超宽带雷达反隐身技术研究

黄永飞 钱林杰

摘 要

随着隐身技术的大力发展及广泛应用，防空预警系统面临空前压力。如何发展完善防空预警系统是当前人们关心的热点问题，本文通过对超宽带雷达的特点分析，介绍了超宽带雷达在反隐身方面做得重要改进，以及超宽带雷达为应对隐身威胁所做的深入研究。介绍了信号形式及新的探测手段在雷达中的应用，分析展望反隐身雷达发展方向，力争为当前防空预警系统提供现实帮助和理论支持。

关键词

超宽带雷达;越宽带信号;RCS;反隐身

中图分类号：  O451                        文献标识码： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.07.079

0 引言

通过外形设计、表面涂料和加载阻抗等方法实现飞行器隐身以减弱散射分布特性是当前隐身飞行器的主流设计方法，以此来达到降低雷达探测可能性。美国新一代战机F-35上的APG-81 AESA雷达虽然阵面尺寸相比传统机载雷达小，但是拥有同时进行合成孔径雷达地图测绘（SAR）和地面移动目标指示（GMTI）的能力，探测能力大幅度增强。因此F-35不仅战斗力更为惊人，隐身技术的应用也表现得更为出色。

本文针对目前反隐身技术面临的压力，从超宽带雷达的反隐身技术手段入手，介绍目前较为雷达反隐身的机理及技术应用，为反隐身技术的进一步发展提供思考。

1 超宽带雷达反隐身机理分析

反隐身的本质就是寻找飞行器隐身技术的薄弱环节或漏洞并加以利用，使飞行器的隐身功能效果降低甚至不起作用，以达到准确探测目标的目的。从原理上来看，超宽带雷达具有不同于传统雷达的诸多优势。

1.1 频域分析

超宽带雷达的研究一直是雷达探测技术研究的主要方向之一，受到国际上普遍关注。超宽带雷达是指使用系统与信号的相对瞬时带宽大于或等于25%的雷达，探测目标时可以提取丰富的目标信息。从目前服役的隐身飞机性能来看，探测雷达使用频率超过隐身目标使用的频率范围，探测能力就会得到显著增强，从而有效应对目标的隐身性能[1]。

目标RCS与波长的关系可分为瑞利区、谐振区和光学区三个区域。瑞利区的特点是RCS正比于频率的四次方，目标形状影响较小;在光学区，目标的尺寸比雷达波长大得多，即目标可作为散射体的集合来处理;在谐振区，雷达截面随频率的变化呈振荡变化，因此散射体上每点的场都是散射场的叠加。

1.2 时域分析

超宽带雷达发射的脉冲宽度极窄，除了包含的频谱极宽以外，它还是一种瞬态的过程。由于在吸波材料中，分子对入射的响应需要时间，故脉冲越短，传播时的衰减越小，这就是分子的弛豫现象。反射信号能量随着弛豫时间的减小而减少[2]。由于UWB信号带宽比吸收材料的频带大得多，即使入射脉冲的能量有较大衰减，但吸收频带外的分量仍然占主导地位，因此短脉冲传输的信号能量比长脉冲大得多，因此获取的目标信息相对来说也会更丰富。

1.3 空域分析

空间域反隐身是利用飞机的几何外形特征来实现。就是利用飞机的外形设计将探测电磁波散射到其他方向来降低电波反射的能量。若在射方向以外的其他方向也有接收机存在，则飞机的隐身功能将大大降低。从目前的应用上来看，就要有以下几个方面的应用：一是双/多基地雷达。它通常由一个发射站和多个接收站构成。二是利用空间多点取样。三是雷达组网。利用网络把各独立雷达站组合起来，则不同频率、不同程式的雷達可发挥各自优势，形成功能特点互补，发挥如同多基地雷达的优势。

1.4 极化域分析

信号的极化方向与天线接收的方向相匹配。极化的可选择性是目标隐身的一大特点，也即只有特定极化方向的电磁波才能对隐身目标的极化探测有效，因此特定目标对某一极化的雷达可能隐身效果很好，但对其他不同极化方式的雷达便会失效。

通过分析电磁波的极化特性有利于提高雷达对隐身目标的探测能力，这是因为隐身目标使用的电磁波存在极化特性，只要针对这种特性来选择探测电磁波，发现隐身目标的概率便会大幅度增加。另外，可通过对极化特性的调整和处理，与传统的反隐身技术相结合，进一步提升雷达系统的反隐身能力。

2 超宽带雷达反隐身技术

雷达探测目标需要主动发射电磁波，敌方便有可能捕获电磁波信号而发现雷达位置。UWB雷达信号相对频率范围大，相对于传统雷达而言，便具有许多探测优势。因此，可以针对飞行器隐身技术从雷达信号的选择、天线阵列的设计以及信号处理方式上来提高探测能力，降低隐身技术对雷达探测的影响。

2.1 超宽带信号

2.1.1 瞬时带宽信号

相控阵雷达是新型雷达的发展方向，对相控阵雷达信号的研究显得非常有必要。信号在面阵中传播的最大时间称为孔径渡越时间，阵列设计得越大，这个时间便会越长，当这个时间大于信号带宽的倒数时，阵元的辐射信号便不能同时到达波束指向方向。这对目标的探测目标是不利的，更不要说提高探测精度和针对目标反隐身了。解决的办法是利用瞬时宽带信号波束形成，即通过控制天线阵元的发射信号有规律产生时延，使所有阵元的信号均能同时叠加。这种方法没有改变孔径渡越时间的限制，反而有可能使时间延长，但是信号效果提升了，这正是相控阵雷达的优势。

2.1.2 频率步进信号

频率步进信号是一种瞬时窄带通过延迟后进行叠加的信号形式，它可以看作是频率不同的脉冲信号的集合，因此具有瞬时脉冲信号的优势。对于频率步进宽带相控阵雷达，每个脉冲信号都是独立的，可以通过控制相位改变波束指向，使信号方向集中，这便解决了信号方向性的问题。另外，瞬时带宽信号存在的孔径渡越时间，在使用频率步进信号时这个限制被放宽，若步进频信号由M个发射脉冲组成，则可以放宽M倍[3]。因此，频率步进雷达的距离分辨率可以得到充分保证。

2.1.3 正交频分多路复用（OFDM）信号

正交频分多路复用（OFDM）雷达信号由多个子载频组成，具有大时宽带宽积，且信号编码方式灵活，通过不同的波形设计准则，能够自适应调整信号子载频的系数，具备了认知雷达系统的基本特点[4]。OFDM信号各子载波能够灵活使用不同的编码方式，具备了低截获概率特性。

当前隐身与反隐身的对抗也是体系与体系的对抗，采用OFDM信号所具有的多功能特性及抗干扰特性，对于反隐身也是至关重要[5]。在雷达系统的反隐身水平一定情况下，提高雷达系统生存能力，增强系统信息处理能力和智能、网络、通信等多功能集成，有利于雷达反隐身能力发挥。

2.2 超宽带天线

超宽带相控阵雷达系统工作频率必须选择在超宽带系统要求的范围。天线设计需要考虑信号空间采样，为保证空间采样率则阵元密集，增大了系统设计复杂度和成本，天线尺寸也受到限制。因此应结合系统的需求，兼顾天线设计和阵面优化[6]。可利用频率步进信号特点和阵列设计调整波瓣图，使主瓣能量集中。

对多输入多输出（MIMO）雷达的天线阵列进行设计，不仅可以达到系统要求，还能节约成本。与传统的雷达阵列设计方式相比，MIMO系统的性能主要以虚拟阵列体现，因此可以简化设计，利用稀疏阵列来完成对大尺寸天线的模拟，形成有效的虚拟天线阵列，这比传统阵列的有效面积大得多。因此，MIMO系统会在较少阵元和较经济的结构设计基础上，获得更好的分辨率。

2.3 超宽带信号处理

传统雷达信号精确已知，提取目标就是仅需匹配滤波，获取目标信息。但超宽带雷达的回波信号较分散，来自目标对信号的反射，特征各异，因而传统方法并不适用。但是复杂的目标信号具有其他的显著特点，可随着信号处理技术的发展，把一些最新的信号处理方法应用到回波信号处理之中，如深度学习、神经网络等。

3 发展前景分析

雷达反隐身技术对提高雷达系统的生存能力和探测能力具有重要意义。可从以下几个方面来看将来雷达反隐身技术的发展。

3.1 多技术融合

随着飞行器战技术的发展，尤其是以隐身技术为代表的新技术的发展，单一雷达在反隐身的局限性越来越突出，如超视距雷达的分辨率较低，超宽带雷达功率较高容易被探测等问题，综合运用多种反隐身技术探测隐身目标已是必然趋势。为提升雷达系统探测性能，将电子侦察、技术侦察等手段融入雷达系统中，组成综合反隐身的信息融合系统。

3.2 多功能集成

宽带相控阵雷达正在向多功能发展，除了常规地对目标进行检测、搜索以获取目标的方位、高度以及距离信息外，还需测量目标的速度、类别等其他信息，对目标回波信号进行综合处理并成像[7]。进一步加强信号处理的抗干扰能力，提高目标信息提取的质量和效率。当然，随着电子战技术的不断发展，宽带相控阵雷达还必须保持自身生存能力的同时，保持对战场条件的感知，以适应环境需要。

3.3 特殊探测手段

为提高雷达探测效率，提高对隐身目标的探测概率，发展特殊探测手段也是研究发展的重要方向，如无源探测。无源雷达自身生存能力强，可从多个方向对目标进行跟踪分析，同时可接收通信、导航、干扰等信号，进行辅助判断并跟踪监视，避免了隐身目标的外形以及吸波材料对雷达的影响，提高发现隐身目标概率。当然，多频段集成雷达、激光雷达、谐振雷达等各种特殊手段雷达均可以应用到对隐身目标的探测之中，从而进一步提升对隐身目标的探测概率。

4 结语

超宽带雷达具有许多独特的性能，具备探测隐身目标的优势。实现反隐身的关键是雷达要具有特定的信号形式，高效率、高增益的天线阵列设计，高功率的脉冲发射以及超高灵敏度的接收机等分系统。同时合成孔径、新技术在雷达上的应用，不断提升雷达信号处理能力、抗干扰能力，为雷达信号处理打下坚实基础，为探测隐身目标，甚至跟踪监视隐身目标成为可能。另外，超宽带雷达还可以与红外、声呐等技术探测手段相结合，大大丰富雷达探测的方式和手段，提升雷达探测效率和质量。

参考文献

[1]代红，何丹.飞机隐身与雷达反隐身技术综述[J].电子信息对抗技术，2016.31（6）：40.

[2]何建国，陆仲良，刘克成.超宽带雷达反隐身机理综述[J].国防科技大学学报， 1997（02）：71.

[3]远海鹏，曾大志，龙腾.频率步进相控阵雷达原理与实现方案的研究[J].现代雷达，2008.（07）：24.

[4]刘晓斌，刘进，赵锋，等.OFDM雷达及其关键技术研究进展[J].无线电工程， 2016，46（1）：25-29.

[5]霍凯，赵晶晶.OFDM新体制雷达研究现状与发展趋势[J].电子与信息学报， 2015（11）：2776.

[6]付林，唐霜天.超宽带多功能数字化相控阵雷达系统技术[J].雷达与对抗，2007.（04）：01.

[7]文樹梁，袁起，秦忠宇.宽带相控阵雷达的设计准则与发展方向[J].系统工程与电子技术，2005（06）：1007.