基于灵敏度的雷达组网性能分析*

黄利彬 曲爱华

(海军指挥学院 南京 211800)

1 引言

在现代高科技战争条件下,战争形式已从平台中心战(FCW)向网络中心战(NCW)转变,电子战的迅速发展使雷达所处的电磁环境越来越复杂,加上空袭兵器种类繁多,性能先进,对雷达的生存与运作提出了严峻的挑战,使雷达面临四大威胁:1)隐身目标的威胁;2)反辐射导弹的威胁;3)低空/超低空突防的威胁;4)综合电子干扰的威胁[1]。其中电子干扰是现代战争中雷达所遇到的最广泛、最严重的威胁,先进的综合电子干扰系统、多功能多波束相控阵干扰系统、人工智能技术在干扰设备中的应用,将对现代雷达的生存与发展提出了严峻的挑战。如何降低被敌方侦察的概率,以至在受到敌方干扰的情况下,如何最大程度的保持系统的战斗力是需要重点考虑的一个问题。目前,国内外雷达专家一致认为,对付四大威胁比较现实而且有效的措施是采用多雷达组网技术。文章首先对雷达组网技术进行了概述,然后从灵敏度的角度对雷达组网系统的性能进行了分析。

2 雷达组网概述

2.1 雷达组网的定义

文献[2]给出了完整的雷达组网定义,雷达组网是指通过将多部不同体制、不同频段、不同工作方式、不同极化方式的雷达或者无源侦察装备适当布站,借助于通信手段链接成网,由中心站统一调配而形成的一个有机整体。网内各雷达和雷达对抗侦察装备的信息(原始信号、点迹、航迹等)由中心站收集,综合处理后形成雷达网覆盖范围内的情报信息,并按照战争态势的变化自适应地调整网内各雷达的工作状态,发挥各个雷达和雷达对抗侦察装备的优势,从而完成整个覆盖范围内的探测、定位和跟踪等任务。

从上面的定义可以看出,雷达组网系统不仅包括雷达这种传感器,通常还可以包括诸如无源侦察装备之类的电子支援措施(ESM)传感器。雷达和ESM 传感器各具优点,两者通过“分布探测,集中处理;主动为主,被动为辅”的技术机制形成一个有机整体。雷达探测提供目标的方位、俯仰和距离信息,而雷达对抗侦察装备提供目标的方位和识别信息。两者结合可以为现代防空系统提供探测所需要的完整数据,因此,雷达和ESM两种探测技术的综合,可以更有效地探测空中、地面各种状态下的目标。

雷达组网的技术基础是多传感器信息融合技术。所谓信息融合就是利用计算机技术,将来自多个传感器或多源的信息进行综合处理,从而获得目标的精确的状态和属性估计,以及对战场态势、威胁和重要程度的适时的综合评估。

图1 雷达组网系统示意图

2.2 雷达组网的基本形式

依据组网雷达类型的不同,可分为:

1)单基地雷达组网

单基地雷达组网中各部雷达都是单基工作体制,即雷达的发射和接收都是由一部雷达完成。这种形式由于将各自相互独立的雷达通过组网而使其整个系统构成一有机整体,从而使网内雷达工作方式灵活多变,且雷达间因为在空间位置上分离,在对付“四大威胁”方面具有一定的优势,各雷达在与网中心失去联系时,也可独立完成部分工作。

2)双(多)基地雷达组网

双(多)基地雷达组网中各部雷达是双(多)雷达体制,是对同一个发射机部署了多个分开的接收机的雷达组网。这种组网可充分利用双/多基地的特性,对抗电子干扰、抗反辐射导弹及反隐身等具有较强的工作能力,辅以空中平台,还可明显增强抗低空突防能力。本文重点对该种形式的雷达组网进行了性能分析。

3)单基地、双/多基地雷达混合组网

单基地、双/多基地雷达混合组网是收发异地和单基混合组网,这种组网形式具有上述两种方式的共同优点,其工作方式灵活多变。

此外,还可按照构成雷达网功能的不同,可分为:制导雷达网、情报雷达网、航空管制雷达网和气象雷达网等[1,3]。

2.3 雷达组网的优势

雷达组网使用在空间位置分离的收发装置。这种布局与单一雷达和双基地雷达相比,拥有无法比拟的优势。优势之一就是能够最优化雷达组网系统的作用范围。该系统使用多个接收站和发射站,能够根据具体的任务需要,对各站进行合理布置,再与相配的数据融合算法相结合,在指定方向上扩展了覆盖范围。另一个优势就是增加了系统灵敏度。由于使用了多个雷达发射装置,目标回波能量得到增强,也就增强了总的SNR和雷达组网系统的灵敏度。在雷达组网中,多基地雷达接收站布置分散,可以从不同位置接收目标散射信号,充分利用该信号,能够改进对目标的分类和识别能力。

同时,雷达组网后,系统的生存能力和可靠性得到增强。生存能力特指雷达抗反辐射导弹摧毁的能力。雷达接收站不辐射电磁波,而是被动的接收目标回波信号,这就增强该站的隐蔽性,被摧毁的概率为零。发站被摧毁的概率与单基地雷达相同。但发站雷达可部署在后方安全地带,在配置若干部诱饵发射机和火力掩护,可以获得比单基地雷达更高的生存能力[4]。可靠性指多方面,损失一个或几个雷达站,也不会对发现目标形成致命一击,因为还有其它的雷达站仍在工作,增强了发现目标的可靠性;雷达组网可以实现系统内的情报资源共享,完成对每个雷达站的实时指挥控制,增加了实战的可靠性。

相关技术的发展,如时间同步技术、定位和标校技术、数据传输技术、数据融合等技术,提升了雷达网对小目标、隐身目标、高速高机动目标、低空目标等的探测和跟踪能力,提高雷达网的整体抗干扰、抗摧毁能力已成为可能。

3 雷达组网系统的灵敏度分析

雷达灵敏度是评估雷达系统性能的最重要参数之一,它表示雷达能够探测到目标出现的能力,它以接收到信噪比(SNR)表示,通过雷达距离方程来计算。当给出发现概率与虚警概率时,能够计算出最小检测信噪比。雷达灵敏度受多个参数影响,包括雷达本身因素,例如发射脉冲功率,天线增益,雷达工作波长等等,雷达设计者能够决定这些因素,但还有其它不可预测的因素,例如目标截面积,目标与接收机之间距离等等。

单基雷达的灵敏度能够根据传统单基雷达方程进行计算。单基雷达灵敏度在2维和3维空间上的仿真曲线如图2所示。在这个仿真中,假设目标回波面不发生变化,发射脉冲功率是6kW和探测门限设为13db。可以看出单基雷达的灵敏度在2维空间是圆形的范围,在3维空间是个半球形范围,这是由雷达的能量等方向传输引起的。

图2 单基雷达在2维和3维空间上的灵敏度仿真

雷达组网的方程是基于双基地雷达方程的。设整个雷达网络由M个发射装置和N个接收装置组成。假设雷达网络是同步的,每个接收装置能够接收和处理分散的目标回波信号。通过计算每对双基地雷达的灵敏度,再求和,就是总的雷达组网系统灵敏度。即:

式中,Pti为第i个发射装置的发射脉冲功率;Gti为第i个发射天线的功率增益;Grj为第j个接收天线的功率增益;σij为对于第i个发射装置第j个接收装置,目标的等效反射截面积;λi为第i个发射装置的雷达工作波长;Ts为接收系统噪声温度;Bi为对第i个发射装置波形的匹配滤波器带宽;Lij为对第i个发射装置和第j个接收装置的系统损耗;Rti从第i个发射装置到目标的距离;Rrj目标到第j个接收装置的距离。

雷达组网系统在2维和3维空间上的灵敏度仿真分别如图3～5所示,它随收、发装置位置的不同而变化。假设组网雷达由三个发射装置和三个接收装置组成,每个发射装置的发射脉冲功率是2kW,这样雷达组网的总的发射脉冲功率是6kW,与前面的单基雷达一样。换句话说,在灵敏度比较中,系统总的发射脉冲功率,保持不变。

在图3中,三个发射装置和三个接收装置放置在一起。这样雷达组网系统的作用范围,与单基雷达相似,但作用范围半径与单基雷达相比增大了。这是因为每个接收装置都能够接收每个发射装置发射的信号,接收到的总的回波能量有所增强,所以扩大了作用范围。也就是说雷达组网与单基雷达相比,充分利用了信号能量。

图3 收、发装置在一起的雷达组网系统在2维和3维空间上的灵敏度仿真

在图4中,将六个收、发装置分成三组,每组收、发装置各一个,三组收、发装置布局是分开的。可以看出在2维空间上,作用范围是扩大的,但在3维空间的高度上是减小的。这是因为总的发射能量与图3是一样的。在图5中,收、发装置是完全分开的。在这种情况下,作用范围在2维空间继续扩大,在3维空间的高度上进一步减小。

4 结语

本文主要研究了雷达组网系统性能的一个重要方面—灵敏度。在2维和3维空间上显示了它的数学模型和仿真结果。我们可以看出,雷达组网系统的灵敏度不仅依靠于雷达参数,也依靠收、发装置的空间位置分布。与单基雷达相比,雷达组网提供了更加灵活的收、发装置位置分布,根据任务需要,能够配置相应的雷达节点,来形成让人满意的作用范围,从而提高“四抗”能力。

[1]何宝民.雷达组网中采用的关键技术研究[J].海军航空工程学院学报,2005(7):432～434

[2]陈永光,李修和,沈阳.组网雷达作战能力分析与评估[M].北京:国防工业出版社,2006

[3]花汉兵.雷达组网的特点及关键技术研究[J].现代电子技术,2007(23):33～35

[4]王欢,焦光龙,谢军伟.基于雷达组网中新技术的研究[J].现代雷达,2007(1):9～11

[5]丁鹭飞,耿富录.雷达原理[M].第三版.西安:西安电子科技大学出版社,2003

[6]赵国庆.雷达对抗原理[M].西安:西安电子科技大学出版社,1999

[7]杨敏,张小红.浅谈雷达组网技术[J].国防技术基础,2006(1):39～41

[8]王国玉,汪连栋,王国良,等.雷达电子战系统数学仿真与评估[M].北京:国防工业出版社,2004

[9]万安民,陆静.雷达组网的特点及其抗干扰设计[J].火力与指挥控制,2001(9):41～44