低频超宽带雷达对隐身目标的探测性能分析

康 丽, 张元军, 童广德

(1.三〇二设计研究所,贵州 贵阳 550009;2.电磁散射重点实验室,上海 200438)

低频超宽带雷达对隐身目标的探测性能分析

康 丽1, 张元军1, 童广德2

(1.三〇二设计研究所,贵州 贵阳 550009;2.电磁散射重点实验室,上海 200438)

基于低频超宽带雷达信号,通过对时域分离回波信号的叠加处理等效增大隐身飞机的RCS,通过信号相参积累改善信噪比,实现对隐身目标的远距离探测和稳定跟踪。对比分析了低频超宽带雷达和常规低频雷达对隐身飞机的探测性能,低频超宽带雷达照射下,通过散射中心叠加后目标全程处于探测范围,通过信号相参处理后对飞机的检测概率高达0.9,对目标的探测能力远远大于常规雷达,有利于防空武器对隐身目标的及早发现和拦截。

低频；超宽带雷达；隐身目标；雷达散射截面积

0 引言

隐身目标由于雷达散射截面(RCS)小,常规雷达对其探测距离大打折扣,从而缩小了传统防空系统的有效杀伤区,因此提升对隐身飞机的探测能力是非常紧迫的。目前,对隐身目标的探测方法主要有米波雷达探测、低频超宽带雷达探测等。

低频超宽带雷达,发射脉冲窄,同时具备低频、宽带特征,接收处理的是宽谱回波信号,通过对时域分离回波信号的叠加处理可实现对目标多散射点回波信号的叠加,从而等效增大隐身飞机的RCS,提高雷达探测距离;通过信号相参积累改善信噪比,可提高雷达检测概率,实现对隐身目标的稳定跟踪。同时,P波段低频超宽带雷达的尺寸较米波雷达小,机动性好［1］,且具有低空探测性能好、距离分辩率高等特点,在抗侦察、抗干扰和抗反辐射攻击等方面也具有明显优势。

1 低频超宽带雷达对隐身目标的建模

1.1 隐身目标的探测机理

隐身技术的重点是外形隐身和材料隐身。

材料隐身通过飞行器表面涂覆的吸波材料减小雷达散射截面,采用吸波材料的隐身目标一般只对很窄的一个频段适用。常规窄带雷达发射的雷达波频带窄,特定的吸波材料可大大减弱雷达回波,因此无法有效探测隐身目标。

低频超宽带雷达发射的单周期信号包含了丰富的频率,吸波材料只能吸收总能量的极小部分,此时隐身目标的窄带吸波涂层就失去了作用;另外,吸波材料大部分为铁氧体的电波吸收体,其吸收机理是磁壁共振和磁畴旋转共振引起的电磁损耗,假设共振需要时间为T,当低频超宽带雷达的脉冲τ作用于吸收体,由于τ≪T,在这个时间间隔内无法建立共振,吸波材料难以吸收照射波的能量,使其无法实现材料隐身。可见,低频超宽带雷达具有优越的抗隐身材料能力［2］。

外形隐身是通过翼身融合等方式来减小目标RCS,不同形状、尺寸和材料的目标,其谐振频率差别较大。若目标谐振频率在雷达工作频谱范围内,设备具有较好的探测概率和作用距离,若目标谐振频率不在其频谱范围内,雷达性能则快速恶化。

当用常规窄带雷达照射目标,入射波频谱资源相对较少,目标的RCS由于相位的变化呈现剧烈震荡。相对于传统窄带信号,低频超宽带信号,因信号覆盖了目标的谐振区,有利于隐身目标的发现,且目标在时域上表现为可分离的多散射中心,回波互不干涉,能量随目标姿态小范围变化表现更为稳定。

1.2 隐身飞机散射特性分析

对于窄带信号,距离分辨率d值很大,可以认为回波信号包络近似不变,可按点目标处理。低频超宽带高分辨雷达的目标照射波不是单色波且频谱很宽,当宽带信号作用到目标上,由于目标尺寸较大,目标反射回波由多个脉冲串构成。因此,当宽带信号沿目标机身方向入射,能够分离目标结构突变处的不同散射点,如头向雷达阵面、进气道、机体机翼结合处、机翼端部、垂尾等位置,即形成目标在时间上分布的一维距离像［3］。

假设飞机模型最大尺寸约20 m,采用信号带宽300 MHz的低频超宽带雷达照射,则回波时域波形如图1所示。

图1 低频超宽带雷达对飞机的时域成像

窄带信号入射飞机的RCS如图2所示。

由图1和图2可见,在反外形隐身上,低频超宽带信号入射飞机存在多点散射效应,能区分飞机的机头、座舱、机翼、尾翼等部位。窄带信号表现为不可分离的单峰回波,且不同频率信号的回波幅度有剧烈的变化。

1.3 低频超宽带雷达的多点叠加性能

图2 窄带信号入射时飞机的RCS

根据目标散射中心理论,如图1所示,可以将目标散射等效为多个孤立的散射中心表征［4］。

对于低分辨的窄带雷达而言,由于其距离分辨单元远大于目标长度,因而它不能分辨飞机上的各散射中心。由于是多个散射中心的随机叠加,因而窄带信号条件下目标的RCS将随入射波的照射角度以及频率的变化呈现较大的变化,不可避免会出现强烈的角闪烁。

对于低频超宽带雷达而言,其信号脉冲宽度窄,带宽较宽。在它的照射下,隐身飞机之类的电大尺寸目标的电磁散射特性将发生较大变化,低频超宽带信号将依次与目标各部分进行卷积,然后将每个散射点进行叠加。它的散射可表示为

式中:n为目标散射点个数,i为目标的第i个散射点;σi为第i个散射点的RCS值;σUB为超宽带信号下目标RCS值。由式(2)可知,宽带信号照射下的目标雷达散射截面始终大于窄带信号照射下的目标雷达散射截面,宽带信号相对同频段的窄带信号可有效提高目标雷达散射截面。

1.4 针对目标模型的宽带和窄带检测性能分析

目标模型反映了目标的起伏特性以及等效截面积统计特性。与非起伏信号相比较,起伏情况下的检测概率需要更大的信噪比。当目标包括多个独立的散射单元,而且没有哪一个或少数几个是主要的时候,目标截面积统计分布为瑞利分布,采用Swerling 1模型。

飞机通过对进气道、座舱、机翼和尾翼的边缘等强散射源进行衰减或抑制实现隐身,散射特性用Swerling 1模型描述比较合适。此时,目标散射截面的概率密度函数为

（1）宽带检测性能

按照Swerling1模型,假设目标的每个距离单元中都有大量反射强度相近的N个散射点。根据中心极限定理,每个距离单元回波的同相分量和正交分量都服从零均值高斯分布,每个距离单元回波的幅度都服从瑞利分布。如果宽带雷达可以分辨目标上的这N个散射中心,那么在经过匹配滤波后,这N个散射中心的回波将在N个不同的距离单元中。匹配滤波的回波可写为

检测特性的另外一个关键因素就是信号处理方式,对于宽带检测,考虑对目标冲激响应匹配接收,这也相当于对目标各个散射中心的回波做相参积累。

假设噪声方差σ2已知,对于平方包络检测器,虚警概率为

式中:Vt为门限电压。

若平方包络检测器服从中心参数为2 Na/δ2,自由度为2的非中心分布,概率密度函数为fT(t),则检测概率为

（2）窄带检测性能

对于平方包络检测器,窄带和宽带的虚警概率相同,如式(4)所示。

对于窄带雷达,N个散射中心的回波将叠加在同一个距离单元内无法分辨,回波存在起伏,此时匹配滤波器的输出为

设目标回波的平方包络服从均值为零,方差为Na/2的高斯分布,且互相独立,则检测概率为

2 低频超宽带雷达与常规雷达探测下对F-22的RCS仿真

分别采用低频超宽带雷达和低频常规雷达照射F-22飞机,假设常规雷达入射波频率是低频超宽带雷达的中心频率,采用高频方法计算目标的雷达散射截面。仿真中,F-22飞机模型为全金属状态,且不考虑三维模型的不确定性以及算法本身的精度缺陷。基于相同基准,即在相同的仿真算法和目标几何模型下,仅考虑照射信号不同,对雷达散射截面进行对比分析。

当入射波沿着F-22飞机头部正向入射时,宽带信号与点频信号对F-22飞机的RCS对比结果,如图3所示。从图中可以看出,在头部±30°范围内,经多点叠加后的低频超宽带雷达比常规雷达平均获益10 dB～15 dB;在机翼两侧和尾部约平均获益5 dB,其余方位平均获益10 d B。

图3 低频超宽带信号与常规信号探测下对F-22的RCS仿真对比

3 低频超宽带雷达与常规雷达对F-22的探测性能分析

假设一架F-22隐身飞机进入某个空域,对比低频超宽带雷达和常规雷达对其探测性能。

3.1 目标空袭想定及其RCS

以雷达为坐标原点,F-22隐身飞机以一定航路角进入,距离雷达30 km时投制导炸弹,然后调头逃离。仿真分析时,F-22隐身飞机飞行路线如图4所示。

图4 F-22运动示意图

图4的说明:目标进入雷达作用范围时(进入点A)的飞行高度H1=12 km;目标退出雷达作用范围时(退出点B)的飞行高度H2=12 km;目标进入点到雷达的斜距R1=200 km;目标转弯点到雷达的斜距R2=30 km;目标转弯半径R3= 10 km;目标直线段的飞行速度v1=600 m/s;目标转弯段的飞行速度v2=200 m/s;目标航路捷径P=20 km。

F-22从进入、转弯到退出过程中,低频超宽带雷达和常规雷达探测的RCS变化对比如图5所示。

由于低频超宽带雷达采取多散射点叠加处理,因此目标RCS波动相对较小,且增值明显。

3.2 目标RCS变化对雷达作用距离及检测概率的影响

假设两部雷达对2 m2目标的发现距离均为150 km,对目标的稳跟门限为20 dB,则F-22从进入、转弯到退出这段时间内,两部雷达由于探测到的目标RCS不同导致作用距离也不同,探测距离对比如图6所示。

图5 低频超宽带雷达和常规雷达探测RCS随时间变化的对比

图6 低频超宽带雷达和常规雷达对F-22作用距离对比

图6中,R0表示F-22与雷达真实距离;Rk为低频超宽带雷达对F-22的作用距离;Rd为常规雷达对F-22的作用距离。小于R0时,表示雷达看不到目标。

在目标运动过程中,低频超宽带雷达由于多点散射叠加,目标RCS获益10 dB,信噪比明显高于常规雷达,如图7所示。

图7 运动状态下低频超宽带雷达和常规雷达的信噪比

假设两部雷达的虚警概率均为10―6,在目标运动过程中,由于低频超宽带雷达的信噪比明显高于常规雷达,故低频超宽带雷达的检测概率明显高于常规雷达,对比关系如图8所示。

图8 运动状态下低频超宽带雷达和常规雷达的检测概率

设定虚警概率为10―6,若低频超宽带雷达和常规雷达分别对回波信号进行相参处理,从图9可见低频超宽带雷达相参处理后检测概率高达0.9。

图9 运动状态下相参积累后低频超宽带雷达和常规雷达的检测概率

按图4所示的攻防态势,目标全程处于低频超宽带雷达探测范围。由图6可见,在F-22从进入到129 km这段时间以及目标逃离距离大于146 km后,目标不在常规雷达探测范围内。

虚警概率均为10―6时,常规雷达的检测概率明显低于低频超宽带雷达,低频超宽带雷达通过相参积累对飞机的检测概率Pd=0.9,对目标跟踪能形成连续航迹。

4 结束语

本文分析了低频超宽带雷达对隐身目标的探测机理、低频超宽带雷达对隐身飞机探测性能的影响。在低频超宽带雷达照射下,目标可以近似为一组离散的散射点,通过将每个散射点进行匹配叠加,可以等效提高目标RCS。在本文仿真中,通过散射中心叠加后目标全程处于低频超宽带雷达探测范围,通过信号相参处理后低频超宽带雷达通过相参积累对飞机的检测概率高达0.9,对目标能形成连续航迹,其作用距离和检测概率明显高于常规雷达,有利于防空武器对隐身目标的及早发现和跟踪拦截。

［1］曹长虹.米波高机动雷达的结构设计［R］.南京:南京电子技术研究所,2008.

［2］刘劲.宽带雷达探测性能分析［J］.雷达科学与技术,2008,(2).

［3］吴顺君,等.雷达信号处理和数据处理技术［M］.北京:电子工业出版社,2004.

［4］黄培康.雷达目标特性［M］.北京:电子工业出版社,2010.

Analysis of Low Frequency Ultra Wideband Radar on the Detection Performance of the Stealth Target

KANG Li1, ZHANG Yuan-jun1, TONG Guang-de2
(1.The 302 Design and Research Institute,Guiyang Guizhou 550009; 2.Science and Technology on Electromagnetic Scattering Laboratory, Shanghai 200438,China)

Based on the low frequency ultra wideband radar signal,this paper equivalently increased the RCS of stealth aircraft through the temporal separation of fall of echo signal processing,and improved the signal-to-noise ratio through signal coherent accumulation, achieved the goal of stealth target detection and track over a long distance.The comparision analysis of the ability for detecting stealth aircraft with low frequency ultra wideband radar and the conventional low frequency radar is analyzed,when the low frequency ultra wideband radar is working,with superposition of scattering centers,the target is in the detection range all the way.After the coherent signal preocessing on the plane,the detection probability is up to 0.9,the target detection ability is stronger than the conventional radar,also it is advantageous to detect and intercept stealth target for the air defense weapon early.

low frequency;ultra wideband radar;stealth target;radar scattering cross section

TN011

A

1671-0576(2014)04-0019-05

2014-08-30

康 丽(1984―),女,工程师,主要从事武器系统总体设计;张元军(1978―),男,高工,主要从事引信总体设计与测试。