浅谈有源低截获与无源探测技术融合的舰载雷达发展

浅谈有源低截获与无源探测技术融合的舰载雷达发展

李赟

海军装备部 陕西省咸阳市  713105

摘 要：有源低截获与无源探测技术融合的舰载雷达是雷达行业探讨和发展的一个主要方向。舰载雷达融合低截获和利用卫星信号实现无源探测技术是提高雷达隐蔽性、增强对抗能力的一个有效和可行的手段。本文简要介绍了雷达实现低截获探测和实现卫星无源探测融合设计的可行性、主要特点、发展方向。

关键词：低截获 无源探测 舰载雷达

1 前言

为适应复杂多变的作战环境和日益多样化的目标，充分发挥舰载雷达在舰船装备和海上作战的作用，舰载雷达必须采取融合多种措施和技术手段，大力升级和发展复杂电磁环境下的态势感知能力。舰载雷达功率较大，向目标辐射电磁波的同时也较易暴露自己，成为敌方的强电磁干扰、甚至反辐射武器攻击的聚焦点。在达到高精度探测要求的基础上，如何降低自身被探测概率，力争做到隐蔽探测，是舰载雷达需要努力发展的方向^[1]。本文就舰载雷达如何融合有源低截获概率探测和无源探测手段的可行性进行了分析。

2 有源低截获概率探测的实现模式

2.1低截获概率雷达的基本表达式

如图1，在自由空间距离R，目标反射截面积为σ产生接收系统输入端信号功率为S所要求的雷达发射功率P_t可表示为：

(2.1)

其中：L是雷达系统所有损耗（L≥1），包括双程传播损耗，G_r 是雷达天线增益。

图1 雷达截获（ESM）距离R_I示意图

雷达截获（ESM）接收机灵敏度为S_I，接收天线增益为G_I，可截获发射功率为P_t的雷达信号的最大自由空间距离为：

(2.2)

其中LI是ESM接收系统的所有损耗，包括单程传播损耗。

用式(2.1）代入式(2.2)，并令接收信号功率S等于雷达接收机灵敏度S_r，对雷达正好可以探测距离为R截面积为σ的目标的最大截获信号距离R_I为：

(2.3)

通过式（2.3），舰载雷达截获距离R_I，与目标RCS、ESM接收差损、接收天线增益、接收机灵敏度以及雷达自身差损、自身天线增益、接收机灵敏度相关。

2.2 有源低截获概率探测的工程运用

从2.1节的分析可知，通过提高雷达检测灵敏度，可以有效地减小截获距离。目前，国内外已研制出的低截获概率雷达，采用了信号设计、数字脉冲压缩和相参积累等方式，可提高检测灵敏度40dB以上。即在保持探测距离不变的情况下，发射的功率与脉冲雷达相比可降低几千倍至几万倍，使雷达截获距离R_I明显减小。在敌侦察系统未掌握低截获雷达工作目标特性的基础上，有源低截获概率雷达可以在一定程度上达到隐蔽探测的目的。

3 无源探测技术的研究

无源探测技术是借助于目标辐射的电磁波或利用其它辐射器经目标反射的电磁波完成探测。利用目标自身辐射的电磁波完成属于被动雷达（侦查雷达），利用目标反射其它辐射器发射的电磁波完成探测的雷达属于无源雷达^[2]。

无源雷达目前可利用的外辐射源包括卫星转播的广播、电视、通信台以及导航卫星信号。综合利用导航卫星系统资源，把低截获概率有源探测、无源探测、卫星通讯、导航定位、指挥调度等多种功能融合设计，根据作战需求，灵活选择一类或多类探测模式，在减少自身暴露概率的基础上，尽可能全面感知战场综合态势，这是舰载雷达向集成化、一体化、网络化发展的趋势。

3.1 卫星散射信号无源探测技术的可行性分析

舰载雷达利用导航卫星信号实现无源探测的方式如图2所示。雷达通过接收直达卫星信号和目标的反射卫星信号，从而发现并得到目标距离信息；通过雷达天线得到目标的方位信息，理论上可通过1个卫星的信号，但通过多个卫星信号能够使信号反射能量积累，更好的实现无源探测。

图2 舰载雷达无源卫星信号探测示意图

3.2 目标回波信号功率

假设卫星信号到达海平面的功率电平为P_d，即卫星直达雷达和目标的信号功率电平都为P_d。目标的有效反射截面积为σ，目标距离雷达R，通过目标反射后的卫星信号到达雷达所在位置的功率电平为P_τ，则：

(3.1)

取分贝数：

(3.2)

假设σ=1000m²,R=1km,则反射信号与直达信号的功率差ΔP：

(3.3)

由此可见，距离雷达1km的目标反射的卫星信号已是非常小，它比直达信号至少小40dB。即，舰载雷达设备要通过目标反射的卫星信号探测1km外的目标，其接收系统必须比直达卫星信号的接收系统至少高40dB信号增益，距离每增大1倍，增加6dB信号增益，见表1。

表1目标距离与ΔP的关系

3.2.1雷达对目标反射卫星信号增益的估算

雷达对目标反射卫星信号的接收系统相对于直达卫星信号的接收系统，可采用两个途径提高信号增益。一是设计大增益的接收天线，二是提高信号处理增益。以北斗二代RNSS卫星进行分析计算。

3.2.2 天线增益

如果用与X波段增益为32dB相同有效面积的天线接收卫星信号，增益约为20dB，这是因为卫星信号频率工作在L波段，波长增大了4倍，天线增益随之下降12dB。所以，通过雷达天线接收目标反射卫星信号，可以得到17dB以上的信号增益。

3.2.3 信号处理增益理论计算

雷达实现卫星信号的无源探测，首先要接收到卫星的直达信号，并解调出信号特征，然后用已知的信号特征对目标反射信号识别确认后沿距离单元进行相关处理和压缩积累，已获得较大的信号处理增益。

RNSS卫星的信号采用伪码扩频方式，PN码的周期为TPN，时钟为CLKPNMHz，所以解扩后一个Bit的数据位的时间宽度为 TPN /CLKPN=62.5μs。假设雷达天线的水平波束宽度为2.5°，雷达天线转速为1转/分钟，则对于1个点目标雷达所能得到最大数据位个数N由式（3.4）计算。

(3.4)

取分贝就是处理增益：10LogN=10Log6666.7≈38dB.

考虑到每颗卫星有I、Q两个支路信号，能接收到2颗卫星信号，信号可再增加6dB，即雷达对目标反射的卫星信号最大信号处理增益理论值为44dB。

3.3 雷达卫星信号无源探测的距离估算

根据以上理论计算，雷达对目标反射卫星信号的接收系统比卫星信号接收系统信号增益的增强幅值是天线增益和信号处理增益之和，即增加了61dB信号增益，或者说雷达以RNSS用户接收机的接收门限为检测门限，其目标反射卫星信号比直达卫星信号理论上可以小61dB^[3]。结合表1，雷达对有效反射面积为1000平米的目标探测距离约为10千米，如果考虑到“北斗”用户接收机的接收门限有几分贝的余量，则雷达的探测距离可达到15～20千米。对于舰载雷达，X波段天线增益可达到44dB，其探测距里可超过80千米。

4 舰载雷达有源与无源融合设计的发展

通过以上的分析，舰载雷达设备要实现真正的隐蔽探测，采用多种探测功能综合是一种最优的方式。有源低截获概率探测获取的作用距离、探测方位、距离精度、方位精度等指标都很理想，但隐蔽性差不能实现真正意义上的隐蔽探测；无源卫星信号探测实现了真正的隐蔽探测，可以得到目标的距离、方位信息，并且可以把卫星通信、导航定位、指挥调度等功能综合于雷达系统，但目前其数据更新率较低；把这些探测手段综合起来，工作模式根据情况灵活选择，会大大增强装备的电子对抗能力。

舰载雷达需对融合体制的舰载雷达系统设计、C波段双系统天馈系统设计、高动态范围双系统接收机、多功能数字信号处理系统以及RNSS导航卫星接收机的数据信息处理系统，合理分配指标，以达到实现舰载雷达双路回波的解扩处理、目标反射信号的积累、目标参数解算的功能。舰载雷达将有源低截获概率探测和无源探测相融合设计的工作模式，以及卫星通信定位及导航等多种功能综合将使雷达的综合能力显著提升，增强舰载雷达在强电磁对抗环境下的生存能力，从而更加全面准确感知战场目标信息的综合态势，切实发挥战斗力“倍增器”的作用。

参考文献

[1] 黄鹏刚.低截获概率雷达技术研究[J].现代电子技术 .2003

[2] 江桥；侯庆禹；黄和国.舰载雷达主动反电子侦察技术[J]. 舰载雷达.2016

[3] 刘彦明；何瑞珠.RNSS信号的干扰分析[J].电子技术与软件工程.2015

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