機載預警雷達協同探測研究

高 鑫 李林源 占運鵬 馬 健

(空軍工程大學 西安 710038)

0 引言

預警機是現代體系化作戰的核心樞紐,具有遠距離探測、戰場指揮通信、敵我識別、電子對抗等一系列功能。機載預警雷達是預警機任務系統的主要傳感器,憑借兆瓦級以上的超高發射功率和先進的信號處理技術,可以在數百公里以外搜索并同時探測數百個目標。但在實施大縱深全方位的預警探測中,單架預警機在雷達探測區域上存在覆蓋盲區和多普勒盲區,對隱身飛機時探測效果會大打折扣,難以完成探測任務。因此,通常需要多機組合進行協同探測以實現協同補盲和對隱身目標的探測。

對機載預警雷達組合探測航線進行優化是提高協同探測性能決的關鍵技術。但預警機協同探測航線優化是一個復雜的過程,受預警機的航線設置、雷達性能、相互干擾、探測效能、作戰態勢等諸多因素的綜合影響。文獻[1]對預警機典型巡邏航線建立了數學模型,對典型巡邏航線下的探測效能進行了分析及評估,并根據探測性能給出了預警巡邏航線選擇的建議。文獻[2]研究了雷達組網反隱身的可行性,推導了隱身飛行器發現概率和飛行器距離以及雷達散射特性之間關系。文獻[3]計算出了不同頻率與發現隱身目標概率之間的關系。

針對預警機協同探測航線優化問題,首先對隱身飛機的RCS計算和雷達探測目標概率進行分析,建立了不同角域下目標探測概率定量分析的數學模型。在此基礎上,對不同態勢下的預警機探測概率進行了仿真計算。然后,通過仿真給出單預警機采用跑道型航線的探測區域示意圖和串接和并立兩種典型航線的探測區域示意圖,基于仿真結果給出了不同戰場態勢下的預警機協同探測航線優化參數選擇。

1 隱身目標RCS計算

雷達目標散射截面積是可以很好地反應目標電磁特性的特征量,能夠作為評價飛機隱身性能最重要的指標[7]。

不同型號的隱身飛機RCS值不盡相同,而且飛機在不同角度上所呈現的RCS值也存在差異。值得注意的是,針對某一種隱身飛機而言,在某些角度范圍內RCS呈現出明顯的‘尖峰’特性,這為協同探測空域反隱身提供了可能。通過避開隱身目標RCS較小的方位俯仰角進行探測,使得預警機在作用范圍不變的情況下實現對隱身目標的有效探測,從而達到反隱身的目的。

由于RCS的計算復雜,耦合因素多,因此采用擬合的方式進行建模并建立映射關系,對不同入射角下的隱身目標的RCS值進行,簡化對隱身目標RCS的建模復雜度,同時為反映隱身目標特性的概率計算提供可行的基礎。

文獻[8]和文獻[9]研究了某典型隱身目標在電磁仿真軟件計算出的單雷達RCS曲線,但其的局限性是只考慮了目標的氣動布局隱身情況,沒有考慮目標的吸波涂層對RCS的影響。進一步,文獻[7]提供了不同入射波角度下單站雷達截面積隨頻率變化的特性,但僅考慮吸波涂層時的隱身效能,其RCS下降值一般為6～9dB。表1為隱身目標在不同頻段下的RCS減少量。

表1 隱身目標在不同頻段下的RCS減少量

若隱身目標的RCS為XdB,則目標的RCS面積計算公式為[3]

(1)

其中S為隱身目標的雷達散射截面積。

1.1 基于隱身目標的RCS分頻段擬合

1)當采用f=300MHz的頻率探測隱身目標時,RCS簡化擬合曲線為[3]

(2)

其中θ表示預警雷達與目標飛行反方向的夾角,X表示目標RCS。在同時考慮外形隱身和涂層隱身的情況下,圖1為f=300MHz的雷達在簡單曲線擬合后的RCS仿真曲線圖。

圖1 雷達工作在300MHz下某隱身飛機RCS簡單擬合曲線

2)當采用f=6GHz的頻率探測隱身目標時,RCS簡化擬合曲線為

(3)

在同時考慮外形隱身和涂層隱身的情況下,圖2為f=6GHz的雷達在簡單曲線擬合后的RCS仿真曲線圖。

圖2 雷達工作在6GHz下某隱身飛機RCS簡單擬合曲線

由圖1,圖2可以得出結論,隨著雷達波波束入射角的變化,隱身目標的RCS波動較大。而且在隱身目標迎頭飛向雷達的方向入射角為和背離雷達飛去入射角為的±30°范圍內,目標的RCS較小,反隱身效果較弱,但在目標的側向RCS較大,反隱身效果較為明顯,此結果能大致反映隱身目標的實際特性及其對應RCS分布值。

1.2 雷達目標探測概率

雷達探測目標的概率與雷達的探測距離和工作模式有關,雷達探測距離方程為

R4=Kσ/SNR

(4)

(5)

其中各參數參考值見表2所示。

表2 公式參數參考值

由于預警機對目標的檢測概率受眾多因素影響,不僅與雷達自身的探測性能有關,還與目標的運動狀態、RCS特性以及環境噪聲等眾多因素有關。為簡化模型,假設預警機探測頻率為6GHz且對目標的檢查概率只受雷達自身探測性能和目標RCS特性有關。

假設預警機接受噪聲和目標探測信號都服從瑞利分布,可推導出單架預警機在距離R處對目標的探測概率公式的近似表達式為[8]

(6)

其中:Pk是目標發現概率;S是信號功率;N是接收機噪聲。

對于接收機假設兩預警機的檢測概率為0.5,可以得到總的檢測概率Pk為[3]

(7)

其中:Pk為兩預警機對隱身目標的檢測概率;Rn為目標到預警機n的距離;σn為目標對預警機n的RCS;Rm為目標到預警機m的距離;σm為目標對預警機m的RCS。

對于性能已知的預警機來說,式(7)可以較為簡單地表示目標到兩預警機之間的距離和對于兩預警機的RCS與檢測概率的關系。根據目標檢測概率的簡化模型,則當已知隱身目標的RCS與方向角及其對應的距離關系時,即可根據模型計算其檢測概率。

2 仿真原理

穩定覆蓋區域的計算分為空域覆蓋面積的計算、RCS對應探測概率的計算和多普勒盲區的計算[9～12]。

對于空域覆蓋面積,為了便于計算,取20個采樣點,我們假定機載預警雷達的探測距離為R=400km,與此同時有敵方目標以150m/s的速度向著巡邏中心點飛行。預警機的多普勒速度門限設為30m/s。建立一個1601×801的坐標系網絡,每當一個坐標點被探測到時,顯示紅色,若未被探測到顯示為藍色,對所有結果進行累加。那么顏色最深的地方就是探測次數最多的地方,用以表征預警機對指定空域的探測覆蓋空域。

對于多普勒速度盲區的計算,我們假設多普勒速度門限是30m/s,目標的運動速度為150m/s,但目標速度是朝向中心點飛行的徑向速度。所以要計算多普勒速度盲區必須先計算目標相對于機載預警雷達的徑向速度,然后用所得到的結果與雷達的多普勒速度門限進行比較。我們已知中心點坐標,每一時刻機載雷達的坐標和各個坐標點的坐標,我們根據三個坐標點可以構成一個三角形并且求出三條邊的長度,根據余弦定理我們可以求出三個角的角度。

(8)

對于RCS對應探測概率的計算,針對單架預警機,建模時需要計算每一個探測點、采樣點和航跡中心點的夾角,并根據夾角的大小求出目標RCS值,并計算在該采樣點的探測概率,將20個采樣點的探測概率進行加權求和,就可以得到隱身目標在該點的探測概率。針對雙機協同探測,由于存在兩架預警機,每一架預警機都有自己相對于隱身飛機的角度,分別計算目標的RCS和探測概率,并根據多雷達協同探測概率公式,得到每一個采樣點的探測概率,將20個采樣點的探測值進行加權求和,就可以得到隱身目標在該點的探測概率。

3 仿真分析

3.1 單架預警機探測能力仿真

單架預警機預警雷達探測范圍示意圖[7]如圖3所示,探測區域近似為一個長軸為600km,短軸為400km的橢圓形,單架預警機工作時,可以穩定覆蓋進行探測的區域與探測區域并不相符,只有在Rx=200km,Ry=300km這個區域內可以實現穩定覆蓋探測,并且還有大量多普勒速度盲區。

圖3 單預警機針對非隱身飛機探測效能圖

單架預警機對于隱身飛機探測效果示意圖如圖4所示,探測區域類似于一個長軸為500km,短軸為350km的橢圓,但幾乎不存在穩定探測區域,這是由于單架預警機針對隱身目標的探測角域較小,變化范圍不足以使其RCS呈現出起伏特性?？梢钥闯鰡渭茴A警機在面對隱身飛機突防時幾乎失去探測能力。

圖4 單預警機針對隱身飛機探測效能圖

3.2 協同探測能力仿真

兩架預警機采用并立組合航線時預警雷達探測范圍示意圖如圖5所示,探測區域近似為一個長為600km,寬為400km的矩形,采用并立組合航線工作時,并立組合航線相較與單架預警機的跑道航線覆蓋面積明顯增大,且探測區域就近似等于穩定覆蓋區,多普勒速度盲區幾乎沒有。

圖5 并立航線針對非隱身飛機探測效能圖

雙預警機并立組合航線對于隱身飛機探測效果示意圖如圖6所示,強效探測區主要集中在Rx=200km,Ry=200km這個范圍內,在其余區域也存在少量強效探測區,但是由于面積較小且不連續,很難形成連續的航跡來判斷目標態勢,此時針對隱身目標在一定的區域內可以穩定探測到,但還是無法到達作戰要求。

圖6 并立航線針對隱身飛機探測效能圖

兩架預警機采用串接組合航線時預警雷達探測范圍示意圖如圖7所示,探測區域近似為一個長為400km,寬為350km的矩形,采用串接組合航線工作時,串接組合航線相較與單架預警機的跑道航線覆蓋面積明顯增大,且探測區域就近似等于穩定覆蓋區,多普勒速度盲區幾乎沒有,但是其強效覆蓋區小于并立組合航線。

圖7 串接航線針對非隱身飛機探測效能圖

雙預警機串接組合航線對于隱身飛機探測效果示意圖如圖8所示,強效探測區類似一個長為400km,寬為300km的矩形,強效探測區連續、穩定,且不存在多普勒盲區。即使是針對隱身飛機也有很好的探測效能,此時對目標形成連續的航跡達到穩定跟蹤的目的,可以滿足作戰要求。

圖8 串接航線針對隱身飛機探測效能圖

3.3 航線選擇與優化

為了滿足實際作戰需求,我們規定只有兩架預警機參與協同探測。如圖9所示,當采用并立組合航線時,強效覆蓋區點數隨著兩航線間距增加而增加。

圖9 并立航線兩航線間距與探測效果關系

如圖10所示,當采用串接組合航線時,強效覆蓋區點數隨著長直航線距離增加而幾乎不變,但在長直航線距離為160km時有最佳探測效果。但是這并不意味著航線越長越好,為滿足作戰環境,還必須考慮到預警機間的異平臺同頻干擾、探測區域面積、敵我攻防態勢等因素。

圖10 串接航線長直航線距離與探測效果關系

圖11中垂直軸為預警機探測區面積,總覆蓋面積指預警機在整個航線過程中能夠探測到的區域,強效覆蓋區指預警機每時每刻都能穩定探測的區域。次要垂直軸為穩定覆蓋率,即強效區面積/總覆蓋面積。水平軸為航線類型。從圖11中容易得出以下結論:

圖11 不同航線探測效果對比圖

1)由以上可知無論什么跑道組合模式,兩架預警機的探測能力都超過一架預警機,資源足夠時,應該以兩架預警機協同執行任務。

2)兩架預警機執行任務,同為跑道型航線串接式與并立式相比,并立式航線的總覆蓋面積總是大于串接式,并立式航線的探測范圍更遠。面對隱身飛機時,串接組合航線的穩定覆蓋率明顯更高。

3)當面對非隱身飛機時,并立組合航線是更好的選擇,因為它的總覆蓋面積更大,有更長的預警時間,缺點是短航跡現象非常明顯;當面對隱身飛機時,應該選擇串接組合航線,它的強效覆蓋區穩定、連續,面對隱身飛機有更強的優勢,缺點是探測范圍相對較小且航線固定,不夠靈活。

4)在實際中,應該跟據敵方來襲飛行器的不同和作戰空域不同而靈活規劃航線。若是選擇對固定的區域進行探測,應該選擇串接式的航線,這樣受到隱身飛機威脅和多普勒速度盲區的影響小一些,但是要是對探測區域有針對性的要求應該采用并立式,通過不同的航線規劃可以滿足不同的需求。

4 結束語

本文針對機載預警雷達組合探測航線的協同策略開展了研究,建立了雷達發現概率預測模型,然后以強效覆蓋區為評判因素,給出了不同航線模式的協同探測效能和對比分析?？偨Y如圖11所示。

本文認為在沒有其他情報的情況下,優先選擇串接組合航線的性價比最高,它在保持較大探測區域的同時還具有最大的反隱身能力。而且串接組合航線的穩定覆蓋率最高,對于預警雷達的探測資源利用率最高。