指標(biāo)要求。

天線舉升可采用液壓驅(qū)動，由絕對式編碼器保證定位，結(jié)合制造精度和液壓控制精度，可滿足俯仰定位要求；天線方位旋轉(zhuǎn)可由大功率伺服電機驅(qū)動，采用多位絕對式編碼器作為位置精度反饋元件，組成位置閉環(huán)控制系統(tǒng)，保證天線方位控制精度。

3.3.4 實際效果

某低頻雷達天線口徑寬8m×高10m，厚150～300mm，采用上述結(jié)構(gòu)設(shè)計方案后，其天線折疊展開如圖5所示。其陣面分成5塊，通過傳動機構(gòu)可進行兩次折疊。該雷達全陣面折疊／展開過程小于10min，整車的架設(shè)撤收時間小于20min，能滿足防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的基本要求。

圖5 天線陣面折疊示意Fig.5 Sketch of antenna transforming

4 結(jié)束語

本文對低頻制導(dǎo)雷達在防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)中的應(yīng)用進行了研究。為實現(xiàn)低頻雷達跟蹤對目標(biāo)的遠距離精確跟蹤，需解決高精度測角、數(shù)字T／R組件和大型天線自動展開撤收等關(guān)鍵技術(shù)。在相應(yīng)關(guān)鍵技術(shù)取得突破，具備工程應(yīng)用條件時，低頻制導(dǎo)雷達可用于防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)對隱身目標(biāo)實施遠距離精確跟蹤，引導(dǎo)導(dǎo)彈對其實施攔截。

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