邱德厚

(中国电子科技集团公司第38研究所 合肥 230031)

0 引言

一直以来，海上舰船是维护国家和地区海洋主权的重要海上作战平台，通常具有较强的海空打击与防御能力。海上舰船面临的最大威胁主要来自岸基、空中、水面、水下等武器平台的反舰导弹的攻击，反舰导弹具有飞行速度快、飞行高度低、隐身性能好等诸多特点。现代海上舰船如何通过新技术提升本舰反导防御体系的整体性能，以免受来袭反舰导弹的攻击成为一项重要的研究课题。舰载反导防御系统武器装备构成复杂，反导搜索雷达是其免受导弹突袭的最后一道预警防线，要求能够及早发现目标，提供较长的预警时间;具有较高的测量精度以及分辨识别能力，准确掌握来袭目标的属性信息，为指控机构及时准确的作出战术决策提供必要依据。

1 研究背景

1.1 反舰导弹的特性与威胁

反舰导弹是用于攻击水面舰船的武器，它可以从多维作战平台发射，来攻击敌方水面舰船。反舰导弹类型很多，按发射平台可分为空舰导弹、舰舰导弹、潜舰导弹和岸舰导弹;按射程可分为近程导弹、中程导弹和远程导弹;按导弹飞行剖面又可分为大攻击角俯冲导弹和掠海飞行导弹［1］。现代海战中，反舰导弹日趋成为一种最重要的进攻性武器，其反对抗能力也日益增强。因此需要更先进的电子对抗手段抑制和破坏反舰导弹的攻击，提高水面舰艇的生存能力并最终夺取海战的胜利，具有非常重要的战术意义。

反舰导弹技术经过几十年时间的快速发展，威力获得了很大的提高。飞行速度越来越快，最大飞行速度已经达到几倍音速以上;飞行高度越来越低，能够贴着海面10m高度飞行;隐身外形以及隐身材料的广泛运用，导弹的雷达截面积越来越小。反舰导弹的这些战术特点无疑会给水面舰船的生存带来巨大的威胁，对舰载反导防御系统提出了更高的要求，尤其要加强对新一代反舰导弹搜索雷达的研制，提高现代海上舰船的反导防御能力。

1.2 反导搜索雷达的技术现状

1.2.1 数据更新率低

传统舰载反导搜索雷达天线采用方位机械扫描工作方式，探测到目标时，需要经过多帧扫描，才能确认目标的存在;扫描速率受天线尺寸的限制，不能设计得太高，雷达总的数据更新率低。如反舰导弹飞行速度1000/s、高度10m，当舰载搜索雷达天线高度20m、数据率2s时，则搜索雷达最大探测视距31km，如果天线扫描三次确认才能确认目标，则此时导弹飞行距离已超过6000m，留给舰载防御武器系统的预警反应时间只有25s，不能满足目标截获、跟踪与拦截的作战要求。

1.2.2 海面多路径效应影响探测性能

当舰载反导搜索雷达在探测海面及低空目标时，雷达发射的电磁波信号受到海面反射或散射影响，接收回波会产生严重的多路径效应，这一现象将影响舰载反导搜索雷达对海面及低空目标的跟踪与探测性能。海面多路径效应对舰载反导搜索雷达探测性能的影响主要包括以下方面。

第一、海面多路径效应会造成雷达天线波瓣分裂，出现雷达探测距离盲区，严重影响舰载反导搜索雷达的距离探测性能。

第二、仰角跟踪测量不稳定。除了舰载雷达的运动起伏特性影响外，雷达搜索波束照射到海面时，由于海面反射或散射，会形成不同角度、相互干涉的直射波和反射波，此时进入雷达接收机的目标回波幅度和相位信息不断变化，即存在较大的测量误差，该误差会影响舰载反导搜索雷达对目标仰角方向跟踪性能［2］。如果海上目标高度小于舰载反导搜索雷达俯仰波束宽度时，则海面多路径效应会变得更加严重，出现回波闪烁和周期摆动，不能保证对海上及低空目标的正常探测和跟踪。

第三、当海面多路径效应时，会出现目标回波航迹跟踪丢点。由于直射波与反射波的干涉性能会由于其间的相位差周期性变化。当二者相位相反时，则直射波与反射波相干在回波波谷位置，这时舰载反导搜索雷达接收机接收到的目标回波能量会最小，必然出现目标丢点，造成航迹跟踪不连续。

因此，必须采取有效的措施克服海面多路径效应对舰载反导搜索雷达的影响。

1.2.3 海杂波对目标检测的影响

对于舰载反导搜索雷达来说，海表面对雷达发射信号的后向散射严重限制其对海面舰船、低空飞机、反舰导弹以及其他海洋表面目标的检测，这些后向散射信号即为海杂波［3］。海杂波的特性异常复杂，受海洋多种复杂环境因素变化的影响，存在多种动态变化的面分布模型。

由于海杂波非平稳的动态变化，海杂波回波会产生一定范围的多普勒频域带宽;此外海面舰船处于运动作战状态，舰载雷达回波中还会出现一个多普勒频移;还有海上慢速运动的小目标(比如:潜艇通气孔、小舢板等雷达截面积小于5m2)回波的多普勒运动频率近似海杂波的运动速度，难以通过动目标显示或动目标检测等处理技术实现目标与海杂波的区分。

传统舰载雷达分辨率低，而且回波距离上分布着大量的高能量海尖峰杂波，此时的回波信杂比非常低，很难通过时间幅度检测方式发现海上小目标，大大降低对强海杂波背景下的小目标检测性能。

1.2.4 技术发展趋势

研究先进的雷达技术体制，提高雷达数据更新率、增强系统反导预警时间;设计选择合适的雷达工作频率，减弱海面多路径效应对目标探测的影响;应用高效的雷达信号处理与数据处理技术，提高强海杂波背景下的快速或慢速小目标探测性能，以上这些是舰载反导搜索雷达技术发展趋势。

2 新一代舰载反导搜索雷达的技术特点

2.1 总体技术要求

舰载反导作战反应时间是衡量舰载反导搜索雷达性能好坏的重要战术指标，需要反导搜索雷达具有远距离发现目标能力，抑制不规则运动海杂波和舰船自身运动补偿，克服海面多径效应造成的目标损失，杂波抑制及早实现来袭目标检测，提高反导系统预警反应时间。对于新一代舰载反导搜索雷达的总体设计要求，具有先进的技术体制、优良的低空探测性能、快速的目标检测技术、完善的数据处理能力等等。

2.2 相控阵雷达技术体制

新一代舰载反导搜索雷达要求具有较快的目标数据更新率和较大对空探测威力，相控阵雷达就是不二的选择。

相控阵雷达天线具备空间功率合成能力，得到较大功率孔径积，具有较好的探测威力;采用电子扫描，对雷达能量进行管理，实现探测、搜索到跟踪的快速转换［4］;快速与灵活波束控制，适应不同作战场景，满足海空目标同时探测的需要。

舰载反导搜索雷达发射DDS相控编码、接收DBF，适应不同的作战目的与目标测量要求;编码精度高，相控速度快，角度精度高，能够适于精确定位与反导作战反应时间的要求。

2.3 优良的低空探测性能

舰载反导搜索雷达用于搜索水面及低空来袭目标，要具有良好的低空探测性能。低空探测性能主要反映了雷达波束的低空覆盖、测量精度、反杂波干扰等性能的高低。

图1 舰载反导搜索雷达相控体制示意图

雷达波束的低空覆盖能力受波束物理空间指向覆盖以及海面多径反射的影响。相控方式能够实现波束空间指向与覆盖的灵活调整，波束调整示意如图2所示。图中虚线为波束指向调整1°，俯仰波束覆盖情况。

由于海面多路径效应形成的反射包括镜面反射和漫反射，图3所示为镜面反射的几何原理图。

雷达接收回波包括4个部分:第一部分接收回波是雷达电磁波由路径1直接照射到目标后，由目标处经路径1直接反射的回波，表示为A1;第二部分接收回波是雷达电磁波由路径1直接照射到目标后，由目标处返回并经海面反射的回波，即经路径3和路径2返回的回波，表示为A2;第三部分接收回波是雷达电磁波发射后经海面反射到目标，即经路径2和路径3，再由目标处经路径1直接返回的回波，表示为A3;第四部分接收回波是雷达电磁波发射后经海面反射到目标，即经路径2和路径3，由目标处返回经水面反射的回波，即经路径3和路径2返回的回波，表示为A4。海面多路径效应时，雷达接收回波为:

图2 波束覆盖指向图

图3 海面多路径镜面反射几何原理图

式中:p=ρe－jφ表示反射因子，是与经海面反射后的幅度ρ变化和相位φ变化相关的函数，而且与风浪、水的密度及含盐分等自然因素有关;G表示发射天线、接收天线增益，增益的大小与目标偏离天线法向夹角的大小有关;E(t)表示在不同时刻时的信号幅度变化［5］。

由于海面多路径效应的存在，引起第二、第三、第四部分回波的反射信号叠加到第一部分回波上，根本无法确定接收回波的幅相信息，造成雷达低角度测量误差变大、仰角跟踪性能下降与目标的丢失。此外随着目标高度与距离的变化，镜面反射信号又分为天线主瓣回波和副瓣回波。

为避免镜面反射造成的多路径影响，首先是使雷达距离分辨率大于直射波和一次反射波的波程差，就是减小发射脉宽或增加信号带宽;第二就是选择合适的工作频率减弱多径效应。较低频率利于自由空间探测威力的提高，但不利于海面探测和角度分辨率的提高;而较高频率(毫米波)受到雨水衰减和元器件适用性的影响大。

在相同的自由空间探测距离的情况下，由于雷达作用距离随目标仰角的变化，海面反射使雷达的波瓣图产生花瓣状。当=0，π，2π...时，时，雷达不能发现目标，对于这样的指向称为雷达探测“盲区”。

如果出现仰角波束探测盲区使雷达不能连续发现目标，减少盲区影响的有效方法主要是采用短的工作波长，λ减小时波瓣数增多，当λ减小到厘米波时，海面反射接近于漫反射而不是镜面反射，可忽略其反射波干涉的影响［6］。

图4所示是S、C、X三个不同频段雷达对海面目标探测时(假设海面起伏1m，雷达自由空间作用距离110km)，由于海面反射的影响其探测波瓣的表现情况。

通过对S、C、X频段雷达海面探测波瓣图的比较，可以得出较高频段的C、X波段比S波段的海面多径效应小，具有更好的探测波瓣，较少的波瓣分裂。因此新一代舰载反导搜索雷达探测海面和低空飞行目标时，考虑海面多径效应对雷达作用距离和检测性能的影响，选择在较高的微波频段工作。

2.4 先进的目标检测技术

海上杂波环境复杂，尤其是海上低空监视雷达通常要面对海面杂波、气象杂波以及其他干扰的影响，使有用目标的检测与分辨识别变得更加困难。如何通过现代雷达信号处理技术，实现各类型杂波背景下快速检测目标成为舰载反导搜索雷达系统提高预警作战反应时间的关键因素。

海杂波、云雨等气象杂波均为动杂波，而反舰导弹多为低空飞行小目标，信号杂波比低，图5所示为海杂波与气象杂波中0.1m2低飞目标的探测性能与信杂比的关系。常规的动目标显示(MTI)不能实现杂波抑制与目标检测的要求。高重频脉冲多普勒处理(PD)技术提高回波脉冲积累数量，增强回波能量，提高信杂比，能够快速实现有用动目标的检测;回波具有精确的多普勒频率，具有较高的目标速度分辨率，减少了盲速对目标检测的影响。图6所示为PD情况下，雷达对海杂波和气象杂波背景下的0.1m2低空飞行小目标的改善因子分析。

图4 S、C、X波段雷达海面探测波瓣图

经仿真分析和综合计算，对应4级海情的海杂波和σv=4.0m/s云雨气象杂波，新一代舰载反导搜索雷达的平均脉冲多普勒改善因子大于45dB，系统能够有效抑制强海杂波、云雨等气象杂波的干扰，实现杂波背景中低空高速小目标的检测。

2.5 完善的数据处理能力

图5 海杂波、气象杂波中小目标探测SNR、CSR、CNR

图6 海杂波、气象杂波PD改善因子曲线

反舰导弹飞行速度快、飞行高度低、隐身性能好，在低俯冲角飞行情况完全借助海面杂波背景对雷达探测的影响，使雷达检测概率大大降低。通常反导搜索雷达为保证回波信息的完整性，往往通过降低检测输出门限，降低画面虚警数，采用人工判读判别有用目标是否存在。随着数字技术与软件开发水平的不断提高，运用检测后信息数据处理，准确提取有用目标信息，减少虚报或误报发生，使指挥员或机器实时准确的做出战术指控，达到反导作战能力的要求。先进的数据处理首先完成对检测输出信息的采集、分析、建模、仿真、比对等，通过先进的算法实现对弱信噪比、强杂波背景中的小运动目标回波信息的提取与显示;同时应用速度补偿技术修正由于平台运动或目标位置变化产生的误差，满足舰载反导搜索雷达的作战使用需求;另外通过数字滤波功能完成对剩余杂波点多的区域存在的有用目标提取。

3 结术语

在未来海战中，要求舰载近程反导系统具有更长的作战反应时间，更强的反导能力，这就要求舰载反导搜索雷达要有更远的探测距离、更低的虚警率、更高的检测概率，以保证对各类海战场背景下的目标探测与跟踪性能。近年来，随着相控阵雷达技术的快速发展，实现舰载反导搜索雷达的远距离探测、多目标跟踪、高搜索数据率、自适应抗干扰、快速目标识别、高度可靠性与自动化水平，同时提高对目标的搜索、识别、截获、跟踪等一体化能力，必将使其在舰载反导防御系统中发挥更加重要的作用［7］。

［1］刘桐林.世界导弹大全［M］.北京:军事科学出版社，1998.

［2］崔嵩，李岩，郑昌.海面多路径效应对舰载雷达探测低空目标的影响［J］.舰船电子工程，2009，29(1):104 －106.

［3］Merill.Skolnik.雷达手册［M］.北京:电子工业出版社，2001.

［4］赵玉洁，王炳如.空间探测相控阵雷达［M］.北京:科学出版社，2001.

［5］吴海，刘艳苹.一种解决多路径效应影响的方法［J］.现代雷达，2007，29(5):26 －31.

［6］丁鹭飞，耿富录.雷达原理［M］.西安:西安电子科技大学出版社，1997.

［7］赵国平.在未来海战中近程反导搜索雷达发展与展望［J］.舰船电子对抗，2007，30(2):60－62.