新体制雷达及其对抗技术综述

2010-01-17陈文奎陶建义

舰船电子对抗 2010年4期

陈文奎,陶建义

(中国电子科技集团公司第51研究所,上海201802)

0 引言

近年来,雷达界不断应用新技术,如频率、波束、波形、功率、重复频率等雷达基本参数的捷变或自适应捷变技术,功率合成、匹配滤波、相参积累、恒虚警处理、大动态线性检测技术、多普勒滤波技术,低截获概率技术,极化信息处理技术,扩谱技术,超低旁瓣天线技术,多种发射波形设计技术,数字波束形成技术等;并在采用新技术的基础上,开发研究出了多种先进的雷达系统,如有源固态相控阵雷达、超宽带合成孔径及逆合成孔径雷达、低截获概率雷达、新型脉冲多普勒雷达、稀布阵综合孔径(米波)雷达、毫米波雷达、双/多基地雷达、组网雷达、数字阵列雷达、统计多输入多输出(MIMO)雷达等。

这些新体制雷达拓展了雷达应用领域。研究这些新体制雷达对于弄清其工作原理、找到其薄弱环节、采用有针对性的雷达对抗技术和方法尤为必要。本文将对这些雷达及其关键技术作简要介绍,并对雷达对抗界应对这些雷达的方法及关键技术作一概述。

1 新体制雷达及其关键技术

1.1 新体制雷达

1.1.1 有源固态相控阵雷达

有源固态相控阵雷达可以通过计算机控制数控移相器来实现波束扫描控制。目前,这种雷达在美军已获得了广泛应用,如“爱国者”导弹系统应用多功能相控阵雷达后,具有了高低空监视、敌我识别等功能,既可引导攻击敌机又可引导截击来袭导弹,且能同时跟踪和打击多个目标。

机载有源固态相控阵雷达的发展不仅装备了新一代战斗机,而且还用于改进提高已有战斗机,如美国 F-22的 AN/APG-77、F-35 的 AN/APG-81、F/A-18的 AN/APG-79、F-16E/F的 AN/APG-80和E-2D的AN/APY-9。其中,F-22的APG77不仅具备雷达的功能,其相控阵天线还可以用于通信和发射干扰信号。“阵风”、“鹰狮”均将应用有源固态相控阵雷达。

有源相控阵技术与数字处理技术、计算机控制技术等结合,使雷达具有十分灵活、复杂的扫描方式、信号波形等,这给电子侦察和电子干扰均带来了极大的挑战。

1.1.2 逆合成孔径雷达(ISAR)及超宽带合成孔径雷达

合成孔径雷达(SAR)是近年来取得重大进步的一种新体制雷达,在星载、机载、无人机载等方面获得了广泛应用。目前,星载合成孔径雷达(由于高空无需侧视)的地面分辨率已达到0.3～1 m,如美国的“长曲棍球”系统。它们可全天时、全天候、全方位地工作,能透过树木探测到隐蔽的机动导弹发射架,透过地表发现地下数米处的掩蔽部,透过海水探测一定深度的潜艇等。机载和无人机载SAR雷达(大多采用侧视)使用非常广,美国的AN/APS-137海上逆合成孔径雷达(ISAR)与跟踪多模式雷达地面分辨率已达到1 m。合成孔径雷达和逆合成孔径雷达采用了二维相参处理技术,具有很强的抗干扰能力。

同时,由于SAR和ISAR雷达不断提高分辨力的要求,使SAR雷达和ISAR雷达的信号瞬时带宽不断提高。据报道,美国导弹防御系统的地基超宽带雷达的信号带宽达到了1 GHz,使传统的侦察截获系统和电子干扰系统均难以适应这样的信号。

SAR雷达除不断提高信号带宽外,还发展了能进行地面动目标指示(GMTI)的SAR雷达、能进行三维立体成像的干涉合成孔径雷达(InSAR)、双/多基地合成孔径雷达等。

1.1.3 低截获概率雷达

低截获概率(LPI)雷达可将辐射能量以类噪音的形式扩散在宽频率范围上,从而使反辐射武器定位系统精度下降,使雷达免遭反辐射导弹的攻击。

LPI雷达的主要实现途径有:一是雷达发射的脉冲随机变化,使电子侦察系统和反辐射导弹难以捕捉和跟踪一个“恒定”的信号;二是对雷达实施热屏蔽,以有效抑制或屏蔽寄生电磁辐射,降低雷达的红外特征;三是降低雷达旁瓣,减小波束宽度,使电子侦察系统和反辐射导弹难以截获雷达辐射信号,有效降低其攻击精度,减少损失;四是发射功率控制,如隐身飞机雷达,不仅不会轻易发射探测信号,而且在无源探测定位系统或其它预警飞机的支援下,只在最需要的时候开机工作,且同时严格控制其发射功率,发射满足目标探测所需的最低功率。低截获概率雷达的发展需要电子侦察系统既要提高侦察接收灵敏度,又要适应复杂电磁信号环境的要求。许多新体制雷达都具备LPI雷达性能,典型的LPI雷达,如F-16C/D、F-15E和F-14机用地形跟随雷达LANTIRN、F-15E机用多模战术雷达AN/APG-70、B-2多模雷达AN/APG-181等。

1.1.4 新型脉冲多普勒雷达

脉冲多普勒(PD)雷达因同时具有脉冲雷达的测距和连续波雷达的测速能力,被广泛用于现代机载火控雷达。该雷达具有很强的抗欺骗干扰能力,能从强地物背景中发现目标,所以也是对付低空飞机和巡航导弹的有效兵器。其典型应用如意大利的“冥王星”低空警戒雷达,用于低空和海岸防御系统,可在恶劣环境条件下探测低空飞机和海面舰艇。由于这种雷达采用了相位编码脉冲压缩技术,在一定距离内有很高的分辨力和对强杂波及无源干扰的抗干扰能力。

新型脉冲多普勒雷达技术正用于新一代预警机雷达的改进升级,如美军的新一代预警机E-2D雷达的改进升级,就主要采用了这一技术,以满足对低空小目标的探测需要。

1.1.5 稀布阵综合孔径雷达

稀布阵综合孔径雷达(SIAR)是一种新型米波分布阵体制雷达,主要用于远程警戒与跟踪。它保留了米波的传统优点并克服了角分辨率低、测量精度差和抗干扰能力弱等主要缺点。SIAR以超宽带方式工作,带宽可以做得很大。SIAR最主要的特点是天线采用了稀布阵,总体上是无方向性反射,其发射和接收方向图是在接收端通过数字信号处理得到的,因此,它可同时形成多个波束以同时观测多个方向。它通过计算形成波束能够长时间不间断地盯住目标而进行长时间的相干积累,这样就提高了雷达的探测能力。

1.1.6 毫米波雷达

毫米波雷达波束窄,角分辨力高,频带宽,隐蔽性好,抗干扰能力强,体积小,重量轻。与红外、激光设备相比较,它具有很好的穿透烟、尘、雨、雾的传播特性,所有这些特点使毫米波雷达在军事上得到了广泛的运用。特别是新型高效的大功率毫米波功率源、介质天线、集成天线、低噪声接收机芯片等相继问世,使毫米波雷达发生了更新换代的变革,且大大拓宽了其应用领域。毫米波雷达的应用范围包括目标捕获、近程火控、靶场测量、战地监视和导弹制导等。为了在严重干扰和杂波背景中对抗隐身目标、低空目标和反辐射导弹,毫米波雷达已成为作战系统的主要发展方向之一。

1.1.7 双/多基地雷达

这是一种收发异址、多发多收、以离散形式布站命名的雷达系统。根据不同的需要,可以采用多种配置方式,如地发/地收、空发/空收等。按照发射系统和接收系统的多少,还可编组成一发一收、两发一收、三发两收等不同形式。

这些突出的特性,使其可充分利用隐身飞行器散射雷达波信号的空间特征,接收隐身飞行器的侧向或前向散射雷达波信号,达到探测和定位的目的。此外,由于双(多)基地雷达系统的发射与接收分系统分开配置,且发射分系统多点配置,因而还可有效地防止反辐射导弹的攻击。

1.1.8 组网雷达

雷达组网,是按照作战需求和确定的指挥情报报知关系,在一定的区域内有计划地对雷达站分散配置,通过所建立的计算机网络和指挥情报传递控制链路,构成动态、一体化、智能、高效的雷达情报关系。

因此,雷达组网是将多部不同体制、不同平台、不同频段、不同极化方式的雷达适当布站,对网内各部雷达的信息完成“网状”收集和传递,并由中心站平滑、滤波、外推、内插、加权等综合处理和控制管理,从而形成一个统一的有机整体。

将网内各雷达的信息(原始视频、点迹、航迹)汇集至中心站综合处理得出雷达网覆盖范围内的目标情报信息、战术与战略态势,使系统的效能不仅是网内多部雷达效能的叠加,而且有质的飞跃,派生出许多单台雷达所不具备的新功能。它避免了单基地雷达的弱点和局限,除具有频率分集、空间分集与能量分集的特点外,主要是提高了反导、抗干扰、反隐身能力和防空部队的快速反应能力。

1.1.9 数字阵列雷达

数字阵列雷达是一种接收和发射都采用数字波束形成技术的全数字阵列扫描雷达,它是数字雷达的主要类型。

由于数字雷达的收发波束均以数字方式形成,并且可通过改变程序来执行完全不同的工作模式,所以它拥有模拟雷达所不具备的许多优良性能。

数字雷达的数字数据可以编程且精确处理,能很精确地增强弱目标信号并滤掉杂波信号,从而提高雷达的检测和跟踪能力。采用可编程的数字控制系统给雷达的发射特性和装备带来灵活性,可使单个系统在完全不同的模式之间或雷达工作方式之间瞬时转换。

此外,数字雷达还具有改善时间-能量资源管理、提供可靠性、延长寿命和降低成本的潜力。

数字阵列雷达发展的一个重要内容是将“认知无线电”思想引入雷达系统的设计和研制,从而使未来先进雷达具备更高的“智能”。当电子信息系统采用“认知无线电”策略后,将具备对环境的即时感知能力,并通过对环境的即时感知,实现对环境的智能化适应,实现资源调度、利用等的自适应和自治管理。

1.1.10 MIMO雷达、统计MIMO雷达和网雷达

MIMO雷达和SIAR雷达一样发射正交波形,在空间形成宽的低增益发射波束,接收端则使用DBF技术综合形成多个发射波束和接收波束。MIMO技术给雷达系统的性能带来了全新的突破,包括信号被截获距离降低,目标分辨率以及空间搜索能力提高、发射信号分集和空间分集技术,能有效探测隐形目标,采用特殊的发射布阵方式和大大降低雷达被反辐射导弹攻击的概率等。

统计MIMO雷达利用目标散射分集来提高检测性能,其优势为RCS平均近似恒定、测角精度高、目标识别能力强、反隐身效果好和抗摧毁能力强。

综合MIMO雷达技术发展的趋势以及防空系统的现实需求将雷达组网概念进一步拓展和推广,提出了一个全新的基于MIMO技术的多基地雷达,即网雷达。

与常规雷达组网不同,网雷达将雷达组网目标参数的获取由信号检测、信息融合的层面进一步推广至信号处理的层面,保留雷达组网和多基地雷达原有的特点,更利用MIMO特有的空间分集和信息获取优势,从而将雷达系统的整体性能提升到全新的高度。

网雷达的概念与常规雷达乃至多基地等新概念雷达均有很大的不同,容易凭借单个雷达系统构成非常大的战役纵深,大幅度提高防空系统的生存能力和作战效能。

1.2 新体制雷达关键技术

在发射和接收方面,由于集成和封装技术的发展使高品质的多通道发射和接收系统的设计和工业化生产成为可能,并可在发射/接收时在不同方向上采用准同时波束。宽带收发和高质量模数变换技术的迅速发展将推动雷达技术的不断发展。

在天线阵方面,目前广泛采用有源相控阵天线阵,未来可能采用甚宽带过采样阵列实现与电子战和通信系统的共用孔径,此共用孔径可置于平台的不同位置而成为“灵巧蒙皮”。在宽带分布和瞄准上则采用真实时间延迟而不用相位加权来实现。

在自适应处理上,时-空自适应处理发展很快。对于运动平台,由于杂波回波的多普勒扩展,其最小可探测目标的径向速度受到限制,所以时-空自适应处理是对机载监视系统的一个主要需求:利用二维多普勒-角度处理,若已知在运动平台上杂波回波的多普勒频率与它们的到达角直接相关,那么便可探测慢速运动的目标。

概括地讲,未来雷达将采用的一些关键技术包括:时-空自适应处理,如DBF、伪装发射/接收、交替扫描、探测前跟踪、长积累时间等;频率最佳化,如频率自适应、合成带宽、低频率工作等;位置/地点最佳化,如采用共用孔径、双多基地工作等;甚宽带工作。此外,由于雷达技术是一门综合性很强的学科,所以它还将涉及到许多高新技术,如光纤技术、高温超导技术、各种先进的信号处理技术、基于神经网络的自适应波束形成技术和并行处理技术等,从而使它能实现更高的反应能力和态势评估性能要求。

2 新体制雷达对抗及关键对抗技术

2.1 新体制雷达对抗技术

2.1.1 对相控阵雷达干扰技术

对有源固态相控阵雷达可采用阻塞式和瞄准式遮盖性干扰,也可采用欺骗性干扰。阻塞式干扰对于具有频率捷变能力的相控阵雷达来说是最有效的,瞄准式干扰效果的干扰功率密度与雷达热噪声之比K值比阻塞式高出6～20 dB。对相控阵雷达进行距离欺骗干扰,是在相应的距离单元上产生假目标,使得距离跟踪系统产生距离跟踪误差。实现欺骗性干扰必须准确掌握雷达获取目标距离、角度和速度信息的原理和雷达发射信号调制中的关键参数。对于搜索状态的相控阵雷达,欺骗性干扰不影响其对真实目标的检测,只会增加虚警,而且会被操作员识破。

由于相控阵雷达在抗干扰方面具有时空二维滤波处理的功能,因此,如果仅用单一的干扰机对其进行干扰,很难达到预期的效果。可用2部或2部以上在不同位置的干扰机对其进行干扰,短时间分时轮流工作,就可导致空间相关矩阵与实际接收机信号不匹配,从而达到有效干扰的目的。

2.1.2 对SAR和ISAR动目标干扰及对超宽带SAR的子带宽相干干扰技术

欺骗式动目标干扰方法研究了被干扰SAR平台的运行速度测量误差和信号载频测量误差对于干扰效果的影响。欺骗式动目标干扰方法使地面干扰机转发虚假动目标信号进行干扰,从而影响被干扰雷达的MTI性能,达到保护地面真实军事运动目标的目的。从一系列截获到的ISAR线性调频脉冲中产生假目标图像的流水线式的全数字化图像合成器可以提供一种新型的RF成像诱饵。

文献[3]提出了采用子带宽相干干扰技术对超宽带线性调频雷达进行干扰的方法。其基本思想是:截获大时宽的雷达信号,高保真采样其中的一小段信号后马上进行处理转发,然后再采样、处理转发下一段,采样转发分时交替工作直到大时宽信号结束。该方法以相对较小的干扰带宽达到欺骗雷达相参处理的目的,实现对超宽带雷达的有效干扰。

2.1.3 对低截获概率雷达的侦察和分类技术

由于新的LPI雷达的性质,现代截获接收机变得日益无效。LPI雷达信号的检测和截获需要复杂的数字接收机,后者不仅必须具备对微弱信号检测、保留信号的相位信息,保证对信号的积累、构造最佳的滤波器进行信号处理,同时,高精度的参数测量算法也为完成对信号的分析和分类提供了有力的手段。

去斜坡方法的数字LPI雷达检测器可以将LPI雷达信号从背景信号中提取出来。该系统可以检测在有效作用距离内失配的线性FMCW信号,可以通过对脉冲信号短暂屏蔽,消除脉冲信号来实现在脉冲雷达环境的LPI雷达检测,并可以引用数据库了解LPI雷达的工作模式,还可以通过对更宽频带的载频进行频率扫描来扩展该系统的能力。同时,可利用各种维纳分布(WD)分析LPI雷达信号,利用并联滤波器阵和高阶统计(HOS)对LPI雷达信号进行检测和分类。

2.1.4 利用直接数字合成实现对PD雷达的欺骗干扰技术

PD雷达工作中的匹配滤波器对目标信号提供相干积累效应,从而使抗噪声干扰时的目标信号/干扰比最佳。雷达接收机中的微分系统能够检测距离和速度的相关性来判断目标真伪,因此PD雷达也具有很强的抗欺骗干扰能力。所以,在对PD雷达进行欺骗干扰时,必须在进行距离门拖引的同时进行速度门拖引,欺骗才能有效。

文献[5]对利用直接数字合成(DDS)技术实现对PD雷达的欺骗干扰进行了研究。利用现场可编程门阵列(FPGA)设计DDS电路,改变FPGA芯片所构成系统中的只读存储器(ROM)表数据,DDS就可以输出任意波形。

该芯片还可以支持系统现场升级,虽然精度和速度略有不足,但基本满足绝大多数系统的使用要求。FPGA主要由接口模块、累加器模块、正弦ROM表模块以及分频控制模块组成。干扰机射频存储外部雷达信号,利用上述方法产生DDS信号作为多普勒频率加入射频储存装置中,对雷达实施速度欺骗干扰,使频谱具有多普勒特征,更逼真地模拟真实信号,实现了对PD雷达的干扰。

2.1.5 对毫米波雷达的干扰技术

由于毫米波雷达应用于防御系统跟踪雷达和导弹末制导跟踪雷达较多,从机理上看,跟踪雷达抗干扰能力较强,且因波束窄、大气衰减大,反侦察能力强,目前毫米波大功率微波器件缺乏,故毫米波有源干扰系统较少。

无源干扰方式是对付毫米波雷达的主要方式,如:毫米波箔条和箔片产生干扰回波以遮盖目标或破坏雷达对目标的跟踪,用毫米波角反射器形成强假目标回波,用毫米波等离子气悬体形成吸收电磁波的空域以掩护目标,用毫米波烟幕对电磁波的吸收或反射,阻碍毫米波雷达对目标的侦察、探测等。

文献[6]提出了一种采用窄带瞄准式遮盖性干扰对付毫米波雷达的有源干扰方法,使雷达接收机被噪声阻塞,使雷达完全丧失发现目标的能力,仿真证明了对毫米波雷达进行有源干扰的可行性。

2.1.6 对组网雷达的综合干扰技术

组网雷达是未来雷达应用的重要方向之一,组网雷达对我空军实施空间突防构成了巨大威胁。研究组网雷达工作体制、信号流程,对组网雷达的综合特征信号的侦察及对组网雷达的综合干扰方法很有必要。综合对抗即多种行动和措施的综合运用,例如压制干扰与欺骗干扰相结合,有源干扰与无源干扰相结合,集中式干扰与分布式干扰相结合,掩护干扰和自卫相结合,软杀伤与硬摧毁相结合以及雷达电子干扰与目标隐身技术相结合等等。

分布式干扰是将众多的体积小、质量轻、价格便宜的小型电子干扰机散布在接近被干扰雷达的空域和地域间形成干扰扇面,干扰信号极易进入雷达的主瓣,可在频率域、极化域和空间域上形成大区域的干扰。分布式干扰机可根据雷达网的分布情况,采用各种干扰方式,应用单个干扰机的能力采取多种布站方式,来达到对组网雷达干扰的目的。

采取具有航迹特征的雷达假目标产生技术,在多部雷达形成想定的空间相关航线的假目标干扰只要其特征与真目标相似,也可以达到干扰的目的。这种航迹欺骗的产生取决于雷达本身波束扫描特性和干扰机的位置,需要载机、被掩护的飞机和产生的假航迹之间的精确协同和配合。

组网干扰利用多个干扰设备构成干扰网对付雷达网,以网制网。干扰机组网可按照一定规则构成有形状和无形状的干扰网,可空地结合、多种干扰技术结合,形成对某一特定组网雷达最有效的干扰。

2.1.7 宽带数字阵列自适应干扰技术

随着数字技术的高速发展,数字系统代替模拟系统应用于电子工程的各个领域已经成为一种必然趋势。从提高截获概率上来说,采用宽带数字多波束形成接收技术,可以解决大空域覆盖范围和高灵敏度侦收的矛盾,不需要机械旋转,不需要复杂的多波束网络、没有能量的损失、方便进行通道校正,并且波束的形状和个数可以根据工作方式的不同而加以灵活变化,从而具备多信号处理能力,实现对多目标的连续侦察跟踪。

采用宽带数字阵列干扰技术可以大大提高现有雷达干扰技术。在采用相同发射机功率的情况下,宽带数字阵列干扰技术可以利用整个发射阵面的孔径增益,比部分孔径发射波束得到更高的干扰功率;由于采用数字射频存储器(DRFM)和直接数字合成(DDS)的方式来产生相参信号和噪声干扰信号,干扰信号质量更高;采用数字阵列的方式,可以灵活地在某些方向上产生抑制零深,从空域的角度改善了收发通道间的隔离度;由于每个干扰源都是根据侦收信号独立产生的,利用数字阵列的方式进行灵活组合和控制,因而具有多目标同时干扰能力。最为重要的是,采用宽带数字阵列干扰技术在发射阵列中辐射相参信号或不同频率的信号,通过改变电磁波传播波前来实现方位角度的自适应欺骗干扰,从而有效地破坏雷达角度跟踪系统。

2.1.8 对统计MIMO雷达的干扰

对MIMO雷达可采用分布式干扰、假目标欺骗干扰,也可采用通过分时干扰、逐个脉冲瞄准干扰和宽带阻塞干扰方式的多波束雷达干扰站。此外,网络雷达干扰站也不失为一种有效的方式。网络雷达干扰站是由多部干扰发射机、多部侦察接收机、网络中心站及网络设备组成的一种新型雷达干扰系统。其发射机和接收机异地部署,其工作方式和工作参数可预先编程或受控于网络中心站的控制指令,各宽带接收机侦察/探测由空中辐射源发射的雷达信号或空中目标反射的目标回波信号,并将侦察/探测数据传递给网络中心站。

网络中心站根据接收机侦察/探测信息,对目标进行识别、定位和跟踪与干扰。各干扰机根据网络中心站的指令设置干扰参数,选定干扰方式,对MIMO雷达实施干扰。网络雷达干扰融无源和有源一体、主动与被动一体、侦察与对抗一体、对抗与雷达一体。因此,网络雷达干扰大大增强了对雷达的对抗能力和探测性能。