基于分布式的隐蔽式探测技术研究

陈 川，顾村锋

（1.上海航天技术研究院，上海201109；2.上海机电工程研究所，上海201109）

0 引 言

2018年4月13日，美国联合英国、法国对叙利亚发动“精准打击”。在14日晚间的新闻发布会上，美国国防部长马蒂斯宣称，本次空袭由美、英、法三国联合进行，共发射105枚导弹打击了叙利亚三处目标：打击大马士革Barzah研究中心使用了76枚导弹，包括57枚“战斧”和19枚 AGM-158 JASSM-ER联合防区外打击导弹；打击霍姆斯附近的化学武器存储设施使用了22枚导弹，包括9枚“战斧”导弹、10枚“风暴阴影”导弹和3枚SCALP巡航导弹；打击化学品仓库和叙利亚政府军的“重要指挥所”，使用了7枚SCALP导弹。美国参谋长联席会议办公厅主任、海军陆战队中将肯尼斯·麦肯齐将此次联合打击形容为“精确的，压倒性的和有效的”。

综合分析本次空袭作战，在攻击初期，美国使用以巡航导弹为代表的远程精确制导弹药首先将“远距离大功率雷达”等重要设施击毁，使敌防空设施及指挥系统等重要目标陷入瘫痪或半瘫痪状态，有效摧毁敌防空反制能力，赢得作战主动权。

美国雷神公司的MALD系统也曾公开推行过在战争初期通过被动探测或者引诱开机的方式，侦测敌方防空系统，在找出敌方雷达和发射机位置的基础上，实施精确打击，使得敌方防空系统瘫痪、致盲。

针对美国此类作战方式，本文首先详细分析了作为防空系统“眼睛”的远距离大功率雷达将面临的威胁和挑战。在此基础上，提出分布式探测方案，给出探测原理，分析了相关关键技术，以及采用分布式探测方式带来的探测优势。

1 问题分析

对于武器系统而言，大型远距离大功率雷达承担了预警、探测、跟踪敌对目标的多项任务，而为了增加武器系统的反应时间，提升装备的打击批次，提高装备的战时生存率，武器系统需要不断提升大功率雷达的探测距离，以提升武器装备的整体性能。

鉴于大型远距离大功率雷达所肩负的战争使命，其通常被作为打击的首要目标，而从其自身的技术特点而言，也易于成为被打击对象，主要表现在如下几个方面：

1）大功率

式（1）给出了雷达最大探测距离的雷达方程，其中，P为雷达发射机辐射功率；G为雷达天线增益（假设收发共用天线）；λ为雷达信号波长；σ为目标雷达散射截面积；Rmax为最大探测距离；L为系统损耗；Smin为最小可检测信号功率。

由式（1）可知，为了实现对目标的远距离探测，特别是对隐身目标的探测，首先要增加雷达发射机辐射功率P，但是雷达发射机辐射功率增加的同时，就提高了自身被发现的概率，以及敌方反辐射雷达的探测距离。

2）大口径

同理，由式（1）可知，为了实现对目标的远距离探测，可增加雷达天线增益G，而在相同波长下，雷达天线增益越大，必然导致天线口径越大，雷达体积也随之增大，易被探测发现。

3）不便于机动

大型远距离大功率雷达具有功率大、散热装置大、处理单元多、天线口径大等特点，必然导致系统庞大复杂，战时即便发现险情也基本无法逃离，不便于机动。即便如美国在海洋漂浮的SBX雷达，其机动能力也相当有限，如被发现，基本没有逃脱的可能。

2 分布式探测原理介绍

鉴于大型远距离大功率雷达在武器系统中不可替代的功能和作用，以及其固有的弊端，本文提出基于分布式的隐蔽式探测技术，在保证系统探测能力的同时，提高其机动能力、隐蔽能力，具体探测原理如图1所示。

图1 分布式探测示意图Fig.1 Sketch map of distributed detection

分布式探测系统包含了若干固定发射站、移动发射站、固定大型接收站、移动接收站以及收发合作站。

在工作过程中，原先的大型远距离大功率雷达拆分为若干小功率和小口径的移动或固定的发射站和接收站，每个接收站都可接收来自各个发射站的雷达辐射信号并进行合成处理，具体工作模式可有以下几种：

1）分布发射，“无中心”联合处理模式

各发射站分布发射，各接收站可独立接收所有发射站辐射目标后的反射信号，各接收站点均可成为处理中心，实现无中心化处理方式，系统抗击打能力大大提升。N个发射站同步探测，接收端即可获得N次脉冲积累，实现多个发射站发射功率的合成，虽然单个发射站的辐射功率不高，但系统的探测能力同样得到保证。同时，接收站可增大接收阵列，通过提高接收天线增益，进一步提升系统探测能力，由于接收站处于被动探测状态，不易被反辐射系统探测，即便采用大口径、大增益方式，其安全性仍然可以得到保证。

2）组阵探测模式

移动站和固定站可以自由组合，优化阵列排布，在分布式发射和接收的基础上，实现大口径天线自适应合成，提高整体发射和接收天线增益，系统探测能力得到增强。

3）“机动探测”模式

当受到外来威胁，固定站可以处于静默状态，而移动发射站可处于“机动”探测状态，同时各站还可处于大空域范围内的“静默－工作”高速切换状态，大大增加敌方探测和打击难度，整个雷达探测系统如“鬼影”一般，难以找到踪迹。

3 分布式探测关键技术分析

3.1 分布式探测时序同步技术

在分布式探测模式下，各发射和接收站点需要严格的时序同步，除了发射和接收时序的同步以外，为了满足远距离探测要求，通常采用窄波束高增益探测方式。此种工作模式下，发射站和接收站的天线指向等要素也要实现同步，才可保证效益最大化。在“机动”探测等模式下，由于各站点特别是移动站点间的位置关系具有时变性，各站点的自身定位以及相互位置关系的确定都是确保各站点波束同步、实现系统分布式探测的重中之重。

3.2 分布式探测波形设计

为了使各分布式雷达可以同时、同频工作，不受彼此的同频干扰影响，需要完成探测波形的正交化设计，可考虑采用正交多载波探测技术，对于N×N的多载波 补码相位编码 MCPC（Multi-carrier Complementary Coded），雷达信号脉冲可以有N！个互相正交的余码序列组合，而由这N！个余码序列生成的MCPC雷达信号之间都是非相关的。经理论分析证明MCPC雷达信号脉冲间的隔离度可达到23 dB，因此可实现多台雷达同时工作，MCPC雷达探测信号结构形式如图2所示［1～2］。

图2 N×M的MCPC雷达信号结构图（N为奇数）Fig.2 Structure of N ×MMCPC signal pulse（N is odd）

单个MCPC脉冲信号可用式（2）表示。

其中，

式（2）中，Wn是各载波的幅度权重；φn，m为第n个载波的第m个相位元素。

3.3 自组网，协同探测技术

在分布式探测条件下，各点协同工作、时序配合、阵列排布、“静默－工作”高速切换状态等决定了系统的工作模式、工作流程以及关键的性能指标。各工作站间需要自组网、信息共享来实现协同联合探测，特别是移动站机动过程中，行动路径规划、各站点空间排布、实时探测口径优化等均为设计重点。

4 分布式探测优势分析

4.1 单点低功率，隐蔽性强

单程雷达仿真可表示为

其中，Gt为雷达天线增益；GR为敌方接收天线增益；Rmax为最大探测距离。

式（3）中雷达发射机辐射功率为式（1）中远距离大功率雷达发射机辐射功率的1／N，同时天线增益由于口径变小同样可降低至前期的1／N，在敌方反辐射雷达系统灵敏度不变的情况下，雷达发射机的最大探测距离也降低至1／N，系统隐蔽性大大增强。

4.2 多点联合探测，无中心化

由于各接收站均能接收到所有发射站的辐射目标后的反射信号，经过联合处理，每个接收站点均能获得目标的详细探测信息，并且性能指标可与原远距离大功率雷达相当，系统实现了无中心化。

4.3 抗打击能力强

依据探测原理，分布式探测采用了发射和接收分离的方式，即便某一发射站受到破坏，也不影响接收站的正常工作。此外，发射站部分破坏，只会略微影响系统的性能，但不影响系统的整体工作状态。同时，在“机动探测”模式下，发射站也变得难以跟踪和打击，“鬼影”模式可使雷达系统抗打击能力大大增强。

4.4 反隐身能力强

从“功率域”考虑，在分布式探测方式下，通过功率合成，脉冲积累的方式并没有降低系统整体的探测辐射功率，同时通过优化阵列排布，实现大口径天线自适应合成，提高整体发射和接收天线增益，使得系统探测“功率增益积”得到保障。

从“空域”考虑，任何隐身目标都无法做到空间任何角度下较小的雷达散射截面积，采用分布式探测的方式，可实现空间多角度下的目标辐射探测，变相提高了目标的探测雷达散射截面积，提升了目标探测概率。

为此，基于分布式探测方式，从“功率域”和“空域”两方面，均可使系统的隐身能力大大增强。

5 结束语

本文依据当今战争条件下以远距离大功率雷达为代表的高价值设施易成为被打击目标的战争模式，分析了远距离大功率雷达易受打击的原因，主要包括功率大、体积大、不便于机动等。针对该问题提出了基于分布式的隐蔽式探测方法，给出了系统原理和关键技术。基于分布式的探测技术，由于单点功率低，分布式多点探测可实现无中心化，抗打击能力大大提升。又鉴于功率域和空域两方面考虑，分布式探测在反隐身能力方面具有一定优势，本文的研究分析成果可为下一代远距离大功率雷达的发展提供借鉴。