拦截型主动防护系统探测传感器研究*

马　可， 张远安， 张开生

(西安电子工程研究所，陕西 西安 710100)



拦截型主动防护系统探测传感器研究*

马可， 张远安， 张开生

(西安电子工程研究所，陕西 西安 710100)

摘要:针对坦克装甲车辆主动防护系统传感器做出了系统性的介绍，阐述了近现代主动防护系统探测传感器的功能特点、系统组成和工作原理。结合国内某型主动防护系统的研制情况，详细分析了天线和频率综合器两个关键技术在工程实现时需要注意的问题和解决方法，其中天线在设计中应该尽可能多地提高隔离度；频率综合器在设计中应该提高相位噪声指标。通过对上述关键技术的分析，希望为今后国内主动防护系统传感器的总体研制提供经验和参考。

关键词:主动防护系统； 连续波雷达； 拦截

0引言

拦截型主动防护系统是坦克装甲车辆的一种新型防护手段[1,2]，与注重提高自身抗打击能力的被动防护不同，拦截型主动防护系统主要对来袭弹药进行探测、分析、识别、跟踪和拦截，使其失效、毁伤或者破坏能力减弱，从而保护坦克装甲车辆的战场安全[3]。拦截型主动防护系统主要由探测系统、控制中心和火力系统三部分组成[4]。其中，探测系统的传感器一般选用连续波雷达[5]，其具有峰值功率低、时宽带宽积大、测距测速精度高、低截获概率、无近距离盲区、体积小、易实现等优点。

目前，俄罗斯、美国、以色列等国家已经推出了自己的主动防护系统[5,6]，本文主要对主动防护系统探测传感器进行系统性阐述，分析了几个关键技术在实现过程中需要注意的问题，结合在国内某型主动防护系统探测传感器研制中遇到天线设计和频率综合器设计问题，提供了一些解决方法作为参考。

1主动防护系统探测传感器

1.1主动防护系统工作流程

主动防护系统工作流程的示意图如图1所示。系统进入作战状态后，近程防护探测传感器开机，对作用距离内的区域进行目标搜索，当探测到有弹药攻击时，获取来袭弹药的角度、速度、距离以及运动特征等信息，同时控制反击弹药准备发射。随后探测传感器对目标的运动参数进行精确测量，并根据测量数据进行火控解算，推算目标达到拦截点的空间位置和到达时刻，适时发射反击弹药[7]。反击弹药预定飞行几米后被引信引爆，爆破距离一定，可以形成一个椭圆锥型的有效杀伤区。只要来袭目标打在杀伤区内，就能成功实现拦截。为了精确进行火控解算，取杀伤区中点为拦截点，拦截点所形成的弧面为防御面[8]。

图1　主动防护系统工作流程Fig 1　Work flow of active protection system

1.2探测传感器功能特点

应用于主动防护系统的探测传感器(连续波雷达)，除了拥有一般雷达的功能，还应该满足车载平台下的特殊作战要求。从近现代战争特点分析，能够在复杂作战环境下，保障自身安全、出色完成任务的一部先进的主动防护系统探测传感器必须具备以下功能特点：

1.2.1近距离盲区小

近距离盲区是主动防护系统中非常重要的一个指标参数，它由实施干扰或拦截的武器系统的作用距离决定，一般都在20 m以内[9]。近距离盲区越小，意味着可以更精确地推算来袭弹药的未来点信息，提高防护概率。如此小的近程盲区，脉冲雷达需要发射ns级的窄脉冲，现有的工程条件很难实现这样的要求。所以,现在一般采用相对容易实现的连续波作为发射信号。

1.2.2反应时间快

现有主动防护系统对付的目标主要是速度在200～600 m/s的各类反坦克导弹、反坦克火箭弹，未来还可能对付速度更高的榴弹、动能弹、炮射导弹。因此，探测传感器从发现目标到生成火控指令的时间只有数十到数百毫秒，整个反应过程必须自动化，搜索跟踪的切换和航迹推算算法也要优化简化。

1.2.3虚警漏警低

实际作战中，周围环境中可能存在各种各样的非威胁目标，如,爆炸溅起的石子、天空的飞鸟、附近的人员、打偏的炮弹等等，传感器要能自动滤除这类非威胁目标避免发出虚警。但对于真正来袭的目标，必须准确判断，不能漏警。为了实现超低的虚警漏警概率，可以采用综合决策机制，从信号检测、航迹推算、目标特征分析等多个方面入手，确保作战中不虚警不漏警。

1.2.4抗干扰能力强

战场上的干扰一方面来自恶劣的气候环境，如,雨雾、沙尘、复杂地型等;另一方面来自人为产生的电磁干扰，如,装备间的电磁辐射、敌方发射的电磁干扰信号等。这些干扰轻则使探测传感器作用距离下降，重则使探测传感器完全失效。设计探测传感器时，充分考虑可能受到的干扰因素，合理配置工作频点，作用距离上留有余量、优化信号形式，加入抗干扰处理算法和设置自适应跳频功能等方法都能够有效提高抗干扰能力。

现代的坦克、装甲车辆越来越注重自身的隐身能力，探测传感器安装在车体上如果破坏了车辆的隐身性能，将得不偿失。结构上，探测传感器应该尽可能小型化，低轮廓，外型与车体的隐身设计相适应；电气上，在满足作用距离指标条件下，尽量采用较小的峰值发射功率，避免被敌方电子设备检测到。

此外，根据不同的作战需求，探测传感器还可以进行其他功能的扩展，如,多目标能力、目标识别能力等。需要注意的是，这些功能特点的实现往往是相互制约的，设计时只有折衷选取。

1.3探测传感器系统组成

主动防护系统探测传感器在电气上的组成部分和一般雷达基本相同，主要分为：天线、发射机、接收机、频率综合器、信号处理器、中心控制机、显控终端。在结构上，为了提高装车适应性，实现一体化设计。采用分布式雷达的设计思路,将天线和射频链路独立出来，形成探测前端，安装于车体表面，以尽可能减小暴露在外的体积；将后端处理部分集成一体，形成综合处理器，安装于车体内部，或者在硬件上同车辆自身设备兼容。图2为主动防护系统探测传感器系统组成示意图。

图2　主动防护系统探测传感器组成Fig 2　Composition of active protection system detecting sensor

1.4工作原理

分布式设计的探测传感器可以有多个探测前端，分别对不同角度范围的区域进行探测，从而可以使主动防护系统具备全方位半球状的探测范围。所有的探测前端将接收到的回波信号变频后，传输给信号处理器进行多路并行信号处理，得到目标的速度、角度和距离信息，实时发送给中心控制机进行航迹推算和火控解算。同时，中心控制机对实时处理的数据结果做出判断和决策，对探测传感器的工作模式和资源调配进行管理，显控终端用于显示传感器和目标的参数，以及接受操作员的人工控制。图3为主动防护系统探测传感器工作原理示意图。

图3　主动防护系统探测传感器工作原理Fig 3　Working principle of active protection system detecting sensor

2关键技术分析

2.1天线

天线是雷达射频信号和自由空间电磁波的转换装置，实现雷达信号的发射和回波信号的接收[10]。在主动防护系统中，由于反应时间很短，雷达天线通常不采用带伺服的机械扫描天线，而采用固定波束天线或者相控阵天线，天线的波束覆盖范围即是探测传感器的角度探测范围。而分布式探测传感器的设计，实质上就是根据天线的波束宽度，采用多组天线安装在车体的不同位置，对不同角度进行照射，从而实现探测传感器对整个空间的探测。主动防护系统探测传感器天线的设计需要重点考虑以下几个指标参数：

2.1.1波束宽度

波束宽度是指天线方向图中主瓣上两个半功率点之间的角度范围，也是天线辐射或接收电磁波能量的主要区域。传感器的角度探测范围通常就是由天线波束宽度决定。先进的主动防护系统要求探测整个半空间区域，即360°×180°，因此，每个天线的波束宽度越宽，所需的天线数目就越少，同时也减少了射频链路，降低了系统复杂度和生产成本。

但是，波束宽度直接影响天线增益指标，它是传感器作用距离的直接计算参数之一，作用距离的四次方正比于收发天线增益之积。在不考虑副瓣和天线效率的情况下，天线增益的极限值可以用下式计算

(1)

其中，GM为天线增益的极限值，θ为方位向波束宽度，φ为俯仰向波束宽度。波束宽度太大，天线增益就小，如果无法满足雷达作用距离的要求，就要提高积累时间、发射功率等参数，这会使系统的反应时间加长，增加射频链路的体积、功耗和散热量。

现在国际上设计的主动防护系统中，一般采用4组天线，每组天线的波束宽度约为90°×90°，分别安装在车体四角，能够基本实现半球状探测。对于国内主动防护系统的研制，也可借鉴此种天线分部方式。

2.1.2副瓣

副瓣是指天线方向图中除主瓣以外的波瓣，天线通过副瓣也能辐射和接收电磁波能量。对于发射天线，副瓣将能量辐射到不需要进行探测的空间范围内，对于接收天线，副瓣能够接收来自各个方向的杂波、干扰等电磁信号，这些对于雷达来说，都是具有负面影响的，特别是现代电子对抗中，常常通过天线副瓣对雷达进行截获、干扰甚至发射反辐射导弹实施摧毁。

单个天线的副瓣大小在生产加工后一般不能改变，在设计时应该尽可能使其远离主瓣，并且具有较小的对地副瓣，确保进入雷达的地杂波较弱，不影响对目标的检测。

采用相控阵天线，可以通过各个阵元的幅度、相位加权，对副瓣进行灵活控制，常用的方法有泰勒加权、切比雪夫加权等，针对某些方向还可以采用自适应零深处理。随之带来的结果会使主瓣展宽，增益下降。

2.1.3隔离度

收发天线间的隔离度是制约连续波雷达作用距离的首要因素。连续波雷达理论无近距盲区，系统实现简单，非常适合用作主动防护系统雷达，但是连续波雷达发射和接收是同时进行的，发射信号会直接耦合进入接收天线，通过接收链路的放大作用，造成接收机饱和，使雷达无法正常工作。

解决收发隔离问题，常用的方法就是将收发天线分置，设计上优化天线布局，添加带隙结构，工程上贴覆吸波材料，收发天线之间加装隔离挡板，天线罩独立分腔，阻断收发天线之间的表面波和空间波的传递，从而提高隔离度[11,12]。图4给出了在某参数下天线隔离度与雷达作用距离的关系。可以看出，随着天线隔离度增加，雷达作用距离也增加。为了提高主动防护系统雷达的作用距离，就必须在天线设计中对隔离度的指标提出更高的要求。

图4　天线隔离度与雷达作用距离的关系Fig 4　Relationship between antenna isolation and radar operating range

2.2频率综合器

在频率综合器的设计中，相位噪声是指在系统内各种噪声作用下所引起的输出信号相位随机起伏[13]，用单边带1 Hz带宽内的相位噪声功率谱密度η(fm)表示，单位为dBc/Hz，其中,fm为偏离的频率。图5给出某信号相位噪声测量值[14]。

图5　相位噪声测量值示意图Fig 5　Diagram of phase noise measurement value

由于主动防护系统探测传感器一般选用连续波雷达，而连续波雷达存在严重的发射信号泄露到接收通道的现象。所以,发射信号泄露的边带噪声会影响接收信号的噪声基底，导致连续波雷达的作用距离减小,具体大小取决于频率综合器的相位噪声指标。图6给出了频率综合器相位噪声大小与雷达作用距离的关系,可以看出随着相位噪声的恶化，连续波雷达的作用距离也相应减小。因此,在设计中应该尽可能多地提高频率综合器的相位噪声指标。

图6　相位噪声与雷达作用距离的关系Fig 6　Relationship between phase noise and radar operating range

3结束语

随着国际上各类拦截型主动防护系统的推出，主动防护已经成为坦克、装甲车辆未来发展的最有前途的防护手段之一，而雷达也成为首选的传感器。一部先进的主动防护系统探测传感器应该在电气、结构、接口等各方面完全适应坦克、装甲车辆。结合国内已经研制的某型主动防护系统，通过系统性分析主动防护系统探测传感器的关键技术，想要使传感器的探测距离更远，应该提高天线的隔离度指标和频率综合器的相位噪声指标。

参考文献:

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[2]徐平.主动防护系统总体技术的研究[J].车辆与动力技术,2008(1):58-60.

[3]郭希维,姚志敏,孔子华.主动防护系统及对抗策略[J].四川兵工学报,2012,33(12):4-6.

[4]刘清成,张亚,李晓杰，等.坦克主动防护系统技术研究[J].弹箭与制导学报,2005,25(1):347-349.

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[6]雷灏,尉广军,姚志敏.国外坦克装甲车辆主动防护系统发展综述[J].飞航导弹,2013(11):30-35.

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[8]宋海平,张柯,刘勇，等.装甲车辆主动防护系统综合反应时间分析[J].电子信息对抗技术,2014,29(2):36-38.

[10] 林昌禄.天线工程手册[M].北京：电子工业出版社,2002.

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[12] 吕波,郑秋容,袁乃昌.一种改善雷达收发隔离的新方法[J].系统工程与电子技术,2008,30(8):1595-1597.

[13] 高树廷,刘洪升.相位噪声分析及对电路系统的影响[J].火控雷达技术,2003,32(2):58-63.

[14] 高树廷.雷达频率合成器相位噪声的分析与测量[J].火控雷达技术,1983,12(3):35-45.

Research on interception active protection system detecting sensor*

MA Ke, ZHANG Yuan-an, ZHANG Kai-sheng

(Xi’an Electronic Engineering Research Institute,Xi’an 710100,China)

Abstract:Active protection system sensor for tank and armored vehicles is introduced,functions,system composition and operating principle of modern active protection system sensor are illustrated.Combined with certain type of active protection system in China,the problems and solutions for the two key technologies which are antenna and frequency synthesizer in engineering realization are analyzed.In which the antenna should be as much as possible to improve the isolation;in the design of frequency synthesizer,the phase noise index should be improved.It is expected to provide experience and reference for integrated research of domestic active protection system sensor,by analyzing above key technologies.

Key words:active protection system; continuous wave radar; interception

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)02—0012—04

收稿日期：2015—12—07

*基金项目：武器装备预先研究基金资助项目(40405060201)

中图分类号:TN 951

文献标识码:A

文章编号:1000—9787(2016)02—0012—04

作者简介:

马可 (1988-)，男，陕西西安人，硕士，工程师，主要研究方向为连续波雷达总体设计。