沙文浩，姜秋喜，潘繼飛，劉 鑫

(解放軍電子工程學(xué)院，安徽 合肥 230037)

網(wǎng)絡(luò)雷達(dá)對抗系統(tǒng)反隱身有源檢測模型

沙文浩，姜秋喜，潘繼飛，劉 鑫

(解放軍電子工程學(xué)院，安徽合肥230037)

針對傳統(tǒng)雷達(dá)檢測模型反隱身存在的角度信息丟失和探測精度不高的問題，提出了網(wǎng)絡(luò)雷達(dá)對抗系統(tǒng)有源工作模式下的信號檢測模型。該模型結(jié)合了單基地-雙基地等效原理及RCS簡化模型，從單脈沖檢測和非相參積累檢測兩個(gè)方面分別計(jì)算得到了單通道和綜合檢測概率。仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)雷達(dá)檢測模型相比，網(wǎng)絡(luò)雷達(dá)對抗系統(tǒng)有源檢測模型反隱身效果更好，性能更優(yōu)。

網(wǎng)絡(luò)雷達(dá)對抗系統(tǒng)；反隱身；檢測模型；有源工作模式；非相參脈沖積累

0 引言

隨著第四代戰(zhàn)機(jī)陸續(xù)列裝使用，隱身性能已成為衡量戰(zhàn)機(jī)作戰(zhàn)能力的重要指標(biāo)，隱身技術(shù)的不斷發(fā)展革新也給現(xiàn)代雷達(dá)探測帶來了極大的威脅和嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1]。盡管近年來雷達(dá)系統(tǒng)取得了較大發(fā)展，但是對于隱身目標(biāo)的探測仍局限于單基地雷達(dá)以及對其進(jìn)行簡單的組網(wǎng)方式[2]。通過上述檢測模型，每部雷達(dá)只能提供唯一的視角，造成目標(biāo)多個(gè)角度上的信息丟失，進(jìn)而導(dǎo)致雷達(dá)對隱身目標(biāo)的探測能力較差，很難實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的航跡跟蹤[3]。

網(wǎng)絡(luò)雷達(dá)對抗系統(tǒng)[4](NRCS)將異地分散配置的多部發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和網(wǎng)絡(luò)中心站通過一定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議組成一個(gè)協(xié)同工作的系統(tǒng)，采用分布式布站方式，接收到目標(biāo)多角度的回波信息，是一個(gè)功能完備的一體化電子信息系統(tǒng)。與此同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中心站將各收發(fā)單元獲取的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行集中處理，通過大量冗余數(shù)據(jù)挖掘出目標(biāo)的作戰(zhàn)參數(shù)、武器平臺等相關(guān)信息，為指揮員決策提供了可靠依據(jù)。文獻(xiàn)[5]介紹了雷達(dá)隱身與反隱身技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，對米波雷達(dá)、毫米波雷達(dá)、雙基地雷達(dá)、組網(wǎng)雷達(dá)、無源雷達(dá)等常規(guī)雷達(dá)系統(tǒng)的反隱身性能及優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對比。文獻(xiàn)[6]研究了雙基地雷達(dá)對隱身目標(biāo)的跟蹤探測技術(shù)，在一定的探測角度下實(shí)現(xiàn)了較好的效果，但反隱身能力有限，對隱身目標(biāo)的跟蹤精度不高。文獻(xiàn)[7]分析了低頻超寬帶雷達(dá)對隱身目標(biāo)的探測性能，具有一定的反隱身能力，但發(fā)射脈沖極窄，且占空比小，平均功率低，難以在強(qiáng)背景雜波和噪聲中對小目標(biāo)進(jìn)行檢測。本文針對傳統(tǒng)雷達(dá)檢測模型反隱身存在的問題，提出并建立了網(wǎng)絡(luò)雷達(dá)對抗系統(tǒng)有源工作模式下的信號檢測模型，有效提高了系統(tǒng)對隱身目標(biāo)的檢測能力。

1 檢測模型

1.1 信號模型

NRCS有源工作模式將多部發(fā)射機(jī)和接收機(jī)進(jìn)行異地分散部署，接收站通過對回波信號進(jìn)行匹配濾波后提取每組收發(fā)通道信號，在網(wǎng)絡(luò)中心站的統(tǒng)一控制和綜合處理下將所有的檢測結(jié)果進(jìn)行融合，得到系統(tǒng)綜合檢測模型。有源檢測時(shí)系統(tǒng)主要有三種工作模式，分別為一發(fā)多收(SIMO)、多發(fā)一收(MISO)以及多發(fā)多收(MIMO)模式。上述工作模式需滿足系統(tǒng)各發(fā)射站和接收站在頻域、時(shí)域和相位上完全同步，即NRCS有源工作模式是一個(gè)全相參系統(tǒng)。一般情況下，我們作如下假設(shè)：NRCS系統(tǒng)配置發(fā)射站和接收站數(shù)量分別為M和N，各站密切協(xié)同、相互配合，且每個(gè)接收站可以接收到系統(tǒng)所有發(fā)射站的回波信號。為方便研究，本文僅考慮多發(fā)多收模式，NRCS有源工作模式示意圖如圖1所示。

如圖1所示，T1，T2表示發(fā)射站；R1，R2表示接收站；C表示網(wǎng)絡(luò)中心站；S1，S2表示發(fā)射信號。

由于隱身目標(biāo)RCS較小，不易被雷達(dá)發(fā)現(xiàn)，與普通目標(biāo)相比，其RCS為普通目標(biāo)的幾十至幾百分之一，故可將其視為點(diǎn)目標(biāo)。為更好地發(fā)揮NRCS的探測性能，系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)在部署時(shí)往往需滿足分集條件，各站可以接收到目標(biāo)不同方位的回波，所得到的獨(dú)立角度采樣提供了對目標(biāo)RCS的空間分集增益[8]?？紤]到隱身目標(biāo)RCS動(dòng)態(tài)起伏特性較為復(fù)雜，而在某一時(shí)刻特定方位上的RCS可近似認(rèn)為是常量，故本文在此條件下對目標(biāo)檢測模型進(jìn)行簡化，對簡化后的目標(biāo)RCS及系統(tǒng)反隱身性能進(jìn)行了進(jìn)一步分析。

收發(fā)檢測單元雷達(dá)方程[9]：

(1)

下面的討論作出如下假設(shè)：各發(fā)射站發(fā)射功率、頻率相同，接收機(jī)噪聲為零均值高斯白噪聲，GT(m),GR(n),L均為常量，各收發(fā)站與目標(biāo)之間的距離不變(即考慮某一時(shí)刻信號模型)，隱身目標(biāo)RCS在一定的觀測角度范圍是固定值。

此時(shí)，可得到NRCS第n個(gè)接收機(jī)接受到第m個(gè)發(fā)射站的信號為(不考慮雜波)：

rmn(t)=H0/1αm,n(σ)sm(t-τm,n)+nm(t)

(2)

其中，H0/1為目標(biāo)是否存在的判決準(zhǔn)則，sm表示第m個(gè)發(fā)射站的發(fā)射信號，n(t)表示噪聲信號；τm,n表示第m個(gè)發(fā)射站發(fā)射信號經(jīng)目標(biāo)反射至第n個(gè)接收站接收的延時(shí)。αm,n(σ)是目標(biāo)散射復(fù)增益，表征各節(jié)點(diǎn)雷達(dá)方程，RCS分布以及相移參數(shù)，可如下表示：

(3)

其中，Rm,n表示信號從發(fā)射到接收傳播的距離，即Rm,n=Rtm+Rrn。

綜上可得到NRCS有源檢測信號模型為：

(4)

每個(gè)接收站能夠接收到多個(gè)發(fā)射站的回波信號，可通過匹配濾波將每個(gè)信號單獨(dú)的提取出來。如圖2所示。

接收機(jī)的匹配輸出可以表示成接收信號與發(fā)射波形互相關(guān)的結(jié)果[9]，表示如下：

(5)

其中，Rh(t)為sm的自相關(guān)函數(shù)，Rm,h(t)為sm與sh的互相關(guān)函數(shù)，nh,n(t)表示第n個(gè)接收機(jī)的第h個(gè)匹配濾波器總的輸入噪聲信號。從上式可以看出，要對各發(fā)射站的信號進(jìn)行分離，需采用低互相關(guān)碼發(fā)射信號。然而，針對該問題的研究目前仍存在許多困難，為方便研究，本文認(rèn)為發(fā)射的各波形相互正交。

綜上所述，NRCS信號矩陣可用矩陣X來表示[10]：

X=[x11…x1Mx21…x2M…xN1…xNM]T

(6)

其中，T為矩陣轉(zhuǎn)置。

1.2 等效模型

雷達(dá)散射截面積(RCS)不僅是表征目標(biāo)雷達(dá)特性的一個(gè)重要指標(biāo)，也是衡量目標(biāo)散射信號能力的一個(gè)定量特性。

根據(jù)定義可得，隱身目標(biāo)的RCS可用電場強(qiáng)度來表示[11]：

(7)

式中，Ein是目標(biāo)上的入射平面波的電場強(qiáng)度；Er是在遠(yuǎn)距離接收點(diǎn)上接收天線優(yōu)選極化的電場強(qiáng)度，R是離接收站的目標(biāo)距離。當(dāng)R比目標(biāo)尺寸大得多時(shí)，式子右邊方程的符號“近似等于”(≈)可用“=”代替。該定義對單基地和雙基地雷達(dá)RCS都成立。

NRCS工作在有源探測模式時(shí)，發(fā)射站和接收站空間分開，可對隱身目標(biāo)進(jìn)行分布式多方位照射，此時(shí)目標(biāo)的RCS也會隨著入射角度的變化發(fā)生變化。

文獻(xiàn)[12]分別給出了點(diǎn)目標(biāo)相對于單基地和雙基地雷達(dá)的RCS，可表示成以下形式：

(8)

(9)

式中，σm為點(diǎn)目標(biāo)對單基地雷達(dá)的RCS，目標(biāo)表面上的任意一點(diǎn)由矢量ρ確定半徑，在這里視其為單位向量，r和rb分別為目標(biāo)到單基地和雙基地雷達(dá)接收站的方向向量，βb為雙基地角。

圖4中，坐標(biāo)系的原點(diǎn)為隱身目標(biāo)的中心，T、R分別代表發(fā)射站和接收站，Sinc和Stg為發(fā)射信號和經(jīng)目標(biāo)散射后的回波信號流，βb為雙基地角，δβ為雙基地角平分線與目標(biāo)正前方的夾角。

θm,n/(°)01836547590106150170σ/m20.020.0250.0180.110.920.320.130.08隱身效果/dB1917239647813

通過圖6的測試結(jié)果可以看出，從隱身目標(biāo)不同角度進(jìn)行照射時(shí)，目標(biāo)RCS存在較大的起伏和差異，但處于一定角度范圍內(nèi)的RCS變化不大，且在一固定的范圍內(nèi)上下波動(dòng)。因此，使用表1中各劃分區(qū)域內(nèi)RCS的平均值進(jìn)行等效的方法是可行的，并在下文仿真分析中得到具體運(yùn)用。

2 目標(biāo)檢測

2.1 單通道檢測

2.1.1單脈沖檢測

假設(shè)發(fā)射站發(fā)射脈沖信號，則每個(gè)通道單元的信號可表示[16-17]為：

s(t)=Acos(ωct+θ)

(10)

(11)

由上述公式確實(shí)的門限為：

(12)

則可得到檢測概率[18]為：

(13)

(14)

2.1.2非相參脈沖積累檢測

當(dāng)脈沖積累數(shù)np>1時(shí)，對于非起伏隱身目標(biāo)，檢測概率可使用Gram-Charlier級數(shù)[18]來計(jì)算：

(15)

其中，系數(shù)C3、C4、C6以及變量V分別為：

通過上述計(jì)算便可以得到非相參脈沖積累條件下，NRCS單通道檢測概率與SNR的關(guān)系。

2.2 綜合檢測

NRCS反隱身的一個(gè)重要特點(diǎn)就是可以利用分散配置的多組收發(fā)單元實(shí)現(xiàn)空域的多重覆蓋，多部發(fā)射站可從不同角度對空域內(nèi)同一目標(biāo)進(jìn)行觀測，具有一定的區(qū)域覆蓋重疊系數(shù)，得到更為詳細(xì)的目標(biāo)信息，進(jìn)而有效提升了系統(tǒng)的反隱身能力。

區(qū)域覆蓋重疊系數(shù)可定義為NRCS責(zé)任區(qū)域內(nèi)雷達(dá)探測區(qū)域范圍與整個(gè)責(zé)任區(qū)域面積的比值，即

(16)

其中，Aij表示第i部發(fā)射機(jī)與第j部接收機(jī)組成的收發(fā)單元的探測區(qū)域面積(m2)，A0表示NRCS責(zé)任覆蓋區(qū)域面積(m2)。明顯可以看出，要實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的可靠探測，需滿足Co>1。而且隨著Co的增大，則會有兩個(gè)以上單元的覆蓋區(qū)重疊。此時(shí)，NRCS的探測密度越大，目標(biāo)發(fā)現(xiàn)概率越高。

(17)

(18)

3 仿真試驗(yàn)

試驗(yàn)1：假定虛警概率為10-10，各收發(fā)站在時(shí)間、空間、極化上同步，信號發(fā)射功率為1.5 kW，發(fā)射站和接收站增益為45 dB，收發(fā)通道數(shù)分別為2,3,4，系統(tǒng)工作在單脈沖檢測和非相參脈沖積累檢測時(shí)的SNR與檢測概率的關(guān)系如圖7所示，其中M、N分別表示發(fā)射站和接收站的部署數(shù)量，np代表脈沖積累數(shù)，研究網(wǎng)絡(luò)雷達(dá)對抗系統(tǒng)脈沖積累數(shù)和收發(fā)通道數(shù)對檢測性能的影響，根據(jù)仿真分析可得到如下結(jié)論。

試驗(yàn)結(jié)果：由圖7分析可知，對于M通道的網(wǎng)絡(luò)雷達(dá)對抗系統(tǒng)，當(dāng)np個(gè)脈沖非相參積累時(shí)，將給定虛警概率Pfa獲得系統(tǒng)規(guī)定的檢測概率PD所要求的SNR，用(SNR)NCI表示，則(SNR)NCI=(SNR)1×I(np)，其中I(np)>1為積累改善因子，且隨著脈沖數(shù)的增加而增大。從上式可以看出，非相參脈沖積累檢測時(shí)，單個(gè)脈沖的SNR小于系統(tǒng)檢測需要的SNR，且脈沖積累數(shù)越多，單個(gè)脈沖所需SNR越小，檢測性能越好。

另外，隨著收發(fā)通道數(shù)的增多，單個(gè)收發(fā)單元對于系統(tǒng)檢測性能的影響減小，脈沖積累對于系統(tǒng)檢測性能的影響也隨之下降，故可通過多站部署來提升系統(tǒng)的檢測效率和檢測性能。值得說明的是，由于隱身目標(biāo)RCS較小，且隨著飛機(jī)姿態(tài)角的變化而實(shí)時(shí)變化，故在檢測時(shí)要獲得數(shù)值大的脈沖數(shù)較為困難。上述特點(diǎn)表明，通過適當(dāng)增加收發(fā)通道數(shù)目可實(shí)現(xiàn)在積累數(shù)較低時(shí)滿足隱身目標(biāo)探測的需要。

試驗(yàn)2：假定虛警概率為10-10，發(fā)射站和接收站參數(shù)與試驗(yàn)1中相同，收發(fā)通道數(shù)分別為2,3,4，研究網(wǎng)絡(luò)雷達(dá)對抗系統(tǒng)在單脈沖條件下收發(fā)單通道檢測與系統(tǒng)綜合檢測性能的比較，如圖8、圖9所示；研究系統(tǒng)收發(fā)節(jié)點(diǎn)數(shù)對檢測性能的影響，如圖10所示。根據(jù)仿真分析可得到如下結(jié)論。

試驗(yàn)結(jié)果：由圖8、圖9分析可得，脈沖積累數(shù)一定時(shí)，由于系統(tǒng)綜合檢測融合了各收發(fā)通道的角度信息，通過數(shù)據(jù)融合和多站工作的冗余度提高了對目標(biāo)的探測性能，故系統(tǒng)綜合檢測性能優(yōu)于任一收發(fā)通道的檢測性能。

由圖10可知，隨著收發(fā)節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，系統(tǒng)工作的冗余度增加，檢測性能得到相應(yīng)提升，故通過增加收發(fā)通道部署數(shù)量可以極大地提升系統(tǒng)檢測性能。

試驗(yàn)3：假定虛警概率為10-10，發(fā)射站和接收站參數(shù)同上，M=N=4，研究網(wǎng)絡(luò)雷達(dá)對抗系統(tǒng)在單脈沖檢測條件下，當(dāng)檢測節(jié)點(diǎn)數(shù)相同時(shí)，系統(tǒng)綜合檢測與單基地雷達(dá)、雙基地雷達(dá)以及組網(wǎng)雷達(dá)反隱身檢測的性能比較，如圖11所示。根據(jù)仿真分析可得到如下結(jié)論。

試驗(yàn)結(jié)果：由圖11可知，在單脈沖檢測條件下，與其他雷達(dá)檢測模型相比，網(wǎng)絡(luò)雷達(dá)對抗系統(tǒng)可從多角度、多方位對隱身目標(biāo)進(jìn)行探測，獲取目標(biāo)角度信息更為全面。通過不同體制雷達(dá)SNR與檢測概率的關(guān)系仿真可以得出，若檢測概率達(dá)到90%時(shí)為可靠檢測，則網(wǎng)絡(luò)雷達(dá)對抗系統(tǒng)可靠檢測所需的信噪比最小，系統(tǒng)反隱身探測性能最好。同理可得，組網(wǎng)雷達(dá)檢測性能次之，雙基地雷達(dá)和單基地雷達(dá)的反隱身探測效果較差。

4 結(jié)論

本文提出了網(wǎng)絡(luò)雷達(dá)對抗系統(tǒng)有源工作模式下的信號檢測模型。該模型結(jié)合了單基地-雙基地等效原理及RCS簡化模型，從單脈沖檢測和非相參積累檢測兩個(gè)方面分別計(jì)算得到了單通道和綜合檢測概率。仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)雷達(dá)檢測模型相比，網(wǎng)絡(luò)雷達(dá)對抗系統(tǒng)有源檢測模型反隱身效果更好，性能更優(yōu)。且脈沖積累數(shù)越大，收發(fā)通道數(shù)越多反隱身效果越明顯。下一步的研究方向是有源無源一體化檢測模型以及不同布站形式對檢測性能的影響，這將為系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供更全面的理論依據(jù)。

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ActiveDetectionModelforNetworkRadarCountermeasureSystem

SHA Wenhao, JIANG Qiuxi, PAN Jifei, LIU Xin

(Institute of Electronic Engineering of PLA, Hefei 230037, China)

Aiming at the problem of angle information losing and low detection precision in anti-stealth detection of traditional radar detection models, an active signal detection model of network radar countermeasure system was proposed. On the basis of this model, the single channel and the integrated detection probability were calculated from the single pulse detection and the non-coherent accumulation detection, respectively, based on the single base-bistatic equivalent principle and RCS simplified model. Simulation results showed that, by comparing with the traditional radar detection model, the performance of anti-stealth active radar detection system was better.

NRCS; anti-stealth; detection model; active working mode; non-coherent pulse accumulation

2017-03-21

國防預(yù)研基金項(xiàng)目資助(41101020207)

沙文浩(1993—)，男，回族，山東淄博人，碩士研究生，研究方向：網(wǎng)絡(luò)雷達(dá)對抗系統(tǒng)。E-mail:451168331@qq.com。

TN974

A

1008-1194(2017)05-0102-07