鄭守峰

(91851部隊(duì) 葫蘆島 125001)

基于雷達(dá)組網(wǎng)的隱身目標(biāo)探測(cè)技術(shù)研究

鄭守峰

(91851部隊(duì) 葫蘆島 125001)

隱身目標(biāo)的常規(guī)化、普及化對(duì)預(yù)警探測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅,從體系對(duì)抗的角度,研究了低RCS目標(biāo)的探測(cè)。論文提出了綜合應(yīng)用組網(wǎng)雷達(dá)系統(tǒng)、改善雷達(dá)檢測(cè)性能和多雷達(dá)航跡先于檢測(cè)等技術(shù)的反隱身方法,研究結(jié)果表明:這些技術(shù)的工程應(yīng)用,可近似抵消隱身目標(biāo)的RCS下降。

隱身目標(biāo); 組網(wǎng)雷達(dá)系統(tǒng); 視頻積累; 信號(hào)積累檢測(cè); 航跡先于檢測(cè)

Class Number TN95

1 引言

隱身目標(biāo)的常規(guī)化、普及化給獨(dú)立探測(cè)的單雷達(dá)系統(tǒng)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅,也給組網(wǎng)程度低、體系對(duì)抗能力弱、探測(cè)手段單一的情報(bào)雷達(dá)系統(tǒng)帶來(lái)了極大的壓力。如何針對(duì)隱身目標(biāo)不能全方位全頻段隱身的固有局限性,積極利用現(xiàn)役和在研雷達(dá)資源,研究反隱身技術(shù)途徑以應(yīng)對(duì)隱身目標(biāo)的挑戰(zhàn),已引起各級(jí)用戶和專家學(xué)者的廣泛關(guān)注。目前能夠?qū)崿F(xiàn)的反隱身技術(shù)手段主要有:

1) 體系對(duì)抗反隱身

改造提升現(xiàn)役雷達(dá)性能,適當(dāng)添加機(jī)動(dòng)性能好的現(xiàn)代化雷達(dá)構(gòu)成組網(wǎng)雷達(dá)系統(tǒng),初步形成體系對(duì)抗的網(wǎng)絡(luò),并進(jìn)一步研究體系對(duì)抗的各種措施,逐步形成能對(duì)隱身目標(biāo)進(jìn)行搜索、跟蹤的預(yù)警探測(cè)系統(tǒng)。

2) 頻域反隱身

用于隱身的吸波材料和吸波結(jié)構(gòu)主要對(duì)1GHz～20GHz頻段內(nèi)的電磁波產(chǎn)生作用,可采用工作頻率在此范圍以外的米波和毫米波雷達(dá),實(shí)現(xiàn)頻率上反隱身。

3) 改善檢測(cè)性能反隱身

在役和在研雷達(dá)檢測(cè)性能提高是反隱身的重要環(huán)節(jié),通過(guò)積累改善信噪比(SNR)、減小信號(hào)處理?yè)p失、降低檢測(cè)門(mén)限、實(shí)現(xiàn)多雷達(dá)掃描間檢測(cè)等都是提高低RCS目標(biāo)發(fā)現(xiàn)概率的有效手段。

已經(jīng)實(shí)現(xiàn)和正在研究中的其他反隱身方法和手段,如自適應(yīng)極化雷達(dá)、高空預(yù)警機(jī)等都可以歸于體系對(duì)抗,實(shí)際上反隱身手段應(yīng)該是各種方法的綜合應(yīng)用。任何一種成功設(shè)計(jì)的隱身目標(biāo)相對(duì)常規(guī)目標(biāo)來(lái)說(shuō),其本質(zhì)是減小了RCS,這給雷達(dá)檢測(cè)帶來(lái)了難度,解決低RCS目標(biāo)檢測(cè)的雷達(dá)設(shè)計(jì)應(yīng)引起高度重視。

本文解決隱身目標(biāo)探測(cè)的思路為

1) 按探測(cè)任務(wù)需求構(gòu)成組網(wǎng)雷達(dá)系統(tǒng),保證至少有一部雷達(dá)能夠?qū)娜魏畏较騺?lái)襲的隱身目標(biāo)在鼻錐方向的水平±45°,垂直±30°以外的區(qū)域進(jìn)行照射,形成多重覆蓋、多視角探測(cè)系統(tǒng);

2) 對(duì)現(xiàn)役雷達(dá)進(jìn)行相參和非相參積累改造,降低自動(dòng)檢測(cè)門(mén)限,提升其檢測(cè)性能,改善雷達(dá)對(duì)低RCS目標(biāo)檢測(cè)的靈敏度;

3) 采用多雷達(dá)航跡先于檢測(cè)技術(shù),合理提高各雷達(dá)的發(fā)現(xiàn)概率,利用多雷達(dá)掃描間的關(guān)聯(lián),濾除虛警及雜波,改善對(duì)目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)能力。

本文還分析了多雷達(dá)信號(hào)積累的可能性,分析結(jié)果認(rèn)為:多雷達(dá)信號(hào)非相參積累的SNR隨著積累數(shù)的增長(zhǎng)改善并不顯著,發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的能力提升有限;而相參積累的效果較好,特別是在超寬帶處理用于目標(biāo)識(shí)別方面的研究很有價(jià)值,但設(shè)備復(fù)雜度和技術(shù)難度都增大很多。文章最后得出結(jié)論:采用上述各種方法后,對(duì)隱身目標(biāo)的檢測(cè)性能接近隱身前水平。

2 組網(wǎng)雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路

2.1 組網(wǎng)雷達(dá)的反隱身性能

隱身飛機(jī)整形設(shè)計(jì)主要針對(duì)易受攻擊的正前方鼻錐方向的水平±45°,垂直±30°的單基地雷達(dá),在這個(gè)方向上目標(biāo)的雷達(dá)散射截面積(RCS)縮減了10dB～30dB;而在其他方向上的RCS減小不多,這種設(shè)計(jì)使得隱身飛機(jī)并非是完全“看不見(jiàn)的”,而是給雷達(dá)探測(cè)留有空間窗口;吸波材料涂層和吸波結(jié)構(gòu)主要對(duì)1GHz～20GHz頻段內(nèi)的微波發(fā)生作用,這種特點(diǎn)給雷達(dá)探測(cè)留下了頻率窗口。組網(wǎng)雷達(dá)系統(tǒng)正是利用這種原理,采用多雷達(dá)以不同頻率從不同角度照射隱身目標(biāo),使處于網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的隱身目標(biāo)可被多部雷達(dá)探測(cè)到,提高了雷達(dá)對(duì)隱身目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率。因此雷達(dá)組網(wǎng)是實(shí)現(xiàn)反隱身的有效途徑。

2.2 反隱身對(duì)組網(wǎng)雷達(dá)系統(tǒng)部署的要求

假設(shè)雷達(dá)網(wǎng)由N部雷達(dá)D1,D2,…,DN組成,對(duì)應(yīng)的工作頻率為(f1,f2,…,fN),以中心站為坐標(biāo)原點(diǎn),建立地面直角坐標(biāo)系,雷達(dá)部署位置分別為o1(x1,y1),o2(x2,y2),…,oN(xN,yN),目標(biāo)T的位置坐標(biāo)為oT(xT,yT),目標(biāo)飛行的航向?yàn)棣?,俯仰角為φ,如圖1所示。

其中θ1,θ2,…,θN分別為雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的照射角θi=θ(θ0,oi(xi,yi)),假設(shè)雷達(dá)i的目標(biāo)反射截面積為RCS(i),則有

RCS(i)=f(θ0,θi,φ,fi)

(1)

假設(shè)雷達(dá)i對(duì)目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率為Pd(i),則有

Pd(i)=g(θ0,θi,φ,fi,Ri)

(2)

其中:Ri為雷達(dá)i與目標(biāo)的距離,σ為目標(biāo)的RCS,由式(1)計(jì)算。

則雷達(dá)組網(wǎng)后對(duì)目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率為

=F(θ0,θi,φ,fi,Ri)

(3)

要使雷達(dá)網(wǎng)能發(fā)現(xiàn)其覆蓋范圍內(nèi)的任意位置出現(xiàn)的以任意方式飛行的隱身目標(biāo),即雷達(dá)網(wǎng)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)有目標(biāo)的飛行方式無(wú)關(guān),同時(shí)雷達(dá)網(wǎng)總至少有一部雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率大于發(fā)現(xiàn)概率的門(mén)限值δ,需滿足下面的條件：

(4)

如果式(4)有解,則通過(guò)資源的優(yōu)化配置可實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)任何方向來(lái)襲隱身目標(biāo)的探測(cè);如果式(4)無(wú)解,則不能直接通過(guò)現(xiàn)有雷達(dá)資源的配置達(dá)到全局最優(yōu)的反隱身效果,這種情況下,一方面在工程上,可以通過(guò)現(xiàn)有資源的合理配置,達(dá)到在現(xiàn)有資源條件下的局部最優(yōu)反隱身性能;另一方面由式(4)可以發(fā)現(xiàn),組網(wǎng)雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)隱身目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率受單雷達(dá)的檢測(cè)性能的制約,因此通過(guò)改善單雷達(dá)的檢測(cè)性能可以使組網(wǎng)雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)隱身目標(biāo)的探測(cè)能力進(jìn)一步提高。

3 改善單雷達(dá)的積累檢測(cè)性能

單雷達(dá)相參積累檢測(cè)方法很多,這里以動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(MTD)為例,處理示意如圖2所示。

圖2中對(duì)消處理能抑制固定雜波,并降低多普勒濾波所需的動(dòng)態(tài)范圍;多普勒濾波完成相參脈沖串的匹配濾波,利用回波脈沖的相參性而進(jìn)行相參積累;自適應(yīng)門(mén)限是由同一濾波器的左右相鄰16個(gè)距離單元輸出求和得到統(tǒng)計(jì)平均值,再由虛警概率的要求,將各個(gè)門(mén)限乘上相應(yīng)的常數(shù)而確定。零通道處理用于檢測(cè)切向運(yùn)動(dòng)目標(biāo),在動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)中用雜波圖作為門(mén)限來(lái)檢測(cè)零多普勒頻率的切向目標(biāo)。

動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度提高主要受積累單元數(shù)有限的自適應(yīng)門(mén)限的制約,帶來(lái)的積累檢測(cè)損失較大。為避免由此帶來(lái)的影響,工程設(shè)計(jì)采用由雜波圖選擇:雜波區(qū)選擇相參積累檢測(cè);其他區(qū)域選擇非相參積累檢測(cè)器。因?yàn)殡s波區(qū)離雷達(dá)較近,目標(biāo)信噪比較強(qiáng),對(duì)檢測(cè)器的靈敏度要求不是很苛刻;而非雜波區(qū)選用雙門(mén)限檢測(cè)器,典型代表為二進(jìn)制滑窗檢測(cè)器。這種檢測(cè)器電路簡(jiǎn)單,工程上易于實(shí)現(xiàn)且抗異步干擾性能好,但檢測(cè)損失比雙極點(diǎn)和最佳檢測(cè)器大2dB以上。為減小檢測(cè)損失,這里介紹一種工程上可以實(shí)現(xiàn)的視頻積累檢測(cè)器。

視頻積累屬于非相參積累,其實(shí)現(xiàn)原理為:對(duì)雷達(dá)探測(cè)的視頻回波信號(hào)采取多級(jí)存貯、逐級(jí)抽頭的方法實(shí)現(xiàn)信號(hào)延時(shí),延時(shí)的級(jí)數(shù)與積累次數(shù)相同,對(duì)逐級(jí)抽頭的信號(hào)按給定的權(quán)系數(shù)相乘并累加,則可實(shí)現(xiàn)積累。表達(dá)式為

(5)

式中:αi為權(quán)系數(shù),由雷達(dá)水平波瓣形狀決定;Tr為脈沖重復(fù)周期;N為3dB水平波瓣內(nèi)脈沖個(gè)數(shù);ui(t-iTr)為水平波瓣距離剖面的回波幅度值。

相關(guān)文獻(xiàn)[3～4]已證明:按上式完成的積累器,是視頻脈沖串的匹配濾波器。工程上為實(shí)現(xiàn)方便,一般近似取a1=a2=…=an=1。比按波瓣形狀產(chǎn)生加權(quán)系數(shù),積累損失增加了0.3dB左右,但降低了運(yùn)算的復(fù)雜度。

以積累器為核心構(gòu)成視頻積累自動(dòng)檢測(cè)器如圖3所示。

用視頻積累自動(dòng)檢測(cè)器改造雷達(dá)系統(tǒng)的雙門(mén)限二進(jìn)制滑窗檢測(cè)器,可改善對(duì)低RCS目標(biāo)和機(jī)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)性能,減小檢測(cè)損失2dB左右,相當(dāng)于雷達(dá)發(fā)現(xiàn)距離增加12%。

工程上,可把由虛警概率決定的自動(dòng)檢測(cè)門(mén)限VT設(shè)計(jì)成由數(shù)據(jù)處理設(shè)備或數(shù)據(jù)融合中心按需要調(diào)整,以便進(jìn)一步提高檢測(cè)概率。下面介紹的多雷達(dá)航跡先于檢測(cè)技術(shù),就是通過(guò)調(diào)整各雷達(dá)的自動(dòng)檢測(cè)門(mén)限改善對(duì)隱身目標(biāo)的檢測(cè)。

4 組網(wǎng)雷達(dá)航跡先于檢測(cè)技術(shù)

相參與非相參積累都只是解決單次掃描脈沖串之間的積累,利用多次掃描信息進(jìn)行幀間積累,降低對(duì)單次掃描SNR要求,可以改善低RCS目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)能力。在組網(wǎng)雷達(dá)系統(tǒng)可以使用航跡先于檢測(cè)(Trace Before Detection,TBD)技術(shù)實(shí)現(xiàn)掃描間積累。從關(guān)聯(lián)算法的角度來(lái)說(shuō),多雷達(dá)的TBD比單雷達(dá)TBD還容易實(shí)現(xiàn),因?yàn)槎嗬走_(dá)點(diǎn)跡數(shù)據(jù)率比單雷達(dá)的點(diǎn)跡數(shù)據(jù)率要高,所需關(guān)聯(lián)范圍小,點(diǎn)跡處理的復(fù)雜度要低一些。

單雷達(dá)TBD方法原理為:按前面介紹的視頻積累方法對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)進(jìn)行積累,由于參加積累的雷達(dá)視頻回波均為統(tǒng)計(jì)獨(dú)立,由中心極限定理知:積累的和信號(hào)概率密度函數(shù)接近正態(tài)分布[5]。假設(shè)積累后的變量為y,只有噪聲和信號(hào)加噪聲情況下的概率密度函數(shù)分別為P(y/0)、P(y/s),如圖4所示。

雷達(dá)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)按紐曼-皮爾遜準(zhǔn)則確定門(mén)限,即在給定的虛警概率下,按檢測(cè)概率最大設(shè)置自動(dòng)檢測(cè)門(mén)限。假設(shè)檢測(cè)門(mén)限為VT,這時(shí)虛警概率Pf與檢測(cè)概率Pd分別表示為

(6)

(7)

工程應(yīng)用中,一般按虛警概率Pf=10-6計(jì)算一定時(shí)間內(nèi)虛警的數(shù)目,調(diào)整門(mén)限VT使之符合虛警數(shù)要求,此時(shí)發(fā)現(xiàn)概率最大。TBD技術(shù)要求:在系統(tǒng)能夠承受并能處理的虛警范圍內(nèi),調(diào)整檢測(cè)門(mén)限VT,使檢測(cè)概率盡可能大,所產(chǎn)生的虛警通過(guò)幀間相關(guān)濾除,而目標(biāo)由幀間相關(guān)準(zhǔn)則M/N進(jìn)行檢測(cè)。

多雷達(dá)TBD技術(shù)為:按系統(tǒng)處理能力合理設(shè)計(jì)各雷達(dá)自動(dòng)檢測(cè)門(mén)限,按時(shí)間對(duì)點(diǎn)跡數(shù)據(jù)進(jìn)行排序,若對(duì)N次多雷達(dá)掃描,收到同一目標(biāo)的點(diǎn)跡為M次或M次以上,則判斷目標(biāo)存在并起始跟蹤。

在單雷達(dá)情況下,虛警概率可增大1～2個(gè)數(shù)量級(jí),考慮到虛警的隨機(jī)性,目標(biāo)在掃描之間的相關(guān)性,通過(guò)數(shù)據(jù)處理算法,可濾除虛警點(diǎn)跡。檢測(cè)門(mén)限越低,虛警越大,檢測(cè)概率越大,越有利于低RCS目標(biāo)的檢測(cè),但受通信鏈路的容量、點(diǎn)跡關(guān)聯(lián)處理復(fù)雜度限制。通過(guò)雷達(dá)目標(biāo)模擬器與數(shù)據(jù)處理設(shè)備的試驗(yàn)表明:在相同的檢測(cè)概率條件下,使用TBD方法,SNR的改善大于5dB。

通過(guò)分析:多雷達(dá)的TBD技術(shù)使用其總體效果應(yīng)優(yōu)于單雷達(dá)情況。工程實(shí)現(xiàn)主要難點(diǎn)為:時(shí)間基準(zhǔn)與點(diǎn)跡數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性;各雷達(dá)空間定位準(zhǔn)確度與坐標(biāo)變換誤差;各雷達(dá)的基準(zhǔn)正北和方位誤差的校正;各雷達(dá)系統(tǒng)誤差及校正;各雷達(dá)的天線抖動(dòng)誤差估計(jì)及校正等[6]。

5 組網(wǎng)雷達(dá)信號(hào)積累檢測(cè)

組網(wǎng)雷達(dá)信號(hào)積累分為相參與非相參兩種,積累的雷達(dá)方程為

(8)

式中:N為可同時(shí)照射目標(biāo)的雷達(dá)數(shù)目;M為雷達(dá)水平波瓣3dB寬度內(nèi)脈沖數(shù)目,這里假設(shè)N部雷達(dá)脈沖數(shù)目均相同;aij為由第i部雷達(dá)水平波束形狀決定的積累加權(quán)系數(shù);σi為第i部雷達(dá)從不同視角照射的目標(biāo)RCS;Ri為第i部雷達(dá)從不同視角觀測(cè)目標(biāo)的距離;Ki為單雷達(dá)方程中的其他參數(shù)。

由此看來(lái),用非相參積累來(lái)處理組網(wǎng)雷達(dá)信號(hào)積累檢測(cè),其效果不會(huì)隨脈沖數(shù)增加而明顯改善;而用相參積累來(lái)解決組網(wǎng)雷達(dá)信號(hào)集中檢測(cè)的工程應(yīng)用問(wèn)題,尚有不少難題需要解決[7]。故采用多雷達(dá)TBD技術(shù)實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)雷達(dá)的集中檢測(cè),應(yīng)是工程實(shí)現(xiàn)與實(shí)際效果方面的最佳折中方案。

6 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)有關(guān)資料[8～9],F-117A在前視方向的RCS下降約22dB,而其他方向平均下降低于9dB。組網(wǎng)雷達(dá)系統(tǒng)通過(guò)多角度的有效觀測(cè),實(shí)際上隱身目標(biāo)的RCS下降僅為9dB,經(jīng)采取改善單雷達(dá)積累檢測(cè)性能獲得2dB得益[10],組網(wǎng)雷達(dá)的TBD技術(shù)獲得5dB得益,累計(jì)隱身目標(biāo)的RCS僅下降2dB。因此,基于組網(wǎng)雷達(dá)系統(tǒng)、改善雷達(dá)檢測(cè)性能和多雷達(dá)航跡先于檢測(cè)等技術(shù)的綜合應(yīng)用,可近似抵消隱身技術(shù)的作用。

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Detection Technology for the Stealth Target Based on the Netted Radars System

ZHENG Shoufeng

(No. 91851 Troops of PLA, Huludao 125001)

As the routinization and diffusiveness of stealth targets brings serious threatening to the early warning detection system, the detection of low RCS targets will be studied from the aspect of system countermeasure. This paper brings forward the anti-stealth way that synthetically applies the technologies such as the netted radars system, improving the radar’s detection performance and multi-radar’s trace before detection. The analyses indicate that the engineering application of these technologies can almost counteract the RCS decline of the stealth targets.

stealth target, netted radars system, video accumulate, signal accumulate detection, trace before detection

2016年8月16日,

2016年9月23日

鄭守峰,男,助理工程師,研究方向:雷達(dá)工程及靶彈控制技術(shù)。

TN95

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.02.004