低频制导雷达在防空导弹武器系统中应用研究

王晓科，冯周江

（上海机电工程研究所，上海 201109）

0 引言

低频雷达主要指工作频率在 VHF（30～300MHz）和 UHF（300～1 000MHz）频段的雷达，对应的工作波长相应为（10～1m）和（1.0m～0.3m）。与微波频段雷达相比，低频雷达工作波长较长，天线单元间距较大，天线口径相同时，低频雷达的收发波束宽，测角精度差，同时低空区域由于波瓣打地，造成波瓣分裂严重、多路径效应明显，几乎无法测角。因此，现有的防空导弹武器系统中低频雷达主要用于早期预警，跟踪制导功能主要由微波频段雷达完成。从现状及发展趋势可知，以F-22为代表的隐身战斗机、B-2为代表的隐身轰炸机以及隐身无人机等具有微波频段较强隐身能力的目标，将成为未来战争的主要威胁。这类目标在S、C、X等频段雷达中的散射截面积（RCS）约0.01m2，导致这些频段制导雷达对隐身目标的探测距离大幅下降，进而极大降低了武器系统对隐身目标的拦截能力。以对常规飞机（RCS＝2m2）探测距离为200km的S波段雷达为例，其对隐身目标的探测距离仅53km，计及系统反应时间、导弹飞行时间等因素，此时武器系统对隐身飞机的拦截距离约20km，已基本丧失防空能力。

低频雷达的工作波长接近隐身目标整体或局部尺寸，可引起电磁谐振，使目标形成较强散射回波，能有效对抗隐身目标的外形隐身设计；工作频率在吸波涂层有效频段之外，低频雷达能有效减少隐身目标吸波材料对雷达电磁波的吸收，这些特性使低频雷达对隐身目标有较好的探测效果。国内外的研究结果表明：相对微波频段，在VHF，UHF频段隐身飞机F-22的RCS将增大几十甚至几百倍，这证明了低频雷达具备较强的反隐身能力［1－2］。

此外，为能精确追踪目标雷达，反辐射导弹天线口径至少要大于1个雷达工作波长。对大波长的低频雷达来说，很难有反辐射导弹的天线口径与其波长相当，致使反辐射导弹无法对低频雷达实施精确定位与高精度制导。因此，低频雷达还具有良好的对抗反辐射导弹的能力。

为有效应对日益严峻的隐身目标威胁，增强国土防卫能力，防空导弹武器系统需配备低频制导雷达，用以对隐身目标进行远距离精确跟踪，引导导弹实施有效拦截。伴随技术进步，雷达高精度测角、结构集成优化等技术的日益成熟，以及武器系统制导体制的优化，低频雷达作为制导雷达应用于防空导弹武器系统将成为可能。本文对低频制导雷达在防空导弹武器系统中的应用进行了研究。

1 能力需求

制导雷达主要用于对来袭目标进行稳定连续跟踪，为武器系统提供目标位置、速度等运动参数，以引导导弹对目标实施拦截。如欲将低频雷达作为跟踪制导雷达应用于防空导弹武器系统，须满足武器系统对目标远程精确杀伤、抗饱和攻击能力强和机动能力良好三项要求。为此，低频制导雷达应具备以下能力。

a）高精度测角、远距离探测

为满足武器系统对目标的远距离高精度杀伤要求，低频制导雷达的测量精度应为0.2°～0.3°，才能保证高概率的中末制导交班，保证导弹武器系统对目标的杀伤概率。

此外，隐身作战飞机主要作战样式是发射远程精确制导弹药打击重要军事设施。研究分析表明，目前隐身飞机携带的空地导弹射程绝大部分小于110km，为在隐身飞机投弹前将其摧毁，考虑系统反应时间、导弹飞行时间等因素，低频制导雷达对隐身飞机的跟踪距离至少应为200km。

b）多目标、抗干扰

为满足武器系统抗饱和攻击要求，低频制导雷达须具备多目标能力。根据隐身飞机作战样式，低频制导雷达至少在以高数据率跟踪6～8批目标的同时，还要能以低数据率跟踪6～8批。同时，低频制导雷达还须具备干扰源被动定位、干扰对消、自适应变频等干扰对抗能力，以提高武器系统的战场生存能力。

c）自动展开／撤收

防空导弹武器系统作战使命通常为要地及野战防空，这要求武器系统各作战车辆具备一定的机动能力以满足武器系统的作战准备时间、运输和作战使用灵活等要求。低频制导雷达由于天线口径较大（8～10m），为满足机动能力要求，须具备自动展开、架设和撤收的能力。

2 关键技术

根据上述能力需求，结合目前的研究成果，低频制导雷达须解决高精度测角、数字T／R组件和自动展开撤收三项关键技术。关键技术的解决，要兼顾雷达扫描体制的可实现性、提高测量精度的有效性及大容量高速率数据传输处理的可行性等因素，力求达到雷达总体性能的最佳化和性价比最优化。

2.1 高精度测角

低频雷达受波长长、天线尺寸和架高有限等因素的制约，天线波束宽度宽、角度分辨力差，更重要的是低空区域地（海）面反射严重，多径效应明显，使雷达难以测量目标俯仰角度。对波束宽度约6°的低频雷达来说，常规的单脉冲比幅／比相测角技术的测角精度最高可达0.4°，无法满足武器系统对目标远距离的精确跟踪制导要求。因此，低频雷达的高精度测角技术尤其是低仰角区域的高精度测量技术，是低频制导雷达的核心关键技术。该技术需通过有效的超分辨信号处理算法突破角度分辨力的瑞利极限，以提高低频雷达的空间分辨力和角度估计精度［3］。

目前，虽有多种超分辨算法可用于雷达信号处理，但在实际复杂多变的多径反射环境中，多种理论性能优异的超分辨算法存在不易建模、不能定量描述的缺陷，很难在工程应用中取得令人满意的效果。

2.2 数字T／R组件

低频雷达T／R组件间距大，辐射单元个数少，如不实现T／R组件的数字化很难形成多通道数字收发波束（DBF），不能有效地实现数字波束控制及能量管理，无法满足武器系统对低频制导雷达远距离探测及大空域、多目标和高数据率跟踪制导等要求［4］。为此，需突破单个辐射单元的数字化技术，以形成尽可能多的数字化通道，通过数字化通道实现发射与接收信号形式的多样化，完成波束的相位扫描、能量控制。

该技术从设备成本和数字化技术工程实现来说是可行的，但解决多通道定时和相位同步问题，以及保证雷达在恶劣电磁环境中正常工作是数字T／R组件设计的难点。

2.3 自动展开撤收

雷达的架设、运输转移能力是武器系统机动性的重要指标。低频雷达天线尺寸大，6°波束宽度的UHF频段雷达展开后的天线尺寸约10m×10m，大尺寸天线阵面的展开撤收难度较大，其展开撤收时间直接关系武器系统的战斗准备时间，此外武器系统要求制导雷达须具备较高的机动性，能满足铁路、公路和航空的运输要求。因此，低频制导雷达需攻克大口径天线自动展开、架设、折叠和撤收技术。

该技术需考虑天线阵面骨架和背架在工作状态和运输状态下的应力载荷以及天线阵面的安装精度，使其能适应各种恶劣环境的工作和运输要求，同时要考虑天线辐射单元数选取、阵面分块布局、运动机构和传动机构的精度和刚度计算、伺服控制、总线排布等因素，是低频制导雷达结构设计的一项关键技术。

3 解决途径

3.1 高精度测角技术

3.1.1 算法选择

根据目前的研究现状，超分辨算法通过对雷达回波数据进行多径信号的去相干处理，能精确测量出目标仰角，是突破低频制导雷达高精度测角技术的有效途径。

常用的超分辨算法主要有最大似然（ML）算法、空间平滑MUSIC算法和线性预测算法。为比较三种算法性能，进行了一组实验对比，实验条件为阵元24个；发射频率262.5MHz；信号源2个（直达波信号＋多径反射信号）；天线架高10m；目标高度1 500m；目标斜距100km；扫描范围－5°～5°；信噪比0～20dB；地面反射系数0.9，统计100次（Monte-Carlo随机产生），结果如图1所示。由图1可知：信噪比相同时，ML算法的测高精度高于空间平滑和线性预测算法，且随信噪比增大，ML算法的测高精度提高明显。基于ML算法的超分辨测角技术，理论上更适于低频制导雷达。

图1 三种超分辨算法性能Fig.1 Performance of three super-distinguish programs

3.1.2 工程实现

根据ML算法理论，低频制导雷达可预先建模，算得不同目标高度下雷达各阵列接收的信号模型，并将其作为参考向量。雷达实际工作时，将阵列实际接收的信号与参考向量进行匹配，通过比较匹配输出估计目标的真实高度。超分辨处理时，需将雷达阵面分为多个收发阵列（1，2，…，N），以形成接收目标直射回波和地面反射回波的多个通道，如图2所示。

图2 超分辨测角工程原理Fig.2 Principle of angle measuring principle

3.1.3 工作流程

低频制导雷达使用超分辨算法时，因信源数多、计算量大，数据处理延时大，故该算法不适于全程搜索跟踪处理，而只对过雷达检测门限的信号进行处理。其工作流程如图3所示：雷达采集多路信号，经模数变换放于缓存中，数据处理时先进行动目标检测等滤波处理，最后进行超分辨处理，以减少不必要的计算资源浪费。此外，进行平坦地形背景中的仰角超分辨处理时，可认为只有直达波和多径（反射波）2个信源，对两信号进行相关处理，可减小运算量；当地形背景复杂，直达波与多径两路信号关系不确定时，可通过多次迭代缩小搜索范围的方式，降低运算量。

图3 超分辨处理流程Fig.3 Flowchart of super-distinguish processing

3.1.4 实际效果

对低频雷达超分辨测角技术展开了研究，进行了理论仿真和算法优化改进，开展了包括淡水反射面、海水反射面、平坦陆地反射面、丘陵地带、山区地形起伏大的山地反射面等多种战地背景的试验研究，获得了不同阵地反射面条件下的测高数据，得到了多种基于地形匹配的超分辨测角算法模型。这些模型具备对不同地形的匹配性，能精确估计多径环境中低仰角目标的角度。根据目前的研究状况可得到如下结论。

a）超分辨测角方法可有效克服地面多路径效应引起的测角误差增大问题。当信噪比约20dB时，测角精度可达1／15～1／20倍波束宽度；当信噪比约30dB时，测角精度约为波束宽度的1／30。

b）超分辨测角方法存在低仰角限制区域，但低仰角限制区域远小于常规测角方法。常规测角时，在1／2～1倍波束宽度以下的仰角区域，测角精度明显变差；超分辨测角时，低仰角限制区域可压缩至1／4～1／6倍波束宽度。

3.2 数字T／R组件技术

数字化T／R组件使每个单元可灵活地产生多种信号形式，实现数字移相，控制发射与接收波束进行相位扫描，真正实现波束形成和扫描的全数字化。每个组件的接收通道可直接进行射频采样，既能减少系统设备量、增加稳定性，又可显著提高多通道的一致性。

3.2.1 存在问题

数字组件技术的低频雷达收发单元由天线、收发组件、前端数字单元等构成。信号发射时，数字单元直接产生发射波形，经射频前端进行功率放大，再由天线发射；回波信号接收时，先经天线进入低噪声放大器，后进入数字单元的A／D采集后处理。各单元需同步工作，并通过调整相位差合成不同的波束指向。

天线单元的位置间隔通常为0.7倍波长。对波长在米级的低频雷达来说，为满足200km的探测要求，其阵面面积约100m2。在该几何尺寸下，实现有源相控阵中各收发单元数据收集的难点有：数字T／R组件相位、频率和幅值的高控制精度实现；数字T／R组件间的电磁兼容、输出信号杂散、高低频接地等；数据传输模式和接口设置；散热。

3.2.2 解决方法

基于以太网的数据互联结构及基于专用时钟同步分发设备的同步方式，可有效解决低频雷达数字T／R技术带来的电磁兼容、信号杂散及高精度同步控制等难题，其原理如图4所示。每个数字单元有1个标准的以太网接口，通过CAT-5双绞线连接到网络交换机，主控计算机可通过网络直接访问到各数字单元，并与数字单元间传输数据。采用多级管理、网络分层等方法，阵列规模可不断扩大；独立于网络之外的时钟同步系统，由时钟同步产生、分发设备和时钟电缆构成，主要用于实现各单元的相参工作。

图4 基于数字T／R技术的雷达原理Fig.4 Principle of radar with digital T／R

此外，可通过电磁兼容设计消除数字T／R组件间的电磁干扰；大容量数字传输技术（光纤技术）和数据通信技术能实现数字T／R通道的接口和传输；大接触面积的液冷技术可实现数字T／R组件的高效散热。根据预研成果及部分样机的试验情况，低频雷达的数字T／R组件技术较成熟，能实现T／R收发通道的数字化管理，实现雷达的相控阵波束控制，满足系统对低频制导雷达多目标、抗干扰能力要求。

3.2.3 实际效果

某低频雷达采用数字T／R组件技术后，由480个组件形成480个数字收发通道，具备对8批次隐身目标8Hz数据率的跟踪制导能力。此外，多数字收发通道可实现灵活的数字波束控制，干扰对抗的能力较强。

3.3 自动展开撤收技术

3.3.1 天线阵面骨架和背架

天线阵面骨架和背架是主要受力部位，在保证其足够的刚强度条件下，应尽量减小尺寸、减轻重量，以便于加工生产。结构设计中，可进行充分的分析计算和三维建模仿真。相关研究结果表明：天线骨架可采用无缝钢管桁架结构，背架可采用高强度钢板焊接的箱型结构。

为满足自动架设要求，阵面骨架和背架上应设置传动机构安装接口，接口位置和选型应兼顾整体结构完整、机构运动流畅，避免产生应力过度集中现象。

合理分块设计天线辐射单元布局，在不破坏阵面骨架和背架整体力学性能的前提下，综合考虑运输载荷、运输尺寸界限、机构运动流畅、运动中刚度、再定位精度、锁定、便于加工生产等因素。

3.3.2 各类运动机构

大阵面的传动机构较多，运动机构选择、传动比确定、刚强度和运动精度分析都需保证阵面骨架和背架的整体力学性能不被破坏，同时兼顾运动方式、运动行程、重量、可靠性、维修性等因素；应根据运动关系、空间位置、运输尺寸界限，统一布置各机构的位置和接口，统一分配、确定各机构的传动比和传动精度。

合理可靠的运动机构，还要保证系统的可靠性、维修性，以及人员设备的安全性。

3.3.3 伺服控制系统

伺服控制系统主要实现天线车的调平、天线升举和方位旋转控制。伺服控制精度直接关系雷达的测量精度。因此，伺服控制系统设计中须关注精度设计，合理分配调平传感器精度、撑腿的步距精度、结构安装误差，以及传感器校准精度，使其满足指标要求。

天线举升可采用液压驱动，由绝对式编码器保证定位，结合制造精度和液压控制精度，可满足俯仰定位要求；天线方位旋转可由大功率伺服电机驱动，采用多位绝对式编码器作为位置精度反馈元件，组成位置闭环控制系统，保证天线方位控制精度。

3.3.4 实际效果

某低频雷达天线口径宽8m×高10m，厚150～300mm，采用上述结构设计方案后，其天线折叠展开如图5所示。其阵面分成5块，通过传动机构可进行两次折叠。该雷达全阵面折叠／展开过程小于10min，整车的架设撤收时间小于20min，能满足防空导弹武器系统的基本要求。

图5 天线阵面折叠示意Fig.5 Sketch of antenna transforming

4 结束语

本文对低频制导雷达在防空导弹武器系统中的应用进行了研究。为实现低频雷达跟踪对目标的远距离精确跟踪，需解决高精度测角、数字T／R组件和大型天线自动展开撤收等关键技术。在相应关键技术取得突破，具备工程应用条件时，低频制导雷达可用于防空导弹武器系统对隐身目标实施远距离精确跟踪，引导导弹对其实施拦截。

［1］ 宁 超，张向阳，肖志河.隐身飞机散射特性综合分析研究［J］.制导与引信，2009，30（2）：34-38.

［2］ 黄 坤，张 剑，雷 静，等.隐身飞机目标探测方法研究［J］.舰船电子工程，2010，30（5）：6-9.

［3］ 刘张林，陈伯孝，杨雪亚，等.米波雷达最大似然超分辨测高技术研究［J］.雷达科学与技术，2011，9（4）：308-310.

［4］ 徐海洲，吴曼青.数字阵列雷达系统［J］.合肥工业大学学报（自然科学版），2008，31（5）：718-720.