机载AESA雷达可探测性分析

吴流丽，柳 征，贺 青，黄凤英，姜文利

（1.国防科学技术大学电子科学与工程学院，湖南 长沙410073；2.盲信号处理国家重点实验室，四川 成都610041；3.中国人民解放军78009部队，四川 成都610036）

0 引言

有源电子扫描阵列（AESA）雷达是为克服传统机械扫描雷达在数据更新率、同时多目标处理能力等方面的局限而发展起来的新体制雷达。AESA 雷达由固定阵面上的成百上千个阵元组成，每个阵元包含相互独立的T／R 组件，雷达通过调整各T／R 单元的相位来控制阵列波束指向。经过近半个世纪的努力，AESA 技术终于应用于机载雷达。与传统机载火控雷达相比，机载AESA 火控雷达具有射频功率效率高、探测距离远、隐身目标探测能力强、抗干扰能力强、同时多功能等特点［1-3］。

目前公开报道的机载AESA 雷达相关资料仅涉及到该雷达的工作体制、技术特点等方面的粗略信息，并未有相关文献定量分析该类型雷达的可探测性或探索可行的侦测技术。本文以典型AESA 雷达——APG-77为例，从接收机灵敏度及空域截获概率两方面分析现有典型侦察机对AESA 雷达的侦察能力，并提出为提高侦察概率应采取的措施。

1 典型机载AESA雷达简介

AN／APG-77雷达是目前已装备于战斗机的最先进的AESA 雷达，其在功能、性能、可靠性、低可观测性等方面取得了突破性进展。其对散射截面积（RCS）为1m2的目标的作用距离达230km。AN／APG-77雷达主瓣波束极窄，并采用超低副瓣技术，最大程度减小被截获概率，其平均副瓣可达-45dB。

表1为部分雷达参数。下面根据雷达方程及已知的部分参数分析该雷达发射功率及探测距离。

雷达方程为：

式中，Pradar为雷达接收到的回波功率；R 为目标距雷达距离；Pt为雷达发射功率；Gt为雷达天线增益（收发天线共用）；λ为雷达信号波长；σ为目标散射截面积；γ为传播损耗。

雷达传播损耗γ 分为扩展损耗和大气损耗，其中大气损耗La可通过查表得到；扩展损耗为：

式中，f 为雷达信号频率。经过dB 方程转换，得到雷达链路方程为：

R，f，σ单位分别为km，MHz，m2。

一般而言，天线阵元的增益可由天线的直径与信号频率简单估算：

式中，D 为天线直径，单位为m。则相控阵雷达总体增益为：

式中，N 为天线阵元数量。

当Pradar接近于雷达接收机的灵敏度Pmin时，此时R 为最远探测距离。据上述公式及表1 中的雷达参数，仿真不同RCS下，雷达探测距离与接收机灵敏度之间的关系，如图1所示。

据报道，APG-77雷达对RCS为1m2的目标的作用距离达230km，则根据图1可大致估算雷达接收机灵敏度约为-105dBm。同时，假设被探测战机RCS为6m2（一般战机），则此条件下F-22对战机的探测距离约为400km。

雷达在初始搜索时，为保证能在更远距离发现目标，一般采用最大的能量进行探测，也就是采用最大的发射功率和有效的探测时间［1］。雷达在发现目标后，可以根据处理后的目标信号强度进行功率管理或发射时间管理来实现低截获概率。雷达可在一定距离内正常探测、跟踪目标，而目标的电子对抗侦察装备却无法实现对雷达信号的有效截获。

图2为F-22对σ＝6m2的目标采取功率管理措施时发射功率的变化。在400km 外，雷达采用最大功率40dBm 进行搜索探测，当在400km 处发现目标时，随着距离的缩小逐渐减小发射功率。

图1 雷达探测距离随灵敏度变化图

图2 功率管理时功率随距离变化图

2 AESA雷达可探测性分析

本节分别从接收机灵敏度和空域截获两方面对AN／APG-77雷达的可探测性进行分析。

2.1 侦察接收机灵敏度

电子侦察接收机主要有两种：一种是位于目标处的雷达告警接收机（RWR），一种是远离目标的电子情报（ELINT）接收机。图3为示意图［4］。

图3 RWR和ELINT接收机示意图

RWR 用于探测与威胁相关的雷达信号以保护目标不受这些威胁的攻击。RWR 必须检测大量雷达信号，且这些信号可能来自于各个方向。由于雷达天线主波束的峰值指向目标，所以RWR 能检测到雷达天线的峰值增益。一个典型的RWR 系统的有效天线增益因子（10GHz处）为0dBi。最常见类型的RWR 采用的是前置放大的晶体视频接收机，其灵敏度大约为-65dBm。

表1 APG-77雷达参数

ELINT 接收机通常不在雷达天线主瓣内，因此其一般只能侦察到雷达副瓣信号。ELINT 系统有一个增益适中的天线（大约10dB），灵敏度典型值为-78dBm。

下面分析两种侦察机在雷达不同功率模式下的侦察距离。

2.1.1 全功率模式

侦察方程为：

式中，Pr为侦察机接收到的功率；R 为侦察距离；Pt为雷达发射功率；Gt为雷达天线增益；λ 为雷达信号波长；γr为附加损耗；Gr为接收天线的增益。附加损耗主要由传播损耗和极化失配损耗引起。传播损耗可根据第1 节中的公式计算得到，极化失配损耗一般取3dB。

根据雷达发射功率等参数，得到两种侦察接收机可侦测的距离随灵敏度变化，如图4所示。

图4 雷达全功率发射时侦察灵敏度需求

在AN／APG-77 雷达全功率发射时，典型RWR（-65dBm）的侦察距离约为500km（或视距，下同），ELINT 接收机（-78dBm）的侦察距离约为90km。根据第1节分析知F-22此时的探测距离约为400km。

对于RWR，应在雷达发现目标之前侦察到雷达信号，以保护目标不受威胁攻击。根据上述分析，可见现有RWR 系统可满足对AN／APG-77雷达的侦察要求。对于ELINT 接收机，其一般只能侦察到雷达的平均旁瓣信号，侦察距离只有90km，不满足实际侦察需求。若要使侦察机在500km 外实施有效侦察，则接收机灵敏度应从-78dBm 提高到-104dBm。

当单个接收机的灵敏度不满足要求时，可采用多个接收天线构成紧凑型信号侦测阵列，借助不同接收信号之间的相干处理，提高对AESA 雷达的侦测概率［5］。

紧凑型无源传感器阵列在较小范围内紧密分布，阵元间距依据AESA 雷达信号波长设计，为抑制栅瓣，一般取间距d＝λ／2，即d＝1.5cm。借助有效的数字波束形成手段可实现对不同传感器处信号的相干接收，从而提高接收信号信噪比，增大截获概率。理想情况下，M 元阵列实现相干接收所获得的信噪比增益为：

根据上述参数计算，要使一般ELINT 接收机在500km 外 对AN／APG-77 实 施 有 效 侦 察，应 有M ＝400个侦测天线构成侦察阵列。

2.1.2 功率管理模式

假设F-22战机向目标平台飞行，其雷达主瓣直接对目标进行跟踪照射，目标处配备RWR。ELINT 侦察机在AN／APG-77雷达主瓣外飞行，且其与战机的距离保持大于F-22挂载的AIM-120C 导弹的最大射程（80km）。随着F-22战机与目标平台距离的缩短，AN／APG-77雷达启动功率管理，逐渐降低发射功率。假定目标RCS为6m2。

不同距离下RWR 对AN／APG-77雷达主瓣信号的侦察灵敏度需求如图5所示。

图5 功率管理时RWR 灵敏度需求

为使图片细节更清晰，图中所示雷达发射功率数值为实际数值减去90dBm。可见，在AN／APG-77雷达采用功率管理措施时，RWR 可在320～500km 侦察其主瓣信号。即侦察机可在AN／APG-77雷达发现其之前侦察到雷达信号，从而采取相应战术措施。

若由于某种原因RWR 未及时告警，则ELINT 侦察机应在保证自身安全的前提下尽可能地发现战机并告知目标。由于AN／APG-77 雷达主瓣未跟踪ELINT 侦察机，其只能对雷达副瓣信号进行侦察。则雷达在采取功率管理措施时，不同距离下，ELINT 侦察机对AN／APG-77雷达副瓣信号的侦察灵敏度需求如图6所示。

图6 功率管理时ELINT侦察机灵敏度需求

图6表明，在AN／APG-77雷达采用功率管理措施时，ELINT 侦察机基本不具备对AN／APG-77雷达副瓣信号的侦察能力。要使目标免受攻击并使自己不受战机挂载导弹威胁，则ELINT 侦察机的侦察距离应由现有的10km 提高到100km，即灵敏度增至-113dBm。

仍然利用侦测阵列接收的方法提高增益。则由式（7）计算得M 为3162，即应由3162个侦测天线构成侦察阵列。

2.2 空域截获概率

APG-77雷达采用阵列天线技术，通过独立控制各阵元的幅度和相位可灵活改变波束指向方向。假设相控阵雷达采用平面相控阵天线，如图7所示。

图7 平面相控阵天线单元排列示意图

其共有M×N个天线单元，y 向和z 向的天线阵元间隔分别为d1，d2。一般而言，为抑制栅瓣，间距取入射信号的半波长，即d1＝d2＝λ／2。则天线方向图函数可以表示为：

式中，ai，k为第（i，k）个单元的幅度加权系数，（θ0，φ0）为波束最大值指向角。

若幅度均匀分布，则式（8）可简化为：

根据式（9）可推导出零点位置：

或

天线副瓣位置为：

或

或

在部署侦察装备时，应充分考虑上述信息，尽量将装备部署在高副瓣方位，且避免零点位置。

APG-77雷达共有2000个阵元，则假设M＝N＝45且天线未扫描，即θ0＝0，φ0＝0。图8为上述条件设置下仿真得到的天线方向图。

从图8可以看出，式（13）、（14）对应的副瓣明显比其他副瓣要高，如若能提前知晓这些方向信息，加大侦察机对这些空域范围内的监视力度，则能大大提高截获概率，实现AESA 信号有效截获。

图8 天线方向图

3 结束语

机载AESA 雷达具有工作带宽宽、参数捷变快、波束扫描无惯性、同时多波束等特点。其具有较强的反侦察和反干扰能力，在侦察截获方面对侦察接收机提出了严峻的挑战。本文首先对典型机载AESA 雷达的参数进行简要介绍，并仿真分析了其探测距离。然后，根据现有典型侦察机的参数分析其对AESA 雷达的侦察性能，并提出利用紧凑型侦测阵列相干处理以提高增益的思想。最后从阵列天线方向图的角度出发，分析副瓣及零点位置分布特点以期合理配置接收机位置，提高空域截获概率。分析表明如能利用相干阵列接收机提高信号处理增益并通过搜集飞机起降位置等先验信息，合理配置侦察装备位置即可实现对AESA 雷达信号的有效截获。■

［1］黄裕年，刘淑英.有源电子扫描阵列雷达与高功率微波武器［J］.信息与电子工程，2006（5）：321-325.

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

［3］吴晓芳，田中成，梁景修，等.AESA 雷达信号表征及数据库设计探讨［J］.电子信息对抗技术，2014（4）：31-38.

［4］David Adamy.电 子 战 基 础［M］.北 京：电 子 工 业 出 版社，2009.

［5］王永良，丁前军，李荣锋.自适应阵列处理［M］.北京：清华大学出版社，2009.