窄帶偵察機對機載AESA偵察能力探析

方棉佳，呂 濤，楊小雷

(空軍裝備研究院雷達所，北京100085)

0 引言

電子對抗情報偵察特別是戰(zhàn)時不間斷地情報偵察是電子對抗作戰(zhàn)的核心支撐條件，也是國家戰(zhàn)略預(yù)警能力的重要補充。戰(zhàn)場電子對抗情報獲取的快速、準確與高效是贏得現(xiàn)代戰(zhàn)爭勝利的關(guān)鍵，已成為敵對雙方較量的基石［1，2］。

我周邊國家和地區(qū)主力戰(zhàn)機正由裝備機掃脈沖多普勒雷達的三代機，逐步過渡到裝備有源相控陣雷達的三代半、四代戰(zhàn)機。日本F－2戰(zhàn)機配備了J/APG－1有源相控陣雷達，還將采購配備 AN/APG－81有源相控陣雷達的 F－35戰(zhàn)機;臺灣F－16戰(zhàn)機升級后將換裝有源相控陣雷達;印度蘇－30MIK戰(zhàn)機配備無源相控陣雷達，新采購的法國“陣風”戰(zhàn)機配備了RBE－2有源相控陣雷達;同時美軍也在沖繩基地部署了配備AN/APG－77有源相控陣雷達的F－22戰(zhàn)機。與傳統(tǒng)的機械掃描陣列雷達相比，有源相控陣雷達由數(shù)百至數(shù)千個獨立控制的低功率發(fā)射/接收(T/R)組件構(gòu)成，通過高速處理器連接在一起，具有波束指向靈活、可靈活控制輻射能量在時間和空間上的分布、工作頻率捷變范圍達4 GHz、參數(shù)變化快、截獲概率低等特點，大大增大了現(xiàn)役窄帶偵察機獲取其電子對抗情報的難度［3］。

下面以F/A－22戰(zhàn)機配備的AN/APG－77雷達為例，分別從偵察距離和截獲概率2個方面分析現(xiàn)役典型窄帶偵察機對F－22戰(zhàn)機有源相控陣雷達的偵察能力(窄帶偵察機以以色列的Top Scan雷達對抗偵察系統(tǒng)為例，其偵察頻率為0.5～18 GHz，偵察靈敏度為－70 dBm，瞬時帶寬為0.5 GHz，測向范圍方位為360°，俯仰為±45°，裝載于無人機平臺)。

1 對機載有源相控陣雷達的偵察距離

1.1 雷達功率管理原則

F－22戰(zhàn)機已將隱身概念從低RCS發(fā)展到戰(zhàn)術(shù)隱身，對其機載有源相控陣雷達信號在強度、持續(xù)時間和空間都進行了嚴格的管理，從而降低被電子對抗偵察裝備的截獲概率。

F－22戰(zhàn)機有源相控陣雷達一般按如下原則對雷達發(fā)射功率進行管理［4，5］:

①雷達在初始搜索時，為保證更遠距離發(fā)現(xiàn)目標，雷達一般采用最大的能量進行探測，也就是采用最大的發(fā)射功率和有效的探測時間(有時甚至犧牲目標分辨率和探測精度)。

②雷達在發(fā)現(xiàn)目標后，可以根據(jù)處理后的目標信號強度(信噪比)進行功率管理(降低發(fā)射功率)或發(fā)射時間管理(縮短發(fā)射時間)來實現(xiàn)低截獲概率。雷達可在一定距離內(nèi)正常探測、跟蹤目標的情況下，目標的電子對抗偵察裝備無法實現(xiàn)對雷達信號的有效截獲(接收的雷達信號達不到靈敏度要求)。

③由于空間態(tài)勢感知以及威脅警戒的需要，F(xiàn)－22戰(zhàn)機有源相控陣雷達需定期結(jié)合典型作戰(zhàn)對象(如對方四代戰(zhàn)機等隱身目標)的RCS以及自身武器配置(AIM－120C最大射程80 km)情況，按照一定發(fā)射功率對作戰(zhàn)空域進行大范圍搜索，重新確立對周圍態(tài)勢的有效感知。

1.2 雷達最大發(fā)射功率時的偵察距離

雷達對抗偵察方程［1］為:

式中，Prmin為靈敏度;Rmax為最大偵察距離;PtGt為雷達等效輻射功率;λ為雷達信號波長;L為附加損耗。

從雷達對抗偵察方程可知，偵察距離的平方與雷達的有效輻射功率(ERP)成正比，AN/APG－77雷達全功率發(fā)射時等效輻射功率典型值約為120 MW，雷達信號頻率約為10 GHz。以附加損耗－8 dB，雷達近旁瓣比主瓣低15 dB，平均副瓣比主瓣低30 dB計算。不同距離下偵察機對AN/APG－77雷達主瓣、近旁瓣和平均副瓣信號的偵察靈敏度需求如圖1所示。

圖1 雷達全功率發(fā)射時偵察靈敏度需求

可見，在AN/APG－77雷達全功率發(fā)射時(等效輻射功率120 MW)，靈敏度為－70 dBm的偵察機可在800 km外(或視距，下同)偵察其主瓣信號，160 km外偵察其近旁瓣信號，40 km外偵察其旁瓣信號。

1.3 雷達功率管理時的偵察距離

根據(jù)雷達方程［6］:

式中，R為探測距離;Pt為發(fā)射脈沖功率;τ為脈沖寬度;Gt為發(fā)射天線增益;Gr為接收天線增益;σ為目標的雷達截面積(RCS);λ為雷達信號波長;k為波爾茲曼常數(shù)(1.38×10－23W(Hz×K));T為標準溫度(290 K);F為偵察機的噪聲系數(shù);S/N為信噪比。

從雷達方程可知，探測距離的4次方與目標雷達散射截面積成正比。根據(jù)相關(guān)資料估算，AN/APG－77雷達對RCS為1 m2目標的有效探測距離約為290 km。雷達采用輻射功率自適應(yīng)管理后，要達到同樣的探測性能，對于相同距離的目標，需要輻射的功率隨著目標RCS的增大呈線性減小;對于同一RCS目標，隨著目標距離的接近，需要的輻射功率呈4次方減小，對應(yīng)偵察機需要的靈敏度呈2次方增加。

下面針對典型的作戰(zhàn)場景進行仿真，分析偵察機對AN/APG－77雷達實施功率管理時的探測距離。

1.3.1 典型場景1

F－22戰(zhàn)機朝偵察機平臺飛行，且其雷達主瓣直接對偵察機平臺進行跟蹤照射，隨著F－22戰(zhàn)機與偵察機平臺距離的縮短，AN/APG－77雷達啟動功率管理，逐漸降低發(fā)射功率。偵察機對 AN/APG－77雷達主瓣信號進行偵察。

按照AN/APG－77雷達對RCS為1 m2目標探測距離約為290 km，偵察機的RCS按10 m2估算(無人機平臺)，則在雷達功率管理時，不同距離下偵察機對AN/APG－77雷達主瓣信號的偵察靈敏度需求如圖2所示?？梢姡贏N/APG－77雷達采用功率管理措施時，偵察機可在220～620 km偵察其主瓣信號。

1.3.2 典型場景2

F－22戰(zhàn)機根據(jù)自身武器配置情況確定相應(yīng)的態(tài)勢感知和威脅警戒范圍，按照一定發(fā)射功率對作戰(zhàn)空域進行大范圍搜索，偵察機在其作戰(zhàn)空域外飛行(即雷達探測主瓣外)。假設(shè)AN/APG－77雷達與其探測目標距離100 km(考慮其掛載的AIM－120C導(dǎo)彈最大射程80 km，雷達以1.2倍的距離進行探測或跟蹤目標)，同時AN/APG－77雷達啟動功率管理措施進行目標探測。由于F－22戰(zhàn)機的AN/APG－77雷達主瓣未跟蹤偵察機，偵察機只能對其副瓣信號進行偵察。

按照F－22戰(zhàn)機作戰(zhàn)對象為典型三代、三代半戰(zhàn)機，RCS以10 m2分析，AN/APG－77雷達對RCS為1 m2目標探測距離約為290 km，則雷達功率管理時，不同距離下偵察機對AN/APG－77雷達副瓣信號的偵察靈敏度需求如圖3所示。

圖2 雷達功率管理時主瓣偵察靈敏度需求

圖3 雷達功率管理時副瓣偵察靈敏度需求

可見，在AN/APG－77雷達采用功率管理措施對100 km處目標進行探測時，偵察機(靈敏度－70 dBm)基本不具備對AN/APG－77雷達副瓣信號的偵察能力。

2 對機載有源相控陣雷達的截獲概率

如果到達偵察機天線口面的信號強度滿足靈敏度要求，則偵察機對目標信號的截獲概率主要取決于二者在瞬時空域、頻域覆蓋的匹配情況。如偵察機瞬時寬空域覆蓋(如瞬時方位覆蓋360°，俯仰覆蓋±45°)，則在偵察時不需要進行空域搜索。因此，主要考慮機載有源相控陣雷達瞬時帶寬4 GHz對窄帶偵察機截獲概率帶來的影響。

以偵察機瞬時帶寬覆蓋0.5 GHz分析，由于其瞬時帶寬與AN/APG－77雷達的工作帶寬范圍不匹配，會對偵察機的頻域截獲概率帶來影響。

設(shè)AN/APG－77雷達回訪周期為T1，波段駐留時間為t1，頻率捷變范圍為8～12 GHz。偵察機瞬時帶寬為0.5 GHz，將8～12 GHz頻率范圍劃分為8個波段，進行頻率掃描偵察，波段駐留時間為t2，對8～12 GHz頻率的掃描周期為T2=8×t2［7，8］。

令 B1、B2、B3、B4、B5、B6、B7、B8分別代表偵察機駐留的8個波段，假設(shè)AN/APG－77雷達發(fā)射信號頻率位于各個波段的概率為:

若AN/APG－77雷達發(fā)射信號頻率位于波段Bi時，設(shè)偵察機對雷達發(fā)射脈沖的截獲概率為:

則當AN/APG－77雷達發(fā)射信號頻率在8～12 GHz頻率范圍內(nèi)捷變時，偵察機對雷達的截獲概率可以表示為:

考慮當雷達信號頻率在波段Bi內(nèi)時，對于偵察機而言，等價對一個固定頻點雷達信號的截獲。由于偵察機的8個駐留波段帶寬相同，均為偵察機瞬時帶寬Bw，即有

同時，不論雷達信號位于哪個波段，偵察機均采用相同的頻率掃描方式對其進行搜索。因此，可以得到:

進一步考慮AN/APG－77雷達發(fā)射信號頻率均在8～12 GHz范圍內(nèi)，即有

可以得到:

P(T)表示當雷達信號頻率始終位于偵察機的某個駐留波段內(nèi)時，偵察機對該雷達信號的截獲概率。因此P(T)可以采用窗口函數(shù)模型進行計算。

考慮雷達回訪過程和偵察機頻率掃描搜索過程，可以建立如下2個窗口函數(shù):

窗口1的參數(shù)定義:窗口寬度為雷達波段駐留時間t1;窗口周期為雷達回訪周期T1;

窗口2的參數(shù)定義:窗口寬度為偵察機波段駐留時間t2;窗口周期為偵察機波段掃描周期T2。

根據(jù)窗口模型，可以得到平均重疊寬度為:

平均重疊周期為:

平均相對重疊時間為:

則偵察機在搜索T時間后對雷達信號的截獲概率為:

綜合上述各式，可以得到偵察機對AN/APG－77雷達的截獲概率為:

假設(shè)AN/APG－77雷達回訪周期T1=3 s，雷達波段駐留時間t1=10 ms，偵察機瞬時帶寬0.5 GHz，掃描頻率范圍8～12 GHz，掃描波段數(shù)為8，則偵察機選擇不同波段駐留時間下的截獲概率如圖4所示。

圖4 偵察機不同波段駐留時間的截獲概率

假設(shè)偵察機瞬時帶寬0.5 GHz，掃描頻率范圍8～12 GHz，掃描波段數(shù)目為8，波段駐留時間t2為1 s，AN/APG －77 雷達波段駐留時間 t1=10 ms，則不同雷達回訪周期下的截獲概率如圖5所示。

可見，當雷達回訪周期固定時，在相同截獲時間內(nèi)，偵察機對AN/APG－77雷達信號的截獲概率隨著偵察機波段駐留時間的縮短而提高;而當偵察機波段駐留時間固定時，在相同截獲時間內(nèi)，偵察機對AN/APG－77雷達信號的截獲概率隨著雷達回訪周期的縮短而提高。

由仿真結(jié)果可見，偵察機波段駐留時間1 ms時，在一個雷達回訪周期內(nèi)(3 s)都能夠獲得超過80%的截獲概率。而當偵察機波段駐留時間超過0.1 s后，截獲概率80%所需的截獲時間將達到38 s以上。

因此，在雷達回訪周期3 s、雷達波段駐留時間10 ms的條件下，偵察機選擇波段駐留時間為1 ms以內(nèi)時可以實現(xiàn)對AN/APG－77雷達信號的有效截獲，截獲概率超過80%。

圖5 雷達不同回訪周期的截獲概率

3 結(jié)束語

機載有源相控陣雷達具有工作帶寬寬、參數(shù)捷變快和截獲概率低等特點，對現(xiàn)役電子對抗窄帶偵察機構(gòu)成了嚴重威脅。因此，需高度重視電子對抗偵察能力的提升，一方面通過加大科研投入力度，研制新一代寬帶、高靈敏度電子對抗偵察機;另一方面更要通過作戰(zhàn)使用方法的研究，進一步提高現(xiàn)役窄帶電子對抗偵察機的偵察效能［9］。

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