艦載雷達自適應匿影方法研究

王有朝

（海軍駐揚州723所軍事代表室，揚州225001）

0 引 言

艦艇是最復雜、電磁環(huán)境最惡劣的武器平臺。隨著水面艦艇的發(fā)展，艦艇裝備的電子設備種類、數(shù)量和功率不斷增加，天線數(shù)量越來越多。在有限的空間內(nèi)存在著大量雷達、通信和電子干擾的高功率發(fā)射機，實現(xiàn)空間隔離幾乎不可能，這些發(fā)射機輻射的電磁信號幾乎覆蓋整個無線電頻譜，同時，上層建筑本身就是多個電磁信號散射體，這些散射體具有極其復雜的形狀和不同的體積，能以各種可能的方式產(chǎn)生阻擋、傳導、反射、散射、繞射和再輻射電磁能量，使得艦船電磁環(huán)境更加復雜，由此引起的全艦電子設備間的相互電磁干擾十分嚴重。

電子偵察系統(tǒng)是艦船上工作頻率范圍最寬的接收設備，其電子偵察接收機的工作頻率范圍已經(jīng)涵蓋了通信頻段、雷達頻段和激光頻段，同時由于其工作頻域、空域是寬開的，所以偵察接收機往往受到同船的電磁輻射信號的干擾，影響到對同船外的輻射信號的接收和處理。目前水面艦艇采取的電磁兼容管控措施主要是從空域、能域、時域和頻域四方面入手［1，2］，由于偵察設備在頻域、空域上的寬開要求，在時域上采用脈沖匿影方法抑制信號干擾成為電磁兼容管控的重要措施之一。本文在分析了固定脈寬匿影方式不足的基礎上，提出了綜合自適應脈寬匿影方法，并對工作原理、流程及最長延時進行了研究和探討。

1 固定脈寬的雷達信號匿影方法

1.1 固定脈寬匿影的工作原理［2，3］

匿影的基本工作原理是在同平臺雷達發(fā)射脈沖信號前，用該雷達設備實時傳送的導前于其每個雷達發(fā)射脈沖的同步匿影觸發(fā)脈沖，觸發(fā)匿影波門形成電路來產(chǎn)生寬度可人工調(diào)變的匿影波門信號，控制偵察接收機在匿影波門開啟的時間內(nèi)不工作，從而消除同平臺脈沖雷達信號對偵收性能的影響。匿影的工作時序原理如圖1所示。

圖1 匿影的工作時序原理框圖

為了實現(xiàn)有效的匿影，匿影觸發(fā)脈沖應有導前它的雷達發(fā)射脈沖觸發(fā)，一般應有一定的提前量，用于適應電纜傳輸延時的需要。匿影觸發(fā)脈沖還應具有一定的寬度、極性和脈沖前沿特征，匿影脈沖應有一定的脈寬，以抵消同平臺上層建筑、鄰近反射物體、海面反射和電纜傳輸?shù)难舆t時間內(nèi)電子偵察系統(tǒng)偵收到的同平臺雷達反射信號。匿影信號的寬度計算公式為：

式中：t0為匿影觸發(fā)信號導前于脈沖雷達發(fā)射脈沖的時間，一般為0.5μs左右；Wr為雷達發(fā)射脈沖寬度；td為由于雷達信號反射延時而導致的脈沖展寬寬度，通常td＝2R／c，R為艦船平臺與造成雷達信號反射的反射物之間的最遠距離，c為電磁波的傳播速度，即3×108m／s，td一般大于3μs。

1.2 固定脈寬的雷達信號匿影的局限性

匿影方法雖然可以有效消除同平臺雷達信號對偵察設備性能的影響，但帶來的副作用是使電子對抗系統(tǒng)的偵收時間受到限制，降低了電子對抗系統(tǒng)截獲外界雷達信號的概率，因此應盡量減小匿影脈沖寬度。根據(jù)式（1）可知，提前觸發(fā)時間t0是考慮電纜延時在設計中賦予的，確定后保持不變，而td為由于雷達信號反射延時而導致的脈沖展寬寬度，反射來源有海面、上層建筑及周圍碼頭島嶼環(huán)境，除上層建筑狀態(tài)確定后，一般不會發(fā)生變化，而海面后向散射造成的雜波度受到風向、風速、海流、雨等氣象和海況變化的影響，艦艇是移動的平臺，其周圍碼頭島嶼環(huán)境也會發(fā)生變化，同時隨著雷達技術的發(fā)展，多模式、多功能雷達如相控陣雷達不斷投入使用，其雷達脈寬也是可變的，因而固定匿影脈寬不能滿足偵察匿影需要，使用最寬脈寬造成偵察機影響太大，使用最小脈寬造成偵察機匿影不徹底，需要能夠適應環(huán)境、海情、雷達模式不斷變化的雷達信號自適應匿影方式。另外，在使用過程中，當匿影部件出現(xiàn)故障時，通用匿影部件需要在一定海況下，進行匿影時間實船調(diào)整，互換性差，維修、保障時間長。

2 雷達信號自適應匿影方法

2.1 工作原理

隨著大規(guī)模可編程集成電路的廣泛使用，匿影時序電路可用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）或可編程邏輯器件（PLD）實現(xiàn)［4，5］，可以通過數(shù)字控制方式不斷調(diào)整延時或匿影脈沖寬度，匿影脈沖寬度為時鐘周期的整數(shù)倍，精度為1個時鐘周期，為數(shù)字自適應控制匿影脈沖寬度提供了技術支撐。信號自適應匿影原理框圖如圖2所示。

圖2 雷達脈信號自適應匿影原理框圖

由圖2可知，在近海情況下，島嶼碼頭是重要雷達信號反射體，當雷達天線掃掠或指向到這些反射物時，造成匿影脈沖寬度較大，而其它方位僅由海浪反射引起，匿影脈沖寬度較小，因此匿影脈沖寬度與雷達天線指向有關，有必要將雷達天線指向引入控制過程。圖2中雷達主控計算機與偵察設備主控計算機之間接口用于傳送雷達輻射的載頻、重復頻率、脈沖寬度、天線指向通過數(shù)據(jù)，雷達調(diào)制電路與匿影裝置接口用于將匿影觸發(fā)脈沖送匿影裝置的匿影時序電路，偵察設備與匿影裝置接口用于傳送雷達天線指向真方位、脈沖寬度和調(diào)整匿影脈沖寬度的指令，全球定位系統(tǒng)（GPS）接收機與偵察設備接口用于傳送本艦地理信息，匿影裝置有3種工作狀態(tài)：調(diào)整匿影寬度工作狀態(tài)下，根據(jù)偵收同平臺雷達結(jié)果自動調(diào)整匿影寬度，直至剛好收不到同平臺雷達信號，正常工作狀態(tài)下，按照調(diào)整好的參數(shù)實施匿影；微調(diào)工作狀態(tài)下，定時進行觸發(fā)，對匿影參數(shù)進行微調(diào)，狀態(tài)轉(zhuǎn)移如圖3所示。

圖3 匿影裝置工作狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

2.2 工作流程

在調(diào)整匿影寬度的工作狀態(tài)下，雷達向外輻射，偵察裝置根據(jù)偵收結(jié)果向匿影裝置發(fā)出匿影脈寬調(diào)整指令。根據(jù)公式（1），由于雷達脈寬和觸發(fā)脈沖提前量可預先知道，匿影寬度調(diào)整主要體現(xiàn)在td調(diào)整上，假定td的最大值為tdmax，時間調(diào)整分辨率為tδ，調(diào)整匿影寬度工作流程如下：

（1）雷達開機時，將雷達觸發(fā)脈沖天線指向?qū)崟r送匿影裝置；

（2）雷達將雷達載頻、重復頻率、脈寬送偵察設備，將脈寬送匿影裝置；

（3）根據(jù)GPS和海圖信息，判定海域情況，計算島嶼真方位并設定方位匿影的起始角度，計算設定延時時間td＝tdmax／2，tdmax＝tdmax／2；

（4）tdmax＞tδ，則啟動匿影時序，向偵察設備詢問雷達偵收情況，反之轉(zhuǎn)入正常工作狀態(tài)；

（5）若偵收到雷達信號，則td＝td＋tdmax／2，tdmax＝tdmax／2；反 之 ，則td＝td－tdmax／2，tdmax＝tdmax／2，轉(zhuǎn)入（4）。

微調(diào)匿影寬度工作流程如下：

（1）定時事件時間到，向偵察設備詢問雷達偵收情況；

（2）若能偵收到雷達信號，執(zhí)行（3）；反之，則轉(zhuǎn)入（5）；

（3）td＝td＋tδ，啟動匿影時序，向偵察設備詢問雷達偵收情況；

（4）若收到，則轉(zhuǎn)入（3），反之，進入正常工作狀態(tài)；

（5）td＝td－tδ，啟動匿影時序，向偵察設備詢問雷達偵收情況；

（6）若收到，td＝td＋tδ，啟動匿影時序，轉(zhuǎn)入正常工作狀態(tài)，反之，轉(zhuǎn)入（5）。

2.3 最大延時的確定

偵察接收機接收近物反射的過程與收發(fā)分置雙基地雷達相似，根據(jù)雙基地雷達方程，可得到偵察接收機接收到海面、附近建筑物反射的雷達信號功率為：

式中：pt，Gt，Rt分別為雷達的發(fā)射功率、天線增益及反射物與雷達的距離；Gr為偵察天線增益；σ為反射物的雷達截面積；λ為雷達波長；Rr為偵察天線與反射物的距離。

由于偵察設備與雷達安裝于同一載體，所以有Rt＝Rr，代入式（2）可得偵察機可以接收到的同平臺雷達經(jīng)近物反射信號最遠距離為：

式中：pmin為偵察靈敏度。

在開闊海面情況下，雷達在掃掠過程中，偵察機接收的本平臺雷達信號主要來自上層建筑反射和海面海浪的后向散射，其中海面海浪的后向散射受到海域、海情影響，不考慮雷達、偵察天線安裝位置不同帶來的歸一化反射面積影響，當偵察設備方位上寬開接收，最小分辨單元由雷達決定，因此雷達最小分辨單元有效反射面積為：

式中：θ為雷達方位波束寬度；τ為雷達脈寬；c為光速；σ0為歸一化反射面積，它與雷達入射角、風速、風向等有關，根據(jù)文獻［6］，目前沒有明確的解析式表示。

計算最長匿影延時的目的是為設計時序控制電路控制位字數(shù)位和延時分辨率提供依據(jù)，并為在線判斷匿影功能失效提供準則，不失實際意義，在求最大匿影目標距離時，取各種氣象、海況下海面歸一化反射面積最大值，同時假定：

由于入射角較小，雷達發(fā)射天線增益、偵察接收天線增益取最大值，結(jié)合式（2）、（4）、（5），得到對偵察接收產(chǎn)生影響的海面雜波最遠距離為：

在瀕岸海域情況下，雷達在掃掠過程中，偵察機接收的本平臺雷達信號還來自附近島嶼、碼頭反射，影響到偵察設備的信號接收、處理和顯示，必須在特定島嶼、碼頭對應的真方位進行較長時間匿影，才能消除掃掠過程中在偵察機范圍的反射影響，從圖2可得出，當偵察天線對附近島嶼、碼頭形成的張角小于偵察機測向分辯力時，偵察機只是在一個方位收到信號，為避免匿影時間過長，可以認為影響很小，達到可以接受程度，即：

式中：DΔ為偵察設備測角分辨率。

所以最長延時為：

3 結(jié)束語

由于沒有考慮到海面雜波受到氣象條件和海況的影響，在特定氣象和海況調(diào)整匿影時間的固定時延匿影方法，在使用中會出現(xiàn)匿影時間過長、過短影響偵察接收的性能。綜合自適應匿影方法，考慮了瀕岸海域情況，將方位信息引入匿影功能，同時采用自適應閉環(huán)控制方法，在實際使用環(huán)境下，自動調(diào)整匿影延時，最大限度減小本艦雷達設備對偵察設備的影響，保證偵察功能充分發(fā)揮，同時，綜合自適應匿影方法，能提高備件互換性，減少維修時間，并能夠在線判定匿影功能是否有效，因此具有較強的應用價值。

［1］黃清云，夏惠誠，徐亞光.艦艇電磁兼容管控效果分析［J］.指揮控制與仿真，2010（6）：21－23.

［2］王強，黃暄.艦船電磁環(huán)境對電子對抗系統(tǒng)作戰(zhàn)性能的影響［J］.艦船科學技術，2007（3）：87－90.

［3］李忠良.艦船雷達偵察設備的匿影方法［J］.電子對抗，2000（1）：12－18，41.

［4］徐瑞榮，孫靖.單板匿影模塊的實現(xiàn)［J］.艦船電子對抗，2006（1）：47－50.

［5］盧野，張巍，范永金，張佳音.激光匿影器的設計［J］.光電技術應用，2007（6）：37－40.

［6］Skolnik Merill I.雷達手冊［M］.第3版.北京：電子工業(yè)出版社：584－598.