低截获概率雷达外文翻译资料

Low probability of intercept radar strategies

A.G. Stove, A.L. Hume and C.J. Baker

Abstract: To reduce probability of intercept, in most cases, the form and magnitude of the radar transmissions are designed to spread energy over as wide a range of dimensions as possible. Equally, in response to this, designs for electronic surveillance measures (ESM) systems have been postulated that increase receiver sensitivity. Their purpose is to increase detection range beyond that of the radar (or to an adequate range if they are to be forward deployed). The authors examine the evolving nature of the relationship between advanced lsquo;low probability of interceptrsquo; (LPI) radar designs and future trends in ESM receiving capability. This relationship is far from straightforward, being both probabilistic and dependent on environmental and operational factors. Indeed this is complicated still further by the issue of affordability. The authors compute the performance of ESM and radar systems for a number of cases, including not just simple interception, but also the extraction of information from intercepted signals. In this way the key factors influencing the detectability of LPI radar systems are determined. It is demonstrated that it is never possible to be completely certain that a radar system has not been detected and that the most appropriate way to implement an LPI radar design is always closely related to the tactical environment in which the radar system will be used. Indeed this often overrides the technical aspects of system performance.

1 Introduction

Monostatic microwave radar systems using active emitters have a number of inherent advantages. They provide the ability to operate in bad weather and cover wide areas rapidly. If radar emissions can be routinely detected and jammed, then their effectiveness as an all weather, wide area sensor is compromised. It is quite possible in the battlefield of the future that radar systems that do not exhibit good low probability of intercept (LPI) characteristics will be of little use. As an alternative, operation at frequencies other than microwave could be employed but this may result in non-optimum combinations of resolution and detection range. However, it must be recognised that as active sensors, traditional radar systems will always have a finite probability of intercept. A further alternative is to use a bistatic approach that has the advantage of effective passivity but the disadvantage of system complexity. Bistatic operation using transmitters of opportunity results in a loss of control over system performance that may be unacceptable.

Thus, the analysis of the present and future LPI capabilities of radars, and of systems designed to intercept them, is of importance and provides a baseline against which the performance of other approaches can be compared. Many of the techniques designed to lower the probability of intercept of a radar system are well

q IEE, 2004

IEE Proceedings online no. 20041056 doi: 10.1049/ip-rsn:20041056

A.G. Stove is with Thales Sensors, Manor Royal, Crawley, West Sussex RH10 9PZ, UK

A.L. Hume is with QinetiQ, St. Andrews Road, Malvern, Worcestershire WR14 3PS, UK

C.J. Baker is with University College London, Torrington Place, London WC1E 7JE, UK

Paper first received 29th January and in revised form 14th July 2004

IEE Proc.-Radar Sonar Navig., Vol. 151, No. 5, October 2004

documented [1–3]. Techniques which can be used to make it more difficult to intercept and exploit the transmissions include using high duty cycle waveforms to spread the transmitted energy in time, using wideband waveforms to spread it in frequency and using wide transmitter beams to spread it in space. In this paper we analyse the effect of using these techniques and consider whether there are any fundamental limits to the ability to detect radar emissions. The minimum emission levels from future monostatic LPI radar systems are computed and compared to other RF sources likely to be found on the future battlefield. The paper provides an analysis of the likelihood of intercept of a lsquo;baselinersquo; LPI radar, based on currently available technology, which will then be used to explore future directions in which the radar and the intercept receiver may develop. We highlight the distinction between the interception and the exploitation of signals, in particular the way that the latter requires an ability to distinguish some of the characteristics of the signal other than just its existence.

The potential appearance of bistatic radars using emitters of opportunity is another form of exploitation of radar transmissions. The paper examines the effectiveness of LPI techniques in preventing this exploitation and also considers the need for robust LPI designs to defend against attempts at exploitation which cannot be envisaged in detail when the radar is designed.

The paper examines a typical scenario for the balance of detection range between a radar system and an intercept receiver with the latter having the performance of a typical high quality in-service ESM system. This establishes a baseline from which other scenarios can be considered, particularly improved sensitivity of the intercept receiver and what the radar designer can do to counter this. This includes derivation of the concept of the lsquo;matched incoherent receiver,rsquo; which overcomes the mismatch currently found between the bandwidths of radars and intercept receivers. The LPI performance that can then be obtained is discussed, together with its effects on the ability to use the radar for its intended purpose.

As a final remark in this introductory Section, we note that care must be taken in making use of experimental measurements of the detectability of current LPI radars. This is because detection of low-peak-power, long duty cycle, waveforms has not in the past been a priority for ESM systems. Thus they are f

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

低截获概率雷达

A.G. Stove, A.L. Hume and C.J. Baker

摘要:为了降低截获概率，在大多数情况下，雷达传输的形式和幅度都是为了将能量尽可能广泛地传播到不同的维度。同样，作为对这一问题的回应，电子监视措施(ESM)系统的设计也被假定增加了接收机的灵敏度。它们的目的是增加雷达探测距离以外的探测距离(如果要向前部署，则增加到足够的距离)。作者研究了先进的“低截获概率”(LPI)雷达设计与ESM接收能力未来发展趋势之间关系的演化性质。这种关系远非直截了当，它既具有概率性，又依赖于环境和业务因素。事实上，由于支付能力的问题，这一问题变得更加复杂。作者计算了ESM和雷达系统在许多情况下的性能，不仅包括简单的拦截，还包括从截获的信号中提取信息。从而确定了影响LPI雷达系统可探测性的关键因素。研究表明，不可能完全确定雷达系统没有被探测到，而实现LPI雷达设计的最适当方法总是与雷达系统将要使用的战术环境密切相关。实际上，这常常会覆盖系统性能的技术方面。

1 介绍

采用有源发射器的单基地微波雷达系统具有许多固有的优点。它们提供了在恶劣天气下工作的能力，并能迅速覆盖广泛的地区。如果雷达辐射可以常规检测和干扰，那么它们作为全天候广域传感器的有效性就会受到影响。在未来的战场上，不具备良好的低截获概率(LPI)特性的雷达系统很可能没有什么用处。作为一种替代方法，可以使用微波以外的频率，但这可能导致分辨率和探测范围的非最佳组合。然而，必须认识到，作为主动传感器，传统雷达系统拦截的概率总是有限的。另一种方法是使用双静态方法，这种方法的优点是有效的无源性，缺点是系统的复杂性。使用机会变送器的双稳态操作导致对系统性能失去控制，这可能是不可接受的。

因此，分析雷达目前和未来的LPI能力，以及设计用来拦截它们的系统，是很重要的，并提供了一个基准，可以与其他方法的性能进行比较。许多旨在降低雷达系统截获概率的技术都很好

q IEE, 2004

IEE会议记录20041056 doi: 10.1049 / ip-rsn: 20041056

A.G. Stove is with Thales Sensors, Manor Royal, Crawley, West Sussex RH10 9PZ, UK

A.L. Hume is with QinetiQ, St. Andrews Road, Malvern, Worcestershire WR14 3PS, UK

C.J. Baker is with University College London, Torrington Place, London WC1E 7JE, UK

Paper first received 29th January and in revised form 14th July 2004

雷达声纳导航。，第151卷，第5期，2004年10月

记录[1 - 3]。可以用来使拦截和利用传输变得更加困难的技术包括使用高占空比波形及时传播传输的能量，使用宽带波形在频率上传播能量，以及使用宽发射机光束在空间上传播能量。在本文中，我们分析了使用这些技术的效果，并考虑了探测雷达辐射的能力是否存在任何基本限制。计算了未来单基地LPI雷达系统的最低发射水平，并与未来战场上可能发现的其他RF源进行了比较。本文提供了一种基于现有技术的“基线”LPI雷达拦截可能性分析，然后将用于探索雷达和拦截接收机未来可能发展的方向。我们强调截取和利用信号之间的区别，特别是后者要求能够区分信号的一些特征，而不仅仅是信号的存在。

使用机会发射器的双基地雷达的潜在出现是雷达传输的另一种利用形式。本文研究了LPI技术在预防这种开发方面的有效性，并考虑了需要健壮的LPI设计来抵御在设计雷达时无法详细设想的开发尝试。

本文研究了一种典型的雷达系统与拦截接收机之间的探测距离平衡方案，拦截接收机具有典型的高质量现役ESM系统的性能。这就建立了一个基线，在此基础上可以考虑其他场景，特别是提高拦截接收机的灵敏度，以及雷达设计人员可以做些什么来应对这种情况。这包括“匹配非相干接收机”概念的推导，该概念克服了目前雷达和拦截接收机的带宽不匹配的问题。然后讨论了LPI的性能，以及它对雷达预期用途的使用能力的影响。

作为这一导论部分的最后一项评论，我们注意到，在使用现有LPI雷达可探测性的实验测量时必须谨慎。这是因为检测低峰值功率、长占空比、波形在过去并不是ESM系统的重点。因此，它们往往不像它们可能容易做到的那样善于探测这类雷达，而且人们怀疑，操作员在使用它们的设备探测LPI雷达方面也同样没有受到良好的训练。

2当前ESM系统的拦截

在本节中，我们建立了基线场景，包括雷达和ESM系统的参数。这使我们能够推测可能的技术进步，以及它们在当今标准下的系统性能背景下所产生的影响。

基线场景是一个通用的ESM接收器架构，使用瞬时频率测量(IFM)电路，在一个中频(IF)带宽为几千兆赫(GHz)的接收器之后。通常情况下，增益相对较低的天线先于这样的接收器，因此这种组合具有很高的概率在大范围的频率和到达方向上拦截信号。众所周知，这些系统具有宽的视频带宽，约为10兆赫(10 MHz)，因此脉冲发射器可以在脉冲到达时进行解析。因此，由于中频宽和视频带宽的结合，它们的灵敏度受到固有的限制。调频连续波(FMCW)等雷达可以针对这种接收机进行优化，因为ESM系统主要对峰值功率水平敏感，而在匹配滤波器下，雷达的灵敏度与平均传输功率水平成正比。因此，用于比较的基线雷达将是FMCW。其他高占空比雷达的不同性能也将在后面的章节中讨论。对雷达主梁能达到100%截获概率的范围将作为性能的基准度量，尽管还将讨论旁瓣检测的重要性。简单基线使用表1和表2中列出的参数。所得的工作表现数字是根据[1]所载的一项常见计算方法计算得来的:

雷达的非相干增益假设为5 ms (40 rpm扫描速率，1:2波束宽度)，加上扫描损耗的影响，而其其他损耗相当低，因为

表1:基线雷达性能

发射机平均功率1w

天线增益 30 dB

天线旁瓣电平35db，主瓣有效辐射功率(ERP) 60dbmi

频率 9 GHz

积分时间 1ms (1khz带宽)

目标RCS 100平方米

接收功率在20公里范围125 dBm

噪声图 4 dB

噪声地板 144年dBm

非相干积分增益4 dB

损失 4 dB

在20公里范围内15分贝的信噪比

敏捷的带宽 100兆赫

雷达声纳导航。，第151卷，第5期，2004年10月，第250页

表2:基线ESM系统的性能

接收天线增益 0分贝

如果带宽 2 GHz

视频带宽 10 MHz

有效带宽 200兆赫

噪声图 10 dB

噪声地板 80年dBmi

处理损失 3 dB

最小信噪比为17db

净的敏感性 60 dBmi

入射功率密度

60 dBmi在2.5 km处 19 dBm =平方米

有效孔径 41 dBm2

收到2.5公里的电力 60 dBm

雷达的设计非常简单，与变速器匹配良好。ESM接收机具有较低的天线增益和比预期更高的噪声，但这是由于需要能够在许多同时传输的情况下在非常宽的带宽上工作。

从表1和表2可以看出，雷达可以在20公里范围内探测到目标，而它的传输只能在2.5公里范围内截获。因此雷达能够在ESM设备能够探测到的范围内多次探测到舰船。如果用占空比为0:1%的脉冲雷达代替基线，峰值功率将增加1000倍，自由空间拦截距离将增加约30倍。换句话说，如表2所示的ESM可以很容易地在雷达系统探测到目标之前探测到雷达发射。

如果雷达系统需要探测较小的目标，例如RCS为1m2的飞机;在10公里范围内，假设天线增益相同，发射机功率必须增加到6w。然后，ESM系统的拦截距离将增加到6.3公里，开始接近可以探测到目标的距离。由此可见，LPI性能的有效性受待测目标的雷达截面以及发射波形参数的影响较大。

此外，可以指出，从商用ESM系统到上述雷达的测量截距往往只有几百米。也就是说，测量的灵敏度可能比理论值小一个数量级。这是因为系统组件的规范相对较差。然而，在设计和操作雷达系统时忽视拦截接收机可能满足其理论性能的可能性是最不明智的。

3 未来的ESM系统

在本节中，我们将考虑未来ESM系统可能的改进，并计算这对雷达探测距离和ESM拦截距离的影响。所述的通用系统是从研究和开发中派生出来的，因此将与很可能出现在市场上的系统保持一致。

因此，雷达LPI性能的设计和分析不应局限于它对单一类型ESM接收机的性能。它还应该考虑

接收机灵敏度,dBmi

图1截距范围随截距接收机灵敏度的变化

未来可能出现的拦截接收机类型，如提供更高灵敏度的信道化接收机和其他更敏感的接收机结构，如超外差(或超高速)。还必须考虑到，可能专门为探测某一特定雷达而研制接收器的可能性。图1扩展了前一节的分析，展示了在基线雷达上可以实现的自由空间探测距离，假设视线是可用的。这里的检测范围是根据接收灵敏度绘制的主瓣和平均旁瓣水平。

可以指出,事实上,旁瓣探测范围在某些方面比mainlobe检测更健壮的参数范围内,因为后者取决于mainlobe增益,而订单的旁瓣增益通常会5 dBi甚至mainlobe增益的不同的值。

很明显，虽然更多的敏感接收机可以很容易地增加对雷达主瓣的探测范围，但它们仍然会发现对旁瓣或低功率主瓣的探测要困难得多。的确，这促使设计师们设计出了副瓣电平非常低的雷达天线。从图1可以看出，给定一个足够敏感的接收机，任何自由空间探测距离都是可能的。我们现在考虑先进的系统，并计算它们可能提供的改进灵敏度，以进一步研究雷达和ESM系统之间的关系。

这种分析还必须考虑到拦截接收机可能以降低截获概率(PoI)为代价增加其灵敏度，例如使用扫描碟形天线。如果雷达传输的时间仍然大于扫描盘实现拦截所需的时间，这是一种可行的方法。

还指出，这种窄带、窄波束、接收机的PoI原则上可以通过构造这种接收机的并行阵列来恢复，从而覆盖广泛的频率和方向。这种方法的局限性是采购和维护这种系统的成本。因此，可以得出这样的结论，拦截接收机的最终灵敏度以及对雷达LPI性能的最终限制可能是由经济和操作因素而不是物理因素驱动的。我们现在考虑更先进的ESM接收系统。

3.1 Channelised接收器

ESM接收技术现在变得可用，提供比“基线”系统更高的灵敏度

雷达声纳导航。，第151卷，第5期，2004年10月

通过将IF带宽(基线为2 GHz)划分为大量窄通道，可以在上一节中进行描述。例如，使用通常为10mhz的信道带宽，并且比基于ifm的基线系统噪声和损耗更低，可以提高大约20 dB的灵敏度。对“原始”1W型雷达的探测距离将增加到25公里，即大约等于基线雷达的探测距离。在[2]中进一步分析了在海上环境中使用这种接收机的战术意义。

一个潜在的对抗方法是伪噪声雷达。这可以有非常高的瞬时带宽，因此，如果传输带宽大于信道带宽，拦截范围将会减小。这是由于任何一个通道中的信号都可能低于检测阈值，即使总功率(分布在多个通道上)超过该阈值。线性FMCW波形没有这种优势，因为信号不是瞬时宽带的，在任何实际情况下，接收到的信号将“驻留”在信道中的时间长于信道带宽的倒数，因此将被检测到。然而，如果ESM要识别相邻通道中连续的检测信号来自单个宽带调频信号，它仍然需要专门为此设计的处理，尽管在任何情况下，这些算法都需要处理宽带啁啾脉冲波形。

总的来说，很明显，先进的ESM系统的拦截距离可以而且将显著增加，因此对未来的雷达系统提出一个真正的挑战。

3.2超外差接收机

一个较低成本的替代信道化接收机是使用超外差接收机，它使用滤波和混合将信号转换为较低的中频(IF)。这样做的好处是使窄带通道(具有更高的灵敏度)能够在期望的工作范围内进行调优。超外差接收机还可以一次分析一个信号而不受频率相近信号的干扰，因此适合于发射器的识别。如果要搜索特定的雷达类型，这种形式的接收器尤其有用。

超外差式收音机的灵敏度可以通过考虑估计最优搜索策略,发现一个雷达敏捷F1 MHz带宽和停留时间t。最简单的例子是假设在住在相对窄带雷达传输,但乐队在F1可能在任何地方:在这种情况下,为了确保100%概率的拦截,拦截接收器必须扫描在乐队F1时间t .如果接收器有一个F2的带宽;然后截获接收机必须住在一个频率乐队的F2宽一段时间T2frac14;T = F1, F2:为了获得最佳灵敏度,T2必须大于1 = F2(尽管传统频谱分析仪住约一个数量级以上,以获得准确的振幅测量)。如果取T2的下限;我们可以求出F2的最优值;

F2frac14;

peth;F1 = TTHORN;eth;1THORN;

例如,对于我们的基线系统,F2frac14;

peth;100MHz =

5 msTHORN;frac14;141 kHz和扫描速度将2 1010 Hz = s:在这种情况下,FMCW信号将检测到一次截获接收机扫过去包含信号的频率。如果信号是瞬时更宽的频带，能量将再次被分散到多个接收通道，因此将出现更多的探测机会，但功率水平较低。但是，很难区分正在寻找的雷达和任何其他雷达在同一波段同时用这种类型的接收机发射。

剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料

资料编号：[20803]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word