预警体系面临新型目标的严峻挑战

汤子跃，余方利，朱振波，周 畅

（空军预警学院，湖北 武汉430019）

0 引言

2002年，美国首次提出“全球快速打击”概念，即“一小时全球打击”的战略构想。如今，“猎鹰”HTV-2、X-37B、X-51A 以及“黑鹰之子”SR-72 等新型空天飞行器正逐步崭露头角。X-37B是第一架既能在地球轨道上飞行，又能进入大气层的航空器；X-51A 则用于构建临近空间的打击武器平台，即高超声速巡航导弹，可在大气层内实现6倍声速飞行；而SR-72则主要用于快速、实时、高效侦察，同时兼顾攻击、摧毁等能力，速度是原始“黑鸟”SR-71的2倍。正是基于这些新型空天武器的支撑力量，美国“全球快速打击”装备体系已初步形成，未来战争格局将进入崭新阶段。

“双三”目标一直是常规雷达探测和地空导弹攻击的极限，即对于高度超过3万米、速度Ma 数超过3的目标，常规雷达和导弹是“看不见、够不着”。冷战时期的巅峰“神器”SR-71正是凭借着“双三”绝技在他国领空侦察，获取大量军事情报，其服役期间从未有过被击落的记录。而新型空天飞行器的航行高度、速度都远远超过了“双三”指标，因此现役雷达预警系统面临更加严峻的挑战。

随着“闪击全球”计划的不断深入，可供早期预警的时间大幅缩短，如何实现连续、准确探测目标成为亟待解决的问题。一方面，必须瞄准空天探测需求，对现役单型雷达进行技术升级改造，同时积极研制新型多功能雷达装备，美、俄等发达国家在这方面处于领先地位，如美国“海上巨眼”SBX-1（海基X 波段雷达）能够在4600km 外识别一个72～75mm 的目标；俄罗斯的“沃罗涅日-DM”雷达发射功率达到625kW，能提供6000km 处的导弹预警［1］。另一方面，应该面向体系作战，充分发挥多雷达协同探测、雷达组网的工作效能，大幅提高雷达的探测距离。

本文从新型空天目标的特点出发，就传统雷达面临的困难，以及下一步雷达技术及装备发展所需关注问题进行分析和讨论。

1 传统雷达技术

传统雷达结构和信号处理技术发展主要基于常规飞机目标特征（散射特性、机动能力、电磁环境等）。表1给出了常规警戒引导雷达的指标参数，通过分析，可总结出传统雷达技术考虑的三个侧重点。

1.1 责任防区覆盖

雷达威力范围需覆盖整个责任防区，重点区域／方向应实现多重覆盖，以兼顾警戒、跟踪和引导任务需求。同时，防区间应尽可能实现无缝覆盖，减小探测盲区。

一般来说，警戒雷达探测距离在300～500km，探测高度在25km 以下，而跟踪和引导雷达的威力范围则更小些。对常规飞机来说，其基本能够达到较高的检测概率。

1.2 常规目标检测

常规目标特性决定传统雷达的探测性能，雷达威力一定时，信号处理技术和数据率是影响雷达检测性能的两个关键因素。以典型的信号处理技术：相参积累为例，一般假设在一个相参处理时间（CPI）内，目标的位移小于半个距离分辨单元，多普勒变化小于半个多普勒分辨单元，这是依据常规飞机的速度和加速度得到的经验结果。

另一方面，数据率表示对空域完成一次搜索的时间，反映了单位时间内空域目标的信息量，对信号积累和目标识别发挥重要作用。常规机扫雷达天线转速固定，数据率通常为6～10s，基本能够对声速以下（Ma数为1～2）的飞机目标实现高质量检测。

1.3 干扰杂波抑制

杂波和干扰是雷达面临的最典型的电磁环境。对于杂波环境，雷达中通常设置了反地杂波模式和反气象杂波模式，综合利用MTI／AMTI、MTD、PD 和杂波图处理等方法对杂波进行抑制；而对于干扰环境，以抗副瓣干扰为主，如超低副瓣天线、旁瓣对消和旁瓣匿影等，主瓣抗干扰技术还远未成熟。总体来说，反杂波技术发展超前于雷达抗干扰技术，这是常规空间探测环境特点所决定的。

表1 常规警戒雷达指标参数

2 新型目标特点

由于空气动力学、机械加工和材料技术等飞速发展，新型高超声速飞行器、弹道导弹、巡航导弹等陆续研制并投入军事作战中，因此空间目标呈现“三高”新特点。

2.1 超高空

普通民航机一般在海拔7～12km 的平流层飞行，最高飞行高度不会超过12.6km。战斗机为执行空中警戒、搜索、摧毁地面目标等任务，通常需要载人、高机动飞行，飞行高度一般也不会超过25km。为实现多维探测、纵深打击，美国、俄罗斯等国家将作战空间拓展至临近空间（20～100km），甚至太空（100km 以上）。但发展太空武器需要巨额资金支持，目前仅有美国在进行类似的激光和电磁武器试验。发展临近空间武器是研究的前沿热点。

临近空间基本上是各国预警探测系统的盲区，利用临近空间武器实施打击具有突发性，且难以设防，因此各军事强国都积极发展临近空间武器或平台。三种临近空间武器的发射方式如图1所示。可以看出，这种新型飞行器飞行高度一般在30km 以上，预计能够达到90km 或更高。高度跨度较大，且基本实现了超高空飞行，这是该类飞行器的典型特征。

图1 临近空间武器的发射方式

2.2 超声速

为达到全球快速打击的目标，超高声速武器的研究一直在推进。美国国家航空航天倡议（NAI）就将高超声速技术列入未来发展路线图的三大方向之一（还包括太空进入技术和空间技术），该技术的主要组成要素如图2所示。

目前，美国的“X-51”乘波者计划已经基本试验成功，通过B-52轰炸机空中投放，经过助推火箭达到高超声速状态后进入临近空间（Ma 数为5）。而“FALCON”计划虽然屡遭失败，但美国空军仍给予充分的耐心，因为该武器研制成功后，即使敌方的预警系统发现目标，凭借其最高Ma 数达到20的再入速度，普通的导弹也根本无法实施有效拦截。此外，超高声速带来的动能冲击能轻易穿透敌方的地下掩体，军事意义重大［2-3］。

图2 高超声速技术发展路线图

2.3 高机动

为及时规避预警系统探测、近距空中格斗等目的，高机动性也是新型航空航天武器的重要特性之一。目前，新型战斗机的高机动应用已比较成熟，例如几种经典机动方式：Herbst机动（快速大攻角过失速180°转弯）、普加乔夫眼镜蛇机动、大攻角机头转向、“榔头”机动和大攻角下滑倒转机动［3］。由于飞行员的生理机能限制，载人飞机的最大过载一般不超过9g。

为获得更大的空战交换比，大幅提高空中战机的近距格斗能力，瞬态机动能力已成为新型近距空战飞机的关键技术。但在“先敌发现、先敌打击、先敌摧毁”的观念指导下，先进战斗机的近距格斗能力已成为超视距作战的补充形式。然而高机动能力仍是未来发展的方向，因为随着高超声速飞行器研制技术不断成熟，高机动性也必将成为新型空天飞行器的重要指标［3］。

3 预警装备对新型目标的探测能力

新型航空航天目标呈现“三高”的特点，是其不同于传统飞行目标的最大差别。传统雷达将面临严峻的挑战。本节主要针对雷达预警装备对新型目标的探测能力进行分析。

3.1 高空目标

为了控制雷达能量的定向辐射，雷达波束形状通常呈笔形、扇形、余割平方形等。波束形状、大小选择一般需综合考虑天线尺寸、提高角分辨率、减小测角误差和背景杂波起伏等因素。

搜索警戒雷达在俯仰向常采用余割平方波束，如图3所示。其能有效地利用雷达发射功率Ps，对于雷达威力范围内的恒定高度目标，回波信号功率能保持恒定。相对于扇形波束来说，这种波束能实现对责任空域更加完整的覆盖，发现目标的概率更高。

通过对雷达波束形状进行简单分析，能够得到雷达的测高范围。以俯仰余割平方波束为例，一般要求当目标在最大高度Hmax上飞行时，其回波功率P（Hmax）应该大于接收机的灵敏度Pr，min，即：

图3 二维搜索雷达威力图

从图3中的雷达威力图来看，余割平方波束可以看作一个远波瓣的扇形波束覆盖从地平线到α 的角度，经过调制后主瓣增宽至β［4］。假设雷达的最远作用距离为300km，扇形波束宽度α＝5°，考虑地球曲率的影响，有：

式中，Re为地球等效半径，近似为8500km，此时Hmax＝26.24km。

对采用跟踪体制的雷达来说，波束宽度α较窄，通常在1°～2°甚至更低，计算得到的最大探测高度更低，所以，30km 高空以上是普通雷达探测的盲区。

对于我国现在的市场状况来说，市场主要是依据消费者的需求而存在的，属于买方市场。但是我国在当下的环境中，大多数的企业不具备相应的市场开发能力。在这些企业之中，部分企业的产品不能够做到与时俱进，产品种类少，并且企业相应的技术部门不具备产品创新意识和市场开拓能力。因此，在市场激烈的竞争之下，很多企业生存困难，并且完全丧失自己的核心竞争力，以至于相应的企业最终会被市场淘汰［3］。

3.2 高速动目标

一个CPI内，对于高速高机动目标，可近似认为目标的运动模型为匀速或者匀加速运动，而对于高速高机动目标，高速导致目标在原相参处理时间发生位移（跨距离单元）。具体以线性调频信号（LFM）为例进行分析。

假设雷达发射的脉冲串信号为：

式中，τm表示第m个脉冲回波信号延迟。则经过脉冲压缩后得到的信号为：

对于高速运动目标（考虑匀速模型），根据回波距离特征建立如下关系式：

由式（6）可以看出，信号峰值位于mT＋τm。假设某型雷达信号带宽为5MHz，脉冲重复频率fr＝400Hz，对于径向速度Ma数大于3的目标来说，其走动情况如图4所示。可以看出，高速目标容易产生距离走动（即观测时间内目标位移超出距离分辨单元），可积累脉冲数减少，相参积累增益无法满足要求。

图4 高速目标距离走动情况

3.3 高机动目标

高机动带来目标回波多普勒频率弥散（回波信号能量在频谱上分散），进而导致其检测困难。对于高机动目标（考虑匀加速模型）可根据回波距离特征建立如下关系式：

由于mTr≫τm／2，近似（mTr＋τm／2）2≈（mTr）2，可得：

重频为1000Hz、运动目标初始多普勒频率为800Hz条件下的仿真结果如图5所示。随着加速度的增大，目标回波的多普勒频谱展宽严重（即回波多普勒频率弥散），且回波幅度减小，严重影响了目标在杂波噪声中的检测性能。

4 对策与方法

针对现代空天目标呈现的“新”特点，预警装备应着眼解决“看得到”和“跟得上”两个关键问题，一种具体的对策如图6所示。

首先，对于单部／型／体制雷达，应尽量增大发射功率，提高对高空、隐身等小目标的发现概率；同时，改进或发展适用于高速、高机动目标的检测、跟踪技术。第二，积极开展雷达组网的研究，以突破单部雷达威力限制、单型雷达硬件水平限制和单体制雷达处理手段限制，达到“1＋1＞2”的效果。

图5 高机动目标多普勒走动情况

图6 探测新型空天目标的发展思路

4.1 研制具有大空域覆盖能力的新体制雷达

高超声速武器的研制大幅提高了防区外武器的作战半径，任意区域部署、实现全球打击将成为可能。由于空天武器发射区域与布防区域相距较远，该类武器的早期预警实际上是对低仰角、远距离小目标的探测问题，必须研制大威力、大空域覆盖的新型雷达，在此前提下，综合解决多径效应、杂波干扰等问题。

国内外充分重视该方向的研究，以美国为例，第三代数字阵列反导雷达正在研发中，确定的S波段立体搜索雷达（AMDR-S）信噪比要求是“宙斯盾”雷达的32倍，探测威力是其2.37倍，被称为“下一代的‘宙斯盾’雷达”。同时，美国还提出了分布式相参合成雷达和机会阵（DARBC）的新概念，作为下一代雷达的理论支撑［5］。

4.2 提升现役装备高数据率搜索、高检测性跟踪的信号处理技术

新型空天武器常在防区外发射，破坏性仅次于核武器，对预警装备的时间性要求较高。传统机械扫描雷达数据率较低，基本不具备探测新型空天目标的能力。而相控阵雷达能灵活控制波束指向，能搜索同时也能跟踪（TAS）。因此新型防空反导雷达基本采用相控阵体制。

图7 反导模式搜索屏

以大型远程相控阵雷达为例，在反导流程中，其主要担任搜索任务，兼顾部分粗跟踪任务。雷达反导模式下的搜索屏示意图如图7所示。针对1000km 内的中程弹道导弹，设置4°和20°两道搜索屏，其中4°搜索屏用于探测和跟踪上升段弹道导弹，20°搜索屏则负责监视弹道导弹中段信息。根据作战任务不同，还能设置不同角度的单／多道搜索屏，每道搜索屏的数据率T搜应该不大于穿越该搜索屏的时间T穿，即T搜≤T穿。此外，还应综合考虑扫描角度、脉冲重频等因素，合理配置搜索数据率。若搜索数据率过高，目标跟踪时间较短；若搜索数据率过低，又容易丢失机动目标。总之，雷达系统应根据任务需求、战场态势，灵活进行资源调度和管理，确保正常跟踪的情况下对目标空域实现高数据率搜索［6］。

实现高检测性跟踪，一般做法是采用积累技术提高目标的信噪比。由前面分析可知，高速高机动目标容易引起距离走动和多普勒走动，常规的相参或非相参积累技术存在较大问题，需要进行修正。修正的方法类似于成像雷达中的包络对齐方法，估计目标速度后进行多普勒补偿，但该方法在低RCS条件下使用比较困难。而近年来提出的检测前跟踪（TBD）算法，采用一些跟踪算法估计目标的空间位置，然后用序列检测算法对估计的航迹进行检测判决，可实现弱小目标沿其航迹积累的效果［7］，但该技术存在假航迹和计算量过大等缺点。

4.3 面向体系预警，多型装备协同、组网探测

单个雷达即使威力范围再大，也无法解决视距问题，同时由于数据率的限制，单型雷达很难对高机动目标实现高效检测，需要将多型装备组网，协同探测。

以反导作战为例，为实现远距离搜索、高精度跟踪，常利用大型远程相控阵雷达（如大P 雷达）设置多道搜索屏，发现目标后，进行粗跟踪，并上报目标的方位、距离信息，指控中心引导多功能相控阵雷达（如大X 雷达）交接班后精确跟踪，并引导拦截打击武器［5-6］。反导任务交接班示意图如图8所示。该联合探测模式已通过试验验证，在一定程度上解决了搜索数据率和跟踪时间的矛盾，但是单型雷达的自身限制问题（视距、跟踪资源饱和）仍存在。若采用组网探测，则有以下优势：1）利用前沿部署可以实现P 首截获点前移，增加预警时间；2）多雷达联合探测能实现早交接班，增加截获概率和时间裕度，避免反复交接班；3）利用数据融合，能够提高跟踪精度，确保制导雷达接收目标准确信息。

图8 反导任务交接班示意图

5 结束语

信息战对预警系统的能力提出严峻挑战，而预警系统建设迫切需要雷达发挥更加重要的作用。根据一体化联合作战的需求，获得空天目标准确、实时的信息对未来战争的局势起决定性作用，因此亟需大力建设和完善预警系统。本文从传统雷达技术出发，针对新型航空航天目标“三高”的技术特征，结合现役雷达的作战指标对其探测威胁进行了详细分析，最后阐述了当今前沿雷达技术的热点，对雷达装备的改造和新研具有一定的指导意义。■

［1］Committee on an Assessment of Concepts and Systems for U.S.Making sense of ballistic missle defense：an assessment of concepts and systems for U.S boost-phase missle defense in comparison to other alternative［M］.Washington DC：The National Academies Press，2012.

［2］彭为.美国反导雷达装备发展综述［J］.现代雷达，2013，35（11）：22-25.

［3］牛文，王自勇.欧洲高超声速技术发展路线研究［J］.战术导弹技术，2013（6）：10-14.

［4］Skolnik MI.Introduction to radar systems［M］.3rd ed.McGraw Hill Company，2001.

［5］包云霞，张维刚，等.临近空间武器对预警探测制导技术的挑战［J］.现代防御技术，2012，40（1）：42-47.

［6］宇文静波，唐立文.美国“快速全球打击”计划探讨与启示［J］.装备指挥技术学院学报，2011，22（3）：58-60.

［7］吴顺君，梅晓春.雷达信号处理和数据处理技术［M］.北京：电子工业出版社，2008：186.