基于STK的相控阵雷达反隐身探测效能分析

苑征

摘要：为了解决针对隐身飞机的防御研究中，相控阵雷达对隐身飞机的探测效能计算这一问题，使用STK仿真软件为手段，提出了一种相控阵雷达的建模仿真方法。后在针对某型隐身飞机的预警作战仿真中，使用该方法建立模型并对其探测效能进行了分析。最后，提出了针对反隐身预警体系建设的部分思路。

关键词：战略预警；隐身飞机；相控阵雷达；效能分析

中图分类号：TP3 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）01-0165-03

1 绪论

为了研究相控阵雷达在反隐身预警体系中的预警效果，就需要对相控阵雷达系统进行建模，并以此作为平台，展开各种干扰的仿真研究。相控阵雷达系统可以分成平面相控阵天线、主控与资源调度、发射机、雷达环境、接收机、信号处理和数据处理等基本模块进行仿真研究[1]。该文利用STK/Radar模块来仿真相控阵雷达，利用STK/AMM模块（aircraft mission modeler）对隐身飞机的突防活动进行了规划，最终并利用STK/Analysis模块分析相控阵雷达对隐身目标的探测效果以及作战效能。

2 建模仿真

STK是目前国际上领先的主流航天电子仿真软件。其中，Radar模块提供了数十种天线类型。输入参数为雷达平面相控阵天线的布阵形式、阵元总数、阵元分布、结构尺寸、加权方式、雷达工作频率等；输出参数包括收、发天线的方向图、天线口径、天线增益、主瓣宽度、旁瓣电平、极化形式、交义极化电平、天馈线损耗等[2]。在仿真中，有些参数无法准确预知的，比如天线的阵元排列方式、阵元间距、加权方式等参数，需要根据经验进行分析、推测，使结果与已知的天线性能指标相近，同时适当地反映出仿真理论结果与实际天线之间的性能差异。根据上述关键参数，利用雷达方程[3]计算相控阵雷达针对某型弹道导弹的最大探测距离。当雷达天线的有效接收面积为Ae时，接收到目标的反射功率（Pr）

Pr=[ptGt4πR2×σ4πR2×Ae] （1）

Pt ：雷达发射机的发射功率，单位千瓦；

Gt ：雷达天线发射增益（dB）；

σ ： 目标的雷达等效反射面积，单位平方米；

R：雷达的最大作用距离，公里（km）

设接收到的目标回波功率恰好等于雷达最小可检测信号Smin，接收天线的增益Gr和接收天线的有效面积Ae关系为[Gr=4πAeλ2]，并且接收机的灵敏度为

[Smin?KT0FnB（S/N）0，min] （2）

K：玻尔兹曼常数，K=1.38×10[-23J/0K] （焦耳/开尔文）

To： 接收机的环境温度（290[0K]）

B：接收机的等效带宽——中频带宽）

Fn：接收机的系统噪声系数（dB）[[]输入（[SN）in]与输出[（][SN）out]之比[]]

[（S/N）o，min]：雷达接收机输检波器入端的最小输入的信噪比之值，且是对单个脉冲的信号；

则雷达方程变为

[R4max=PavGtGrλ2σ（4π）3KT0FnBd（SN）Ls] （3）

公式（3） 中：Pav 为平均功率；Gt为发射天线增益；Gr为接收天线增益；[λ]工作波长；[σ] [为目标反射截面]；[（4π）3系数]；K为玻尔兹曼常数；[T0]为环境温度（接收机）；Fn为噪声系数；S/N为检测信噪比；Bd脉冲多扑勒滤波带宽；Ls为系统总损耗。

下面针对相 控阵雷达的特殊扫描方式进行论述。相控阵雷达的天线扫描方式如图1所示[3]。

图1中，N个阵元（也称辐射单元）成线性排列的阵列，它由 N个相距为 d 的阵元组成。假设各辐射单元为无方向性的点辐射源，而且同相等幅馈电（以零号阵元为相位基准） 。在相对于阵轴法线的θ 方向上，两个阵元之间波程差引起的相位差为

[Δ?=2πλdsinθ] （4）

则 N 个阵元在θ 方向远区某一点辐射场的矢量和为

[E（θ）=Σk=0N-1EkejkΔ?] （5）

为了使波束在空间迅速扫描，可在每个辐射单元之后接一个可变移相器。设各单元移相器的相移量分别为 [Δ?B]。

[E（θ）=Σk=0N-1Ekejk（Δ?-Δ?B）] （6）

其中[Δ?B=2πλdsinθB]

利用国内外公开的各种资料，推算出战略预警系统中相控阵雷达的主要参数，代入公式（3） 经过计算，得出针对RCS≈0.1m2的隐身飞机目标，雷达模型最大探测距离[Rmax=577KM]

利用STK/Radar模块仿真的雷达模型的发射方向效果如下。其中第一旁瓣增益为-11.3dB，第一零点为+0.3°和-0.3°，30dB宽度为6°。

3 效能分析

根据国内外的有关资料，使用STA/AMM模块对某型隐身飞机突防过程进行了建模仿真。蓝方飞机的整个飞行过程主要包括三个阶段：起飞段—目标在这一阶段飞行高度<1000m，速度<300米/秒。爬升段—目标在这一阶段的飞行高度6000m左右，速度300m/s-600m/s之间。突防段—目标在这一阶段高度下降到100m以下，速度350m/s左右。蓝方隐身飞机突防过程的主要参数如下图：

红方雷达重要参数和部署坐标如下：

相控阵雷达及隐身飞机的相对位置关系如下图：

目标斜距：观测到目标时，目标与雷达的直线距离。

跟踪时间：观测到目标后，雷達持续跟踪目标的时间。＼&二次发现＼&59＼&62＼&]

根据理论计算，想定中的相控阵雷达对在X波段，RCS面积为0.01m2的目标理论探测距离应为577km。但受地球曲率影响，雷达在目标爬升至5000m高度后才发现目标。随后因目标降低飞行高度而无法跟踪。第二次发现目标时，受目标低空突防机动的影响，目标斜距仅为59km，跟踪时间仅有62s。

4 结论

目前传统雷达装备受传统技术体制的限制，对隐身目标的探测效果十分有限。而大型相控阵雷达因功率强大，且在重点扫描方向上的能量集中，理论上对隐身目标具有客观的探测效果。但在实际应用中受地球曲率影响，包括大型相控阵雷达在内的地基探测装备对低空突防的隐身目标探测效果不佳。因此，针对隐身目标的预警体系应以大型预警机和平流层探测系统等装备为核心，利用其搭载的大型相控阵雷达等探测装备，对隐身目标进行综合探测，保证对主要作战方向上的隐身目标预警能力。同时在部署预警系统时，应充分考虑各传感器的具体性能，对隐身目标形成尽早发现和连续跟踪，进而实现发挥反隐身预警体系的整体最大效能。

参考文献：

[1] 林象平.雷达对抗原理[M].西安：西北电讯工程学院出版社，1985

[2] 林象平.电子对抗原理[M].西安：西北电讯工程学院出版社，1982

[3] 杨金红.相控阵雷达天线方向图模型的建立[C].中国雷达学会2006年年会论文集，2006.

[4] 黄培康.雷达目标特性[M].北京：电子工业出版社，2006.