新一代艦載反艦導彈搜索雷達技術

邱德厚

(中國電子科技集團公司第38研究所 合肥 230031)

0 引言

一直以來，海上艦船是維護國家和地區(qū)海洋主權的重要海上作戰(zhàn)平臺，通常具有較強的?？沾驌襞c防御能力。海上艦船面臨的最大威脅主要來自岸基、空中、水面、水下等武器平臺的反艦導彈的攻擊，反艦導彈具有飛行速度快、飛行高度低、隱身性能好等諸多特點?，F(xiàn)代海上艦船如何通過新技術提升本艦反導防御體系的整體性能，以免受來襲反艦導彈的攻擊成為一項重要的研究課題。艦載反導防御系統(tǒng)武器裝備構成復雜，反導搜索雷達是其免受導彈突襲的最后一道預警防線，要求能夠及早發(fā)現(xiàn)目標，提供較長的預警時間;具有較高的測量精度以及分辨識別能力，準確掌握來襲目標的屬性信息，為指控機構及時準確的作出戰(zhàn)術決策提供必要依據。

1 研究背景

1.1 反艦導彈的特性與威脅

反艦導彈是用于攻擊水面艦船的武器，它可以從多維作戰(zhàn)平臺發(fā)射，來攻擊敵方水面艦船。反艦導彈類型很多，按發(fā)射平臺可分為空艦導彈、艦艦導彈、潛艦導彈和岸艦導彈;按射程可分為近程導彈、中程導彈和遠程導彈;按導彈飛行剖面又可分為大攻擊角俯沖導彈和掠海飛行導彈［1］。現(xiàn)代海戰(zhàn)中，反艦導彈日趨成為一種最重要的進攻性武器，其反對抗能力也日益增強。因此需要更先進的電子對抗手段抑制和破壞反艦導彈的攻擊，提高水面艦艇的生存能力并最終奪取海戰(zhàn)的勝利，具有非常重要的戰(zhàn)術意義。

反艦導彈技術經過幾十年時間的快速發(fā)展，威力獲得了很大的提高。飛行速度越來越快，最大飛行速度已經達到幾倍音速以上;飛行高度越來越低，能夠貼著海面10m高度飛行;隱身外形以及隱身材料的廣泛運用，導彈的雷達截面積越來越小。反艦導彈的這些戰(zhàn)術特點無疑會給水面艦船的生存帶來巨大的威脅，對艦載反導防御系統(tǒng)提出了更高的要求，尤其要加強對新一代反艦導彈搜索雷達的研制，提高現(xiàn)代海上艦船的反導防御能力。

1.2 反導搜索雷達的技術現(xiàn)狀

1.2.1 數(shù)據更新率低

傳統(tǒng)艦載反導搜索雷達天線采用方位機械掃描工作方式，探測到目標時，需要經過多幀掃描，才能確認目標的存在;掃描速率受天線尺寸的限制，不能設計得太高，雷達總的數(shù)據更新率低。如反艦導彈飛行速度1000/s、高度10m，當艦載搜索雷達天線高度20m、數(shù)據率2s時，則搜索雷達最大探測視距31km，如果天線掃描三次確認才能確認目標，則此時導彈飛行距離已超過6000m，留給艦載防御武器系統(tǒng)的預警反應時間只有25s，不能滿足目標截獲、跟蹤與攔截的作戰(zhàn)要求。

1.2.2 海面多路徑效應影響探測性能

當艦載反導搜索雷達在探測海面及低空目標時，雷達發(fā)射的電磁波信號受到海面反射或散射影響，接收回波會產生嚴重的多路徑效應，這一現(xiàn)象將影響艦載反導搜索雷達對海面及低空目標的跟蹤與探測性能。海面多路徑效應對艦載反導搜索雷達探測性能的影響主要包括以下方面。

第一、海面多路徑效應會造成雷達天線波瓣分裂，出現(xiàn)雷達探測距離盲區(qū)，嚴重影響艦載反導搜索雷達的距離探測性能。

第二、仰角跟蹤測量不穩(wěn)定。除了艦載雷達的運動起伏特性影響外，雷達搜索波束照射到海面時，由于海面反射或散射，會形成不同角度、相互干涉的直射波和反射波，此時進入雷達接收機的目標回波幅度和相位信息不斷變化，即存在較大的測量誤差，該誤差會影響艦載反導搜索雷達對目標仰角方向跟蹤性能［2］。如果海上目標高度小于艦載反導搜索雷達俯仰波束寬度時，則海面多路徑效應會變得更加嚴重，出現(xiàn)回波閃爍和周期擺動，不能保證對海上及低空目標的正常探測和跟蹤。

第三、當海面多路徑效應時，會出現(xiàn)目標回波航跡跟蹤丟點。由于直射波與反射波的干涉性能會由于其間的相位差周期性變化。當二者相位相反時，則直射波與反射波相干在回波波谷位置，這時艦載反導搜索雷達接收機接收到的目標回波能量會最小，必然出現(xiàn)目標丟點，造成航跡跟蹤不連續(xù)。

因此，必須采取有效的措施克服海面多路徑效應對艦載反導搜索雷達的影響。

1.2.3 海雜波對目標檢測的影響

對于艦載反導搜索雷達來說，海表面對雷達發(fā)射信號的后向散射嚴重限制其對海面艦船、低空飛機、反艦導彈以及其他海洋表面目標的檢測，這些后向散射信號即為海雜波［3］。海雜波的特性異常復雜，受海洋多種復雜環(huán)境因素變化的影響，存在多種動態(tài)變化的面分布模型。

由于海雜波非平穩(wěn)的動態(tài)變化，海雜波回波會產生一定范圍的多普勒頻域帶寬;此外海面艦船處于運動作戰(zhàn)狀態(tài)，艦載雷達回波中還會出現(xiàn)一個多普勒頻移;還有海上慢速運動的小目標(比如:潛艇通氣孔、小舢板等雷達截面積小于5m2)回波的多普勒運動頻率近似海雜波的運動速度，難以通過動目標顯示或動目標檢測等處理技術實現(xiàn)目標與海雜波的區(qū)分。

傳統(tǒng)艦載雷達分辨率低，而且回波距離上分布著大量的高能量海尖峰雜波，此時的回波信雜比非常低，很難通過時間幅度檢測方式發(fā)現(xiàn)海上小目標，大大降低對強海雜波背景下的小目標檢測性能。

1.2.4 技術發(fā)展趨勢

研究先進的雷達技術體制，提高雷達數(shù)據更新率、增強系統(tǒng)反導預警時間;設計選擇合適的雷達工作頻率，減弱海面多路徑效應對目標探測的影響;應用高效的雷達信號處理與數(shù)據處理技術，提高強海雜波背景下的快速或慢速小目標探測性能，以上這些是艦載反導搜索雷達技術發(fā)展趨勢。

2 新一代艦載反導搜索雷達的技術特點

2.1 總體技術要求

艦載反導作戰(zhàn)反應時間是衡量艦載反導搜索雷達性能好壞的重要戰(zhàn)術指標，需要反導搜索雷達具有遠距離發(fā)現(xiàn)目標能力，抑制不規(guī)則運動海雜波和艦船自身運動補償，克服海面多徑效應造成的目標損失，雜波抑制及早實現(xiàn)來襲目標檢測，提高反導系統(tǒng)預警反應時間。對于新一代艦載反導搜索雷達的總體設計要求，具有先進的技術體制、優(yōu)良的低空探測性能、快速的目標檢測技術、完善的數(shù)據處理能力等等。

2.2 相控陣雷達技術體制

新一代艦載反導搜索雷達要求具有較快的目標數(shù)據更新率和較大對空探測威力，相控陣雷達就是不二的選擇。

相控陣雷達天線具備空間功率合成能力，得到較大功率孔徑積，具有較好的探測威力;采用電子掃描，對雷達能量進行管理，實現(xiàn)探測、搜索到跟蹤的快速轉換［4］;快速與靈活波束控制，適應不同作戰(zhàn)場景，滿足?？漳繕送瑫r探測的需要。

艦載反導搜索雷達發(fā)射DDS相控編碼、接收DBF，適應不同的作戰(zhàn)目的與目標測量要求;編碼精度高，相控速度快，角度精度高，能夠適于精確定位與反導作戰(zhàn)反應時間的要求。

2.3 優(yōu)良的低空探測性能

艦載反導搜索雷達用于搜索水面及低空來襲目標，要具有良好的低空探測性能。低空探測性能主要反映了雷達波束的低空覆蓋、測量精度、反雜波干擾等性能的高低。

圖1 艦載反導搜索雷達相控體制示意圖

雷達波束的低空覆蓋能力受波束物理空間指向覆蓋以及海面多徑反射的影響。相控方式能夠實現(xiàn)波束空間指向與覆蓋的靈活調整，波束調整示意如圖2所示。圖中虛線為波束指向調整1°，俯仰波束覆蓋情況。

由于海面多路徑效應形成的反射包括鏡面反射和漫反射，圖3所示為鏡面反射的幾何原理圖。

雷達接收回波包括4個部分:第一部分接收回波是雷達電磁波由路徑1直接照射到目標后，由目標處經路徑1直接反射的回波，表示為A1;第二部分接收回波是雷達電磁波由路徑1直接照射到目標后，由目標處返回并經海面反射的回波，即經路徑3和路徑2返回的回波，表示為A2;第三部分接收回波是雷達電磁波發(fā)射后經海面反射到目標，即經路徑2和路徑3，再由目標處經路徑1直接返回的回波，表示為A3;第四部分接收回波是雷達電磁波發(fā)射后經海面反射到目標，即經路徑2和路徑3，由目標處返回經水面反射的回波，即經路徑3和路徑2返回的回波，表示為A4。海面多路徑效應時，雷達接收回波為:

圖2 波束覆蓋指向圖

圖3 海面多路徑鏡面反射幾何原理圖

式中:p=ρe－jφ表示反射因子，是與經海面反射后的幅度ρ變化和相位φ變化相關的函數(shù)，而且與風浪、水的密度及含鹽分等自然因素有關;G表示發(fā)射天線、接收天線增益，增益的大小與目標偏離天線法向夾角的大小有關;E(t)表示在不同時刻時的信號幅度變化［5］。

由于海面多路徑效應的存在，引起第二、第三、第四部分回波的反射信號疊加到第一部分回波上，根本無法確定接收回波的幅相信息，造成雷達低角度測量誤差變大、仰角跟蹤性能下降與目標的丟失。此外隨著目標高度與距離的變化，鏡面反射信號又分為天線主瓣回波和副瓣回波。

為避免鏡面反射造成的多路徑影響，首先是使雷達距離分辨率大于直射波和一次反射波的波程差，就是減小發(fā)射脈寬或增加信號帶寬;第二就是選擇合適的工作頻率減弱多徑效應。較低頻率利于自由空間探測威力的提高，但不利于海面探測和角度分辨率的提高;而較高頻率(毫米波)受到雨水衰減和元器件適用性的影響大。

在相同的自由空間探測距離的情況下，由于雷達作用距離隨目標仰角的變化，海面反射使雷達的波瓣圖產生花瓣狀。當=0，π，2π...時，時，雷達不能發(fā)現(xiàn)目標，對于這樣的指向稱為雷達探測“盲區(qū)”。

如果出現(xiàn)仰角波束探測盲區(qū)使雷達不能連續(xù)發(fā)現(xiàn)目標，減少盲區(qū)影響的有效方法主要是采用短的工作波長，λ減小時波瓣數(shù)增多，當λ減小到厘米波時，海面反射接近于漫反射而不是鏡面反射，可忽略其反射波干涉的影響［6］。

圖4所示是S、C、X三個不同頻段雷達對海面目標探測時(假設海面起伏1m，雷達自由空間作用距離110km)，由于海面反射的影響其探測波瓣的表現(xiàn)情況。

通過對S、C、X頻段雷達海面探測波瓣圖的比較，可以得出較高頻段的C、X波段比S波段的海面多徑效應小，具有更好的探測波瓣，較少的波瓣分裂。因此新一代艦載反導搜索雷達探測海面和低空飛行目標時，考慮海面多徑效應對雷達作用距離和檢測性能的影響，選擇在較高的微波頻段工作。

2.4 先進的目標檢測技術

海上雜波環(huán)境復雜，尤其是海上低空監(jiān)視雷達通常要面對海面雜波、氣象雜波以及其他干擾的影響，使有用目標的檢測與分辨識別變得更加困難。如何通過現(xiàn)代雷達信號處理技術，實現(xiàn)各類型雜波背景下快速檢測目標成為艦載反導搜索雷達系統(tǒng)提高預警作戰(zhàn)反應時間的關鍵因素。

海雜波、云雨等氣象雜波均為動雜波，而反艦導彈多為低空飛行小目標，信號雜波比低，圖5所示為海雜波與氣象雜波中0.1m2低飛目標的探測性能與信雜比的關系。常規(guī)的動目標顯示(MTI)不能實現(xiàn)雜波抑制與目標檢測的要求。高重頻脈沖多普勒處理(PD)技術提高回波脈沖積累數(shù)量，增強回波能量，提高信雜比，能夠快速實現(xiàn)有用動目標的檢測;回波具有精確的多普勒頻率，具有較高的目標速度分辨率，減少了盲速對目標檢測的影響。圖6所示為PD情況下，雷達對海雜波和氣象雜波背景下的0.1m2低空飛行小目標的改善因子分析。

圖4 S、C、X波段雷達海面探測波瓣圖

經仿真分析和綜合計算，對應4級海情的海雜波和σv=4.0m/s云雨氣象雜波，新一代艦載反導搜索雷達的平均脈沖多普勒改善因子大于45dB，系統(tǒng)能夠有效抑制強海雜波、云雨等氣象雜波的干擾，實現(xiàn)雜波背景中低空高速小目標的檢測。

2.5 完善的數(shù)據處理能力

圖5 海雜波、氣象雜波中小目標探測SNR、CSR、CNR

圖6 海雜波、氣象雜波PD改善因子曲線

反艦導彈飛行速度快、飛行高度低、隱身性能好，在低俯沖角飛行情況完全借助海面雜波背景對雷達探測的影響，使雷達檢測概率大大降低。通常反導搜索雷達為保證回波信息的完整性，往往通過降低檢測輸出門限，降低畫面虛警數(shù)，采用人工判讀判別有用目標是否存在。隨著數(shù)字技術與軟件開發(fā)水平的不斷提高，運用檢測后信息數(shù)據處理，準確提取有用目標信息，減少虛報或誤報發(fā)生，使指揮員或機器實時準確的做出戰(zhàn)術指控，達到反導作戰(zhàn)能力的要求。先進的數(shù)據處理首先完成對檢測輸出信息的采集、分析、建模、仿真、比對等，通過先進的算法實現(xiàn)對弱信噪比、強雜波背景中的小運動目標回波信息的提取與顯示;同時應用速度補償技術修正由于平臺運動或目標位置變化產生的誤差，滿足艦載反導搜索雷達的作戰(zhàn)使用需求;另外通過數(shù)字濾波功能完成對剩余雜波點多的區(qū)域存在的有用目標提取。

3 結術語

在未來海戰(zhàn)中，要求艦載近程反導系統(tǒng)具有更長的作戰(zhàn)反應時間，更強的反導能力，這就要求艦載反導搜索雷達要有更遠的探測距離、更低的虛警率、更高的檢測概率，以保證對各類海戰(zhàn)場背景下的目標探測與跟蹤性能。近年來，隨著相控陣雷達技術的快速發(fā)展，實現(xiàn)艦載反導搜索雷達的遠距離探測、多目標跟蹤、高搜索數(shù)據率、自適應抗干擾、快速目標識別、高度可靠性與自動化水平，同時提高對目標的搜索、識別、截獲、跟蹤等一體化能力，必將使其在艦載反導防御系統(tǒng)中發(fā)揮更加重要的作用［7］。

［1］劉桐林.世界導彈大全［M］.北京:軍事科學出版社，1998.

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