吳 強(qiáng),張保山

(1.解放軍92941部隊94分隊,遼寧 葫蘆島 125001;2.江蘇自動化研究所,江蘇 連云港 222006)

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艦炮攔截超聲速反艦導(dǎo)彈跟蹤雷達(dá)架構(gòu)需求

吳 強(qiáng)1,張保山2

(1.解放軍92941部隊94分隊,遼寧 葫蘆島 125001;2.江蘇自動化研究所,江蘇 連云港 222006)

采用毫米波技術(shù)能夠提高雷達(dá)的角跟蹤精度,克服多路徑和低角跟蹤時的海雜波干擾問題,改善低空跟蹤性能。為滿足攔截超聲速目標(biāo)作戰(zhàn)要求,論證了艦炮火控系統(tǒng)對跟蹤距離指標(biāo)需求,根據(jù)跟蹤雷達(dá)的距離方程,仿真計算了大氣衰減、降雨衰減、不同相對濕度能見度條件下3mm波雷達(dá)作用距離分析。最后為避免毫米波受氣象影響因素,并最大程度利用其在低角跟蹤方面的優(yōu)勢,采用“厘米波+毫米波”架構(gòu),為艦載3mm波跟蹤雷達(dá)的應(yīng)用提供支撐。

艦載毫米波雷達(dá)架構(gòu);艦炮火控系統(tǒng);反艦導(dǎo)彈

現(xiàn)代戰(zhàn)爭節(jié)奏日益加快,高性能隱身飛機(jī)、巡航導(dǎo)彈、反輻射導(dǎo)彈及電子戰(zhàn)裝備等大量參與作戰(zhàn)使用,武器系統(tǒng)的遠(yuǎn)程打擊能力不斷提高。命中精度也越來越高。面對新的威脅,作為艦載防空武器系統(tǒng)重要信息源的艦炮火控系統(tǒng)必須適應(yīng)這種軍事需求,尤其要提高火控系統(tǒng)的超低空跟蹤性能、快速反應(yīng)性能、抗干擾能力及可靠性[1]。

近年來隨著反艦導(dǎo)彈技術(shù)快速發(fā)展,具有了射程更遠(yuǎn)、威力更大、速度更快、精度更高、雷達(dá)反射截面積(RCS)更小、更加機(jī)動靈活等特點(diǎn)[2-3],對艦艇近程防御系統(tǒng)在目標(biāo)發(fā)現(xiàn)、跟蹤、攔截等方面提出了更高的要求。目前我周邊國家和地區(qū)海軍裝備的反艦導(dǎo)彈,如印度的“布拉莫斯”、“臺灣雄風(fēng)3”反艦導(dǎo)彈,其速度已經(jīng)超過馬赫數(shù)2.5,末端攻擊可達(dá)馬赫數(shù)3。采用雷達(dá)跟蹤體制對付掠海飛行的反艦導(dǎo)彈,迫切要解決的問題是：1)低角跟蹤問題和多路徑效應(yīng)問題,解決這些問題的一種方法是采用更窄波束,雷達(dá)頻率波段需要超過40GHz;2)對超高聲速掠海飛行目標(biāo)的跟蹤問題是艦艇末端防御的一大難題,國外海軍采用的技術(shù)途徑之一是采用毫米波雷達(dá)(雷達(dá)頻率波段要超過30GHz)技術(shù)。這主要是考慮到毫米波跟蹤精度比厘米波雷達(dá)高,波束角小,能夠消除跟蹤掠海目標(biāo)時的鏡像反射現(xiàn)象,克服了多路徑和低角跟蹤時的海雜波干擾問題,大幅改善低空跟蹤性能[4-9]。

目前國內(nèi)外裝備的近程反導(dǎo)用跟蹤雷達(dá)通常在K、Ka、Ku波段,毫米波跟蹤雷達(dá)通常為8mm、3mm雷達(dá)體制在艦載近程反導(dǎo)中應(yīng)用目前仍是空白。因此,研制一型艦載3mm跟蹤雷達(dá)火控系統(tǒng),把3mm跟蹤雷達(dá)和火控設(shè)備作為一個整體進(jìn)行頂層一體化設(shè)計,實(shí)現(xiàn)雷達(dá)火控系統(tǒng)的高度集成,解決多年來困擾海軍艦炮武器系統(tǒng)對低空掠海和超高速機(jī)動飛行反艦導(dǎo)彈的攔截問題,具有重要的科技創(chuàng)新價值。

另外，目前裝備的艦載近程單脈沖跟蹤雷達(dá)由于伺服系統(tǒng)受限、速度模糊,普遍不具備對馬赫數(shù)3.5以上反艦導(dǎo)彈的攔截能力,窄的波束對目標(biāo)指示的要求也較高,往往需要增加粗跟蹤引導(dǎo),因此國外火控跟蹤雷達(dá)不只采用毫米波雷達(dá),往往會將毫米波與厘米波雷達(dá)集成于一體,實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的快速精確跟蹤。

1 國外基本情況

國外如俄羅斯的“卡什坦”近程武器系統(tǒng)、意大利“米瑞得”[1]和新一代跟蹤雷達(dá)[10]采用了毫米波技術(shù)。

1)“卡什坦”(KaⅢTAH)近程武器系統(tǒng)

其作戰(zhàn)對象主要針對反艦導(dǎo)彈、飛機(jī)、海上小型目標(biāo)和有生力量,由指揮單元和戰(zhàn)斗單元組成。其主要技術(shù)指標(biāo)為:最大探測距離(發(fā)現(xiàn)概率為0.9)時,對0.1m2,高度15m的目標(biāo) 10km～12km;對0.1m2,高度5m的目標(biāo) 8km～10km;對5m2,高度1000m的目標(biāo) 45km。跟蹤雷達(dá)工作頻率波段:厘米波、毫米波,波束寬6mrad,天線最大跟蹤速度40°/s,最大跟蹤加速度50°/s,跟蹤精度：角精度0.15mrad,距離精度±5m。

2)米瑞得(MYRIAD)近程武器系統(tǒng)

意大利研制,用于攔截新一代超聲速飛行的反艦導(dǎo)彈。包括Ka波段單脈沖搜索/跟蹤雷達(dá)和一部W波段(3mm)輔助精確跟蹤雷達(dá)。Ka波段主要用于遠(yuǎn)距離搜索與跟蹤,W波段主要用于近距離、存在多路徑干擾或者需要極高跟蹤精度的環(huán)境。W波段不可單獨(dú)使用,而是與Ka波段聯(lián)合使用。W波段跟蹤雷達(dá)在其下方還裝有電視攝像機(jī)。Ka波段的角跟蹤精度為1mrad,W波段的角跟蹤精度為0.3mrad。

該系統(tǒng)與意大利目前的“達(dá)多”和“海上衛(wèi)士”市場相沖突,而“海上衛(wèi)士”占有較大市場份額,因此其市場前景還存在一定的競爭。若采用“米瑞德”,意味著放棄“海上衛(wèi)士”,但前期該公司生產(chǎn)“海上衛(wèi)士”艦載近程武器系統(tǒng)已經(jīng)完成定型,在此基礎(chǔ)上再研制一個新的近程武器系統(tǒng),其市場前景還存在爭議。這是目前近程武器系統(tǒng)中唯一裝備兩個毫米波頻段(8mm和3mm)跟蹤雷達(dá)。

3)新一代綜合型雷達(dá)

①LIROD MK2

輕型K波段(中心頻率35GHz)/光電火控跟蹤雷達(dá)。波束寬度高低0.55°,方向1.5°,功率100W(平均),雷達(dá)作用距離:36km。跟蹤速度2rad/s,跟蹤加速度4.5rad/s2,脈沖多普勒,FFT。

②STING EO MK2(STIR 1.2 EO MK2)

THALES NEDERLAND研制。主要技術(shù)特征為:I波段(8GHz～10GHz)、K波段(20GHz～40GHz)、EO組合雷達(dá),為火炮及導(dǎo)彈火控雷達(dá),用于防空、反導(dǎo)及火力支援。波束寬度:K波段0.5°,I波段2°。高低方向:-30°～120°,跟蹤速度:2.5rad/s,訓(xùn)練2.7rad/s。發(fā)射機(jī)功率25W(K波段),300W(I波段)。作用距離:36km(K波段),120km(I波段)。

③Type 911跟蹤雷達(dá)

UNITED KINGDOM研制,其主要技術(shù)特征為:I波段(8GHz～10GHz)、L/M波段(40GHz～100GHz),用于“海狼”艦空導(dǎo)彈系統(tǒng)。L/M來源于DN181“野火”(BLINDFIRE)雷達(dá),主要用于精確跟蹤低角度掠海目標(biāo)。

國外近程反導(dǎo)火控雷達(dá)的一個主要特點(diǎn)是:當(dāng)采用雙波段雷達(dá)時,通常采用X波段或者I波段(工作范圍8GHz～12GHz,厘米波)、K/Ka波段(20GHz～40GHz,8mm波段),為了保證對目標(biāo)的捕獲跟蹤,厘米波雷達(dá)的波束寬度約2°,而毫米波的波速寬度不超過0.7°,前者主要負(fù)責(zé)搜索和粗跟蹤,后者實(shí)施精確跟蹤。為了提高抗干擾手段,多數(shù)火控雷達(dá)集成了激光、光電、紅外電視功能。同時為了提高適裝性,火控(制導(dǎo))雷達(dá)普遍采用固態(tài)發(fā)射機(jī)方式。

2 火控系統(tǒng)對跟蹤雷達(dá)作用距離的指標(biāo)需求

為滿足毫米波跟蹤雷達(dá)火控系統(tǒng)的反導(dǎo)作戰(zhàn)需求,研究了火控系統(tǒng)探測距離的作用要求[11-12],為毫米波跟蹤雷達(dá)火控系統(tǒng)未來攔截高速反艦導(dǎo)彈提供技術(shù)基礎(chǔ)。

與大口徑火炮相比,中、小口徑火炮具有射速大、精度高、隨動快等優(yōu)點(diǎn),還適合用作彈炮結(jié)合武器系統(tǒng)。目前國內(nèi)現(xiàn)有的防空火炮包括76mm、57mm、37mm、35mm、30mm、25mm和23mm口徑系列。其中,57mm和37mm高炮雖然射程較遠(yuǎn),但射速低、精度差,不能滿足現(xiàn)代防空作戰(zhàn)的需要;25mm和23mm火炮攔截彈藥類目標(biāo)的有效斜距不超過2km,不能與導(dǎo)彈構(gòu)成有效的火力重疊。所以,小口徑火炮選型主要為30mm、35mm,中口徑火炮選型主要為76mm。

系統(tǒng)反應(yīng)時間是指從發(fā)現(xiàn)目標(biāo)到開火的最短時間,武器系統(tǒng)反應(yīng)時間按式(1)計算：

Ts=T1+T2

(1)

其中,Ts為系統(tǒng)反應(yīng)時間;T1為跟蹤器調(diào)舷、捕獲跟蹤時間:從接收到符合精度的目標(biāo)指示開始至向火控設(shè)備輸出有效的目標(biāo)跟蹤信息,方位調(diào)舷一般為90°調(diào)舷;T2為火控解算時間:從接收到跟蹤器發(fā)來的滿足指標(biāo)要求的目標(biāo)數(shù)據(jù)和跟蹤好信號到輸出射擊諸元數(shù)據(jù)的時間。

在系統(tǒng)反應(yīng)時間基礎(chǔ)上,還應(yīng)考慮系統(tǒng)的有效射擊遠(yuǎn)界和彈丸飛行時間Tf。

系統(tǒng)的反應(yīng)時間主要由T1、T2和Tf等部分組成。在不考慮配置搜索雷達(dá)的情況下,從跟蹤器調(diào)舷、捕獲跟蹤目標(biāo)到火控輸出有效諸元的時間定義為系統(tǒng)反應(yīng)時間。

跟蹤傳感器的最大作用距離按式(2)計算

Dgmax≥Du+Vm(Ts+Tf)

(2)

式中,Dgmax為跟蹤傳感器最大作用距離,Du為系統(tǒng)首發(fā)命中點(diǎn)距離。不考慮數(shù)據(jù)傳輸時間和射擊啟動時間,對于超聲速目標(biāo),僅考慮跟蹤傳感器的最大作用距離如圖1所示。

圖1 典型口徑火炮對跟蹤最大距離

圖1中,計算了30mm、35mm、76mm典型口徑火炮對不同速度的跟蹤距離要求。由圖1可以看出,跟蹤超聲速目標(biāo)要求系統(tǒng)的跟蹤最大距離要求較高,對于馬赫數(shù)5目標(biāo)跟蹤器的30mm、35mm口徑最大有效跟蹤距離須分別大于14km、16.2km;當(dāng)對付馬赫數(shù)3.5目標(biāo)時,目標(biāo)跟蹤器的最大有效跟蹤距離須分別大于10km、12km。使用76mm口徑攔截馬赫數(shù)3.5超聲速目標(biāo)時有效跟蹤距離要求大于20km,這對跟蹤雷達(dá)提出較高要求,因此往往不使用中大口徑艦炮攔截超聲速目標(biāo)。

綜上,采有小口徑火炮攔截超聲速目標(biāo)時對跟蹤雷達(dá)的最大跟蹤距離的要求是,針對雷達(dá)反射截面積0.1m2,飛行速度不大于馬赫數(shù)3.5,飛行高度不小于5m的掠海飛行導(dǎo)彈的跟蹤距離不小于12km。

3 系統(tǒng)作用距離分析

雷達(dá)最大跟蹤距離計算公式按式(3)[13]：

(3)

式中，Pt為峰值功率;τ為脈沖寬度;G為天線增益;σ為天線波長;λ為目標(biāo)雷達(dá)截面積;I為積累改善;K為玻爾茲曼常數(shù);T0為標(biāo)準(zhǔn)室溫;Fn為接收機(jī)噪聲系數(shù);Ls為系統(tǒng)損失;D0為檢測因子;γ為衰減系數(shù)。

根據(jù)跟蹤雷達(dá)提供的相關(guān)參數(shù),進(jìn)行仿真驗(yàn)證和計算分析,主要包括:大氣衰減作用距離分析、降雨衰減作用距離計算分析、不同相對濕度能見度計算分析。

3.1 大氣衰減作用距離分析

微波和更短波段的無線電波通過大氣時,大氣中的分子,主要是水汽和氧氣分子,會吸收電波能量而產(chǎn)生能級躍遷,從而引起電波衰減。接近地面水平路徑上的衰減,由于氧氣誤差率γo和水汽的衰減率γW在整個積分路徑上為常數(shù),因此總的衰減路徑按二者之和計算。根據(jù)ITU-RP.676-6提供的一種簡易計算方法[13～14],氧氣和水汽的地面衰減率見圖2。

圖2 氧氣和水汽的地面衰減率

根據(jù)波段在15GHz(2cm)、35GHz(8mm)、95GHz(3mm)雷達(dá)的相關(guān)參數(shù),考慮大氣條件下的雙程衰減分別為0.1dB/km、0.3dB/km、0.8dB/km,計算對雷達(dá)反射截面積2m2、0.1m2的最大跟蹤距離，如圖3、4所示。

圖3 RCS=2m2目標(biāo)作用距離分析

圖4 RCS=0.1m2目標(biāo)作用距離分析

通常信噪比超過18dB時,雷達(dá)可以從復(fù)雜背景中進(jìn)行信息處理并正確檢測目標(biāo),對2m2目標(biāo),15GHz(2cm)、35GHz(8mm)、95GHz(3mm)雷達(dá)的作用距離分別為29.79km、25.45km、8.939km。對0.1m2目標(biāo),15GHz(2cm)、35GHz(8mm)、95GHz(3mm)雷達(dá)的作用距離分別為16.43km、14.89km、5.698km,若前期有引導(dǎo)跟蹤數(shù)據(jù),目標(biāo)信噪比可降低到10dB時,此時對應(yīng)的作用距離分別為23.89km、20.9km、7.588km。

3.2 雨衰減計算分析

根據(jù)Laws-Parsons雨滴分布[14],計算降雨衰減,降雨衰減與雨強(qiáng)(mm/h)的關(guān)系見圖5,典型毫米波降雨衰減與雨強(qiáng)的對應(yīng)值如表1。

圖5 雨衰減率與雨強(qiáng)關(guān)系

降雨衰減/(dB/km)雨強(qiáng)35GHz95GHz備注025mm/h00650375微雨125mm/h03081252小雨3mm/h07212412中雨5mm/h11843535大雨25mm/h565611791暴雨50mm/h1109119809100mm/h2174833279150mm/h3224745079

根據(jù)表1進(jìn)行3mm波段對2m2、0.1m2雷達(dá)反射截面積目標(biāo)在不同降雨條件下的計算結(jié)果見圖6。

圖6 降雨與雷達(dá)作用距離關(guān)系圖

從圖6可以看出,在小雨條件下3mm波段對0.1m2導(dǎo)彈目標(biāo)作用距離僅為6.2km。降雨條件下嚴(yán)重影響毫米波雷達(dá)的作用距離，毫米波基本不能適應(yīng)海上降雨條件下的跟蹤作用距離。

3.3 不同相對濕度能見度分析

不同相對濕度及能見度衰減曲線見圖7。

圖7 不同相對濕度能見度圖衰減

根據(jù)圖7進(jìn)行3mm波段對2m2、0.1m2雷達(dá)反射截面積目標(biāo)在不同降雨條件下的計算結(jié)果見圖8。

圖8 不同相對濕度能見度圖作用距離

從圖8可以看出,在相對濕度100%,200m能見度霧時,3mm波段對0.1m2雷達(dá)反射截面積目標(biāo)作用距離僅為5.7km。通常海上環(huán)境相對濕度為94%左右,僅在無霧或者能見度較好時才具備相應(yīng)的跟蹤距離要求。

根據(jù)火控系統(tǒng)論證的雷達(dá)作用距離要求,為有效攔截超聲速目標(biāo),艦炮火控系統(tǒng)對雷達(dá)的作用距離不低于12km,而3mm波段雷達(dá)的作用距離不超過7km,因此須提高其作用威力。提高跟蹤傳感器威力的有效途徑主要有:提高毫米波跟蹤雷達(dá)的發(fā)射功率,隨著毫米波組件推廣,這一技術(shù)瓶頸將會得到突破;采用多傳感器探測,如雙頻段雷達(dá)、電視、激光、紅外技術(shù),國外新研制的跟蹤雷達(dá)普遍具有多傳感器集成功能。

4 結(jié)束語

8mm、3mm主要用于全天候情況,用于低角目標(biāo)跟蹤側(cè)重于抗多路徑效應(yīng),兩個波束口徑縮小不明顯,特別是3mm不明顯,波束提升有限,跟蹤時存在一定的捕獲困難,前面需要增加引導(dǎo)過程,確保毫米波雷達(dá)凝視目標(biāo)?？紤]到3mm作用距離和波束寬度限制,必須增加厘米波段雷達(dá)接收目標(biāo)指示和引導(dǎo),保證作用距離和捕獲概率,即開發(fā)雙波段雷達(dá)火控系統(tǒng)。比較合適的方案是一個波段選小一些,如一個波段選為Ku波段,外加一個W波段,確保W波段的凝視功能,這樣W波段窄波束用來信號檢測。

本文采用Ku+W波段雙波段雷達(dá)體制。按照Ku+W波段體制并完善3mm波段的詳細(xì)技術(shù)設(shè)計,完善火控系統(tǒng)方案。該方案具有一定的技術(shù)前景,能夠適應(yīng)不同氣象條件下的跟蹤要求,惡劣天氣系統(tǒng)不失效。

目前8mm跟蹤雷達(dá)應(yīng)用方面比較成熟,在實(shí)際隨著3mm跟蹤雷達(dá)器件技術(shù)的發(fā)展,3mm雷達(dá)在國內(nèi)外開始了工程應(yīng)用,為了最大程度利用毫米波在低角跟蹤方面的優(yōu)勢,采用“厘米波+毫米波”架構(gòu),選擇了2cm+3mm雙波段雷達(dá)體制。

針對馬赫數(shù)3.5的低空反艦導(dǎo)彈的作戰(zhàn)需求,采用Ku+W雙頻段雷達(dá)體制,可用于全天候情況,W波束可適用于低角跟蹤和抗多路徑效應(yīng)。同時,為解決W跟蹤時存在的捕獲困難,前端使用Ku波段進(jìn)行了初始引導(dǎo),能夠確保毫米波雷達(dá)凝視目標(biāo)。該系統(tǒng)論證方案充分考慮了Ku波段和W波段的特點(diǎn),Ku波段用于目標(biāo)前期跟蹤和引導(dǎo),W波段窄波束用來信號檢測,做到優(yōu)勢互補(bǔ),確保惡劣天氣系統(tǒng)工作正常。

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Tracking Radar Architecture Requirement for>Ship Gunnery Intercepting Supersonic Anti-ship Missile

WU Qiang1, ZHANG Bao-shan2

(1.94thDetachment of 92941stTroops of PLA,Huludao 125001;2.Jiangsu Automation Research Institute, Lianyungang 222061, China)

Millimeter wave technology can improve radar angle tracking accuracy and performance, which solve the sea clutter jamming problem under multipath and low-angle condition. For interception of supersonic anti-ship missile, feasibility analysis of radar distance index requirement is given. According to the radar equation, computer simulations on the atmospheric attenuation, rain attenuation and different relative humility and fog visibility. To avoiding the meteorological influences and maximizing the low-angle tracking dominance, apply cm+mm architecture which provide technologies for shipborne 3mm tracking radar fire control system.

shipborne millimeter wavelength radar architecture; ship gunnery fire control system; anti-ship missile

2017-02-23

吳 強(qiáng)(1978-),男,山東商河人,工程師,研究方向?yàn)榕炁诨鹂叵到y(tǒng)試驗(yàn)與鑒定及試驗(yàn)理論、試驗(yàn)方法。 張保山(1973-),男,碩士，研究員。

1673-3819(2017)03-0011-05

TJ391；E917

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2017.03.003

修回日期： 2017-04-12