李健偉，劉 璘，吳宏超，呂亞昆

(空軍航空大學，長春 130022)

機載有源相控陣雷達給告警器帶來的威脅

李健偉，劉 璘，吳宏超，呂亞昆

(空軍航空大學，長春 130022)

介紹了機載有源相控陣雷達的工作原理，對其功率管理技術(shù)和使告警接收機失配技術(shù)的工作特點進行了深入的分析，并從雷達告警器的角度總結(jié)了其信號參數(shù)隨機化的特點，指明了目前雷達告警器無法有效告警此類信號的原因，最后給出了應(yīng)對策略，為下一步研制新型機載雷達告警器提供了借鑒。

機載有源相控陣雷達；功率管理；接收機失配；告警器

0 引 言

通過測量和分析照射到載機上的雷達信號，機載雷達告警器(Radar Warning Receiver)向飛行員提示威脅輻射源的方位、類型和工作狀態(tài)，以確保飛行員可以全面把握戰(zhàn)場態(tài)勢，及時發(fā)現(xiàn)敵方各種威脅，并采取相應(yīng)的保護措施[1]。機載雷達告警器在空戰(zhàn)時最為常見的作戰(zhàn)目標是機載火控雷達，能否對其進行有效的告警直接關(guān)系著未來空戰(zhàn)的勝負。隨著科技的發(fā)展，相控陣天線技術(shù)已成功地應(yīng)用于機載火控雷達。與傳統(tǒng)的機械式掃描雷達相比，機載有源相控陣火控雷達具有波束靈活可控、高輻射能量效率、高探測與跟蹤能力、高可靠性、低可截獲性等優(yōu)點[2]。目前，美國的四代機F-22和F-35配備的AN/APG-77 和AN/APG-81都是先進的有源相控陣雷達，大部分三代機也都由機械式掃描火控雷達升級為機載有源相控陣雷達[3]。因此，有必要對機載有源相控陣雷達工作特點及信號特點進行分析，為機載雷達告警器成功告警此類信號提供思路。文獻[4]簡要介紹了機載有源相控陣雷達的特征，并闡述了對截獲系統(tǒng)帶來的影響，但未從告警器的角度分析其工作特點和信號特點。因此，在分析機載有源相控陣雷達工作原理的基礎(chǔ)上，本文深入研究了機載有源相控陣雷達的工作特點及其信號特點，指出機載雷達告警器在告警此類信號時的不足，為下一步有效告警指明了方向。

1 機載有源相控陣雷達工作原理

相控陣天線由多個天線單元組成，通過改變每一天線單元通道傳輸信號的相位與幅度，改變相控陣列天線口徑照射函數(shù)，可以實現(xiàn)天線波束的快速掃描與形狀變化。

圖1所示為一個發(fā)射和接收共用的線性相控陣列天線。發(fā)射時，發(fā)射機輸出信號經(jīng)功率分配網(wǎng)絡(luò)分為N路信號，再經(jīng)移相器移相后送至每一個天線單元，向空中輻射，使天線波束指向預(yù)定方向；接收時，N個天線單元收到的回波信號分別通過移相器移相，經(jīng)功率相加網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)信號相加，然后送接收機。發(fā)射和接收信號的轉(zhuǎn)換依靠收發(fā)開關(guān)實現(xiàn)[5]。

圖2所示為一種典型的相控陣雷達組成方框圖，圖中相控陣天線為無源相控陣天線，收、發(fā)共用天線。除相控陣天線及其功率相加與分配網(wǎng)絡(luò)外，波束控制分系統(tǒng)及主控計算機是相控陣雷達所特有的。如果在每一個天線單元通道中接入有源部件，例如功率放大器、低噪聲放大器、混頻器與收/發(fā)轉(zhuǎn)換開關(guān)等電路，或接入將發(fā)射機、接收機、移相器和衰減器等集成在一起的發(fā)射/接收組件，則稱為有源相控陣天線。采用有源相控陣天線的雷達稱為有源相控陣雷達[6]。

圖1 相控陣雷達工作原理圖

圖2 典型的相控陣雷達組成方框圖

2 機載有源相控陣雷達特點分析

2.1 工作特點分析

2.1.1 功率管理

功率管理是指通過控制天線發(fā)射功率的能力，以限制功率使其恰好能滿足一定距離/雷達截面積條件下的探測需求[7]。功率管理技術(shù)主要包括以下幾種方式：

(1) 限制雷達開機時間

只要雷達開機，就有可能被告警接收機截獲，所以最有效的戰(zhàn)術(shù)是雷達根本不開機。實際上，機載有源相控陣雷達大部分時間處于不開機或猝發(fā)開機狀態(tài)。不過要想工作在這種狀態(tài)是要有前提的：執(zhí)行的任務(wù)對雷達隱身的要求大于雷達探測的要求或者雷達可以通過其他方式獲得戰(zhàn)場的態(tài)勢。在滿足這個前提時雷達可以保持不開機或猝發(fā)開機的狀態(tài)。當雷達不得不開機工作時，需要滿足以下條件：盡量利用外部信息，盡量增加兩次猝發(fā)工作的時間間隔，輻射功率要與武器需求相一致[7]。

(2) 采用超低副瓣天線

低副瓣天線是指副瓣電平低于-30 dB的天線，超低副瓣天線是指副瓣電平低于-40 dB的天線，目前最低的副瓣可以達到-60 dB。采用超低副瓣的天線會增加截獲接收機從副瓣截獲信號的難度。

(3) 無源探測裝備引導雷達探測

美國F-22的ALR-94已經(jīng)具備了這樣的能力：ALR-94在大約460 km，可以探測到敵方機載火控雷達的信號，可以實現(xiàn)高精度的單站快速無源定位，獲得距離信息，可用于引導雷達進行功率管理。使用無源探測裝備引導雷達探測的工作方式，不僅減少了隱身飛機被敵方截獲系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的概率，同時其探測距離相對有源探測方式大大提高[7]。

2.1.2 使截獲接收機失配

(1) 發(fā)射寬帶信號

雷達探測距離與距離分辨率是一對矛盾體，雷達設(shè)計師可以通過脈沖壓縮技術(shù)在提高探測距離的同時提高距離分辨力，而不用提高峰值功率。由于截獲接收機必須保證具有足夠小的頻率分辨力，當雷達信號瞬時帶寬超過截獲接收機的頻率分辨力時截獲接收機對雷達信號的失配變得嚴重。這將嚴重影響后續(xù)告警接收機對信號的截獲與檢測[8]。

對機載火控雷達,寬帶脈沖信號有如表1所示幾種形式[9]。

表1 寬帶脈沖信號

(2) 波形參數(shù)隨機化

機載有源相控陣雷達要對抗告警接收機的分選和識別過程，而這就要求在任何時候都需要最大的信號不確定性。目前，告警器主要是通過將接收信號的參數(shù)與威脅數(shù)據(jù)表里的參數(shù)進行比較匹配來完成信號的分選與識別，而波形參數(shù)隨機化將會使這種匹配過程出錯。如圖3所示，F(xiàn)-18E/F的機載有源相控陣雷達的工作頻段很寬，當告警器接收并測量該雷達信號后，與威脅數(shù)據(jù)表匹配時會有多個載機的雷達匹配成功，造成了嚴重的“虛警”現(xiàn)象?？梢杂糜谄ヅ涞膮?shù)有載頻(RF)、脈沖到達方向(TOA)、脈沖間隔(PRI)等。對于載頻的隨機化體現(xiàn)在大瞬時帶寬，到達方向的隨機化體現(xiàn)在低旁瓣、多波束和每次輻射信號后變化，脈沖間隔的隨機化體現(xiàn)在使用多個PRI、PRI調(diào)制、低峰值功率[10]。

圖3 典型機載火控雷達工作頻段分布圖

2.2 信號特點分析

從告警器的角度看截獲到的機載有源相控陣雷達信號，主要有以下特點：

(1) 工作頻段范圍大

如圖3所示，以F-18E/F的機載有源相控陣火控雷達AN/APG-79為例，其工作頻段在9.1～9.8GHz范圍內(nèi)，而在這段頻率范圍存在著大量的普通的機械式掃描火控雷達。

(2) 到達角變化幅度大

由于機載有源相控陣雷達采用相控陣天線，其波束靈活可控，所以在告警接收機接收到的信號的到達角會是突變的而不是漸變的情況，使后續(xù)信號處理變得更加困難。

(3) 脈沖間隔變化規(guī)律復(fù)雜

機載火控雷達具有高、中、低三種重頻方式，傳統(tǒng)的機載火控雷達間隔變化規(guī)律簡單，主要是固定、脈組參差。而機載有源相控陣雷達為了達到使接收機失配的目的會在間隔變化規(guī)律上大做文章，會采用間隔滑變、間隔抖動、間隔調(diào)制等方式。復(fù)雜的間隔變化規(guī)律給告警器威脅數(shù)據(jù)的加載和匹配告警造成了嚴重的困難，會導致很嚴重的“虛警”現(xiàn)象。

(4) 脈沖幅度無鐘形包絡(luò)

如圖4所示，告警接收機在截獲機械式掃描雷達的信號時會形成鐘形的包絡(luò)，這個特點可以用于告警器的信號處理、威脅等級判定等。而對于機載有源相控陣雷達其脈沖幅度沒有鐘形包絡(luò)，只是少量的等幅脈沖，很容易被當成雜散脈沖忽略掉。

圖4 機械式掃描天線與相控陣天線形成幅度包絡(luò)示意圖

3 機載有源相控陣雷達給雷達告警器帶來的挑戰(zhàn)

3.1 告警器信號感知能力的不足

3.1.1 截獲距離有限

電磁信號的鏈路方程為

PR=PT+GT-32-20log(f)-20log(d)+GR

(1)

其中，PR為接收功率；PT為發(fā)射功率；f為頻率，單位MHz；d為傳輸距離，單位km；GT為發(fā)射機天線增益；GR為接收機增益。

雷達的功率方程為

PR=PT+2G-103-20log(f)-

40log(d)+10log(σ)

(2)

其中σ是目標截面積。

某典型偵察設(shè)備對低截獲雷達信號的偵察能力計算見表2所示。針對APG-77的截獲距離是以雷達主瓣來計算的，主瓣增益為32 dB，副瓣比主瓣增益要低40 dB，因此對副瓣的偵察距離只有主瓣的1/100。對于相控陣雷達而言，對主瓣的截獲概率很低。APG-77具備功率管理模式時，按實際的發(fā)射功率為峰值的1/200進行計算。三代的電子偵察系統(tǒng)對低截獲信號偵察距離的計算見表2。由表2可看出，當APG-77使用功率管制、對敵方飛機(RCS視為5m2)探測距離為140 km時，敵三代飛機的偵察距離最多只有112 km，且超外差由于瞬時帶寬小，因此根本無法截獲APG-77雷達；當APG-77探測距離為80 km時，敵飛機偵察距離僅為35 km，無法截獲APG-77；當APG-77探測距離為30 km時，敵方告警器探測距離僅為5 km。

表2 告警器雷達對有源相控陣雷達信號偵察距離計算

3.1.2 信號檢測能力弱

機載有源相控陣雷達采用給定狀態(tài)下能獲得的最低峰值功率和最高平均功率的波形，如圖5所示。對于所有的雷達都會使用相干傳輸和處理來提高處理增益。如果告警接收機只使用非相干積累，機載有源相控陣雷達的輻射強度只要遠低于告警接收機分辨單元中所有的其他輻射源即可。這些因素將迫使告警器設(shè)計者依據(jù)單個脈沖峰值功率檢測法進行初始檢測，而這種方法的檢測概率非常低，虛警率非常高，而告警器實時的告警也限制了其他復(fù)雜檢測方法的使用[10]。在密集信號環(huán)境中只增加靈敏度而不提高選擇性會導致虛警和不能識別。

圖5 單個脈沖峰值功率檢測

3.2 告警器信號處理能力的不足

由于機載有源相控陣雷達波形參數(shù)變化復(fù)雜，使作戰(zhàn)之前難以加載其威脅參數(shù)，因為參數(shù)變化范圍大、變化規(guī)律復(fù)雜多變，難以簡單地表達。即使以大區(qū)間的形式加載了輻射源的威脅參數(shù)，在進行威脅參數(shù)匹配時也會出現(xiàn)大量的“虛警”現(xiàn)象的發(fā)生。

4 應(yīng)對策略

面對機載有源相控陣雷達給雷達告警器帶來的挑戰(zhàn)，主要的應(yīng)對策略有:

(1) 提高接收機靈敏度，擴大動態(tài)范圍；通過采用數(shù)字化告警接收機，能對同時到達的多個復(fù)雜波形信號 (以AESA雷達為代表)進行正確告警，保持足夠高的截獲概率和足夠低的虛警率。

(2) 探索實用的測頻和側(cè)向方法，提高精度，實現(xiàn)單站快速無源定位。

(3) 探索新的信號處理方法，將智能信息處理用于信號分選、識別，達到在復(fù)雜信號環(huán)境下進行快速的分選、識別的目的[11]。

[1] 韓國璽.機載雷達告警接收機的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].航空科學技術(shù)，2006(6)：3-6.

[2] 賁德.機載有源相控陣火控雷達的新進展及發(fā)展趨勢[J].現(xiàn)代雷達，2008，30(1)：1-4.

[3] 朱家昌，趙玉潔，賁德.機載有源相控陣火控雷達發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J].電訊技術(shù)，2007，47(4)：6-10.

[4] 張成偉，李登，孫時珍.機載有源相控陣雷達特征分析[J].電子信息對抗技術(shù)，2010(7)：25(4) ：10-11.

[5] 郭艷昌，錢繼曾，黃富雄，等.相控陣和頻率掃描天線原理[M].北京：國防工業(yè)出版社，1978.

[6] 張光義,趙玉潔.相控陣雷達技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[7] 陳知明.低截獲概率技術(shù)在機載火控雷達中的應(yīng)用[D].南京：南京理工大學，2008：4-11.

[8] 產(chǎn)運華. 低截獲概率雷達關(guān)鍵技術(shù)[J] .現(xiàn)代電子，1997 (4) ：27-30.

[9] Merrill I . Skolnik. 雷達手冊[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.7.

[10] 戴維·林奇，顧耀平.射頻隱身導論[M].北京：中國電子科技集團第二十九研究所，2008.7：11-15.

[11] 李錚.機載雷達告警技術(shù)發(fā)展趨勢[J] .電子信息對抗技術(shù)，2008(5) ：51-54.

Threats to radar warning receiver that airborne active phased array radars bring

LI Jian-wei, LIU Lin, WU Hong-chao, LU Ya-kun

(Aviation University of Air Force, Changchun 130022)

The working principles of the airborne active phased array radar are introduced, with an in-depth analysis on its power management techniques and the technology of making the radar warning receiver (RWR) mismatch. Besides, the randomization features of the signal parameters are summarized from the RWR perspective. The reasons for which current RWRs cannot effectively warn such signals are indicated. Finally, the corresponding strategies are given to provide a reference for the development of new airborne RWRs.

airborne active phased array radar; power management; receiver mismatch; RWR

2014-02-20

李健偉(1989-)，男，碩士研究生，研究方向：航空裝備建設(shè)與發(fā)展；劉璘(1962-)，男，副教授，研究生導師，研究方向：雷達對抗)；吳宏超(1982-)，男，講師，研究方向：航空電子對抗情報；呂亞昆(1989-)，男，碩士研究生，研究方向：航空電子對抗情報。

TN 958.92

A

1009-0401(2014)02-0014-04