基于GEO SAR 輻射的星機協(xié)同融合探測系統(tǒng)*

袁 昊，陳峰峰，張廣磊

（1.中國航空工業(yè)集團有限公司，北京 100028；2.中國航空工業(yè)集團公司雷華電子技術(shù)研究所，江蘇 無錫 214063）

0 引言

隨著隱身技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，飛機、導(dǎo)彈、艦船等作戰(zhàn)對象的隱身性能不斷提高，與同類未采取隱身措施的目標相比，其RCS 數(shù)十乃至上百倍地降低，單站雷達由于觀測視角單一、功率孔徑資源有限，很難進一步提高對隱身目標的探測能力［1］。多基協(xié)同探測可利用空間分集特性、RCS 閃爍特性、信息融合增益等不同維度的信息，大幅提升對隱身目標的探測能力［2］。但多機協(xié)同探測系統(tǒng)的輻射源依舊在編隊之中，載機需主動輻射信號，在實際戰(zhàn)場環(huán)境中易被敵方偵測并干擾，難以實現(xiàn)真正意義上的隱蔽探測，生存能力較差，給隱身平臺之間的對抗帶來隱患。

基于地球同步軌道合成孔徑雷達（GEO SAR）輻射，機載雷達被動接收的星機雙基系統(tǒng)是提升機載平臺生存能力，提高隱身目標探測性能的有效技術(shù)途徑。1997 年，Guttrich 等人通過系統(tǒng)參數(shù)、信噪比和成像可行性等研究，證實了GEO 星機雙基SAR 的可行性［3］，在NASA 的支持下，美國的噴氣推進實驗室在GEO SAR 同步軌道系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用方面取得了重要成果［4］。國內(nèi)方面，哈爾濱工業(yè)大學(xué)在GEO 星機雙基探測系統(tǒng)的雙基平臺構(gòu)型、合成孔徑時間等方向做了研究［5］，電子科技大學(xué)的孫稚超在其博士論文中詳細介紹了基于GEO 輻射源的星機SAR 成像理論與方法［6］，北京理工大學(xué)提出了一種基于GEO SAR 編隊飛行的動目標檢測算法［7］，中科院電子所在GEO SAR 觀測特性、成像及回波仿真等方向做了研究［8-9］。可以發(fā)現(xiàn)，當前星機系統(tǒng)局限于GEO SAR 輻射，單個機載平臺接收無法獲得多個機載平臺帶來的融合處理增益，對隱身目標的探測能力有待提升。

為了進一步提升機載平臺對隱身目標的探測能力，本文提出基于GEO SAR 照射、多個機載平臺接收的星機雷達協(xié)同融合探測系統(tǒng)。該方法將GEO SAR 與機載平臺相結(jié)合，不僅吸收了GEO SAR 生存能力強、覆蓋范圍廣、照射時間長、不受地物遮擋影響的優(yōu)勢，而且保留了機載平臺空間分辨率高、構(gòu)型靈活、融合探測的特點，尤其可以實現(xiàn)機載平臺的隱蔽探測，具備極強的抗隱身、抗被動定位、抗電子干擾、抗低空突防能力，極大提升機載雷達的生存能力，為完成對空探測與偵查監(jiān)視提供了新的技術(shù)手段。

1 基于GEO SAR 的星機協(xié)同融合探測系統(tǒng)

1.1 作戰(zhàn)場景及優(yōu)勢分析

GEO SAR 軌道高，具有生存能力強、覆蓋范圍廣、照射時間長、不受地物遮擋的優(yōu)勢，利用GEO 輻射源信號可對空中目標進行檢測、定位和跟蹤，實現(xiàn)對空中目標的隱蔽探測，如圖1 所示。當衛(wèi)星電磁信號輻射到目標后，目標會向各方向散射電磁信號。多個機載平臺可收到衛(wèi)星的直達波信號和空中目標反射的衛(wèi)星電磁信號，可得到空中目標精確的雙基距離和雙基速度等信息，實現(xiàn)對目標的探測。通過多個機載雷達數(shù)據(jù)進行融合處理，可獲得多平臺融合收益［10］。由于機載平臺只負責接收，可以實現(xiàn)電子靜默甚至隱身突襲，不易被敵方偵察干擾，大大提升了載機平臺的生存能力和作戰(zhàn)性能。主要優(yōu)勢有：

圖1 作戰(zhàn)場景示意圖

1）可實現(xiàn)飛機平臺隱蔽探測，生存力高；

2）可獲取星機雙基RCS 增益，反隱身潛力大；

3）空中多平臺接收，融合增益進一步提升隱身目標探測距離。

1.2 星機雙基協(xié)同探測性能分析

在星機協(xié)同探測體系中，GEO SAR 衛(wèi)星向作戰(zhàn)空間輻射電磁信號，機載平臺可接收到衛(wèi)星信號照射到目標后的散射信號。因此，可利用雙基雷達方程分析星機協(xié)同探測威力。雙基雷達方程表示為

1.3 星機多基協(xié)同融合探測性能分析

面對隱身目標探測需求，多機協(xié)同融合探測進一步提升雷達對隱身目標的探測威力［11-12］。采用衛(wèi)星發(fā)射多機載平臺接收模式，多個機載平臺可以利用不同維度（空間、時間、頻率和能量）信息提升目標RCS 空間閃爍增益以及雙基RCS 增益；另一方面，通過融合算法對多平臺雷達數(shù)據(jù)進行信息融合處理，獲得融合增益，進而大幅提升隱身目標的探測距離。

假設(shè)不同角度上目標服從Swerling II 模型，第i個平臺的信號在兩種假設(shè)下的形式為：

2 仿真驗證

本文以GEO SAR 衛(wèi)星照射、空中雙平臺接收系統(tǒng)為例，分析基于星機協(xié)同的多基雷達融合探測系統(tǒng)的性能。仿真試驗主要包括星機雙基隱身目標RCS 增益、星機雙基協(xié)同探測威力、星機多基協(xié)同融合探測性能。表1 給出了星機協(xié)同探測系統(tǒng)的仿真參數(shù)。

表1 仿真參數(shù)表

2.1 仿真試驗1：星機雙基隱身目標RCS 增益

隱身飛機低RCS 是針對單向觀測雷達設(shè)計，采用星發(fā)機收雙基模式，機載平臺接收從目標背部入射的衛(wèi)星信號。下頁圖2 給出了典型角度關(guān)系下F-22 目標模型的單/雙基RCS 仿真結(jié)果，考慮到對抗態(tài)勢下隱身戰(zhàn)機的低RCS 威脅主要集中在前向范圍，此處僅給出前向方位±60°范圍內(nèi)的仿真結(jié)果。分析可見，衛(wèi)星-目標-載機之間的夾角Ω 越大，雙基RCS 優(yōu)勢越明顯。當Ω 超過90°時，雙基RCS 提升平均達10 dB 以上；而Ω 小于30°時，雙基RCS 提升收益不明顯，某些姿態(tài)角下甚至弱于單機探測RCS?？梢缘玫揭韵陆Y(jié)論：采用星機雙基協(xié)同探測，在大的雙基角度下，鼻椎方向可獲取比單基更大的目標RCS，從而提升對隱身目標的探測能力；如果雙方都采用隱身戰(zhàn)機，只要GEO SAR 選擇合適的占位（例如Ω=150°），就能只對我方戰(zhàn)機的反隱身探測能力有顯著增強，而對手卻無法利用該天基信號源提高反隱身能力。

圖2 RCS 示意圖

2.2 仿真試驗2：星機雙基協(xié)同探測威力

目標檢測概率與觀測信號的信噪比有關(guān)，而信噪比與目標位置和接收平臺的相對位置有關(guān)，因此，作戰(zhàn)空間不同位置可計算出不同的檢測概率。圖3 給出了星機雙基雷達在作戰(zhàn)空間的檢測概率等高線圖，圖中每一條線表示在某一檢測概率下機載雷達的探測范圍。在目標檢測概率為0.5 時，能夠?qū)崿F(xiàn)200 km 的最遠探測距離，滿足作戰(zhàn)空間內(nèi)對隱身目標的探測需求。

圖3 星機雙基雷達檢測概率等高線

2.3 仿真實驗3：星機多基協(xié)同融合探測性能

采用衛(wèi)星發(fā)射多機載平臺接收模式，多個機載平臺通過信息融合，獲得融合增益，進一步提高隱身目標的探測距離。

圖4 分析了判決級融合反隱身增程探測能力。圖中，假設(shè)各平臺觀測目標信噪比相等，目標可檢測概率為PD=0.5，虛警概率設(shè)置為10-3。可以看出，隨著信噪比的增加，目標檢測概率越大，在檢測概率為0.5 時，單個機載雷達需要的SNR 為9.52 dB，兩個機載雷達協(xié)同融合探測需要的SNR 為7.15 dB，信噪比改善2.37 dB。

圖4 相同SNR 下的融合探測性能

實際上，在多機載雷達進行融合探測時，不同平臺獲取目標的能量不同，信噪比也不同。信噪比與目標不同方向的RCS 大小、目標與觀測平臺相對位置等因素有關(guān)。下頁圖5（a）～（c）給出了在不同基線長度下，兩個機載雷達平臺協(xié)同探測威力范圍?？梢钥闯?，隨著兩個雷達基線長度的增大，其融合探測能力逐漸變小。這是因為當?shù)蚐NR 與高SNR數(shù)據(jù)進行融合時信噪比可能會有一定的損失，使得有些區(qū)域融合探測距離比單個機載雷達探測距離要小。

圖5 星機雷達協(xié)同融合探測威力圖

3 結(jié)論

針對隱身目標探測問題，本文研究了基于GEO SAR 衛(wèi)星發(fā)射，多個空中平臺接收的多基雷達協(xié)同融合探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)在隱身目標探測方面具有獨特優(yōu)勢，可獲取目標RCS 空間閃爍增益、雙基RCS增益以及融合增益，同時具有隱蔽探測、生存能力強、覆蓋范圍廣等優(yōu)點。通過理論分析和仿真驗證，基于GEO SAR 衛(wèi)星照射、多機載平臺接收的多基雷達協(xié)同融合探測系統(tǒng)可提高隱身目標探測能力。在全靜默預(yù)警探測、隱身對抗等高威脅環(huán)境下，該探測系統(tǒng)具有重大的應(yīng)用潛力。