功率管理对LPI雷达低截获性的影响

肖 鹏，吴宏超，肖卫华，王美玲

(1. 空军航空大学，长春 130022；2. 95926部队，长春 130001)

功率管理对LPI雷达低截获性的影响

肖 鹏1，吴宏超1，肖卫华1，王美玲2

(1. 空军航空大学，长春 130022；2. 95926部队，长春 130001)

从实现低截获概率特性和防止非合作截获接收机侦获的角度出发，低截获概率(LPI)雷达分别从时域、频域、空域和能量域对雷达设计进行重新思考，拥有了与传统脉冲体制雷达截然不同的设计特点。从功率管理的角度对LPI雷达的低截获特性进行了深入的研究。结合典型场景构建，得出了LPI雷达的低截获特性对场景和截获接收机的灵敏度具有很强依赖性的事实。

低截获概率雷达；低截获性；截获因子；低利用概率

0 引 言

现代及未来军事行动需要雷达具有低截获概率特性(Low Probability of Intercept， LPI)、低利用概率特性(Low Probability of Exploitation，LPE)、低检测概率特性(Low Probability of Detection，LPD)和抗干扰的特性[1-2]。这些战术需求不仅是雷达在复杂战场态势环境下发挥作战效能的前提，还是提高自身生存防护能力、避免电子干扰和反辐射打击的有力措施[3]。

1 采用功率管理的必要性

为了实现独立控制距离和多普勒频率分辨率，传统脉冲体制雷达多采用相干脉冲串的形式发射信号，然而由于其信号峰值功率比较高，极易被非合作侦察截获接收机侦收。平均功率决定着雷达对电磁目标的探测能力[4]。为了获得较高的平均功率，脉冲体制雷达必须在一个脉冲周期内利用真空管和高电压发射高峰值功率脉冲。这不仅违背了低截获雷达发射机的设计需求，也为器件稳定性、可维护性和使用寿命埋下隐患。

当采用复杂调制连续波信号时，只需较低的发射功率就能获得与脉冲体制雷达同样的检测效果。凭借模块化设计和轻质固态器件的大量运用，连续波体制雷达的灵活性、稳定性和可维护性得到大幅提升[5]。具有低截获特性的CW波形与脉冲体制波形功率对比图如图1所示。

图1 CW雷达和脉冲雷达波形功率对比

由图1可以看出：在实现相同检测能力的情况下，脉冲体制雷达比CW体制低截获雷达更易被现代侦察接收机截获；针对同一目标实施检测时，CW体制雷达只需发射很少的能量，而脉冲雷达则要付出更大的代价才能确定目标信息。

在考虑发射机辐射信号能量的同时，LPI雷达设计者已经为距离和速度分辨力找到了较好的解决方法。LPI雷达信号采用相移键控技术(PSK)、频移键控技术(FSK)、噪声技术和复合调制技术等，很好地解决了距离和速度分辨力及解模糊的问题[6]，即使LPI雷达信号被非合作方截获也很难实时提取信号特征，达到了LPE的特性。

2 LPI雷达的截获

2.1 截获因子

为了实现对LPI雷达的截获，下面从截获因子的角度出发，对比分析其探测距离和截获距离之间的关系。Schleker于1985年在其发表的文章中提出了截获因子α的概念[7]：

(1)

式中，RI max为非合作侦察截获接收机能够侦收到LPI雷达的最大距离；RR max为LPI雷达探测目标的最大距离，其中对RI max和RR max的确定是在一定的发现概率Pd及虚警概率Pf约束条件下的极限距离。RI max和RR max的关系如图2所示。

从截获因子α的定义中可以看出，当α>1时，即侦察接收机的截获距离大于雷达的探测距离，此时雷达完全暴露在侦察接收机侦收范围内，雷达在分析其探测范围内态势信息时殊不知已被侦察机“静悄悄”地截获、识别和定位，很快便会遭到电子攻击或反辐射打击，雷达的生存受到严重威胁；当α<1时，雷达的探探测距离大于侦察接收机的截获距离，此时雷达可以对包括截获接收机在内的任何目标实施监视和分析[8]，获取敌方防区范围内武器装备部署和态势信息，为下一步采取必要的军事行动提供可靠依据。

图2 LPI雷达与目标及侦察截获

2.2 探测距离

构造如下的雷达探测模型：假定LPI雷达以CW方式工作(dc=1)并将其视为一个全向天线，则距离天线R(m)处的辐射功率密度为

(2)

其中，PCW(W)为CW的平均功率，Gt为雷达的天线增益，L1为单程大气衰减因子。

考虑到距离雷达RT(m)处目标的雷达散射截面(Radar Cross-Section，RCS)为σT(m2)，则其面向雷达的反射功率密度为

(3)

其中L2为双程大气衰减因子。雷达接收到的回波功率为

(4)

其中，Gr为接收天线增益，LRT为雷达发射机与接收天线之间的损耗，LRR为雷达接收天线与接收机之间的损耗，λ为波长。

通常接收机对最小可检测信号的截获能力用灵敏度δR=kT0FRBRi(SNRRi)来表示，其中k=1.38×10-23J/K为Boltzmann常数，T0=290 K为标准噪声温度，FR为接收机噪声系数，BRi为雷达接收机输入带宽，SNRRi为最小输入SNR。将式(4)中的PRT替换为δR，则可以推导出LPI雷达的最大探测距离RR max：

(5)

2.3 截获距离

在探测距离构造的雷达探测模型中，在距离LPI雷达RI(m)远处的非合作截获接收机侦收到信号的功率为

(6)

同样，截获接收机对最小可侦获信号的截获能力用灵敏度δI=kT0FIBI(SNRIi)来表示，其中FI为截获接收机的噪声系数，BI为截获接收机输入带宽，SNRIi为最小截获SNR。将式(6)中的PIR替换为δI，则截获接收机的最大侦获距离为

(7)

2.4 截获因子影响因素分析

经过对RI max和RR max的推导，由式(5)和式(7)可将截获因子重新定义如下：

(8)

讨论一种极限情况：令α=1，即RI max=RR max，此时LPI雷达在刚好不被侦察截获接收机截获的情况下达到了最大探测距离：

(9)

图3 截获因子与LPI雷达最大探测距离函数关系图

从图3可以看出：从主瓣侦收时LPI雷达可检测88m以内的目标([88,0.9865])；从旁瓣侦收时可探测8767 m以内的目标([8767,0.9828])；当探测10 km范围内的目标时，截获因子至少需得到112 dB的改善后方可获得与旁瓣侦收时相同的效果。所以，LPI雷达为了实现低截获特性可采取灵活波束控制，减少波束驻留时间等措施。

3 典型空战场景模拟

现在考虑一种场景设置：在带有功率管理的导引头中，发射机采用FMCW信号为发射波形，在距离现代战机20 km处开启导引头并开始锁定目标(如图4所示)。

检测到目标后，导引头随即关闭并移动到一个新的位置，使得任何随之而来的截获和定位变得不可能。其中，发射机的发射功率电平与被检测目标的RCS和距离相一致，因此使得信噪比保持为一个常数[2]。场景模拟过程中借鉴了Phillip E. Pace教授[4]在讨论功率管理过程中所用的FMCW发射机平均发射功率表达式(由式(5)同样可以推导出)：

(10)

式中，kT0=4.0×10-21W/Hz,发射机的其余参数设置和说明如表1所示。

选取三代机典型RCS值为5 m2，结合式(10)绘制了图5所示的导引头照射目标时发射机平均发射功率与目标距离的关系曲线。

将点(2002e+004，533.7)代入下面的电磁信号的链路方程：

Pr=PtGtGr-32.454-20lg(f)-20lg(d)

(11)

其中，Pr为接收功率，Pt为发射功率，f为频率(单位MHz)，d为传输距离(单位km)，Gt为发射机天线相对于侦察天线方向上的增益，Gr为侦察天线相对于发射机方向上的增益(告警器全向天线是平面螺旋天线，全向天线的Gt=Gr=0，加上一定的损耗，所以其典型天线增益为-7 dB左右)。

表1 场景设置中导引头发射机参数设置

图5 采用功率管理时导引头平均发射功率与目标RCS和距离关系曲线

通过上述场景的模拟，得出了下列重要结论：

(1) 经过计算得出Pr=-61.4824 dBm，此值小于接收机灵敏度(-50 dBm左右)，因此采用功率管理的导引头在20 km处锁定三代机时，机载雷达全向告警器不能为飞行员提供威胁告警信息和必要的战术规避引导，战机将会被“静悄悄击落”；

(2) 导引头使用FMCW波形和自适应功率管理后获得了LPI特性，在提高了生存能力的同时提高了对目标的打击效率；

(3) 当采用功率管理时，导引头对更大RCS值的目标(图5中RCS=10 m2)其辐射功率会更低，LPI特性会更明显；

(4) 随着距离的缩短，导引头的发射功率越来越小，导弹的LPI特性逐渐凸显，此时目标面临的威胁陡增。

4 结束语

本文从功率管理的角度对LPI雷达的低截获特性进行了深入的分析，结合典型场景的模拟，得出了传统截获接收机很难对其实施截获的事实，凸显了研究LPI雷达信号截获、检测和识别的紧迫性，同时为新型非合作侦察截获接收机的研制提供了基本的理论支撑。

[1] 黄美秀，陈祝明，段锐，等.编码跳频信号的低截获性能分析[J].现代雷达，2011，33(10):33-37.

[2] Ram M. Narayanan. Sensing and Communications Using Ultrawideband Random Noise Waveforms[R]. 2005 AFOSR Program Review for Sensing, Imaging and Object Recognition , Raleigh, NC, May 26, 2005.

[3] 张信学.舰载低截获概率雷达技术[J].国防科技，2001(15)：13-14.

[4] Phillip E. Pace .Detecting and Classifying Low Probability of Intercept Radar[M]. 2nd ed.New York:ARTECH HOUSE ,2009.

[5] 马寿春.AESA有源电子扫描阵雷达的发展[J].国防科技，2003(11)：34-35.

[6] 曹生，程晓佩.从JSF项目看有源电子扫描阵列(AESA)雷达的发展[J].科技信息，2010(33)：67-68.

[7] Schleher D C. Low probability of intercept radar[C]. IEEE international radar conference,1985.

[8] 顾从标，曹传景，肖志明. 解读俄第六代战争观及思考[J]. 飞航导弹，2007(1)：25-27.

Effects of power management on low probability of intercept performance of LPI radar

XIAO Peng1, WU Hong-chao1, XIAO Wei-hua1,WANG Mei-ling2

(1.Aviation University of Air Force,Changchun 130022;2.Unit 95926 of the PLA,Changchun 130001)

To achieve the low probability of intercept (LPI) and prevent the radar from being intercepted by the non-cooperation intercept receivers, the LPI radar is redesigned from the time, frequency, space and energy domains, featuring completely different characteristics compared with the conventional pulse radar systems. Based on the power management, the LPI performance of the LPI radar is deeply studied. Combined with the typical scenario construction, it is concluded that the LPI has strong dependence on the scenario and the sensitivity of the intercept receivers.

LPI radar; LPI; interception factor; low probability of exploitation

2014-0717；

2014-09-30

肖鹏 (1989-)，男，硕士研究生 ，研究方向：信号处理；吴宏超(1982-)，男， 讲师， 研究方向：信号处理；肖卫华(1977-)，男，讲师，研究方向：信号处理；王美玲(1985-) ，女，95926部队，分析师，研究方向：信号处理。

TN971.1

A

1009-0401(2014)04-0009-04