舰载雷达反导搜索总体技术发展特点分析

邱德厚

(中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230088)

舰载雷达反导搜索总体技术发展特点分析

邱德厚

(中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230088)

对舰载反导搜索雷达的技术现状进行了分析，分别从雷达技术体制、探测性能、目标检测、数据处理等方面论述了新一代舰载用于反导搜索的雷达的总体技术发展特点。

舰载雷达；反舰导弹；反导搜索雷达

0 引 言

一直以来，海上舰船是维护国家和地区海洋主权的重要海上作战平台，通常具有较强的海空打击与防御能力。海上舰船面临的最大威胁主要来自岸基、空中、水面、水下等武器平台的反舰导弹的攻击。反舰导弹具有飞行速度快、飞行高度低、隐身性能好等诸多特点。现代海上舰船如何通过新技术提升本舰反导防御体系的整体性能，以免受来袭反舰导弹的攻击，成为一项重要的研究课题。舰载反导防御系统武器装备构成复杂，用于反导搜索的雷达是其免受导弹突袭的最后一道预警防线，要求能够及早发现目标，提供较长的预警时间，并具有较高的测量精度以及分辨识别能力，准确掌握来袭目标的属性信息，为指控机构及时、准确地作出战术决策提供必要依据。

1 研究背景

1.1 反舰导弹的特性与威胁

反舰导弹是用于攻击水面舰船的武器，可以从多维作战平台发射来攻击敌方水面舰船。反舰导弹类型很多，按发射平台可分为空舰导弹、舰舰导弹、潜舰导弹和岸舰导弹；按射程可分为近程导弹、中程导弹和远程导弹；按导弹飞行剖面又可分为大攻击角俯冲导弹和掠海飞行导弹[1]。现代海战中，反舰导弹日趋成为一种最重要的进攻性武器，其反对抗能力也日益增强。因此，需要更先进的电子对抗手段抑制和破坏反舰导弹的攻击，提高水面舰艇的生存能力，具有非常重要的战术意义。

经过几十年时间的快速发展，反舰导弹技术威力获得了很大的提高，其飞行速度越来越快，最大飞行速度已经达到几倍音速以上；飞行高度越来越低，能够贴着海面上10 m以下高度飞行；隐身外形以及隐身材料的广泛运用，导弹的雷达截面积越来越小。反舰导弹的这些战术特点无疑会给水面舰船的生存带来巨大的威胁，对舰载反导防御系统提出了更高的要求，尤其要加强对新一代反舰导弹搜索雷达的研制，提高现代海上舰船的反导防御能力。

1.2 用于反导搜索的雷达技术现状

1.2.1数据更新率低

传统舰载用于反导搜索的雷达天线采用方位机械扫描工作方式，探测到目标时，需要经过多帧扫描才能确认目标的存在；扫描速率受天线尺寸的限制，不能设计得太高，雷达总的数据更新率低。如反舰导弹飞行速度1000/s、高度10 m，当舰载搜索雷达天线高度20 m、数据率2 s时，则搜索雷达最大探测视距31 km，如果天线扫描三次确认才能确认目标，则此时导弹飞行距离已超过6000 m，留给舰载防御武器系统的预警反应时间只有25 s，不能满足目标截获、跟踪与拦截的作战要求。

1.2.2 海面多径效应影响探测性能

舰载搜索雷达在探测和跟踪海面及低空目标时，除了低层大气的不均匀性引起的电波折射效应外，海面产生的镜反射或漫散射还会引起多路径效应。雷达波束照射到海面后，会产生相互干涉的直射波和反射波，此时的目标回波进入雷达接收机后会引起信号在幅值和相位上的变化，造成较大的测量误差。测量误差对距离和方位角的跟踪影响不大，但对仰角跟踪影响非常明显[2]。当目标尺寸小于波束宽度时，多路径效应表现得更为突出，甚至会产生仰角跟踪的不稳定，产生目标回波闪烁和出现周期性摆动，对目标的探测和跟踪造成严重的影响。

海面多路径效应时，由于直射波与反射波的干涉效果随二者之间的相位差产生周期性的变化，当直射波与反射波相位相反时，直射波和反射波在目标处的相干处于波谷。此时目标反射的电磁波功率最小，雷达接收机接收到的目标回波信号也最小，出现“丢点”现象。

1.2.3 海杂波对目标检测的影响

在不规则运动、强海浪杂波背景中检测目标，要求舰载搜索雷达具备非常好的信号处理改善因子。海面舰船处于运动作战状态，雷达回波中会增加一个多普勒频率。因此，要求舰载用于反导搜索的雷达必须具有实时的运动补偿功能，将由于舰艇运动引起的回波附加的多普勒频率补偿为零。由于雷达天线作圆周扫描，不同天线指向的径向舰速也不同，相应的目标回波所附加的多普勒频移也不同。运动补偿做的好坏将直接影响信号处理改善因子。

传统舰载搜索雷达分辨率低，因此回波的信杂比低，难以发现强海杂波环境下的小目标。另外，由于海面小目标(潜艇通气孔、小舢板等雷达截面积小于5m2)通常慢速运动，接近海杂波运动速度，在多普勒域很难与海杂波进行区分。

舰载用于反导搜索的雷达需迫切解决以下难题：

(1) 研究先进的雷达技术体制，提高雷达数据更新率、增强反导系统预警时间；

(2) 设计选择合理的雷达频率，减弱海面多径对目标探测的影响；

(3) 应用高效的信号处理与数据处理技术，提高强海杂波背景下的快速或慢速小目标探测性能。

2 舰载用于反导搜索的雷达的技术发展特点

2.1 总体技术要求

舰载反导作战反应时间是衡量舰载用于反导搜索的雷达性能好坏的重要战术指标。需要用于反导搜索的雷达具有远距离发现目标、抑制不规则运动海杂波和舰船自身运动补偿、克服海面多径效应造成的目标损失、抑制杂波及早实现来袭目标检测和提高反导系统预警反应时间的能力。而对于新一代舰载用于反导搜索的雷达，其总体设计要求具有先进的技术体制、优良的低空探测性能、快速的目标检测技术、完善的数据处理能力等等。

2.2 相控阵雷达技术体制

新一代舰载用于反导搜索的雷达要求具有较快的目标数据更新率和较大对空探测威力，而相控阵雷达就是不二的选择。

相控阵雷达天线具备空间功率合成能力，得到较大功率孔径积，具有较好的探测威力。它采用电子扫描，对雷达能量进行管理，实现探测、搜索到跟踪的快速转换[3-4]，并具有快速、灵活的波束控制能力，适应不同作战场景，满足海空目标同时探测的需要。

舰载用于反导搜索的相控阵雷达发射DDS相控编码，接收DBF，适应不同的作战目的与目标测量要求；编码精度高，相控速度快，角度精度高，能够适于精确定位与反导作战反应时间的要求。

图1 舰载用于反导搜索的雷达相控体制示意图

2.3 优良的低空探测性能

舰载用于反导搜索的雷达用于搜索水面及低空来袭目标，具有良好的低空探测性能。低空探测性能主要反映了雷达波束的低空覆盖、测量精度、反杂波干扰等性能的高低。

雷达波束的低空覆盖能力受波束物理空间指向覆盖以及海面多径反射的影响。相控方式能够实现波束空间指向与覆盖的灵活调整。波束调整示意如图2所示，图中虚线为波束指向调整1°的俯仰波束覆盖情况。

图2 波束覆盖指向图

图3 海面多径镜面反射几何原理图

海面多径反射包括镜面反射和漫反射。由镜面反射模型可知，形成几何镜面反射的原理如图3所示。

图3中，雷达接收到的回波可由4个部分组成：(1)雷达发射信号直接到目标(路径A)，由目标处直接返回的回波(路径A)，接收回波为A1；(2)雷达发射信号直接到目标(路径A) ，由目标处返回经水面反射的回波(路径C+路径B)，接收回波为A2；(3)雷达发射信号经水面反射到目标(路径B+路径C)，由目标处直接返回的回波(路径A)，接收回波为A3；(4)雷达发射信号经水面反射到目标(路径B+路径C)，由目标处返回经水面反射的回波(路径C+路径B)，接收回波为A4。因此，一般认为雷达回波信号为

(1)

式中，p=ρe-jØ为反射因子，为经过水面反射后的幅度变化ρ和相位变化Ø的函数， 与当时的风浪、水的密度及含盐度等有关；G为发射和接收的天线增益，与目标偏离天线指向角有关；E(t)为不同时刻的信号幅度特性[5]。

由式(1)进行仿真及理论分析可知，由于目标路径2、3和4等非直射路径的存在，并将叠加到直射路径1上，最终导致了回波A的幅度、相位的无法确定。一般认为这就是多路径效应。

避免镜面反射造成的多路径影响，首先是使雷达距离分辨率大于直射波和一次反射波的波程差，就是减小发射脉宽或增加信号带宽；第二就是选择合适的工作频率减弱多径效应。较低频率利于自由空间探测威力的提高，但不利于海面探测和角度分辨率的提高，而较高频率(毫米波)受到雨水衰减和元器件适用性的影响大。

如果出现仰角波束探测盲区使雷达不能连续发现目标，减少盲区影响的有效方法主要是采用短的工作波长。λ减小时波瓣数增多，当λ减小到厘米波时海面反射接近于漫反射而不是镜面反射，可忽略其反射波干涉的影响[6]。

图4所示为S、C、X波段雷达对海面目标探测时其探测波瓣的表现情况(假设海面起伏1 m，雷达自由空间作用距离110 km)。

通过对S、C、X频段雷达海面探测波瓣图的比较，可以得出较高频段的C、X波段比S波段的海面多径效应小，具有更好的探测波瓣，较少的波瓣分裂。因此，新一代舰载用于反导搜索的雷达探测海面和低空飞行目标时，要考虑海面多径效应对雷达作用距离和检测性能的影响，选择在较高的微波频段工作。

图4 S、C、X波段雷达海面探测波瓣图

2.4 先进的目标检测技术

海上杂波环境复杂，尤其是海上低空监视雷达通常要面对海面杂波、气象杂波以及其他干扰的影响，使有用目标的检测与分辨识别变得更加困难。如何通过现代雷达信号处理技术实现各类型杂波背景下快速检测目标成为舰载用于反导搜索的雷达系统提高预警作战反应时间的关键因素。

海杂波、云雨等气象杂波均为动杂波，而反舰导弹多为低空飞行小目标，信号杂波比低。图4所示为海杂波与气象杂波中0.1 m2低飞目标的探测性能与信杂比的关系。常规的动目标显示(MTI)不能实现杂波抑制与目标检测的要求。高重频脉冲多普勒处理(PD)技术提高回波脉冲积累数量，增强回波能量，提高信杂比，能够快速实现有用动目标的检测；回波具有精确的多普勒频率，具有较高的目标速度分辨率，减少了盲速对目标检测的影响。图5所示为PD情况下雷达对海杂波和气象杂波背景下的0.1 m2低空飞行小目标的改善因子分析。

图4 海杂波、气象杂波中小目标探测SNR、CSR、CNR

图5 海杂波、气象杂波PD改善因子曲线

经仿真分析和综合计算，对应4级海情的海杂波和(σv=4.0 m/s云雨气象杂波，新一代舰载用于反导搜索的雷达的平均脉冲多普勒改善因子大于45 dB，系统能够有效抑制强海杂波、云雨等气象杂波的干扰，实现杂波背景中低空高速小目标的检测。

2.5 完善的数据处理能力

反舰导弹飞行速度快，飞行高度低，隐身性能好，在低俯冲角飞行情况完全借助海面杂波背景对雷达探测的影响，使雷达检测概率大大降低。为保证回波信息的完整性，通常用于反导搜索的雷达往往通过降低检测输出门限，降低画面虚警数，采用人工判读判别有用目标是否存在。随着数字技术与软件开发水平的不断提高，运用检测后信息数据处理，准确提取有用目标信息，减少虚报或误报发生，使指挥员或机器实时准确的做出战术指控，达到反导作战能力的要求。先进的数据处理首先完成对检测输出信息的采集、分析、建模、仿真、比对等，通过先进的算法实现对弱信噪比、强杂波背景中的小运动目标回波信息的提取与显示；同时应用速度补偿技术修正由于平台运动或目标位置变化产生的误差，满足舰载用于反导搜索的雷达的作战使用需求；另外通过数字滤波功能完成对剩余杂波点多的区域存在的有用目标提取。

3 结束语

在未来海战中，要求舰载近程反导系统具有更长的作战反应时间，更强的反导能力，这就要求用于反导搜索的雷达要有更远的作用距离、更低的虚警率、更高的检测概率，以保证对各类海战场背景下的目标探测与跟踪性能。随着相控阵雷达技术的快速发展，使其具有多目标跟踪、远作用距离、高数据率、自适应抗干扰、快速识别目标、高可靠性以及同时完成目标搜索、识别、捕获和跟踪等多种功能，必将使其在舰载反导防御系统中发挥更加重要的作用[7]。

[1] 刘桐林.世界导弹大全[M].北京:军事科学出版社,1998.

[2] 崔嵩,李岩,郑昌.海面多路径效应对舰载雷达探测低空目标的影响[J].舰船电子工程,2009(1).

[3] 王连成,蔡庆宇.相控阵雷达工作方式的自适应调度策略[J].系统工程与电子技术,1988, (5).

[4] 赵玉洁,王炳如.空间探测相控阵雷达[M].现代雷达,2001(S1).

[5] 吴海,刘艳苹.一种解决多路径效应影响的方法[J].现代雷达，2007(5).

[6] 丁鹭飞，耿富录.雷达原理[M].西安:西安电子科技大学出版社,1997.

[7] 周京杭.舰载雷达在反舰导弹防御系统中的作用及发展[J].雷达与对抗,2002(4).

本刊声明

本刊许可本刊合作单位以数字化方式复制、汇编、发行、信息网络传输本刊全文，相关著作权使用费与本刊稿酬一次性给付。作者向本刊提交文章发表的行为视为同意本刊上述声明。

《雷达与对抗》编辑部

Analysis of development characteristics of overall technologies of shipborne antimissile search radars

QIU De-hou

(No. 38 Research Institute of CETC, Hefei 230088)

s: The status quo of the technologies of the shipborne antimissile search radar is analyzed, and the development characteristics of the overall technologies of the new generation shipborne antimissile search radar are discussed respectively in the aspects of radar technical system, detection performance, target detection and data processing.

shipborne radar; anti-ship missile; antimissile search radar

2014-01-12

邱德厚(1975-)， 男，高级工程师，研究方向：雷达系统工程与总体设计。

TN959.72

A

1009-0401(2014)01-0001-05