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1、 工程设计作业 机载预警雷达发展趋势分析 班级：020831 学号：02083052 姓名：王得帅摘要 经过几十年的发展, 机载预警雷达技术取得了很大进步 文中介绍了国外典型机载预警雷达的发展现状,并针对新的作战环境下机载预警雷达面临的技术问题,分析了机载预警雷达的发展趋势,最后对机载预警雷达的发展提出了一些建议。 关键词 机载预警雷达; 杂波抑制; 反隐身; 抗干扰; 相控阵0引言 预警机将雷达装上飞机, 利用飞机平台的飞行高度克服地球曲率对观测视距的限制, 消除雷达盲区,扩大低空和超低空探测距离,发现更远的敌机和导弹,为防空系统提供更多的预警间 其雷达称为机载预警雷达 预警机不仅具有全空域
2、的远距离探测能力, 还具有机动性好,生存能力强, 布防灵活等特点, 因此成为现代高技术信息化战争不可缺少的战略装备由于机载预警雷达架设在高空飞行的飞机上, 因而其优越性是地基雷达所无法比拟的 然而, 雷达升空后, 下视工作加平台运动带来了地杂波频谱扩展问题,雷达安装在飞机上对雷达系统也出了许多限制(如对雷达体积 重量和功耗的限制 ), 技术难度很大,能够自主研制高性能机载预警雷达的国家屈指可数美国经过几十年的发展, 形成了 E 2 E 3 2个系列的预警机,并在多次战争中发挥重要作用 根据在使用中出现的问题,美国还在不断对这两种型号的雷达进行改进以提高性能此外,随着现代电子技术和飞行器隐身技术
3、的迅速发展,机载预警雷达 未来的主要作战对象将是隐身性能和飞行性能俱佳的第 4代战机, 以及低空高速飞行的低雷达散射截面(RCS)巡航导弹,而实际电子战环境中还存在着多种形式的干扰等, 对下一代机载预警雷达技术的发展提出了更高的要求1国外典型机载预警雷达 美国海军是最早使用预警机的军种, 由于在 194年珍珠港事件中蒙受重大损失,美国海军认识到地面舰载雷达的局限性, 决定把当时较先进的 AN /APS 2雷达安装在 复仇者 鱼雷轰炸机上, 这就是著名的Cadillac计划, AN /APS 20也就成为了现代机载预警雷达的雏形,它基本相当于把普通的地面脉冲雷达搬到飞机平台上 雷达升空可以解决视
4、线受地球曲率遮挡,而在高速飞行的条件下,随之带来的就是地杂波频谱扩展问题,采用动目标显示 (MTI)技术的普通脉冲雷达的探测性能受到极大的限制,而多普勒( PD)技术可用来解决机载雷达强杂波背景下检测空中运动目标,它通常发射一组较高重复频率( PRF)的相参脉冲信号,每个距离门设置一组滤波器,对接收到的回波信号进行多普勒滤波,从而对地杂波进行有效的抑制,以提高目标的检测能力。 然而随着预警观测区域的不断扩大和地形环境的复杂程度加剧,机载预警雷达面临的杂波问题更加严重和多样化,为了检测远距离的弱小目标,必须提高机载预警雷达的杂波处理能力 PD技术是要在距离 /多普勒的杂波清晰区和较弱的副瓣杂波区
5、进行目标检测 首先,雷达发射的信号应具有高纯频谱特性,即低相位噪声和低杂散谱线;其次在主瓣杂波信号很强的情况下,接收系统不能饱和,以保证信号不出现虚假频率信号,因此需要接收系统要有很大的动态;另外雷达天线的副瓣电平要尽可能低美国 E 3 望楼 预警机(如图 1所示)的预警雷达AN /APY 1/2就使用了超低副瓣天线 (波导裂缝阵列)及高性能天线罩,其最大副瓣电平可达- 50 dB,与副瓣杂波电平直接关联的平均副瓣电平更低,极大地降低了副瓣杂波和提高检测处于副瓣杂波区的目标的能力美国海军的 E 2C舰载预警机(如图 2所示)最新配置的机载预警雷达为 AN /APS 145, 发射 P波段电磁信
6、号 由于载机体积和重量的限制, 天线采用小型化双层八木阵列天线,副瓣电平不是很低,但主要用于海上, P波段海杂波相对较弱, 因而仍能较好地工作另外, AN /APS 145雷达还采用了机载雷达动目标检测(AMTD)技术来改善雷达的杂波抑制能力,利用了时间平均杂波相关机载雷达(TACCAR)技术来补偿径向速度和移动相位中心天线(DPCA)技术来补偿切向速度但在大海情以及陆海交界甚至陆上使用时, 就需要进一步抑制其副瓣杂波, E 2C主要采取信号处理的方法来不断改进 被称为 E 2C预警机的下一步发展计划的 E 2D 高级鹰眼 预警机 (如图 3所示), 在雷达现代化计划 (RMP)中拟研制的下一
7、代雷达 AN /ADS 18将采用多通道相控阵天线和数字式接收机等新体制,利先进的空时自适应信号处理 ( STAP)技术,来改进杂波抑制能力 E 2D是目前唯一采用了这一先进技术的装备,将在 2011年交付使用。以色列发展的 费尔康 预警机(如图 4所示), 因其机载预警雷达采用固态有源相控阵体制,因而备受业界关注,其天线共有 6个固定天线阵面 固态有源相控阵具有以下 2个优点: ( 1)分布式发射和接收, 进一步提高了系统的能量效率 灵敏度和可靠性; (2)波束扫描灵活,可以不同扇区扫描,速度可变,搜索和跟踪的要求可以通过合理地分配资源来满足但是相控阵雷达也存在一些问题 例如, 天线的副瓣电
8、平不如波导裂缝阵列做得低, 扫描过程中天线副瓣电平还会抬高,且增益随扫描角增大而降低,虽然主瓣宽度扩展了,可以通过增加目标驻留时间来弥补,但性能仍有较大的降低。 2面临的技术问题2. 1 隐身技术 机载预警雷达必须有足够的预警时间和探测距离,一般约 300 km 以机载预警雷达AN /APY 2为例,当载机高度为 9 600m时,对高空轰炸机类大型目标的探测距离为 667 km,对战斗机的探测距离为 445 km,对巡航导弹的探测距离为 324 km 可以看出, AN /APY 2对以上各类目标的探测距离基本满足设计要求 然而,随着现代隐身技术的快速发展, 新一代战斗机的前视 RCS越来越小,
9、使机载预警雷达面临着严重威胁 美国已确定的下一代主力战斗机 F 22兼顾了隐身性能与作战效能,其前视 RCS在微波波段小于 0. 05 m ,通常在对预警机雷达的探测威力进行指标预计与检验时,目标机RCS是以 5m 为标准,如以这些雷达对付下一代隐身战斗机时, 因目标 RCS下降约为 20 dB,探测距离将下降到原指标的 30%,如原来探测距离指标为 300 km,则对隐身飞机将降到约 100 km,显然不能满足对敌机的警戒距离要求 因此,提高机载预警雷达的反隐身能力将是下一步提高预警雷达技术需要首先考虑的问题。2. 2杂波由于机载预警雷达架设在很高的平台上,雷达下工作时,地面杂波的影响十分严
10、重,尤其在丘陵和山地带,杂波强度相对目标信号达 60 dB 90 dB, 在这强杂波背景下, 加上载机运动带来的杂波谱扩展,使雷达检测性能下降很快, 给雷达检测目标带来很大胁 另外,随着社会发展,各国城市化建设日益加快,载预警雷达在包含有城市块的区域上空工作时,可能面临强弱动态范围很大的杂波回波,这类杂波的产生一些情况下会引起雷达接收机的饱和,一般设计时雷接收机会采取自动增益控制来避免这种饱和,但这样能会降低弱小目标的检测概率,因而需进一步提高雷接收系统的动态范围,以及采用先进的杂波处理方法以便更好地检测强杂波背景下的弱小目标。2. 3 干扰随着电子干扰技术的飞速发展, 机载预警雷达面临的干扰
11、也越来越复杂, 且不易抑制 这类有意干扰主要包括压制性干扰和欺骗干扰 其中压制式干扰是使强功率进入雷达接收机,尽可能降低信噪比,使雷达难于检测的一种干扰形式 压制式干扰按照干扰信号中心频率相对于雷达接收机中心频率可分为瞄准式干扰 阻塞式干扰和扫频式干扰; 按干扰信号样式可分为噪声干扰 噪声调幅和调频(噪声调相)干扰等 与压制性干扰不同,欺骗性干扰不是在功率上压制雷达,而是模拟雷达目标信号的特征,制造假目标信号,使雷达获得虚假信息,从而实施欺骗, 以破坏雷达的工作 欺骗性干扰的特点是干扰信号与雷达目标信号具有基本相同的形式,并附加上各种假信息的调制,以达到欺骗的目的,主要包括速度和距离欺骗干扰
12、机载预警雷达工作时,除了受到来自敌方的各种有意干扰外,还常受到工作环境中的各种无意干扰 因为雷达升空, 地面很大范围的辐射都在视线范围里 环境电磁辐射信号,包括各种同频通信设备和同频雷达的辐射信号对雷达性能影响很大。3技术发展趋势3. 1 反隐身隐身目标的 RCS一般较常规目标要小很多,为了补偿由于目标 RCS下降带来雷达探测距离缩短的影响,最直观的方法就是提高雷达的威力,也就提高功率孔径积,即提高发射机的功率和加大天线孔径来实现对于机载雷达,由于平台物理空间和供电能力的限制,提高功率孔径积有限在给定的功率孔径积的情况下, 尝试利用先进的信号处理算法,如检测前跟踪(TBD),是提高机载预警雷达
13、检测隐身目标一个较好的途径 利用 TBD技术能够在较低信噪比条件下进行目标检测跟踪 从能量利用的观点出发,检测后跟踪采用脉冲串相参积累和非相参积累,都只是解决单次扫描脉冲串之间的能量积累 检测前跟踪不但利用单次扫描脉冲串进行积累,而且进行扫描间能量的积累,从而提高了雷达的探测能力 利用 TBD技术进行雷达数据处理, 有望提高现有条件下机载预警雷达对隐身目标的探测距离其次,还可以从隐身目标的隐身机理出发,从探测原理上和雷达体制上来探讨机载预警雷达的反隐身途径 有研究表明,在米波附近隐身目标的电磁谐振最强,其 RCS变大,因而为了反隐身, 选用低频段电磁波信号作为发射信号 然而在低频段下, 为了获
14、得符合要求的分辨率和精度,天线直径需要做得很大,这样的设计受到飞机平台的限制, 因而频段的选择要结合实际情况,综合考虑还可以从隐身飞机的外形上来进行反隐身 目前,隐身飞机所采取的赋形设计主要集中在正前方仰角 30 方位 45 范围内的后向散射,而其双站 RCS减小不多,甚至还可能增大 图 5给出了某隐身飞机缩比模型的双站 RCS曲线值(该结果仅供参考),电磁信号从鼻锥方向迎头入射, 发射频率为 1. 5 GHz 由图中曲线可以看到,当双站角增加时,隐身飞机的双站RCS明显变大 因此,利用双站或多站机载平台进行目标探测,就可以提高机载预警雷达探测隐身目标的能力 至于双站或多站机载平台的形式,可以
15、采用台预警雷达发射 另外 1部预警雷达接收,也可以利用1部预警雷达发射 1部或多部战斗机雷达接收, 还可以采用 1部预警雷达发射 1部或多部无人机平台接收等 多接收站的信号还可以传到其中 1个平台上进行融合处理,特别是多接收站信号相参处理,可以显著提高探测能力 要实现多平台接收信号的相参处理,首先解决各平台之间的 3同步(空间 时间 相位 )问题。3. 2 杂波抑制为了能够在强杂波地区工作, 必须提高雷达处理杂波的能力 除了增加接收系统的动态和降低雷达天线的副瓣电平外,要发展更为先进的处理方法和支持这些先进方法的雷达硬件系统 空时二维自适应处理( STAP)技术正是在这种情况下应运而生的, 它
16、可以有效提高机载相控阵雷达的地杂波抑制能力 机载预警雷达 AN /ADS 18已采用 STAP技术来提高抑制杂波的能力由于机载雷达地杂波的空时耦合性,杂波在空时二维平面内成斜线分布(如图 6所示) PD技术是一种空时级联处理技术,先在空域实现滤波,即形成天线的方向图,然后进行频域滤波,即 PD处理 为了进一步消除杂波的影响,天线阵列的方向图先不合成,而是分成多个通道进行模 /数 (A /D)采样, 输入到计算机里进行空时联合处理, 形成与杂波匹配的斜凹口 (如图 7所示), 有效地抑制地杂波并大大改善系统的检测性能STAP的原理可以更加直观地解释如下:根据机载雷达杂波谱分析可知,运动目标所对抗
17、的杂波必然在其他方向上,因此可以对每个距离多普勒检测单元估计出杂波方向,而使天线的方向图在该方向置零点,消除杂波的影响 这就要求对每个距离多普勒检测单元进行实时自适应的方向图综合 由于非均匀性地形引起的非平稳性将导致杂波协方差矩阵估计误差, 进而导致杂波抑制性能下降 因而在非均匀杂波环境下均匀性样本是一个非常重要的研究课题 最近, 美国空2军的 KASSPER计划所倡导的知识辅助 STAP (如图8所示 )具有解决这一问题的潜力 他们认为, 传统的SATP方法基本上没有利用可以预计到的地面杂波的回波结构,也没有利用地貌数据库和数字地形高程数据中的地面环境信息等 先验知识, 处理器只是使用了工作
18、频率 脉冲重复间隔和每个相位中心的位置,对给定的目标多普勒频率和空间频率计算理想的空时指向矢量 利用这些先验知识可以提高 STAP算法在非均匀环境下的检测性能。接收机的不饱和是 PD雷达进行杂波抑制处理的前提 而为了不让接收机饱和, 提高其动态范围是关键 要能够在强杂波背景下依然具有远的目标探测能力,要求雷达的接收机具有更大的动态范围,以尽可能保留被观测区域所有回波的原始信息, 使各种信号都能被不饱和采样 将雷达天线划分成若干个子阵, 每个子阵接一个接收通道, A /D采样后进行数字波束形成(DBF)的方法,可以增加系统的动态适当增加雷达的信号带宽,即减小距离门的宽度,也就是减小了一个距离检测
19、单元对应的杂波面积也可以降低杂波强度。3. 3 抗干扰现在的机载预警雷达一般都采用脉冲压缩加 PD体制, 它可以在一定程度上抑制噪声干扰 研究表明,对于 1部典型 PD雷达, 其相干处理间隔为 5 ms20 ms,脉冲重复频率为 10 kHz 100 kHz, 可以计算出PD雷达的相干处理增益为 17 dB 43 dB, 也就是说PD雷达对于噪声干扰有 17 dB 43 dB的处理增益而机载预警雷达发射脉冲压缩波形, 通过匹配滤波也可以增加信噪比,减小噪声干扰的影响 前面提到的超低副瓣天线也可以一定程度上抗副瓣干扰 如果采用子阵多通道设计, 可以采用 DBF技术, 在干扰方向形成凹口,利用 S
20、TAP技术可以同时实现抗干扰和杂波抑制设计雷达系统时,可以增加一个宽带接收通道,对接收的信号进行干扰信号的频谱分布分析,选择干扰最小的频段进行工作 (如图 9所示) 同时也可以对干扰信号的时频特性进行分析, 设计与干扰信号正交性最好的雷达信号, 有利于接收处理 这种技术被称为环境敏感的智能化雷达技术另外,双 /多平台的雷达系统设计,也是一个行之有效的对付干扰的方法。 4结束语机载预警雷达作为重要的战略性装备得到了极大的重视,技术发展迅速 从国际上最先进的几型预警机发展的情况来看, 是一个在使用中不断改进完善的过程 其主要改进的方向是提高雷达杂波抑制能力抗干扰能力和检测小目标的能力 特别是随着第 4代隐身战斗机的发展, 使机载预警雷达面临极其严峻的挑战,必须在雷达技术上进行创新,才能有本质突破分布式 /网络化协同探测 有源探测无源相结合 双 /多站探测 多通道有源阵列系统 环境实时感知智能系统 先验知识利用以及先进的信号处理等新技术,将是下一代机载预警雷达的发展方向。参 考 文 献 南京电子技术研究所. 机载预警雷达文集 C. 南京:南京电子技术研究所, 2003.
