基于GEO SAR 辐射的星机协同融合探测系统*

袁 昊，陈峰峰，张广磊

（1.中国航空工业集团有限公司，北京 100028；2.中国航空工业集团公司雷华电子技术研究所，江苏 无锡 214063）

0 引言

随着隐身技术的发展和应用，飞机、导弹、舰船等作战对象的隐身性能不断提高，与同类未采取隐身措施的目标相比，其RCS 数十乃至上百倍地降低，单站雷达由于观测视角单一、功率孔径资源有限，很难进一步提高对隐身目标的探测能力［1］。多基协同探测可利用空间分集特性、RCS 闪烁特性、信息融合增益等不同维度的信息，大幅提升对隐身目标的探测能力［2］。但多机协同探测系统的辐射源依旧在编队之中，载机需主动辐射信号，在实际战场环境中易被敌方侦测并干扰，难以实现真正意义上的隐蔽探测，生存能力较差，给隐身平台之间的对抗带来隐患。

基于地球同步轨道合成孔径雷达（GEO SAR）辐射，机载雷达被动接收的星机双基系统是提升机载平台生存能力，提高隐身目标探测性能的有效技术途径。1997 年，Guttrich 等人通过系统参数、信噪比和成像可行性等研究，证实了GEO 星机双基SAR 的可行性［3］，在NASA 的支持下，美国的喷气推进实验室在GEO SAR 同步轨道系统关键技术与应用方面取得了重要成果［4］。国内方面，哈尔滨工业大学在GEO 星机双基探测系统的双基平台构型、合成孔径时间等方向做了研究［5］，电子科技大学的孙稚超在其博士论文中详细介绍了基于GEO 辐射源的星机SAR 成像理论与方法［6］，北京理工大学提出了一种基于GEO SAR 编队飞行的动目标检测算法［7］，中科院电子所在GEO SAR 观测特性、成像及回波仿真等方向做了研究［8-9］。可以发现，当前星机系统局限于GEO SAR 辐射，单个机载平台接收无法获得多个机载平台带来的融合处理增益，对隐身目标的探测能力有待提升。

为了进一步提升机载平台对隐身目标的探测能力，本文提出基于GEO SAR 照射、多个机载平台接收的星机雷达协同融合探测系统。该方法将GEO SAR 与机载平台相结合，不仅吸收了GEO SAR 生存能力强、覆盖范围广、照射时间长、不受地物遮挡影响的优势，而且保留了机载平台空间分辨率高、构型灵活、融合探测的特点，尤其可以实现机载平台的隐蔽探测，具备极强的抗隐身、抗被动定位、抗电子干扰、抗低空突防能力，极大提升机载雷达的生存能力，为完成对空探测与侦查监视提供了新的技术手段。

1 基于GEO SAR 的星机协同融合探测系统

1.1 作战场景及优势分析

GEO SAR 轨道高，具有生存能力强、覆盖范围广、照射时间长、不受地物遮挡的优势，利用GEO 辐射源信号可对空中目标进行检测、定位和跟踪，实现对空中目标的隐蔽探测，如图1 所示。当卫星电磁信号辐射到目标后，目标会向各方向散射电磁信号。多个机载平台可收到卫星的直达波信号和空中目标反射的卫星电磁信号，可得到空中目标精确的双基距离和双基速度等信息，实现对目标的探测。通过多个机载雷达数据进行融合处理，可获得多平台融合收益［10］。由于机载平台只负责接收，可以实现电子静默甚至隐身突袭，不易被敌方侦察干扰，大大提升了载机平台的生存能力和作战性能。主要优势有：

图1 作战场景示意图

1）可实现飞机平台隐蔽探测，生存力高；

2）可获取星机双基RCS 增益，反隐身潜力大；

3）空中多平台接收，融合增益进一步提升隐身目标探测距离。

1.2 星机双基协同探测性能分析

在星机协同探测体系中，GEO SAR 卫星向作战空间辐射电磁信号，机载平台可接收到卫星信号照射到目标后的散射信号。因此，可利用双基雷达方程分析星机协同探测威力。双基雷达方程表示为

1.3 星机多基协同融合探测性能分析

面对隐身目标探测需求，多机协同融合探测进一步提升雷达对隐身目标的探测威力［11-12］。采用卫星发射多机载平台接收模式，多个机载平台可以利用不同维度（空间、时间、频率和能量）信息提升目标RCS 空间闪烁增益以及双基RCS 增益；另一方面，通过融合算法对多平台雷达数据进行信息融合处理，获得融合增益，进而大幅提升隐身目标的探测距离。

假设不同角度上目标服从Swerling II 模型，第i个平台的信号在两种假设下的形式为：

2 仿真验证

本文以GEO SAR 卫星照射、空中双平台接收系统为例，分析基于星机协同的多基雷达融合探测系统的性能。仿真试验主要包括星机双基隐身目标RCS 增益、星机双基协同探测威力、星机多基协同融合探测性能。表1 给出了星机协同探测系统的仿真参数。

表1 仿真参数表

2.1 仿真试验1：星机双基隐身目标RCS 增益

隐身飞机低RCS 是针对单向观测雷达设计，采用星发机收双基模式，机载平台接收从目标背部入射的卫星信号。下页图2 给出了典型角度关系下F-22 目标模型的单/双基RCS 仿真结果，考虑到对抗态势下隐身战机的低RCS 威胁主要集中在前向范围，此处仅给出前向方位±60°范围内的仿真结果。分析可见，卫星-目标-载机之间的夹角Ω 越大，双基RCS 优势越明显。当Ω 超过90°时，双基RCS 提升平均达10 dB 以上；而Ω 小于30°时，双基RCS 提升收益不明显，某些姿态角下甚至弱于单机探测RCS。可以得到以下结论：采用星机双基协同探测，在大的双基角度下，鼻椎方向可获取比单基更大的目标RCS，从而提升对隐身目标的探测能力；如果双方都采用隐身战机，只要GEO SAR 选择合适的占位（例如Ω=150°），就能只对我方战机的反隐身探测能力有显著增强，而对手却无法利用该天基信号源提高反隐身能力。

图2 RCS 示意图

2.2 仿真试验2：星机双基协同探测威力

目标检测概率与观测信号的信噪比有关，而信噪比与目标位置和接收平台的相对位置有关，因此，作战空间不同位置可计算出不同的检测概率。图3 给出了星机双基雷达在作战空间的检测概率等高线图，图中每一条线表示在某一检测概率下机载雷达的探测范围。在目标检测概率为0.5 时，能够实现200 km 的最远探测距离，满足作战空间内对隐身目标的探测需求。

图3 星机双基雷达检测概率等高线

2.3 仿真实验3：星机多基协同融合探测性能

采用卫星发射多机载平台接收模式，多个机载平台通过信息融合，获得融合增益，进一步提高隐身目标的探测距离。

图4 分析了判决级融合反隐身增程探测能力。图中，假设各平台观测目标信噪比相等，目标可检测概率为PD=0.5，虚警概率设置为10-3。可以看出，随着信噪比的增加，目标检测概率越大，在检测概率为0.5 时，单个机载雷达需要的SNR 为9.52 dB，两个机载雷达协同融合探测需要的SNR 为7.15 dB，信噪比改善2.37 dB。

图4 相同SNR 下的融合探测性能

实际上，在多机载雷达进行融合探测时，不同平台获取目标的能量不同，信噪比也不同。信噪比与目标不同方向的RCS 大小、目标与观测平台相对位置等因素有关。下页图5（a）～（c）给出了在不同基线长度下，两个机载雷达平台协同探测威力范围。可以看出，随着两个雷达基线长度的增大，其融合探测能力逐渐变小。这是因为当低SNR 与高SNR数据进行融合时信噪比可能会有一定的损失，使得有些区域融合探测距离比单个机载雷达探测距离要小。

图5 星机雷达协同融合探测威力图

3 结论

针对隐身目标探测问题，本文研究了基于GEO SAR 卫星发射，多个空中平台接收的多基雷达协同融合探测系统，该系统在隐身目标探测方面具有独特优势，可获取目标RCS 空间闪烁增益、双基RCS增益以及融合增益，同时具有隐蔽探测、生存能力强、覆盖范围广等优点。通过理论分析和仿真验证，基于GEO SAR 卫星照射、多机载平台接收的多基雷达协同融合探测系统可提高隐身目标探测能力。在全静默预警探测、隐身对抗等高威胁环境下，该探测系统具有重大的应用潜力。