苑征

摘要：為了解決針對隱身飛機的防御研究中，相控陣雷達對隱身飛機的探測效能計算這一問題，使用STK仿真軟件為手段，提出了一種相控陣雷達的建模仿真方法。后在針對某型隱身飛機的預(yù)警作戰(zhàn)仿真中，使用該方法建立模型并對其探測效能進行了分析。最后，提出了針對反隱身預(yù)警體系建設(shè)的部分思路。

關(guān)鍵詞：戰(zhàn)略預(yù)警；隱身飛機；相控陣雷達；效能分析

中圖分類號：TP3 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）01-0165-03

1 緒論

為了研究相控陣雷達在反隱身預(yù)警體系中的預(yù)警效果，就需要對相控陣雷達系統(tǒng)進行建模，并以此作為平臺，展開各種干擾的仿真研究。相控陣雷達系統(tǒng)可以分成平面相控陣天線、主控與資源調(diào)度、發(fā)射機、雷達環(huán)境、接收機、信號處理和數(shù)據(jù)處理等基本模塊進行仿真研究[1]。該文利用STK/Radar模塊來仿真相控陣雷達，利用STK/AMM模塊（aircraft mission modeler）對隱身飛機的突防活動進行了規(guī)劃，最終并利用STK/Analysis模塊分析相控陣雷達對隱身目標的探測效果以及作戰(zhàn)效能。

2 建模仿真

STK是目前國際上領(lǐng)先的主流航天電子仿真軟件。其中，Radar模塊提供了數(shù)十種天線類型。輸入?yún)?shù)為雷達平面相控陣天線的布陣形式、陣元總數(shù)、陣元分布、結(jié)構(gòu)尺寸、加權(quán)方式、雷達工作頻率等；輸出參數(shù)包括收、發(fā)天線的方向圖、天線口徑、天線增益、主瓣寬度、旁瓣電平、極化形式、交義極化電平、天饋線損耗等[2]。在仿真中，有些參數(shù)無法準確預(yù)知的，比如天線的陣元排列方式、陣元間距、加權(quán)方式等參數(shù)，需要根據(jù)經(jīng)驗進行分析、推測，使結(jié)果與已知的天線性能指標相近，同時適當?shù)胤从吵龇抡胬碚摻Y(jié)果與實際天線之間的性能差異。根據(jù)上述關(guān)鍵參數(shù)，利用雷達方程[3]計算相控陣雷達針對某型彈道導彈的最大探測距離。當雷達天線的有效接收面積為Ae時，接收到目標的反射功率（Pr）

Pr=[ptGt4πR2×σ4πR2×Ae] （1）

Pt ：雷達發(fā)射機的發(fā)射功率，單位千瓦；

Gt ：雷達天線發(fā)射增益（dB）；

σ ： 目標的雷達等效反射面積，單位平方米；

R：雷達的最大作用距離，公里（km）

設(shè)接收到的目標回波功率恰好等于雷達最小可檢測信號Smin，接收天線的增益Gr和接收天線的有效面積Ae關(guān)系為[Gr=4πAeλ2]，并且接收機的靈敏度為

[Smin?KT0FnB（S/N）0，min] （2）

K：玻爾茲曼常數(shù)，K=1.38×10[-23J/0K] （焦耳/開爾文）

To： 接收機的環(huán)境溫度（290[0K]）

B：接收機的等效帶寬——中頻帶寬）

Fn：接收機的系統(tǒng)噪聲系數(shù)（dB）[[]輸入（[SN）in]與輸出[（][SN）out]之比[]]

[（S/N）o，min]：雷達接收機輸檢波器入端的最小輸入的信噪比之值，且是對單個脈沖的信號；

則雷達方程變?yōu)?/p>

[R4max=PavGtGrλ2σ（4π）3KT0FnBd（SN）Ls] （3）

公式（3） 中：Pav 為平均功率；Gt為發(fā)射天線增益；Gr為接收天線增益；[λ]工作波長；[σ] [為目標反射截面]；[（4π）3系數(shù)]；K為玻爾茲曼常數(shù)；[T0]為環(huán)境溫度（接收機）；Fn為噪聲系數(shù)；S/N為檢測信噪比；Bd脈沖多撲勒濾波帶寬；Ls為系統(tǒng)總損耗。

下面針對相 控陣雷達的特殊掃描方式進行論述。相控陣雷達的天線掃描方式如圖1所示[3]。

圖1中，N個陣元（也稱輻射單元）成線性排列的陣列，它由 N個相距為 d 的陣元組成。假設(shè)各輻射單元為無方向性的點輻射源，而且同相等幅饋電（以零號陣元為相位基準） 。在相對于陣軸法線的θ 方向上，兩個陣元之間波程差引起的相位差為

[Δ?=2πλdsinθ] （4）

則 N 個陣元在θ 方向遠區(qū)某一點輻射場的矢量和為

[E（θ）=Σk=0N-1EkejkΔ?] （5）

為了使波束在空間迅速掃描，可在每個輻射單元之后接一個可變移相器。設(shè)各單元移相器的相移量分別為 [Δ?B]。

[E（θ）=Σk=0N-1Ekejk（Δ?-Δ?B）] （6）

其中[Δ?B=2πλdsinθB]

利用國內(nèi)外公開的各種資料，推算出戰(zhàn)略預(yù)警系統(tǒng)中相控陣雷達的主要參數(shù)，代入公式（3） 經(jīng)過計算，得出針對RCS≈0.1m2的隱身飛機目標，雷達模型最大探測距離[Rmax=577KM]

利用STK/Radar模塊仿真的雷達模型的發(fā)射方向效果如下。其中第一旁瓣增益為-11.3dB，第一零點為+0.3°和-0.3°，30dB寬度為6°。

3 效能分析

根據(jù)國內(nèi)外的有關(guān)資料，使用STA/AMM模塊對某型隱身飛機突防過程進行了建模仿真。藍方飛機的整個飛行過程主要包括三個階段：起飛段—目標在這一階段飛行高度<1000m，速度<300米/秒。爬升段—目標在這一階段的飛行高度6000m左右，速度300m/s-600m/s之間。突防段—目標在這一階段高度下降到100m以下，速度350m/s左右。藍方隱身飛機突防過程的主要參數(shù)如下圖：

紅方雷達重要參數(shù)和部署坐標如下：

相控陣雷達及隱身飛機的相對位置關(guān)系如下圖：

目標斜距：觀測到目標時，目標與雷達的直線距離。

跟蹤時間：觀測到目標后，雷達持續(xù)跟蹤目標的時間。＼&二次發(fā)現(xiàn)＼&59＼&62＼&]

根據(jù)理論計算，想定中的相控陣雷達對在X波段，RCS面積為0.01m2的目標理論探測距離應(yīng)為577km。但受地球曲率影響，雷達在目標爬升至5000m高度后才發(fā)現(xiàn)目標。隨后因目標降低飛行高度而無法跟蹤。第二次發(fā)現(xiàn)目標時，受目標低空突防機動的影響，目標斜距僅為59km，跟蹤時間僅有62s。

4 結(jié)論

目前傳統(tǒng)雷達裝備受傳統(tǒng)技術(shù)體制的限制，對隱身目標的探測效果十分有限。而大型相控陣雷達因功率強大，且在重點掃描方向上的能量集中，理論上對隱身目標具有客觀的探測效果。但在實際應(yīng)用中受地球曲率影響，包括大型相控陣雷達在內(nèi)的地基探測裝備對低空突防的隱身目標探測效果不佳。因此，針對隱身目標的預(yù)警體系應(yīng)以大型預(yù)警機和平流層探測系統(tǒng)等裝備為核心，利用其搭載的大型相控陣雷達等探測裝備，對隱身目標進行綜合探測，保證對主要作戰(zhàn)方向上的隱身目標預(yù)警能力。同時在部署預(yù)警系統(tǒng)時，應(yīng)充分考慮各傳感器的具體性能，對隱身目標形成盡早發(fā)現(xiàn)和連續(xù)跟蹤，進而實現(xiàn)發(fā)揮反隱身預(yù)警體系的整體最大效能。

參考文獻：

[1] 林象平.雷達對抗原理[M].西安：西北電訊工程學院出版社，1985

[2] 林象平.電子對抗原理[M].西安：西北電訊工程學院出版社，1982

[3] 楊金紅.相控陣雷達天線方向圖模型的建立[C].中國雷達學會2006年年會論文集，2006.

[4] 黃培康.雷達目標特性[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.