袁 昊，陳峰峰，張廣磊

（1.中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)有限公司，北京 100028；2.中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司雷華電子技術(shù)研究所，江蘇 無(wú)錫 214063）

0 引言

隨著隱身技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，飛機(jī)、導(dǎo)彈、艦船等作戰(zhàn)對(duì)象的隱身性能不斷提高，與同類(lèi)未采取隱身措施的目標(biāo)相比，其RCS 數(shù)十乃至上百倍地降低，單站雷達(dá)由于觀測(cè)視角單一、功率孔徑資源有限，很難進(jìn)一步提高對(duì)隱身目標(biāo)的探測(cè)能力［1］。多基協(xié)同探測(cè)可利用空間分集特性、RCS 閃爍特性、信息融合增益等不同維度的信息，大幅提升對(duì)隱身目標(biāo)的探測(cè)能力［2］。但多機(jī)協(xié)同探測(cè)系統(tǒng)的輻射源依舊在編隊(duì)之中，載機(jī)需主動(dòng)輻射信號(hào)，在實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中易被敵方偵測(cè)并干擾，難以實(shí)現(xiàn)真正意義上的隱蔽探測(cè)，生存能力較差，給隱身平臺(tái)之間的對(duì)抗帶來(lái)隱患。

基于地球同步軌道合成孔徑雷達(dá)（GEO SAR）輻射，機(jī)載雷達(dá)被動(dòng)接收的星機(jī)雙基系統(tǒng)是提升機(jī)載平臺(tái)生存能力，提高隱身目標(biāo)探測(cè)性能的有效技術(shù)途徑。1997 年，Guttrich 等人通過(guò)系統(tǒng)參數(shù)、信噪比和成像可行性等研究，證實(shí)了GEO 星機(jī)雙基SAR 的可行性［3］，在NASA 的支持下，美國(guó)的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室在GEO SAR 同步軌道系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用方面取得了重要成果［4］。國(guó)內(nèi)方面，哈爾濱工業(yè)大學(xué)在GEO 星機(jī)雙基探測(cè)系統(tǒng)的雙基平臺(tái)構(gòu)型、合成孔徑時(shí)間等方向做了研究［5］，電子科技大學(xué)的孫稚超在其博士論文中詳細(xì)介紹了基于GEO 輻射源的星機(jī)SAR 成像理論與方法［6］，北京理工大學(xué)提出了一種基于GEO SAR 編隊(duì)飛行的動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)算法［7］，中科院電子所在GEO SAR 觀測(cè)特性、成像及回波仿真等方向做了研究［8-9］?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)前星機(jī)系統(tǒng)局限于GEO SAR 輻射，單個(gè)機(jī)載平臺(tái)接收無(wú)法獲得多個(gè)機(jī)載平臺(tái)帶來(lái)的融合處理增益，對(duì)隱身目標(biāo)的探測(cè)能力有待提升。

為了進(jìn)一步提升機(jī)載平臺(tái)對(duì)隱身目標(biāo)的探測(cè)能力，本文提出基于GEO SAR 照射、多個(gè)機(jī)載平臺(tái)接收的星機(jī)雷達(dá)協(xié)同融合探測(cè)系統(tǒng)。該方法將GEO SAR 與機(jī)載平臺(tái)相結(jié)合，不僅吸收了GEO SAR 生存能力強(qiáng)、覆蓋范圍廣、照射時(shí)間長(zhǎng)、不受地物遮擋影響的優(yōu)勢(shì)，而且保留了機(jī)載平臺(tái)空間分辨率高、構(gòu)型靈活、融合探測(cè)的特點(diǎn)，尤其可以實(shí)現(xiàn)機(jī)載平臺(tái)的隱蔽探測(cè)，具備極強(qiáng)的抗隱身、抗被動(dòng)定位、抗電子干擾、抗低空突防能力，極大提升機(jī)載雷達(dá)的生存能力，為完成對(duì)空探測(cè)與偵查監(jiān)視提供了新的技術(shù)手段。

1 基于GEO SAR 的星機(jī)協(xié)同融合探測(cè)系統(tǒng)

1.1 作戰(zhàn)場(chǎng)景及優(yōu)勢(shì)分析

GEO SAR 軌道高，具有生存能力強(qiáng)、覆蓋范圍廣、照射時(shí)間長(zhǎng)、不受地物遮擋的優(yōu)勢(shì)，利用GEO 輻射源信號(hào)可對(duì)空中目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)、定位和跟蹤，實(shí)現(xiàn)對(duì)空中目標(biāo)的隱蔽探測(cè)，如圖1 所示。當(dāng)衛(wèi)星電磁信號(hào)輻射到目標(biāo)后，目標(biāo)會(huì)向各方向散射電磁信號(hào)。多個(gè)機(jī)載平臺(tái)可收到衛(wèi)星的直達(dá)波信號(hào)和空中目標(biāo)反射的衛(wèi)星電磁信號(hào)，可得到空中目標(biāo)精確的雙基距離和雙基速度等信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)。通過(guò)多個(gè)機(jī)載雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合處理，可獲得多平臺(tái)融合收益［10］。由于機(jī)載平臺(tái)只負(fù)責(zé)接收，可以實(shí)現(xiàn)電子靜默甚至隱身突襲，不易被敵方偵察干擾，大大提升了載機(jī)平臺(tái)的生存能力和作戰(zhàn)性能。主要優(yōu)勢(shì)有：

圖1 作戰(zhàn)場(chǎng)景示意圖

1）可實(shí)現(xiàn)飛機(jī)平臺(tái)隱蔽探測(cè)，生存力高；

2）可獲取星機(jī)雙基RCS 增益，反隱身潛力大；

3）空中多平臺(tái)接收，融合增益進(jìn)一步提升隱身目標(biāo)探測(cè)距離。

1.2 星機(jī)雙基協(xié)同探測(cè)性能分析

在星機(jī)協(xié)同探測(cè)體系中，GEO SAR 衛(wèi)星向作戰(zhàn)空間輻射電磁信號(hào)，機(jī)載平臺(tái)可接收到衛(wèi)星信號(hào)照射到目標(biāo)后的散射信號(hào)。因此，可利用雙基雷達(dá)方程分析星機(jī)協(xié)同探測(cè)威力。雙基雷達(dá)方程表示為

1.3 星機(jī)多基協(xié)同融合探測(cè)性能分析

面對(duì)隱身目標(biāo)探測(cè)需求，多機(jī)協(xié)同融合探測(cè)進(jìn)一步提升雷達(dá)對(duì)隱身目標(biāo)的探測(cè)威力［11-12］。采用衛(wèi)星發(fā)射多機(jī)載平臺(tái)接收模式，多個(gè)機(jī)載平臺(tái)可以利用不同維度（空間、時(shí)間、頻率和能量）信息提升目標(biāo)RCS 空間閃爍增益以及雙基RCS 增益；另一方面，通過(guò)融合算法對(duì)多平臺(tái)雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行信息融合處理，獲得融合增益，進(jìn)而大幅提升隱身目標(biāo)的探測(cè)距離。

假設(shè)不同角度上目標(biāo)服從Swerling II 模型，第i個(gè)平臺(tái)的信號(hào)在兩種假設(shè)下的形式為：

2 仿真驗(yàn)證

本文以GEO SAR 衛(wèi)星照射、空中雙平臺(tái)接收系統(tǒng)為例，分析基于星機(jī)協(xié)同的多基雷達(dá)融合探測(cè)系統(tǒng)的性能。仿真試驗(yàn)主要包括星機(jī)雙基隱身目標(biāo)RCS 增益、星機(jī)雙基協(xié)同探測(cè)威力、星機(jī)多基協(xié)同融合探測(cè)性能。表1 給出了星機(jī)協(xié)同探測(cè)系統(tǒng)的仿真參數(shù)。

表1 仿真參數(shù)表

2.1 仿真試驗(yàn)1：星機(jī)雙基隱身目標(biāo)RCS 增益

隱身飛機(jī)低RCS 是針對(duì)單向觀測(cè)雷達(dá)設(shè)計(jì)，采用星發(fā)機(jī)收雙基模式，機(jī)載平臺(tái)接收從目標(biāo)背部入射的衛(wèi)星信號(hào)。下頁(yè)圖2 給出了典型角度關(guān)系下F-22 目標(biāo)模型的單/雙基RCS 仿真結(jié)果，考慮到對(duì)抗態(tài)勢(shì)下隱身戰(zhàn)機(jī)的低RCS 威脅主要集中在前向范圍，此處僅給出前向方位±60°范圍內(nèi)的仿真結(jié)果。分析可見(jiàn)，衛(wèi)星-目標(biāo)-載機(jī)之間的夾角Ω 越大，雙基RCS 優(yōu)勢(shì)越明顯。當(dāng)Ω 超過(guò)90°時(shí)，雙基RCS 提升平均達(dá)10 dB 以上；而Ω 小于30°時(shí)，雙基RCS 提升收益不明顯，某些姿態(tài)角下甚至弱于單機(jī)探測(cè)RCS?？梢缘玫揭韵陆Y(jié)論：采用星機(jī)雙基協(xié)同探測(cè)，在大的雙基角度下，鼻椎方向可獲取比單基更大的目標(biāo)RCS，從而提升對(duì)隱身目標(biāo)的探測(cè)能力；如果雙方都采用隱身戰(zhàn)機(jī)，只要GEO SAR 選擇合適的占位（例如Ω=150°），就能只對(duì)我方戰(zhàn)機(jī)的反隱身探測(cè)能力有顯著增強(qiáng)，而對(duì)手卻無(wú)法利用該天基信號(hào)源提高反隱身能力。

圖2 RCS 示意圖

2.2 仿真試驗(yàn)2：星機(jī)雙基協(xié)同探測(cè)威力

目標(biāo)檢測(cè)概率與觀測(cè)信號(hào)的信噪比有關(guān)，而信噪比與目標(biāo)位置和接收平臺(tái)的相對(duì)位置有關(guān)，因此，作戰(zhàn)空間不同位置可計(jì)算出不同的檢測(cè)概率。圖3 給出了星機(jī)雙基雷達(dá)在作戰(zhàn)空間的檢測(cè)概率等高線圖，圖中每一條線表示在某一檢測(cè)概率下機(jī)載雷達(dá)的探測(cè)范圍。在目標(biāo)檢測(cè)概率為0.5 時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)200 km 的最遠(yuǎn)探測(cè)距離，滿足作戰(zhàn)空間內(nèi)對(duì)隱身目標(biāo)的探測(cè)需求。

圖3 星機(jī)雙基雷達(dá)檢測(cè)概率等高線

2.3 仿真實(shí)驗(yàn)3：星機(jī)多基協(xié)同融合探測(cè)性能

采用衛(wèi)星發(fā)射多機(jī)載平臺(tái)接收模式，多個(gè)機(jī)載平臺(tái)通過(guò)信息融合，獲得融合增益，進(jìn)一步提高隱身目標(biāo)的探測(cè)距離。

圖4 分析了判決級(jí)融合反隱身增程探測(cè)能力。圖中，假設(shè)各平臺(tái)觀測(cè)目標(biāo)信噪比相等，目標(biāo)可檢測(cè)概率為PD=0.5，虛警概率設(shè)置為10-3?？梢钥闯?，隨著信噪比的增加，目標(biāo)檢測(cè)概率越大，在檢測(cè)概率為0.5 時(shí)，單個(gè)機(jī)載雷達(dá)需要的SNR 為9.52 dB，兩個(gè)機(jī)載雷達(dá)協(xié)同融合探測(cè)需要的SNR 為7.15 dB，信噪比改善2.37 dB。

圖4 相同SNR 下的融合探測(cè)性能

實(shí)際上，在多機(jī)載雷達(dá)進(jìn)行融合探測(cè)時(shí)，不同平臺(tái)獲取目標(biāo)的能量不同，信噪比也不同。信噪比與目標(biāo)不同方向的RCS 大小、目標(biāo)與觀測(cè)平臺(tái)相對(duì)位置等因素有關(guān)。下頁(yè)圖5（a）～（c）給出了在不同基線長(zhǎng)度下，兩個(gè)機(jī)載雷達(dá)平臺(tái)協(xié)同探測(cè)威力范圍?？梢钥闯觯S著兩個(gè)雷達(dá)基線長(zhǎng)度的增大，其融合探測(cè)能力逐漸變小。這是因?yàn)楫?dāng)?shù)蚐NR 與高SNR數(shù)據(jù)進(jìn)行融合時(shí)信噪比可能會(huì)有一定的損失，使得有些區(qū)域融合探測(cè)距離比單個(gè)機(jī)載雷達(dá)探測(cè)距離要小。

圖5 星機(jī)雷達(dá)協(xié)同融合探測(cè)威力圖

3 結(jié)論

針對(duì)隱身目標(biāo)探測(cè)問(wèn)題，本文研究了基于GEO SAR 衛(wèi)星發(fā)射，多個(gè)空中平臺(tái)接收的多基雷達(dá)協(xié)同融合探測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)在隱身目標(biāo)探測(cè)方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，可獲取目標(biāo)RCS 空間閃爍增益、雙基RCS增益以及融合增益，同時(shí)具有隱蔽探測(cè)、生存能力強(qiáng)、覆蓋范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)理論分析和仿真驗(yàn)證，基于GEO SAR 衛(wèi)星照射、多機(jī)載平臺(tái)接收的多基雷達(dá)協(xié)同融合探測(cè)系統(tǒng)可提高隱身目標(biāo)探測(cè)能力。在全靜默預(yù)警探測(cè)、隱身對(duì)抗等高威脅環(huán)境下，該探測(cè)系統(tǒng)具有重大的應(yīng)用潛力。