張 燕, 張 弦, 張 雪, 石振星, 馬 亮

(上海無線電設(shè)備研究所,上海201109)

0 引言

隱身和反隱身技術(shù)的研究始于第二次世界大戰(zhàn)期間,迄今已成為現(xiàn)代高科技戰(zhàn)爭的一個顯著特征。隱身技術(shù)是指改變己方武器裝備的可探測特征,從而不易被敵方探測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)或縮短發(fā)現(xiàn)距離的綜合性技術(shù)。在1991年海灣戰(zhàn)爭、1999年科索沃戰(zhàn)爭和2003年伊拉克戰(zhàn)爭中,隱身技術(shù)都展示了出眾的突防能力和作戰(zhàn)效能。F-117 A隱身戰(zhàn)斗機、B-2 A隱身轟炸機和F-22先進戰(zhàn)術(shù)隱身戰(zhàn)斗機是隱身技術(shù)的杰出代表[1-4]。但是,隱身目標并不是不可探測的?，F(xiàn)有或研制中的隱身飛機往往用來對抗單站雷達或雷達導(dǎo)引頭,并且難以在整個電磁波譜都保持低可觀測性[2-3]。所以,只要發(fā)展新式雷達導(dǎo)引頭探測系統(tǒng),擴大雷達導(dǎo)引頭在頻域、空域的探測范圍和能力,就能有效對抗隱身技術(shù)的威脅。本文提出的米波反隱身導(dǎo)引頭通過兩個方面來提高隱身目標的RCS：一是選擇米波工作頻段,隱身飛機大多數(shù)都是針對1 GHz～20 GHz的雷達頻率。如果頻率改變,隱身效果就會減弱,米波波長在米級,由于目標尺寸與波長關(guān)系屬于諧振區(qū),會形成較強的反射回波尖峰,通常米波RCS比微波RCS大幾十甚至幾百倍;二是采用半主動導(dǎo)引頭探測方式,導(dǎo)引頭從隱身目標的上方或側(cè)方來探測目標,提高隱身目標的RCS。

米波反隱身技術(shù)十分有效,但是米波波長較長,波束寬度通常太寬,角度測量精度和分辨力通常較低。要在米波段得到較窄的照射波束,滿足導(dǎo)引頭角度測量精度要求,則要求導(dǎo)引頭天線口徑較大,難以滿足彈載體積要求。為解決米波導(dǎo)引頭角度測量精度問題,本文提出了一種新體制的反隱身米波導(dǎo)引頭角度測量技術(shù)——基于SIAR算法的導(dǎo)引頭角度測量技術(shù),采用SIAR算法,利用大的地面陣列雷達孔徑,得到高的導(dǎo)引頭測角精度,滿足米波半主動雷達導(dǎo)引頭測角精度要求。

1976年,法國國家宇航研究局(ONERA)根據(jù)一種新型防空雷達的設(shè)想提出SIAR算法,并于上世紀八十年代后期,和湯姆遜-CSF公司聯(lián)合研制了性能樣機,在實驗系統(tǒng)上對該方案進行了驗證[5-6]。上世紀八十年代末,西安電子科技大學(xué)雷達信號處理國家重點實驗室和中國電子科技集團第38所開始對SIAR算法進行研究,并在上世紀九十年代由兩家共同完成了米波稀布陣綜合脈沖與孔徑雷達系統(tǒng)[7-8]。

近年來,SIAR處理應(yīng)用于實際雷達系統(tǒng)的研究受到普遍關(guān)注。從國內(nèi)公開發(fā)表的文獻來看,米波導(dǎo)引頭角度估計系統(tǒng)研究較少。本文建立了米波導(dǎo)引頭角度估計系統(tǒng),給出了信號處理流程,并用實驗結(jié)果證實了系統(tǒng)的有效性。

1 基于SIAR算法的半主動尋的制導(dǎo)系統(tǒng)

圖1 傳統(tǒng)半主動尋的制導(dǎo)系統(tǒng)組成

傳統(tǒng)的半主動尋的制導(dǎo)系統(tǒng),一般由照射雷達和單脈沖測角導(dǎo)引頭組成,如圖1所示。照射雷達一般采用相控陣雷達,采用窄發(fā)射波束實時照射目標。導(dǎo)彈上的導(dǎo)引頭采用單脈沖天線接收搜索尋找目標散射的回波信號,通過將單脈沖天線接收的“差波束”與“和波束”進行比幅計算,即可得到目標相對于導(dǎo)彈的方位和角度信息,控制天線實現(xiàn)目標的角速度跟蹤,同時形成制導(dǎo)信號,通過比例導(dǎo)航引導(dǎo)導(dǎo)彈攻擊目標。

與傳統(tǒng)的相控陣照射雷達不同,基于SIAR算法的半主動尋的制導(dǎo)系統(tǒng)中,地面陣列雷達采用固定的相位,不進行相位調(diào)整。各個發(fā)射陣元采用全向照射,且這些信號在空間是相互正交的。發(fā)射信號的相位是固定的,對于不同的方向,相對于平面波前,各陣元發(fā)射信號的波程差是不同的,所有發(fā)射信號經(jīng)目標反射后,由導(dǎo)引頭上的無方向性接收天線接收。由于各個陣元信號是相互正交的,可在接收機中將各個陣元對應(yīng)的信號分離開。接著對分離后的信號作相位調(diào)整和幅度加權(quán)。不難看出,在這里調(diào)整相位和幅度與在地面發(fā)射陣調(diào)整相位的過程是互逆和等效的。將調(diào)整后的信號進行求和,得到匹配輸出,即相當(dāng)于調(diào)整地面發(fā)射陣方向,如圖2所示。

圖2 基于SIAR算法的半主動尋的制導(dǎo)系統(tǒng)組成

接收端信號的分離、調(diào)相、幅度加權(quán)、求和處理,相當(dāng)于脈沖匹配濾波。接收端通過彈載的慣導(dǎo)裝置獲取導(dǎo)彈相對于照射站的位置,通過導(dǎo)彈、目標、地面站的相對位置,即可計算出目標相對于導(dǎo)彈的角度和位置信息,形成制導(dǎo)指令控制導(dǎo)彈攻擊目標。

2 基于SIAR算法的導(dǎo)引頭角度估計系統(tǒng)模型

基于SIAR算法的半主動導(dǎo)引頭角度估計系統(tǒng)模型,如圖3所示。

圖3 基于SIAR算法的半主動導(dǎo)引頭角度估計系統(tǒng)模型

陣列天線照射的反隱身半主動導(dǎo)引頭是一個多發(fā)單收的雷達系統(tǒng)。發(fā)射天線陣是一個N行M列的均勻平面矩形陣列,接收天線為全向天線。接收天線接收回波信號,用于測角和測距。

2.1 回波信號

發(fā)射陣元發(fā)射載頻為fk=f0+Δfk的線性調(diào)頻信號,脈沖寬度為Tm,其中f0為中心載頻,Δf為載頻間隔,則第k路發(fā)射信號sk(t)可表示為

回波信號可表示如下

2.2 信號預(yù)處理

第k路基準信號sko(t)為

收到的合成信號sz(t)與第k路基準信號sko(t)進行復(fù)混頻：

經(jīng)過低通濾波,得到第k路信號輸出信號skx(t)為

2.3 數(shù)字波束合成(DBF)和多維匹配濾波

式中：2πfkΔτk項與目標方向有關(guān),是DBF的基礎(chǔ);2πfkτ0表示各個通道目標距離所對應(yīng)的相位,由于各個通道頻率不同,所以這部分相位需要補償。

與多維匹配濾波處理方法相同,在補償了目標距離所對應(yīng)的相位后,對感興趣空間內(nèi)的方位、俯仰角全部搜索一遍后,即可得到目標的方向圖。綜合孔徑(發(fā)射波束形成)和精確測距是同時完成的,不可分開。只有在目標所在的距離和角度上,才能綜合出窄脈沖。

3 仿真實驗

(1)仿真參數(shù)

彈目飛行場景如圖4所示。

圖4 彈目飛行場景

如圖4所示,陣列所有陣元位于xoy平面內(nèi),陣列兩維參考陣元位于坐標原點。假設(shè)導(dǎo)彈和目標為點目標,分別位于遠場坐標點(0,105,1.7×105)和(0,1.2×105,1.2×105),并位于zoy平面內(nèi)。由圖4可以看出,導(dǎo)彈和目標與z軸夾角分別為30°和45°。仿真中通道數(shù)為10×10,布陣孔徑間隔為半個波長。

(2)仿真結(jié)果

圖5給出了負斜率線性調(diào)頻信號典型的波形和頻譜?；鶐盘枮榫€性調(diào)頻信號,中心頻率為

0 Hz,帶寬為20 k Hz。

圖5 基帶信號波形和頻譜

圖6 給出了距離模糊匹配的結(jié)果,可以看到目標測量距離為226.55 km,測量時間為755.15 μs。由圖可以看出,只有在搜索到目標距離精確值時,才在該波位幅度求和得最大值100(通道數(shù)為100),在距離上形成窄脈沖。

由圖4可以算得,實際目標位于zoy平面45°位置,即(φ=90°,θ=45°)位置。圖7給出了角度測量的結(jié)果,即等效于波束形成H面方向圖(φ=90°)。

圖7表明：只有當(dāng)搜索到θ=45°時才能得到100個通道信號同向相加,得到幅度最大值100。由此可以測得目標所在角度為θ=45°,同理可測得目標所在位置φ=90°。

由圖7也可以看到,橫向和縱向的通道數(shù)各取10時,波束較寬。在實際中,可以通過增加陣元數(shù)目、陣列優(yōu)化等方式來提高測角精度,通過陣列加權(quán)等方法壓低旁瓣,這也是未來的工作方向。

圖6 目標所在波位的精測距離

圖7 目標測量角度結(jié)果

接收端通過彈載的慣導(dǎo)裝置獲取導(dǎo)彈相對于照射站的位置,通過導(dǎo)彈、目標、地面站的相對位置,即可計算出目標相對于導(dǎo)彈的角度和位置信息,形成制導(dǎo)指令控制導(dǎo)彈攻擊目標。

4 結(jié)論

本文提出基于SIAR算法的半主動尋的制導(dǎo)系統(tǒng),對該體制的制導(dǎo)系統(tǒng)進行分析和探索,為反隱身武器系統(tǒng)提供一種簡單易行的技術(shù)途徑。采用該體制制導(dǎo)系統(tǒng),由于接收天線為全向天線,米波天線可以滿足彈載尺寸的要求。本文建立了基于SIAR算法的導(dǎo)引頭角度估計系統(tǒng)模型,給出了信號處理流程。詳細討論了米波制導(dǎo)系統(tǒng)如何利用地面大照射陣列實現(xiàn)高精度角度測量。