DBF體制偵察系統(tǒng)對相控陣雷達平均截獲時間估計

李 艇,趙 泉,柴 恒

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所,江蘇 揚州 225101)

0 引言

為提高生存能力,現(xiàn)代雷達輻射源重點發(fā)展低截獲能力。傳統(tǒng)雷達采用高峰值功率窄脈寬波形獲得較遠的探測距離和良好的距離分辨率,而現(xiàn)代雷達則采用如下技術(shù)手段:

(1) 低副瓣天線

機載雷達低副瓣天線不僅可以獲得低截獲能力,還能夠抵制地雜波的影響,提升雷達獲得下視能力。圖1為低副瓣天線方向圖。

圖1 低副瓣天線方向圖

(2) 大脈寬、低峰值功率波形

雷達大脈寬低峰值功率波形如圖2所示。

圖2 大脈寬低峰值功率波形示意圖

雷達采用具有超寬帶的寬帶調(diào)制波形。典型脈內(nèi)瞬時帶寬達到100 MHz,其頻譜如圖3所示。脈沖壓縮的處理增益達到37.5 dB。

圖3 大帶寬波形

(3) 功率管理

功率管理技術(shù)一般應(yīng)用在隱身技術(shù)中。當(dāng)雷達截獲目標后,隨即根據(jù)測量的目標距離及目標上電子情報設(shè)備及告警設(shè)備的靈敏度降低輻射功率,使得偵察設(shè)備無法截獲其高價值目標模式。

通過上述技術(shù)的組合,偵察系統(tǒng)為完成對低截獲概率雷達的截獲偵收,靈敏度相對于傳統(tǒng)的偵察系統(tǒng)提高40 dB以上。因此新體制的偵察系統(tǒng)一般采用相控陣天線加數(shù)字波束形成的方案獲得靈敏度的提高。數(shù)字波束形成(DBF)受限于數(shù)字采樣技術(shù)和大規(guī)模波束形成的算力需求,帶寬受限。

在DBF瞬時帶寬受限條件下,本文分析了偵察系統(tǒng)截獲概率的主要影響因素和解析計算方法,并對不同駐留時間對相控陣體制雷達的平均截獲時間進行了仿真。

1 偵察系統(tǒng)截獲的分析域

在做截獲分析時,可以從空域、頻域和時域3個方面進行。只有3個域同時滿足截獲條件才能實現(xiàn)輻射源的截獲。截獲類型及與偵察機及雷達輻射源的活動關(guān)系如表1所示。

表1 截獲類型

常規(guī)的偵察系統(tǒng)可以通過多面陣覆蓋全空域范圍,由于采用DBF 體制,因此可以實現(xiàn)對雷達旁瓣的截獲,默認空域全截獲,因而空域無窗口函數(shù)。

在頻域,DBF 體制偵察系統(tǒng)帶寬受限,而當(dāng)前相控陣體制雷達頻率捷變已經(jīng)成為其常規(guī)抗干擾手段,因此頻域截獲具有2個窗口函數(shù)。

在時域,輻射源發(fā)射控制進行猝發(fā)工作是相控陣雷達頻率隱身的重要手段,采用一個窗口函數(shù)對其進行分析。最小截獲時間決定于分析的目的,對雷達輻射源進行截獲、測量、識別和規(guī)律統(tǒng)計等需要的最小截獲時間不同。本文分析了10 ms～10 s不同駐留時間對應(yīng)的平均截獲時間。少量的脈沖丟失不影響對輻射源的測量、識別等任務(wù),因此忽略丟失脈沖的影響。

2 平均截獲時間估計的數(shù)學(xué)模型

研究截獲問題的一個便捷方法是使用窗口函數(shù)表示偵察系統(tǒng)接收和雷達輻射源的活動。一個關(guān)鍵假設(shè)是窗口函數(shù)獨立。基本的窗口函數(shù)及其時間重疊如圖4所示,其中(1)表示雷達天線掃描活動;(2)表示偵察機天線掃描活動;(3)表示偵察機的頻域搜索活動;(4)表示雷達輻射源發(fā)射控制活動。

圖4 基本窗口函數(shù)及其時間重疊

在多窗口的情況下,偵察系統(tǒng)采用搜索駐留方式進行信號截獲。駐留時間為,平均截獲時間的公式如下:

式中:為窗口的個數(shù);T為窗口的周期;τ為窗口的寬度;為駐留時間。

3 截獲概率的同步效應(yīng)

傳統(tǒng)機械掃描雷達的轉(zhuǎn)速為3,6,9,10 r/s。顯然,一個具有相同轉(zhuǎn)速或者該轉(zhuǎn)速分數(shù)/倍數(shù)的偵察系統(tǒng)會遇到同步問題。雷達轉(zhuǎn)速與偵察系統(tǒng)轉(zhuǎn)速之比表示為周期比。在最壞的情況下,永遠不會出現(xiàn)窗口的重疊,即不會產(chǎn)生截獲。脈沖串的脈沖同步問題需要采用蒙特卡洛仿真的理論分析方法進行分析。對于脈沖串相位非隨機的情況,通過該蒙特卡洛仿真方法可以對截獲概率進行完整而準確的描述。通過掃描窗口的抖動機制可以消除截獲概率空間中的最差情況,獲得一種相對優(yōu)化的搜索策略。

4 典型目標仿真

針對典型機載相控陣雷達和地面多功能雷達,假設(shè)DBF的瞬時帶寬為500 MHz,頻率覆蓋為2～18 GHz,機載相控陣雷達的捷變帶寬為4 GHz,地面多功能雷達捷變帶寬為500 MHz,偵察系統(tǒng)的駐留時間為10 ms～10 s。典型截獲時間隨駐留時間的變化如圖5所示。

圖5 典型截獲時間隨駐留時間的變化

由圖5可以看出,在16 GHz范圍內(nèi)對典型目標進行截獲所需要的平均截獲時間非常大。因此在實際設(shè)計使用時,需要增加DBF 的瞬時頻率覆蓋,以降低截獲時間;并根據(jù)不同功能需求,靈活配置當(dāng)前的駐留時間,以優(yōu)化偵察系統(tǒng)的截獲性能。

5 結(jié)束語

本文針對DBF體制偵察系統(tǒng)對相控陣雷達的平均截獲時間進行了模型分析,并仿真計算了對典型目標的截獲時間。結(jié)果表明,大頻率覆蓋的條件下,所需要的截獲時間長,需要增加DBF 的瞬時頻率覆蓋,并根據(jù)功能需求靈活配置時間,以優(yōu)化偵察系統(tǒng)的整體性能。