黃永飛 錢林杰

摘 要

隨著隱身技術(shù)的大力發(fā)展及廣泛應(yīng)用，防空預(yù)警系統(tǒng)面臨空前壓力。如何發(fā)展完善防空預(yù)警系統(tǒng)是當(dāng)前人們關(guān)心的熱點(diǎn)問題，本文通過對(duì)超寬帶雷達(dá)的特點(diǎn)分析，介紹了超寬帶雷達(dá)在反隱身方面做得重要改進(jìn)，以及超寬帶雷達(dá)為應(yīng)對(duì)隱身威脅所做的深入研究。介紹了信號(hào)形式及新的探測(cè)手段在雷達(dá)中的應(yīng)用，分析展望反隱身雷達(dá)發(fā)展方向，力爭(zhēng)為當(dāng)前防空預(yù)警系統(tǒng)提供現(xiàn)實(shí)幫助和理論支持。

關(guān)鍵詞

超寬帶雷達(dá);越寬帶信號(hào);RCS;反隱身

中圖分類號(hào)： ?O451 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.07.079

0 引言

通過外形設(shè)計(jì)、表面涂料和加載阻抗等方法實(shí)現(xiàn)飛行器隱身以減弱散射分布特性是當(dāng)前隱身飛行器的主流設(shè)計(jì)方法，以此來達(dá)到降低雷達(dá)探測(cè)可能性。美國(guó)新一代戰(zhàn)機(jī)F-35上的APG-81 AESA雷達(dá)雖然陣面尺寸相比傳統(tǒng)機(jī)載雷達(dá)小，但是擁有同時(shí)進(jìn)行合成孔徑雷達(dá)地圖測(cè)繪（SAR）和地面移動(dòng)目標(biāo)指示（GMTI）的能力，探測(cè)能力大幅度增強(qiáng)。因此F-35不僅戰(zhàn)斗力更為驚人，隱身技術(shù)的應(yīng)用也表現(xiàn)得更為出色。

本文針對(duì)目前反隱身技術(shù)面臨的壓力，從超寬帶雷達(dá)的反隱身技術(shù)手段入手，介紹目前較為雷達(dá)反隱身的機(jī)理及技術(shù)應(yīng)用，為反隱身技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展提供思考。

1 超寬帶雷達(dá)反隱身機(jī)理分析

反隱身的本質(zhì)就是尋找飛行器隱身技術(shù)的薄弱環(huán)節(jié)或漏洞并加以利用，使飛行器的隱身功能效果降低甚至不起作用，以達(dá)到準(zhǔn)確探測(cè)目標(biāo)的目的。從原理上來看，超寬帶雷達(dá)具有不同于傳統(tǒng)雷達(dá)的諸多優(yōu)勢(shì)。

1.1 頻域分析

超寬帶雷達(dá)的研究一直是雷達(dá)探測(cè)技術(shù)研究的主要方向之一，受到國(guó)際上普遍關(guān)注。超寬帶雷達(dá)是指使用系統(tǒng)與信號(hào)的相對(duì)瞬時(shí)帶寬大于或等于25%的雷達(dá)，探測(cè)目標(biāo)時(shí)可以提取豐富的目標(biāo)信息。從目前服役的隱身飛機(jī)性能來看，探測(cè)雷達(dá)使用頻率超過隱身目標(biāo)使用的頻率范圍，探測(cè)能力就會(huì)得到顯著增強(qiáng)，從而有效應(yīng)對(duì)目標(biāo)的隱身性能[1]。

目標(biāo)RCS與波長(zhǎng)的關(guān)系可分為瑞利區(qū)、諧振區(qū)和光學(xué)區(qū)三個(gè)區(qū)域。瑞利區(qū)的特點(diǎn)是RCS正比于頻率的四次方，目標(biāo)形狀影響較小;在光學(xué)區(qū)，目標(biāo)的尺寸比雷達(dá)波長(zhǎng)大得多，即目標(biāo)可作為散射體的集合來處理;在諧振區(qū)，雷達(dá)截面隨頻率的變化呈振蕩變化，因此散射體上每點(diǎn)的場(chǎng)都是散射場(chǎng)的疊加。

1.2 時(shí)域分析

超寬帶雷達(dá)發(fā)射的脈沖寬度極窄，除了包含的頻譜極寬以外，它還是一種瞬態(tài)的過程。由于在吸波材料中，分子對(duì)入射的響應(yīng)需要時(shí)間，故脈沖越短，傳播時(shí)的衰減越小，這就是分子的弛豫現(xiàn)象。反射信號(hào)能量隨著弛豫時(shí)間的減小而減少[2]。由于UWB信號(hào)帶寬比吸收材料的頻帶大得多，即使入射脈沖的能量有較大衰減，但吸收頻帶外的分量仍然占主導(dǎo)地位，因此短脈沖傳輸?shù)男盘?hào)能量比長(zhǎng)脈沖大得多，因此獲取的目標(biāo)信息相對(duì)來說也會(huì)更豐富。

1.3 空域分析

空間域反隱身是利用飛機(jī)的幾何外形特征來實(shí)現(xiàn)。就是利用飛機(jī)的外形設(shè)計(jì)將探測(cè)電磁波散射到其他方向來降低電波反射的能量。若在射方向以外的其他方向也有接收機(jī)存在，則飛機(jī)的隱身功能將大大降低。從目前的應(yīng)用上來看，就要有以下幾個(gè)方面的應(yīng)用：一是雙/多基地雷達(dá)。它通常由一個(gè)發(fā)射站和多個(gè)接收站構(gòu)成。二是利用空間多點(diǎn)取樣。三是雷達(dá)組網(wǎng)。利用網(wǎng)絡(luò)把各獨(dú)立雷達(dá)站組合起來，則不同頻率、不同程式的雷達(dá)可發(fā)揮各自優(yōu)勢(shì)，形成功能特點(diǎn)互補(bǔ)，發(fā)揮如同多基地雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)。

1.4 極化域分析

信號(hào)的極化方向與天線接收的方向相匹配。極化的可選擇性是目標(biāo)隱身的一大特點(diǎn)，也即只有特定極化方向的電磁波才能對(duì)隱身目標(biāo)的極化探測(cè)有效，因此特定目標(biāo)對(duì)某一極化的雷達(dá)可能隱身效果很好，但對(duì)其他不同極化方式的雷達(dá)便會(huì)失效。

通過分析電磁波的極化特性有利于提高雷達(dá)對(duì)隱身目標(biāo)的探測(cè)能力，這是因?yàn)殡[身目標(biāo)使用的電磁波存在極化特性，只要針對(duì)這種特性來選擇探測(cè)電磁波，發(fā)現(xiàn)隱身目標(biāo)的概率便會(huì)大幅度增加。另外，可通過對(duì)極化特性的調(diào)整和處理，與傳統(tǒng)的反隱身技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步提升雷達(dá)系統(tǒng)的反隱身能力。

2 超寬帶雷達(dá)反隱身技術(shù)

雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)需要主動(dòng)發(fā)射電磁波，敵方便有可能捕獲電磁波信號(hào)而發(fā)現(xiàn)雷達(dá)位置。UWB雷達(dá)信號(hào)相對(duì)頻率范圍大，相對(duì)于傳統(tǒng)雷達(dá)而言，便具有許多探測(cè)優(yōu)勢(shì)。因此，可以針對(duì)飛行器隱身技術(shù)從雷達(dá)信號(hào)的選擇、天線陣列的設(shè)計(jì)以及信號(hào)處理方式上來提高探測(cè)能力，降低隱身技術(shù)對(duì)雷達(dá)探測(cè)的影響。

2.1 超寬帶信號(hào)

2.1.1 瞬時(shí)帶寬信號(hào)

相控陣?yán)走_(dá)是新型雷達(dá)的發(fā)展方向，對(duì)相控陣?yán)走_(dá)信號(hào)的研究顯得非常有必要。信號(hào)在面陣中傳播的最大時(shí)間稱為孔徑渡越時(shí)間，陣列設(shè)計(jì)得越大，這個(gè)時(shí)間便會(huì)越長(zhǎng)，當(dāng)這個(gè)時(shí)間大于信號(hào)帶寬的倒數(shù)時(shí)，陣元的輻射信號(hào)便不能同時(shí)到達(dá)波束指向方向。這對(duì)目標(biāo)的探測(cè)目標(biāo)是不利的，更不要說提高探測(cè)精度和針對(duì)目標(biāo)反隱身了。解決的辦法是利用瞬時(shí)寬帶信號(hào)波束形成，即通過控制天線陣元的發(fā)射信號(hào)有規(guī)律產(chǎn)生時(shí)延，使所有陣元的信號(hào)均能同時(shí)疊加。這種方法沒有改變孔徑渡越時(shí)間的限制，反而有可能使時(shí)間延長(zhǎng)，但是信號(hào)效果提升了，這正是相控陣?yán)走_(dá)的優(yōu)勢(shì)。

2.1.2 頻率步進(jìn)信號(hào)

頻率步進(jìn)信號(hào)是一種瞬時(shí)窄帶通過延遲后進(jìn)行疊加的信號(hào)形式，它可以看作是頻率不同的脈沖信號(hào)的集合，因此具有瞬時(shí)脈沖信號(hào)的優(yōu)勢(shì)。對(duì)于頻率步進(jìn)寬帶相控陣?yán)走_(dá)，每個(gè)脈沖信號(hào)都是獨(dú)立的，可以通過控制相位改變波束指向，使信號(hào)方向集中，這便解決了信號(hào)方向性的問題。另外，瞬時(shí)帶寬信號(hào)存在的孔徑渡越時(shí)間，在使用頻率步進(jìn)信號(hào)時(shí)這個(gè)限制被放寬，若步進(jìn)頻信號(hào)由M個(gè)發(fā)射脈沖組成，則可以放寬M倍[3]。因此，頻率步進(jìn)雷達(dá)的距離分辨率可以得到充分保證。

2.1.3 正交頻分多路復(fù)用（OFDM）信號(hào)

正交頻分多路復(fù)用（OFDM）雷達(dá)信號(hào)由多個(gè)子載頻組成，具有大時(shí)寬帶寬積，且信號(hào)編碼方式靈活，通過不同的波形設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，能夠自適應(yīng)調(diào)整信號(hào)子載頻的系數(shù)，具備了認(rèn)知雷達(dá)系統(tǒng)的基本特點(diǎn)[4]。OFDM信號(hào)各子載波能夠靈活使用不同的編碼方式，具備了低截獲概率特性。

當(dāng)前隱身與反隱身的對(duì)抗也是體系與體系的對(duì)抗，采用OFDM信號(hào)所具有的多功能特性及抗干擾特性，對(duì)于反隱身也是至關(guān)重要[5]。在雷達(dá)系統(tǒng)的反隱身水平一定情況下，提高雷達(dá)系統(tǒng)生存能力，增強(qiáng)系統(tǒng)信息處理能力和智能、網(wǎng)絡(luò)、通信等多功能集成，有利于雷達(dá)反隱身能力發(fā)揮。

2.2 超寬帶天線

超寬帶相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)工作頻率必須選擇在超寬帶系統(tǒng)要求的范圍。天線設(shè)計(jì)需要考慮信號(hào)空間采樣，為保證空間采樣率則陣元密集，增大了系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜度和成本，天線尺寸也受到限制。因此應(yīng)結(jié)合系統(tǒng)的需求，兼顧天線設(shè)計(jì)和陣面優(yōu)化[6]?？衫妙l率步進(jìn)信號(hào)特點(diǎn)和陣列設(shè)計(jì)調(diào)整波瓣圖，使主瓣能量集中。

對(duì)多輸入多輸出（MIMO）雷達(dá)的天線陣列進(jìn)行設(shè)計(jì)，不僅可以達(dá)到系統(tǒng)要求，還能節(jié)約成本。與傳統(tǒng)的雷達(dá)陣列設(shè)計(jì)方式相比，MIMO系統(tǒng)的性能主要以虛擬陣列體現(xiàn)，因此可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，利用稀疏陣列來完成對(duì)大尺寸天線的模擬，形成有效的虛擬天線陣列，這比傳統(tǒng)陣列的有效面積大得多。因此，MIMO系統(tǒng)會(huì)在較少陣元和較經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，獲得更好的分辨率。

2.3 超寬帶信號(hào)處理

傳統(tǒng)雷達(dá)信號(hào)精確已知，提取目標(biāo)就是僅需匹配濾波，獲取目標(biāo)信息。但超寬帶雷達(dá)的回波信號(hào)較分散，來自目標(biāo)對(duì)信號(hào)的反射，特征各異，因而傳統(tǒng)方法并不適用。但是復(fù)雜的目標(biāo)信號(hào)具有其他的顯著特點(diǎn)，可隨著信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，把一些最新的信號(hào)處理方法應(yīng)用到回波信號(hào)處理之中，如深度學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。

3 發(fā)展前景分析

雷達(dá)反隱身技術(shù)對(duì)提高雷達(dá)系統(tǒng)的生存能力和探測(cè)能力具有重要意義?？蓮囊韵聨讉€(gè)方面來看將來雷達(dá)反隱身技術(shù)的發(fā)展。

3.1 多技術(shù)融合

隨著飛行器戰(zhàn)技術(shù)的發(fā)展，尤其是以隱身技術(shù)為代表的新技術(shù)的發(fā)展，單一雷達(dá)在反隱身的局限性越來越突出，如超視距雷達(dá)的分辨率較低，超寬帶雷達(dá)功率較高容易被探測(cè)等問題，綜合運(yùn)用多種反隱身技術(shù)探測(cè)隱身目標(biāo)已是必然趨勢(shì)。為提升雷達(dá)系統(tǒng)探測(cè)性能，將電子偵察、技術(shù)偵察等手段融入雷達(dá)系統(tǒng)中，組成綜合反隱身的信息融合系統(tǒng)。

3.2 多功能集成

寬帶相控陣?yán)走_(dá)正在向多功能發(fā)展，除了常規(guī)地對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)、搜索以獲取目標(biāo)的方位、高度以及距離信息外，還需測(cè)量目標(biāo)的速度、類別等其他信息，對(duì)目標(biāo)回波信號(hào)進(jìn)行綜合處理并成像[7]。進(jìn)一步加強(qiáng)信號(hào)處理的抗干擾能力，提高目標(biāo)信息提取的質(zhì)量和效率。當(dāng)然，隨著電子戰(zhàn)技術(shù)的不斷發(fā)展，寬帶相控陣?yán)走_(dá)還必須保持自身生存能力的同時(shí)，保持對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)條件的感知，以適應(yīng)環(huán)境需要。

3.3 特殊探測(cè)手段

為提高雷達(dá)探測(cè)效率，提高對(duì)隱身目標(biāo)的探測(cè)概率，發(fā)展特殊探測(cè)手段也是研究發(fā)展的重要方向，如無源探測(cè)。無源雷達(dá)自身生存能力強(qiáng)，可從多個(gè)方向?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行跟蹤分析，同時(shí)可接收通信、導(dǎo)航、干擾等信號(hào)，進(jìn)行輔助判斷并跟蹤監(jiān)視，避免了隱身目標(biāo)的外形以及吸波材料對(duì)雷達(dá)的影響，提高發(fā)現(xiàn)隱身目標(biāo)概率。當(dāng)然，多頻段集成雷達(dá)、激光雷達(dá)、諧振雷達(dá)等各種特殊手段雷達(dá)均可以應(yīng)用到對(duì)隱身目標(biāo)的探測(cè)之中，從而進(jìn)一步提升對(duì)隱身目標(biāo)的探測(cè)概率。

4 結(jié)語(yǔ)

超寬帶雷達(dá)具有許多獨(dú)特的性能，具備探測(cè)隱身目標(biāo)的優(yōu)勢(shì)。實(shí)現(xiàn)反隱身的關(guān)鍵是雷達(dá)要具有特定的信號(hào)形式，高效率、高增益的天線陣列設(shè)計(jì)，高功率的脈沖發(fā)射以及超高靈敏度的接收機(jī)等分系統(tǒng)。同時(shí)合成孔徑、新技術(shù)在雷達(dá)上的應(yīng)用，不斷提升雷達(dá)信號(hào)處理能力、抗干擾能力，為雷達(dá)信號(hào)處理打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，為探測(cè)隱身目標(biāo)，甚至跟蹤監(jiān)視隱身目標(biāo)成為可能。另外，超寬帶雷達(dá)還可以與紅外、聲吶等技術(shù)探測(cè)手段相結(jié)合，大大豐富雷達(dá)探測(cè)的方式和手段，提升雷達(dá)探測(cè)效率和質(zhì)量。

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