苑征

摘要：為了解決針對(duì)隱身飛機(jī)的防御研究中，相控陣?yán)走_(dá)對(duì)隱身飛機(jī)的探測(cè)效能計(jì)算這一問(wèn)題，使用STK仿真軟件為手段，提出了一種相控陣?yán)走_(dá)的建模仿真方法。后在針對(duì)某型隱身飛機(jī)的預(yù)警作戰(zhàn)仿真中，使用該方法建立模型并對(duì)其探測(cè)效能進(jìn)行了分析。最后，提出了針對(duì)反隱身預(yù)警體系建設(shè)的部分思路。

關(guān)鍵詞：戰(zhàn)略預(yù)警；隱身飛機(jī)；相控陣?yán)走_(dá)；效能分析

中圖分類(lèi)號(hào)：TP3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）01-0165-03

1 緒論

為了研究相控陣?yán)走_(dá)在反隱身預(yù)警體系中的預(yù)警效果，就需要對(duì)相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)進(jìn)行建模，并以此作為平臺(tái)，展開(kāi)各種干擾的仿真研究。相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)可以分成平面相控陣天線、主控與資源調(diào)度、發(fā)射機(jī)、雷達(dá)環(huán)境、接收機(jī)、信號(hào)處理和數(shù)據(jù)處理等基本模塊進(jìn)行仿真研究[1]。該文利用STK/Radar模塊來(lái)仿真相控陣?yán)走_(dá)，利用STK/AMM模塊（aircraft mission modeler）對(duì)隱身飛機(jī)的突防活動(dòng)進(jìn)行了規(guī)劃，最終并利用STK/Analysis模塊分析相控陣?yán)走_(dá)對(duì)隱身目標(biāo)的探測(cè)效果以及作戰(zhàn)效能。

2 建模仿真

STK是目前國(guó)際上領(lǐng)先的主流航天電子仿真軟件。其中，Radar模塊提供了數(shù)十種天線類(lèi)型。輸入?yún)?shù)為雷達(dá)平面相控陣天線的布陣形式、陣元總數(shù)、陣元分布、結(jié)構(gòu)尺寸、加權(quán)方式、雷達(dá)工作頻率等；輸出參數(shù)包括收、發(fā)天線的方向圖、天線口徑、天線增益、主瓣寬度、旁瓣電平、極化形式、交義極化電平、天饋線損耗等[2]。在仿真中，有些參數(shù)無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)知的，比如天線的陣元排列方式、陣元間距、加權(quán)方式等參數(shù)，需要根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行分析、推測(cè)，使結(jié)果與已知的天線性能指標(biāo)相近，同時(shí)適當(dāng)?shù)胤从吵龇抡胬碚摻Y(jié)果與實(shí)際天線之間的性能差異。根據(jù)上述關(guān)鍵參數(shù)，利用雷達(dá)方程[3]計(jì)算相控陣?yán)走_(dá)針對(duì)某型彈道導(dǎo)彈的最大探測(cè)距離。當(dāng)雷達(dá)天線的有效接收面積為Ae時(shí)，接收到目標(biāo)的反射功率（Pr）

Pr=[ptGt4πR2×σ4πR2×Ae] （1）

Pt ：雷達(dá)發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率，單位千瓦；

Gt ：雷達(dá)天線發(fā)射增益（dB）；

σ ： 目標(biāo)的雷達(dá)等效反射面積，單位平方米；

R：雷達(dá)的最大作用距離，公里（km）

設(shè)接收到的目標(biāo)回波功率恰好等于雷達(dá)最小可檢測(cè)信號(hào)Smin，接收天線的增益Gr和接收天線的有效面積Ae關(guān)系為[Gr=4πAeλ2]，并且接收機(jī)的靈敏度為

[Smin?KT0FnB（S/N）0，min] （2）

K：玻爾茲曼常數(shù)，K=1.38×10[-23J/0K] （焦耳/開(kāi)爾文）

To： 接收機(jī)的環(huán)境溫度（290[0K]）

B：接收機(jī)的等效帶寬——中頻帶寬）

Fn：接收機(jī)的系統(tǒng)噪聲系數(shù)（dB）[[]輸入（[SN）in]與輸出[（][SN）out]之比[]]

[（S/N）o，min]：雷達(dá)接收機(jī)輸檢波器入端的最小輸入的信噪比之值，且是對(duì)單個(gè)脈沖的信號(hào)；

則雷達(dá)方程變?yōu)?/p>

[R4max=PavGtGrλ2σ（4π）3KT0FnBd（SN）Ls] （3）

公式（3） 中：Pav 為平均功率；Gt為發(fā)射天線增益；Gr為接收天線增益；[λ]工作波長(zhǎng)；[σ] [為目標(biāo)反射截面]；[（4π）3系數(shù)]；K為玻爾茲曼常數(shù)；[T0]為環(huán)境溫度（接收機(jī)）；Fn為噪聲系數(shù)；S/N為檢測(cè)信噪比；Bd脈沖多撲勒濾波帶寬；Ls為系統(tǒng)總損耗。

下面針對(duì)相 控陣?yán)走_(dá)的特殊掃描方式進(jìn)行論述。相控陣?yán)走_(dá)的天線掃描方式如圖1所示[3]。

圖1中，N個(gè)陣元（也稱(chēng)輻射單元）成線性排列的陣列，它由 N個(gè)相距為 d 的陣元組成。假設(shè)各輻射單元為無(wú)方向性的點(diǎn)輻射源，而且同相等幅饋電（以零號(hào)陣元為相位基準(zhǔn)） 。在相對(duì)于陣軸法線的θ 方向上，兩個(gè)陣元之間波程差引起的相位差為

[Δ?=2πλdsinθ] （4）

則 N 個(gè)陣元在θ 方向遠(yuǎn)區(qū)某一點(diǎn)輻射場(chǎng)的矢量和為

[E（θ）=Σk=0N-1EkejkΔ?] （5）

為了使波束在空間迅速掃描，可在每個(gè)輻射單元之后接一個(gè)可變移相器。設(shè)各單元移相器的相移量分別為 [Δ?B]。

[E（θ）=Σk=0N-1Ekejk（Δ?-Δ?B）] （6）

其中[Δ?B=2πλdsinθB]

利用國(guó)內(nèi)外公開(kāi)的各種資料，推算出戰(zhàn)略預(yù)警系統(tǒng)中相控陣?yán)走_(dá)的主要參數(shù)，代入公式（3） 經(jīng)過(guò)計(jì)算，得出針對(duì)RCS≈0.1m2的隱身飛機(jī)目標(biāo)，雷達(dá)模型最大探測(cè)距離[Rmax=577KM]

利用STK/Radar模塊仿真的雷達(dá)模型的發(fā)射方向效果如下。其中第一旁瓣增益為-11.3dB，第一零點(diǎn)為+0.3°和-0.3°，30dB寬度為6°。

3 效能分析

根據(jù)國(guó)內(nèi)外的有關(guān)資料，使用STA/AMM模塊對(duì)某型隱身飛機(jī)突防過(guò)程進(jìn)行了建模仿真。藍(lán)方飛機(jī)的整個(gè)飛行過(guò)程主要包括三個(gè)階段：起飛段—目標(biāo)在這一階段飛行高度<1000m，速度<300米/秒。爬升段—目標(biāo)在這一階段的飛行高度6000m左右，速度300m/s-600m/s之間。突防段—目標(biāo)在這一階段高度下降到100m以下，速度350m/s左右。藍(lán)方隱身飛機(jī)突防過(guò)程的主要參數(shù)如下圖：

紅方雷達(dá)重要參數(shù)和部署坐標(biāo)如下：

相控陣?yán)走_(dá)及隱身飛機(jī)的相對(duì)位置關(guān)系如下圖：

目標(biāo)斜距：觀測(cè)到目標(biāo)時(shí)，目標(biāo)與雷達(dá)的直線距離。

跟蹤時(shí)間：觀測(cè)到目標(biāo)后，雷達(dá)持續(xù)跟蹤目標(biāo)的時(shí)間。＼&二次發(fā)現(xiàn)＼&59＼&62＼&]

根據(jù)理論計(jì)算，想定中的相控陣?yán)走_(dá)對(duì)在X波段，RCS面積為0.01m2的目標(biāo)理論探測(cè)距離應(yīng)為577km。但受地球曲率影響，雷達(dá)在目標(biāo)爬升至5000m高度后才發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。隨后因目標(biāo)降低飛行高度而無(wú)法跟蹤。第二次發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時(shí)，受目標(biāo)低空突防機(jī)動(dòng)的影響，目標(biāo)斜距僅為59km，跟蹤時(shí)間僅有62s。

4 結(jié)論

目前傳統(tǒng)雷達(dá)裝備受傳統(tǒng)技術(shù)體制的限制，對(duì)隱身目標(biāo)的探測(cè)效果十分有限。而大型相控陣?yán)走_(dá)因功率強(qiáng)大，且在重點(diǎn)掃描方向上的能量集中，理論上對(duì)隱身目標(biāo)具有客觀的探測(cè)效果。但在實(shí)際應(yīng)用中受地球曲率影響，包括大型相控陣?yán)走_(dá)在內(nèi)的地基探測(cè)裝備對(duì)低空突防的隱身目標(biāo)探測(cè)效果不佳。因此，針對(duì)隱身目標(biāo)的預(yù)警體系應(yīng)以大型預(yù)警機(jī)和平流層探測(cè)系統(tǒng)等裝備為核心，利用其搭載的大型相控陣?yán)走_(dá)等探測(cè)裝備，對(duì)隱身目標(biāo)進(jìn)行綜合探測(cè)，保證對(duì)主要作戰(zhàn)方向上的隱身目標(biāo)預(yù)警能力。同時(shí)在部署預(yù)警系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)充分考慮各傳感器的具體性能，對(duì)隱身目標(biāo)形成盡早發(fā)現(xiàn)和連續(xù)跟蹤，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)發(fā)揮反隱身預(yù)警體系的整體最大效能。

參考文獻(xiàn)：

[1] 林象平.雷達(dá)對(duì)抗原理[M].西安：西北電訊工程學(xué)院出版社，1985

[2] 林象平.電子對(duì)抗原理[M].西安：西北電訊工程學(xué)院出版社，1982

[3] 楊金紅.相控陣?yán)走_(dá)天線方向圖模型的建立[C].中國(guó)雷達(dá)學(xué)會(huì)2006年年會(huì)論文集，2006.

[4] 黃培康.雷達(dá)目標(biāo)特性[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.