机载有源相控阵雷达给告警器带来的威胁

李健伟，刘 璘，吴宏超，吕亚昆

(空军航空大学，长春 130022)

机载有源相控阵雷达给告警器带来的威胁

李健伟，刘 璘，吴宏超，吕亚昆

(空军航空大学，长春 130022)

介绍了机载有源相控阵雷达的工作原理，对其功率管理技术和使告警接收机失配技术的工作特点进行了深入的分析，并从雷达告警器的角度总结了其信号参数随机化的特点，指明了目前雷达告警器无法有效告警此类信号的原因，最后给出了应对策略，为下一步研制新型机载雷达告警器提供了借鉴。

机载有源相控阵雷达；功率管理；接收机失配；告警器

0 引 言

通过测量和分析照射到载机上的雷达信号，机载雷达告警器(Radar Warning Receiver)向飞行员提示威胁辐射源的方位、类型和工作状态，以确保飞行员可以全面把握战场态势，及时发现敌方各种威胁，并采取相应的保护措施[1]。机载雷达告警器在空战时最为常见的作战目标是机载火控雷达，能否对其进行有效的告警直接关系着未来空战的胜负。随着科技的发展，相控阵天线技术已成功地应用于机载火控雷达。与传统的机械式扫描雷达相比，机载有源相控阵火控雷达具有波束灵活可控、高辐射能量效率、高探测与跟踪能力、高可靠性、低可截获性等优点[2]。目前，美国的四代机F-22和F-35配备的AN/APG-77 和AN/APG-81都是先进的有源相控阵雷达，大部分三代机也都由机械式扫描火控雷达升级为机载有源相控阵雷达[3]。因此，有必要对机载有源相控阵雷达工作特点及信号特点进行分析，为机载雷达告警器成功告警此类信号提供思路。文献[4]简要介绍了机载有源相控阵雷达的特征，并阐述了对截获系统带来的影响，但未从告警器的角度分析其工作特点和信号特点。因此，在分析机载有源相控阵雷达工作原理的基础上，本文深入研究了机载有源相控阵雷达的工作特点及其信号特点，指出机载雷达告警器在告警此类信号时的不足，为下一步有效告警指明了方向。

1 机载有源相控阵雷达工作原理

相控阵天线由多个天线单元组成，通过改变每一天线单元通道传输信号的相位与幅度，改变相控阵列天线口径照射函数，可以实现天线波束的快速扫描与形状变化。

图1所示为一个发射和接收共用的线性相控阵列天线。发射时，发射机输出信号经功率分配网络分为N路信号，再经移相器移相后送至每一个天线单元，向空中辐射，使天线波束指向预定方向；接收时，N个天线单元收到的回波信号分别通过移相器移相，经功率相加网络，实现信号相加，然后送接收机。发射和接收信号的转换依靠收发开关实现[5]。

图2所示为一种典型的相控阵雷达组成方框图，图中相控阵天线为无源相控阵天线，收、发共用天线。除相控阵天线及其功率相加与分配网络外，波束控制分系统及主控计算机是相控阵雷达所特有的。如果在每一个天线单元通道中接入有源部件，例如功率放大器、低噪声放大器、混频器与收/发转换开关等电路，或接入将发射机、接收机、移相器和衰减器等集成在一起的发射/接收组件，则称为有源相控阵天线。采用有源相控阵天线的雷达称为有源相控阵雷达[6]。

图1 相控阵雷达工作原理图

图2 典型的相控阵雷达组成方框图

2 机载有源相控阵雷达特点分析

2.1 工作特点分析

2.1.1 功率管理

功率管理是指通过控制天线发射功率的能力，以限制功率使其恰好能满足一定距离/雷达截面积条件下的探测需求[7]。功率管理技术主要包括以下几种方式：

(1) 限制雷达开机时间

只要雷达开机，就有可能被告警接收机截获，所以最有效的战术是雷达根本不开机。实际上，机载有源相控阵雷达大部分时间处于不开机或猝发开机状态。不过要想工作在这种状态是要有前提的：执行的任务对雷达隐身的要求大于雷达探测的要求或者雷达可以通过其他方式获得战场的态势。在满足这个前提时雷达可以保持不开机或猝发开机的状态。当雷达不得不开机工作时，需要满足以下条件：尽量利用外部信息，尽量增加两次猝发工作的时间间隔，辐射功率要与武器需求相一致[7]。

(2) 采用超低副瓣天线

低副瓣天线是指副瓣电平低于-30 dB的天线，超低副瓣天线是指副瓣电平低于-40 dB的天线，目前最低的副瓣可以达到-60 dB。采用超低副瓣的天线会增加截获接收机从副瓣截获信号的难度。

(3) 无源探测装备引导雷达探测

美国F-22的ALR-94已经具备了这样的能力：ALR-94在大约460 km，可以探测到敌方机载火控雷达的信号，可以实现高精度的单站快速无源定位，获得距离信息，可用于引导雷达进行功率管理。使用无源探测装备引导雷达探测的工作方式，不仅减少了隐身飞机被敌方截获系统发现的概率，同时其探测距离相对有源探测方式大大提高[7]。

2.1.2 使截获接收机失配

(1) 发射宽带信号

雷达探测距离与距离分辨率是一对矛盾体，雷达设计师可以通过脉冲压缩技术在提高探测距离的同时提高距离分辨力，而不用提高峰值功率。由于截获接收机必须保证具有足够小的频率分辨力，当雷达信号瞬时带宽超过截获接收机的频率分辨力时截获接收机对雷达信号的失配变得严重。这将严重影响后续告警接收机对信号的截获与检测[8]。

对机载火控雷达,宽带脉冲信号有如表1所示几种形式[9]。

表1 宽带脉冲信号

(2) 波形参数随机化

机载有源相控阵雷达要对抗告警接收机的分选和识别过程，而这就要求在任何时候都需要最大的信号不确定性。目前，告警器主要是通过将接收信号的参数与威胁数据表里的参数进行比较匹配来完成信号的分选与识别，而波形参数随机化将会使这种匹配过程出错。如图3所示，F-18E/F的机载有源相控阵雷达的工作频段很宽，当告警器接收并测量该雷达信号后，与威胁数据表匹配时会有多个载机的雷达匹配成功，造成了严重的“虚警”现象。可以用于匹配的参数有载频(RF)、脉冲到达方向(TOA)、脉冲间隔(PRI)等。对于载频的随机化体现在大瞬时带宽，到达方向的随机化体现在低旁瓣、多波束和每次辐射信号后变化，脉冲间隔的随机化体现在使用多个PRI、PRI调制、低峰值功率[10]。

图3 典型机载火控雷达工作频段分布图

2.2 信号特点分析

从告警器的角度看截获到的机载有源相控阵雷达信号，主要有以下特点：

(1) 工作频段范围大

如图3所示，以F-18E/F的机载有源相控阵火控雷达AN/APG-79为例，其工作频段在9.1～9.8GHz范围内，而在这段频率范围存在着大量的普通的机械式扫描火控雷达。

(2) 到达角变化幅度大

由于机载有源相控阵雷达采用相控阵天线，其波束灵活可控，所以在告警接收机接收到的信号的到达角会是突变的而不是渐变的情况，使后续信号处理变得更加困难。

(3) 脉冲间隔变化规律复杂

机载火控雷达具有高、中、低三种重频方式，传统的机载火控雷达间隔变化规律简单，主要是固定、脉组参差。而机载有源相控阵雷达为了达到使接收机失配的目的会在间隔变化规律上大做文章，会采用间隔滑变、间隔抖动、间隔调制等方式。复杂的间隔变化规律给告警器威胁数据的加载和匹配告警造成了严重的困难，会导致很严重的“虚警”现象。

(4) 脉冲幅度无钟形包络

如图4所示，告警接收机在截获机械式扫描雷达的信号时会形成钟形的包络，这个特点可以用于告警器的信号处理、威胁等级判定等。而对于机载有源相控阵雷达其脉冲幅度没有钟形包络，只是少量的等幅脉冲，很容易被当成杂散脉冲忽略掉。

图4 机械式扫描天线与相控阵天线形成幅度包络示意图

3 机载有源相控阵雷达给雷达告警器带来的挑战

3.1 告警器信号感知能力的不足

3.1.1 截获距离有限

电磁信号的链路方程为

PR=PT+GT-32-20log(f)-20log(d)+GR

(1)

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为发射机天线增益；GR为接收机增益。

雷达的功率方程为

PR=PT+2G-103-20log(f)-

40log(d)+10log(σ)

(2)

其中σ是目标截面积。

某典型侦察设备对低截获雷达信号的侦察能力计算见表2所示。针对APG-77的截获距离是以雷达主瓣来计算的，主瓣增益为32 dB，副瓣比主瓣增益要低40 dB，因此对副瓣的侦察距离只有主瓣的1/100。对于相控阵雷达而言，对主瓣的截获概率很低。APG-77具备功率管理模式时，按实际的发射功率为峰值的1/200进行计算。三代的电子侦察系统对低截获信号侦察距离的计算见表2。由表2可看出，当APG-77使用功率管制、对敌方飞机(RCS视为5m2)探测距离为140 km时，敌三代飞机的侦察距离最多只有112 km，且超外差由于瞬时带宽小，因此根本无法截获APG-77雷达；当APG-77探测距离为80 km时，敌飞机侦察距离仅为35 km，无法截获APG-77；当APG-77探测距离为30 km时，敌方告警器探测距离仅为5 km。

表2 告警器雷达对有源相控阵雷达信号侦察距离计算

3.1.2 信号检测能力弱

机载有源相控阵雷达采用给定状态下能获得的最低峰值功率和最高平均功率的波形，如图5所示。对于所有的雷达都会使用相干传输和处理来提高处理增益。如果告警接收机只使用非相干积累，机载有源相控阵雷达的辐射强度只要远低于告警接收机分辨单元中所有的其他辐射源即可。这些因素将迫使告警器设计者依据单个脉冲峰值功率检测法进行初始检测，而这种方法的检测概率非常低，虚警率非常高，而告警器实时的告警也限制了其他复杂检测方法的使用[10]。在密集信号环境中只增加灵敏度而不提高选择性会导致虚警和不能识别。

图5 单个脉冲峰值功率检测

3.2 告警器信号处理能力的不足

由于机载有源相控阵雷达波形参数变化复杂，使作战之前难以加载其威胁参数，因为参数变化范围大、变化规律复杂多变，难以简单地表达。即使以大区间的形式加载了辐射源的威胁参数，在进行威胁参数匹配时也会出现大量的“虚警”现象的发生。

4 应对策略

面对机载有源相控阵雷达给雷达告警器带来的挑战，主要的应对策略有:

(1) 提高接收机灵敏度，扩大动态范围；通过采用数字化告警接收机，能对同时到达的多个复杂波形信号 (以AESA雷达为代表)进行正确告警，保持足够高的截获概率和足够低的虚警率。

(2) 探索实用的测频和侧向方法，提高精度，实现单站快速无源定位。

(3) 探索新的信号处理方法，将智能信息处理用于信号分选、识别，达到在复杂信号环境下进行快速的分选、识别的目的[11]。

[1] 韩国玺.机载雷达告警接收机的现状与发展[J].航空科学技术，2006(6)：3-6.

[2] 贲德.机载有源相控阵火控雷达的新进展及发展趋势[J].现代雷达，2008，30(1)：1-4.

[3] 朱家昌，赵玉洁，贲德.机载有源相控阵火控雷达发展现状及趋势[J].电讯技术，2007，47(4)：6-10.

[4] 张成伟，李登，孙时珍.机载有源相控阵雷达特征分析[J].电子信息对抗技术，2010(7)：25(4) ：10-11.

[5] 郭艳昌，钱继曾，黄富雄，等.相控阵和频率扫描天线原理[M].北京：国防工业出版社，1978.

[6] 张光义,赵玉洁.相控阵雷达技术[M].北京：电子工业出版社，2004.

[7] 陈知明.低截获概率技术在机载火控雷达中的应用[D].南京：南京理工大学，2008：4-11.

[8] 产运华. 低截获概率雷达关键技术[J] .现代电子，1997 (4) ：27-30.

[9] Merrill I . Skolnik. 雷达手册[M].北京：电子工业出版社，2003.7.

[10] 戴维·林奇，顾耀平.射频隐身导论[M].北京：中国电子科技集团第二十九研究所，2008.7：11-15.

[11] 李铮.机载雷达告警技术发展趋势[J] .电子信息对抗技术，2008(5) ：51-54.

Threats to radar warning receiver that airborne active phased array radars bring

LI Jian-wei, LIU Lin, WU Hong-chao, LU Ya-kun

(Aviation University of Air Force, Changchun 130022)

The working principles of the airborne active phased array radar are introduced, with an in-depth analysis on its power management techniques and the technology of making the radar warning receiver (RWR) mismatch. Besides, the randomization features of the signal parameters are summarized from the RWR perspective. The reasons for which current RWRs cannot effectively warn such signals are indicated. Finally, the corresponding strategies are given to provide a reference for the development of new airborne RWRs.

airborne active phased array radar; power management; receiver mismatch; RWR

2014-02-20

李健伟(1989-)，男，硕士研究生，研究方向：航空装备建设与发展；刘璘(1962-)，男，副教授，研究生导师，研究方向：雷达对抗)；吴宏超(1982-)，男，讲师，研究方向：航空电子对抗情报；吕亚昆(1989-)，男，硕士研究生，研究方向：航空电子对抗情报。

TN 958.92

A

1009-0401(2014)02-0014-04