艦載一體化雷達電子對抗系統(tǒng)無源偵察引導效能研究

王龍濤，姜　寧，戎　華

(海軍大連艦艇學院， 遼寧 大連　116018)

2013年10月下水的美國海軍DDG1000，列裝的多功能射頻系統(tǒng)(AMRFS)初步實現(xiàn)了雷達電子對抗的一體化集成及應用。艦載一體化雷達電子對抗系統(tǒng)，打破了傳統(tǒng)的雷達、電子偵察等各傳感器相互獨立的界限，將無源、有源探測信息進行統(tǒng)一處理，可充分發(fā)揮多設備協(xié)同工作的優(yōu)勢。射頻資源的統(tǒng)一處理、統(tǒng)一調度為一體化雷達電子對抗實現(xiàn)系統(tǒng)內信息融合、相互引導奠定了基礎[1]。

當前，針對艦載多傳感器協(xié)同使用的論文比較多，大多集中在協(xié)同使用技術以及傳感器關聯(lián)的相關算法上[2-3]，而從作戰(zhàn)使用的角度系統(tǒng)分析有源、無源探測系統(tǒng)協(xié)同、引導使用效能的論文較少，尤其是關于新型艦載一體化雷達電子對抗系統(tǒng)方面還未見相關報道，在此利用艦載一體化雷達電子對抗特點，對無源電子偵察引導雷達探測作戰(zhàn)效能進行研究，研究結果將會對艦載一體化雷達電子對抗系統(tǒng)資源調度、指揮決策具有借鑒指導意義。

1　艦載一體化雷達電子對抗系統(tǒng)

通過對國外艦載、機載一體化雷達電子對抗系統(tǒng)分析研究，典型的艦載一體化雷達電子對抗系統(tǒng)一般包括不同頻段的相控陣設備、無源電子偵察設備、干擾設備及相關的信息綜合處理、調度等設備，其中部分相控陣設備既可用于雷達有源探測，也可進行被動偵察，系統(tǒng)通過各傳感器獲取信息的綜合處理，實現(xiàn)各射頻資源的統(tǒng)一調度與應用[4]，可充分發(fā)揮多設備協(xié)同工作的優(yōu)勢，提供及時、準確、全面的空中及海上目標及電磁信息，通常可進行不同頻段各設備的引導探測，有源、無源探測的相互引導，異類傳感器的數(shù)據(jù)融合以及一體化電子對抗等，典型艦載一體化雷達電子對抗系統(tǒng)結構組成示意圖如圖1。

新型艦載傳感器普遍采用相控陣體制，相比傳統(tǒng)的ESM傳感器，采用相控陣體制的無源偵察系統(tǒng)既可以測量輻射源的方位角度信息，又能夠測量輻射源的俯仰角信息，對輻射源信號的偵察靈敏度更高、精確性更強[5]。通過無源探測引導雷達有源探測主要包括兩方面內容：一是無源探測引導方需向雷達有源探測提供預警目標的相關信息(目標方位、仰角等)；二是被引導的雷達傳感器需到指定的范圍內對指定目標進行搜索[6]。

2　無源探測引導概率

2.1　引導模型

(1)

(2)

由于無源探測系統(tǒng)給出了目標的方位和俯仰引導信息，在此基礎上雷達有源探測進行搜索的一般步驟是先選定一個方位角(俯仰角)，在俯仰角(方位角)方向上進行目標搜索，之后順序改變搜索角度，直到最終搜到目標。

假設俯仰角固定，在方位上搜索m個波位數(shù)，則搜索到目標(引導成功)的概率為

(3)

則俯仰角度上搜索n個波位數(shù)，其中每個俯仰角上水平方位方向搜索m個波位數(shù)，則搜索到目標(引導成功)的概率為

(4)

2.2　仿真計算

假設艦艇一體化雷達電子對抗有源雷達探測的方位波束寬度和俯仰波束寬度分別為：2°和1°，在水平方位和俯仰方向上的測角均方誤差均為1°和2°時，雷達有源探測在無源偵察引導下進行目標搜索，則不同的搜索波位數(shù)下，根據(jù)式(4)進行仿真計算，測角均方誤差分別為1°和2°時的引導成功概率如圖2、圖3，其中測角均方差為1°時的引導成功概率數(shù)據(jù)表如表1。

m 161718192021222324252627282930160．6850．7130．7390．7630．7850．8060．8240．8410．8570．8700．8830．8940．9030．9120．920170．6920．7200．7470．7710．7930．8140．8330．8500．8650．8790．8920．9030．9130．9210．929180．6970．7260．7520．7770．7990．8200．8390．8560．8720．8860．8980．9090．9190．9280．936190．7010．7300．7560．7810．8040．8250．8440．8610．8760．8910．9030．9140．9240．9330．941200．7040．7330．7590．7840．8070．8280．8470．8640．8800．8940．9070．9180．9280．9370．945210．7060．7350．7610．7860．8090．8300．8490．8670．8820．8960．9090．9200．9300．9390．947220．7070．7360．7630．7880．8110．8320．8510．8680．8840．8980．9110．9220．9320．9410．949230．7080．7370．7640．7890．8120．8330．8520．8690．8850．8990．9120．9230．9330．9420．950240．7080．7370．7640．7890．8120．8330．8530．8700．8860．9010．9130．9240．9340．9430．951250．7090．7380．7650．7900．8130．8340．8530．8710．8860．9010．9130．9250．9350．9440．952260．7090．7380．7650．7900．8130．8340．8530．8710．8870．9010．9140．9250．9350．9440．952270．7090．7380．7650．7900．8130．8340．8540．8710．8870．9010．9140．9250．9350．9440．952280．7090．7380．7650．7900．8130．8340．8540．8710．8870．9010．9140．9250．9350．9440．952290．7090．7380．7660．7900．8130．8350．8540．8710．8870．9010．9140．9250．9360．9450．952300．7090．7390．7660．7910．8140．8350．8540．8710．8870．9010．9140．9250．9360．9450．953

2.3　結果分析

1) 由仿真數(shù)據(jù)可以看出，測量均方誤差越大，在同等發(fā)射波位數(shù)下，引導成功概率越低，這與實際情況一致。

2) 根據(jù)表1數(shù)據(jù)可以看出，算例中，在無源電子偵察引導下，當有源雷達探測水平方向發(fā)射波位數(shù)為24，俯仰方向發(fā)射波位數(shù)為25時，引導成功概率可達90%，相比沒有目標輻射源方位和俯仰信息引導時，當雷達有源搜索以90%的概率發(fā)現(xiàn)目標，其探測范圍通常水平方位在-60°～60°，俯仰方向在30°內搜索，大約需要98×27個波束發(fā)射量，可以看出，無源電子偵察引導下的雷達有源探測，射頻資源節(jié)省量達到將近80%。因此，通過無源電子偵察引導雷達有源探測，可極大縮小雷達搜索空域，從而節(jié)約射頻資源和搜索時間。

3) 從圖2、圖3引導成功概率曲線可以看出，當水平和俯仰方向的波位數(shù)發(fā)射量越多，引導成功概率越大，發(fā)現(xiàn)輻射源目標的可能性越高，相應的搜索范圍也就越大，所用搜索時間和搜索資源也就越多，從圖形曲率可以看出，當發(fā)射波位數(shù)到達一定數(shù)量后，概率曲線變緩，也就意味著，此時以搜索扇面、搜索時間的增加來獲取目標發(fā)現(xiàn)概率增加(引導探測成功)的“效益值”開始降低，而同樣情況下，利用無源探測獲取的目標輻射源方位及高低角信息引導雷達搜索、探測，減小雷達探測空域，縮短探測時間，節(jié)約射頻探測資源，節(jié)約出的射頻資源可轉化為相控陣設備的相干積累下的脈沖積累數(shù)增加，可有效提升某一距離目標的發(fā)現(xiàn)概率，因此，在無源探測引導條件下，還需進一步計算，得出一個“最佳值”使得滿足一定目標發(fā)現(xiàn)概率的條件下搜索扇面最小，所用時間最短，從而使得引導探測效能增加，真正發(fā)揮艦載一體化雷達電子對抗系統(tǒng)的預警探測效能。

3　脈沖積累數(shù)影響的目標探測概率

3.1　數(shù)學模型

艦艇一體化雷達電子對抗系統(tǒng)，普遍采用相控陣體制，對于雷達有源探測來說，可在水平方位和俯仰方向上進行目標的電掃探測，在其一個波位駐留期間，發(fā)射的脈沖數(shù)為其可積累的脈沖數(shù)，積累方式為相干積累，脈沖積累數(shù)的多少，影響雷達有源探測的目標發(fā)現(xiàn)概率[8]，其中雷達照射運動目標時的發(fā)現(xiàn)概率計算公式如下所示：

(5)

其中：Pd為雷達對目標的發(fā)現(xiàn)概率，n是指一次掃描中的脈沖積累數(shù)，SN是指雷達接收的單個脈沖平均功率信噪比，y0表示虛警概率PF=10-6時的檢測門限，有

(6)

其中，雷達接收的單個脈沖平均功率信噪比SN計算方法如下：

(7)

式(7)中，Pt表示雷達發(fā)射功率，W；Gt表示雷達發(fā)射(接收)天線增益，倍；λ是指波長(m)；σ表示目標的雷達反射截面積(m2)；R表示雷達與目標之間的距離(km)；k表示玻爾茲曼常數(shù)；T是以絕對溫度表示的接收機噪聲溫度，式(7)中取kT=4×10-21W/Hz；Δfr表示雷達接收機帶寬(Hz)；F表示噪聲系數(shù)；L是指損耗因子。

考慮脈沖積累量的增加對雷達發(fā)現(xiàn)概率影響時，雷達發(fā)現(xiàn)概率的近似公式如下：

(8)

3.2　仿真計算

在本文2.2中仿真示例的基礎上，對脈沖積累數(shù)影響的目標探測概率進行仿真計算，假設艦載一體化雷達電子對抗中的雷達有源探測參數(shù)初始化如下：kT=4×10-21W/Hz；Δfr=1.2×106Hz；F=10；L=2；Pt=100 kW；Gt=40 dB；λ=0.06 m;σ=1 m2。則分別取探測距離分別為1～300 km和150～300 km進行仿真，則相應的探測概率圖如圖4、圖5。

3.3　結果分析

1) 從圖4可以看出，探測距離較近(80 km以內)時，脈沖積累數(shù)的增加對雷達的目標發(fā)現(xiàn)概率提升不明顯，主要原因在于探測距離較近時，雷達接收的單個脈沖平均功率信噪比較大，此時通過脈沖積累提升發(fā)現(xiàn)距離意義不大。

2) 從圖4和圖5可以看出，當目標探測距離過遠時(200 km以外)，脈沖積累數(shù)的增加對于雷達的目標發(fā)現(xiàn)概率提升同樣不明顯，主要原因在于此時雷達接收的單個脈沖平均功率信噪過小，僅僅通過增加脈沖積累數(shù)的增加來提升某一概率下的目標發(fā)現(xiàn)距離不現(xiàn)實。

3) 從圖5可以看出，針對某一型雷達的有源探測，針對一定反射面積的目標發(fā)現(xiàn)距離，僅當在雷達有源探測常規(guī)作用距離附近，可通過對相關方位目標的長時間掃描以增大脈沖積累數(shù)來提升一定發(fā)現(xiàn)概率條件下的目標發(fā)現(xiàn)距離。圖5中當雷達作用距離在50～200 km時，脈沖積累數(shù)對于同等發(fā)現(xiàn)概率條件下的目標發(fā)射距離提升明顯。

4) 根據(jù)整個仿真計算的結果可以看出，脈沖積累數(shù)與雷達目標的探測概率是在一定的作用區(qū)間上成正比關系，尤其是對于相干積累體制的雷達表現(xiàn)更突出，因此，指揮員在利用無源引導探測節(jié)約出的射頻資源時，必須考慮脈沖積累數(shù)轉化為探測效能的具體應用空間，才能真正發(fā)揮無源引導探測的最大效能。

3.4　效能優(yōu)化

結合2.3和3.3的仿真結果分析，可以看出，艦載一體化雷達電子對抗系統(tǒng)在相關戰(zhàn)技參數(shù)一定的情況下，針對具體的探測目標，在無源探測引導下，要想使得系統(tǒng)的整體探測效能最高，一是需要提高雷達有源探測在同等條件下的目標發(fā)現(xiàn)概率；二是需要盡可能的縮小探測空間，從而降低探測時間、節(jié)約射頻資源。而這兩方面恰恰是矛盾的，一方面要想雷達有源探測在同等條件下提高目標的發(fā)現(xiàn)概率，搜索扇面越大，搜索時間越長，則目標發(fā)現(xiàn)概率越高，而另一方面為了提高系統(tǒng)探測效能，又要求盡可能的算小探測空間，降低搜索時間，因此，為了使得在無源探測引導條件下的艦載一體化雷達電子對抗系統(tǒng)整體的探測效能最優(yōu)，需要在兩者之間找到平衡的滿意值。

以本文2.2節(jié)和3.2節(jié)中的仿真數(shù)據(jù)為例，無源電子偵察引導下雷達探測目標的引導成功率為95.3%時，雷達有源探測搜索空間內內需要大概30×30的波位數(shù)，當系統(tǒng)要求以90%的引導成功概率進行目標搜索時，波位數(shù)下降到24×25即可。假設此相控陣有源探測的脈沖積累數(shù)預置值為100，則此時的脈沖積累數(shù)增加量為100。根據(jù)3.2節(jié)的仿真數(shù)據(jù)可得出在有源探測不同距離時的目標發(fā)現(xiàn)概率的增加值，如圖6所示。

從圖6可以看出，搜索空間降低后增加的脈沖積累數(shù)使得雷達有源探測目標概率增加，尤其是在110～180 km這個區(qū)間段內，對目標的發(fā)現(xiàn)概率提升均在10%以上，這對于艦載一體化雷達電子對抗系統(tǒng)及時發(fā)現(xiàn)空中小目標具有重要戰(zhàn)術意義。

4　結論

艦載一體化雷達電子對抗系統(tǒng)將有源、無源等偵察探測手段進行一體化集成，對獲取信息進行一體化綜合處理與調度，為無源、有源探測綜合使用奠定了良好基礎。本文首先研究了無源電子偵察引導雷達有源探測的概率模型，并進行仿真，仿真結果表明：通過無源偵察引導，可有效提升雷達有源探測的目標發(fā)現(xiàn)概率，減小探測空間，減少探測時間，節(jié)約的射頻資源，可用于雷達脈沖積累數(shù)的增加；之后對脈沖積累數(shù)影響的目標探測概率進行建模仿真，得出了脈沖積累數(shù)的增加在雷達不同探測距離對目標發(fā)現(xiàn)概率的增加；最后綜合探測空間與脈沖積累數(shù)的辯證關系，進行了效能優(yōu)化仿真，仿真結果表明：通過無源探測偵察引導可有效提升系統(tǒng)對目標的發(fā)現(xiàn)概率，仿真數(shù)據(jù)和結論可作為艦載一體化雷達電子對抗系統(tǒng)射頻資源綜合調度的依據(jù)，對指揮員在進行預警探測時無源偵察引導有源探測手段的利用決策具有指導意義，下一步可就“無源偵察引導某一發(fā)現(xiàn)概率條件下的探測空間選定”等問題做進一步研究。

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