低截获概率_LPI_雷达的发展_张锡熊

低截获概率(LPI)雷达的发展

张锡熊

(第20研究所 西安710068)

*

=摘要> 论述了发展LPI雷达的几个基本问题。首先分析了雷达截获性能与目标特性、雷达特性和侦察接收机的关系,对现有几种有代表性的雷达分析了截获距离,并讨论了LPI措施及其得益,提出了LPI措施的反侦察/效益门限0的概念,并分析了扩谱的LPI得益,最后阐明了LPI雷达是雷达的重大变革,提出了分二步走的发展战略。

=关键词> LPI雷达,截获距离,LPI效益门限

DevelopmentofLPIRadar

ZHANGX-ixiong

(The20thResearchInstitute Xican710068)

=Abstract> ThispaperdescribesseveralfundamentalproblemsofthedevelopmentofLPIradar.TheLPIperformancesrelatedtothecharacterizticsoftarget,radarandElintreceiverareanalyzed.ThentheinterceptionrangeofradarradiationbyElintreceiverforsev-eralrepresentativeradarsiscalculated.TheLPImeasuresanditsgainarecommented.Theconceptof0LPIEffectThreshold0ispro-posed.Thegainofspreadspectrumtechniqueisanalyzed.Intheend,ItispointedoutthatLPIRadarisanimportantradarstructuralre-formandthestrategyoftwodevelopmentstepsissuggested.

=Keywords> LPIradar,interceptionrange,LPIeffectthreshold

1 引 言

近年来我国雷达界一直在倡导我国应发展LPI雷

达。关于如何发展LPI雷达,走什么技术途径。国内外虽发表不少有关LPI雷达论文,但存在着一些模糊观点和误解。

本文的目的是从理论上阐明有关LPI雷达的几个基本问题,从而得出发展LPI雷达正确的技术途径。

雷达是现代和未来战争中军用探测器的主体,是敌方攻击的首选目标。单基地的脉冲雷达,在现代高技术战争中,很容易被敌方干扰或精确制导武器所摧毁。这是一个严重的潜在危机,所以,发展LPI雷达是当务之急,特别是发展中的国家,面对军事强国,就更为迫切。

对LPI雷达有各种不同的说法,我们选择一个比较通用的定义是A<1 Rr>Ri

即雷达对平台的作用距离大于平台侦察接收机的截获距离。

(3)超低截获概率(ULPI)雷达的定义

1A< Rr>2Ri

2

这时,带侦察接收机的平台已进入我方的拦击区,即使侦察到雷达信号,也来不及采取有效对策了。

国内外报导的LPI雷达都应该用这个定义去加以验证,真伪自明。

3 雷达被截获性能有关因素的分析

3.1 A的公式

A=

12PR2KGtPtSrLrGrB2tLx

2 LPI雷达的定义

(1)截获概率因子的定义

施里海尔为衡量雷达的被截获性能提出了截获概率因子(A)的定义A=

侦察接收机截获雷达辐射的距离(Ri)雷达对带侦察接收机的平台的作用距离(Rr)

GiBiSiLi

21/4

(1)

式中:R为目标的雷达截面积;K雷达的波长;Gt雷达发射天线增益;Gr雷达接收天线增益;Sr雷达接收机灵敏度;Pt雷达发射脉冲功率;Bt雷达发射信号瞬时谱宽;Lt雷达发射支路损耗;Lr雷达接收支路损耗;

(2)LPI雷达的定义

*收稿日期:2002-10-28 修订日期:2003-06-052

现代雷达25卷

Gi侦察接收机天线增益;Bi侦察接收机带宽;Si侦察接收机灵敏度;Li侦察接收机损耗。为简化分析,设Lr=Lt=Li=1,则

A=

14PRKGtPtSrGrB2t

2

21/4

当于提高Sr值,所以

/2

A]P1t

(9)

(c)与Bt关系

(2)

由式(1)

A]

Bi

Bt

1/2

GiBiSi

如Bt[Bi,Bt/Bi=1,则

A=

14PR2KGtPtSr

Gr

(10)

Gi3Si

21/4

(3)

当Bt>Bi,即雷达发射的瞬时谱宽大于侦察接收机的带宽

A]

1Bt1/2

如R为定值,则

4PSrLrGi

A=R##

RGrSiLi

1/2

(11)

(4)

如Bt[Bi,则Bi/Bt=1,不论Bt如何变化对A值都没有影响。

(d)与Sr关系

从式(4)看出

A](Sr)1/2

雷达接收灵敏度愈高,低截获性能愈好。

(15)

由上式可知,A值与三项因素有关,第一项表示与目标特性关系;第二项与雷达特性关系;第三项与侦察接收机关系。

3.2 A值与目标特性的关系

如R为定值

A]

1R1/2

(5)

3.4 A值与侦察接收机特性的关系

(a)与Gi关系

A](Gi)1/2

侦察接收机天线增益愈高,A值愈大。(b)与Si关系

A]

1Si

1/2

几种目标对A值的影响如表1所示。

表1 不同类型目标对A值的影响

目标类别舰船

2

100~10000R(m)

(dB)+80~+40对A值影响+10~+20dB

飞机1~100~+100~+5dB

隐身飞机0.001~0.1-30~-10-15~-5dB

(13)

上述分析说明对舰船的LPI雷达对飞机就不一定是LPI雷达。

3.3 A值与雷达特性的关系

(a)与雷达发射天线的增益Gt的关系由式(1)看出

A]

/4G1t

侦察接收机灵敏度愈高,A值愈大。

4 现代雷达被截获距离和LPI措施及其得益

设定条件:侦察接收机的参数:高放检波式;天线

(6)

增益Gi=10dB;接收灵敏度Si=-70dBm;支路损耗Li

=3dB;高放带宽Birf=500MHz;视放带宽Biv=20MHz;目标的截面积R=2m2。

对现装备的几种有代表性的雷达的作用距离(Rr)、被截获距离(Ri)和A值计算结果如表2所示。

表2 几种雷达的Rr、Ri、A值

雷达型号

法近程监视雷达(CASTORÒ)法中程监视雷达(TIGER)美三座标雷达(AN/TPS-59)美远程监视雷达(AN/TPS-43)美多功能雷达(AN/MPQ53)中火控雷达(A型)

Rr(km)30110560440150~16035

Ri(km)26707705277477957799471888

A(dB)19.518.51722.61817.5

Gt值的减少,雷达作用距离Rr相应减少,为了保持Rr值不变,要采用多波束接收天线,增加雷达波束对目标的驻留时间,即增加回波信号的积累时间,如为相参积累,等效于提高雷达接收机的灵敏度Sr。

式(1)中

/4

A]S1t

(7)

所以,减少Gt,保持Rr值不变,等效于

/2A]G1t

(8)

(b)与Pt关系

为保持Rr不变,雷达的发射能量Et应为常数。Et=Pt/Bs,Pt减少,S相应增加,Bs相应减少,相 从上述分析,可得出对空中目标现代雷达的自由空间被截获距离为几千公里到几万公里,约100倍于雷达的作用距离,A值为20dB左右。第12期张锡熊:低截获概率(LPI)雷达的发展

3

LPI雷达采用了多种措施,其得益如表3所示。

表3 LPI措施及其得益LPI措施

1、采用CW2、宽波束发射多波束接收(几百个)

3、扩宽频谱(GHz量级)

4、提高接收灵敏度,长时间信号积累

5、上述四项措施之和

得益10~20dB

A值减少值5~10dB

益,A值又可减少10dB。这样,A值就可以小于1,达到LPI雷达的要求。以荷兰PILOT雷达为例,它采用了FMCW,对R为100m2的舰船,其作用距离为25km,对灵敏度为-70dBm的侦察接收机,其截获距离为10.6km,所以,它是一个对舰船目标的LPI雷达。(2)对空中目标(R=1~2m),CW雷达不一定是

LPI雷达

很明显,前面分析已经指出,对空中目标侦察接收机的截获距离约是雷达作用距离的100倍,而脉冲改成CW仅能使截获距离减少10倍,远达不到小于1的要求。所以,对空中目标,CW雷达就不一定是LPI雷达。

2

20~25dB10~12.5dB10~20dB6~10dB

5~10dB3~5dB

46~75dB23~37.5dB

从上述分析,得出的结论是:

#采取LPI措施,可以使A<1,这说明LPI雷达是可以实现的。

#采取单项措施,对空中目标做不到A<1,达不到LPI雷达的要求。

7 扩谱对LPI的效果

雷达扩展频谱是LPI的一个重要措施,它的效果如何,这里要阐明几个基本观点。

雷达的作用距离在匹配接收的条件下与雷达发射波形无关。如不考虑目标特性与雷达信号谱宽的关系,雷达匹配接收机最大输出的信噪比为

2PavT0S2E==NN0N0

(14)

5 LPI措施的反侦察效果

采取LPI措施是要达到一定的反侦察的目的,如

何来衡量LPI措施的效果,是不是只要加上LPI措施就会有效果,这里提出一个反侦察/效益门限0的概念,对一个截获距离有几千公里到几万公里的雷达,如LPI措施的得益只有20dB,即A值降低10dB,侦察接收机的截获距离为几百公里到几千公里,远在雷达作用距离以外就截获到雷达信号,这就没有什么效果。

如果使A值再降低10dB,就会获得很好的反侦察效果,这就是LPI的/效益门限0,只有越过了这

图1 A值与反侦察效益的关系

式中,E为雷达发射信号的能量,它是平均功率Pav与观察时间T0的乘积,N0为单位频带内噪声功率。所以

Rr]E]PavT0

(15)

只与发射信号能量有关,不管发射什么波形,谱宽是多少,雷达的作用距离是不变的。侦察接收机截获距离在Bt[Bi发射功率不变的条件下与发射谱宽无关。最后要说明的一点,在很多论述中讨论展宽雷达发射信号频谱对LPI的影响时,都指出BtS值愈大,LPI得益愈大。

A]

1(BS)1/2

1/2

个门限,LPI措施才能获得效

益,这个效益门限在A0=1附近。图1是反侦察效益与A值关系的示意图。

这里得出一个重要的概念,采取的LPI措施,一定要超过/效益门限0,才能取得反侦察的效果。

(16)

值,一般脉压雷达

如BtS=M,则A值得益为M

6 雷达的LPI性能分析

现在流行着这样一种观点/CW雷达就是LPI雷达0,这种观点是不是正确需要加以分析。

(1)对舰船目标(R\\100m),CW雷达是LPI雷达舰船目标雷达截面积与飞机相比约有20dB得益,即值可减少10dB,脉冲改成CW有20dB得2

M值可以做到100~1000,则A值减少10~15dB,这

是指雷达接收对宽谱信号可以匹配,而侦察接收机很难实现匹配接收,它是失配的。所以,单从二者接收是否匹配的观点,雷达信号的扩谱愈宽,M值愈大,LPI得益愈多。但是,要阐明的重要一点是,前面在计算雷达作用距离时,已设定它是匹配接收,而在计算侦察接收机的截获距离时,已考虑它是失配接收,这种LPI得益已计算在内。4

现代雷达25卷

信号形式对侦察接收机能否轻易破解,以取得信号处理的得益,也是一个值得关注的重要问题,如二相编码信号,侦察接收机对接收的信号加以平方,即可去除编码而变成CW信号,因而就可以采取窄带接收以获得较大的处理得益,而对多相码信号就困难得多,所以,多相编码是LPI雷达优选的信号形式。

当然,复杂的信号形式敌方截获后,难以分析出它的结构,如随机调相编码,使敌方难以识别雷达的性质和进行欺骗干扰,这是有好处的。

(1)近期设想:LPI雷达发展的初级阶段。立足于当前技术水平提出的设想的主要目标是:1)一维多波束LPI雷达:可作为对空监视和对海监视、跟踪和火控;

2)一维多波束LPI雷达配上无源跟踪雷达,构成一个LPI对空监视、跟踪和火控雷达系统,其配置是:a.一个公用宽波束发射源;b.一部一维多波束接收站(用于监视);c.多个无源跟踪雷达(用于跟踪和火控)。其特征是:a.CW;b.一维多波束(100个波束)接收系统;c.超宽带多频综合;

(2)远期设想:LPI雷达发展的高级阶段。

这是在预测未来微电子技术和雷达技术发展的基础上提出的设想,目标是二维多波束多功能LPI雷达,具有对空监视、跟踪和火控功能。其主要特征是:

a.CW;b.二维多波束(几千到几万个波束)接收系统;c.超宽谱(GHz量级);d.双/多基地。

这种高级LPI雷达将有可能成为雷达发展的主流,预计还需要10~20年时间。

8 LPI雷达是雷达的重大变革

LPI雷达与现代雷达有本质上的区别(见表4),实现了技术上的跨越。

表4 现代雷达与LPI雷达的区别

现代雷达

LPI雷达

脉冲复杂调制的CW收发合一、单天线、收发分置天线、宽波束发射、多单波束窄谱单基地

波束接收超宽谱双/多基地

11 结 语

在雷达与反雷达的斗争历程中,反雷达技术取得了两项重大突破,一是ARM;二是隐身。而雷达迄今还没有有效的对策,因而在电子战中处于相对劣势。LPI雷达是雷达技术的重大突破,它将扭转劣势,在二者的斗争中处于有利地位。当然,雷达与反雷达是一个矛盾的两个对立面,雷达提高了低被截获能力,反雷达方也可以提高侦察灵敏度,雷达与反雷达技术将在斗争中不断发展。

参 考 文 献

1 张锡熊.超低截获概率雷达.21世纪我国雷达发展研讨会论

文集,2000.9:37~50

2 JianjunGe,JunZhou,NianshenXiong,etc.ALPIradar,system

designanditsperformance.1998InternationalRadarSymposium,Munich,Germany.1998.9:161~165

3 徐映和.静悄悄的卫士󰀁低截获概率雷达:[所庆论文].中

国电子科技集团公司第二十研究所,2001.10:11~1 DonaldRWehner.High-ResolutionRadar.ArtechHouseBoston

London,1995

张锡熊 男,1925年生,1949年毕业于浙江大学,研究员,曾任20研究所副所长,总工程师,中国电子学会会士,长期从事雷达技术研究,发表有/雷达抗干扰原理0等著作多部,现主要从事于雷达技术发展研究工作。

这种新的雷达解决了长期困惑着雷达界的3大难题,即:a)反侦察;b)反ARM;c)反隐身。同时它

突破了现代最先进的有源相控阵雷达的2个局限,即雷达易暴露和无法充分利用时间资源。

所以,这种新的雷达比较充分利用了雷达的时域、空域和频域的3大资源,可以做到与电子战环境中的目标特性更好地匹配。如果说今天是/相控阵雷达0的时代,那么明天将是/LPI雷达0的新时代。

9 LPI雷达的可行性

LPI雷达的实现是建立在二个基础上:

a)基础电子技术。微电子技术、超高速超大规模集成电路技术、超高速大容量计算机技术等;b)雷达技术。主要是信号处理技术、DBF技术、超宽谱技术等。只有这二者的高度发展,LPI雷达才有实现可能。最近几年来,对海上和地面目标的LPI雷达已研制成功并开始装备,如荷兰Signnal公司的船用导航和监视雷达/PILOT0、/SCOUT0和战场侦察雷达/SQUIRE0。对空的LPI雷达正处于研究阶段,正像斯科尔尼克所指出的那样,/无处不在的DBF雷达是一种还没有被完全验证的设想0。

10 发展LPI雷达的近期和远期战略

这里提出发展LPI雷达二步走的设想。