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    RWR脈沖測頻概率分析*

    2014-07-11 01:05:16王星王士巖王洪迅周東青
    現(xiàn)代防御技術(shù) 2014年3期
    關(guān)鍵詞:測頻輻射源接收機(jī)

    王星,王士巖,2,王洪迅,周東青

    (1.空軍工程大學(xué) 航空航天工程學(xué)院,陜西 西安 710038; 2. 中國人民解放軍95247部隊(duì)58-1分隊(duì),廣東 惠州 516000)

    0 引言

    在現(xiàn)代電子戰(zhàn)復(fù)雜的電磁環(huán)境下,存在大量的雷達(dá)電磁信號(hào),構(gòu)成了復(fù)雜多變的電子對抗環(huán)境。因此,準(zhǔn)確有效地偵察截獲和識(shí)別出各種雷達(dá)信號(hào),成為電子對抗領(lǐng)域的重要前提。雷達(dá)告警接收機(jī)(radar warning receiver,RWR)是一類重要的電子偵察任務(wù)設(shè)備[1],它根據(jù)已知雷達(dá)參數(shù),對高威脅雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行快速識(shí)別,進(jìn)行威脅告警,并及時(shí)引導(dǎo)干擾設(shè)備進(jìn)行有源和無源干擾,提高載機(jī)在戰(zhàn)場中的生存能力[2]。

    但隨著戰(zhàn)場電磁環(huán)境日趨復(fù)雜,舊體制RWR逐漸暴露誤警率高、漏警率大、告警時(shí)間長等問題,嚴(yán)重影響了其戰(zhàn)場生存能力。其中一個(gè)重要原因是當(dāng)前測頻體制引起的脈沖丟失,使得頻率信息大量丟失,導(dǎo)致威脅信號(hào)源的截獲概率降低。本文結(jié)合RWR典型結(jié)構(gòu),對RWR測頻體制引起的脈沖丟失及測頻概率進(jìn)行研究。

    1 RWR測頻體制概述

    1.1 引導(dǎo)測頻體制

    典型RWR測頻系統(tǒng)多為引導(dǎo)測頻體制,即先對輸入信號(hào)進(jìn)行粗略的頻段測量,再用所得的頻段數(shù)據(jù)引導(dǎo)瞬時(shí)測頻(instantaneous frequency measurement,IFM)接收機(jī)進(jìn)行精確的頻點(diǎn)測量,最終輸出頻率碼。

    天線設(shè)置通常采用4天線比幅體制,覆蓋360°范圍的空域,如圖1所示。天線A,B,C,D分別覆蓋0°~90°,90°~180°,180°~270°,270°~360°空域。區(qū)1中由于天線B,D的增益很小,通過天線B,D進(jìn)入測頻系統(tǒng)的多數(shù)信號(hào)不易被檢測,因此通常情況下區(qū)1中僅有天線A接收信號(hào);區(qū)2中若有信號(hào)進(jìn)入,則天線A,B同時(shí)接收到信號(hào);區(qū)3,5,7的情況與區(qū)1類似;區(qū)4,6,8的情況與區(qū)2類似。

    圖1 四天線測頻系統(tǒng)空域覆蓋示意圖Fig.1 4-antenna frequency measurement system coverage in airspace

    頻率覆蓋范圍很寬,一般為幾十GHz。舉例說明,若其覆蓋范圍為2~20 GHz,由于對測頻精度的要求較高,一部IFM接收機(jī)要做到瞬時(shí)覆蓋2~20 GHz的頻率范圍很困難。因此一般通過變換頻率的方法將6.5~20 GHz頻段折疊變換到公共的2~6.5 GHz頻段上,以便用一部2~6.5 GHz頻段接收機(jī),完成整個(gè)2~20 GHz頻段的精確測頻,如圖2所示。當(dāng)某個(gè)天線接的某個(gè)頻段接收到信號(hào)時(shí),IFM接收機(jī)就會(huì)被引導(dǎo)至該天線的這個(gè)頻段進(jìn)行頻率測量。

    圖2 典型測頻體制Fig.2 Typical frequency measurement system

    1.2 脈沖測頻丟失分析

    現(xiàn)代戰(zhàn)場的電磁環(huán)境十分復(fù)雜,這會(huì)使系統(tǒng)各天線各頻段內(nèi)同時(shí)存在大量脈沖,因此這種引導(dǎo)測頻體制必然造成大量的脈沖丟失,主要有3個(gè)方面:

    (1) IFM接收機(jī)對準(zhǔn)某個(gè)天線的某一頻段進(jìn)行測頻時(shí),無法測量該天線的其他3個(gè)頻段以及其他3個(gè)天線內(nèi)的信號(hào),因此在IFM接收機(jī)處理時(shí)間內(nèi),只要有信號(hào)進(jìn)入非對準(zhǔn)天線及非對準(zhǔn)頻段就會(huì)導(dǎo)致脈沖丟失。

    (2) 接收機(jī)對準(zhǔn)某個(gè)天線的某一頻段進(jìn)行測頻時(shí),該天線該頻段接收到的信號(hào)存在一定數(shù)量的脈沖交疊,而IFM收機(jī)無法分離交疊信號(hào)頻率,從而引起脈沖丟失。

    (3) 在完成對某天線某頻段的測頻后,存在一段與接收機(jī)有關(guān)的寂靜時(shí)間(恢復(fù)時(shí)間),此時(shí)不能處理任何信號(hào)。若在此期間內(nèi)有信號(hào)進(jìn)入RWR系統(tǒng)則必然導(dǎo)致脈沖丟失[3]。

    綜上所述,引導(dǎo)式測頻體制無法實(shí)時(shí)地覆蓋全空域和全頻域。

    2 脈沖測頻概率和丟失概率分析

    為衡量引導(dǎo)測頻系統(tǒng)實(shí)時(shí)的測頻覆蓋率,本文提出了2個(gè)概念:

    (1) 脈沖測頻概率Pd,是指RWR系統(tǒng)能夠正確測頻的脈沖數(shù)量與進(jìn)入RWR系統(tǒng)脈沖總數(shù)的比值。

    (2) 脈沖丟失概率Pl=1-Pd,此處專指RWR系統(tǒng)丟失的脈沖數(shù)量與進(jìn)入RWR系統(tǒng)脈沖總數(shù)的比值,不同于文獻(xiàn)[4-9]中的脈沖丟失概率(脈沖重疊概率),也不同于文獻(xiàn)[10]中的脈沖信息丟失概率。下面就這2個(gè)概念進(jìn)行具體分析。

    2.1 非測量頻段的脈沖丟失

    (1)

    由文獻(xiàn)[4]可知,多部雷達(dá)在Δt時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)n個(gè)脈沖的概率為

    (2)

    則出現(xiàn)脈沖的概率為

    P=1-P0=1-e-α.

    (3)

    因此,IFM接收機(jī)處理第l個(gè)天線的第k個(gè)波段時(shí),其他各天線內(nèi)各頻段的脈沖丟失數(shù)量為

    (4)

    2.2 測量頻段內(nèi)脈沖交疊數(shù)量

    文獻(xiàn)[5]在文獻(xiàn)[4],[6]的基礎(chǔ)上,對交疊概率的計(jì)算公式進(jìn)行了修正,結(jié)果更加準(zhǔn)確,因此采用其脈沖交疊概率的計(jì)算方法

    Pe=(1-e-α)(1-αe-2α).

    (5)

    測量頻段內(nèi)脈沖交疊數(shù)量:

    λlkT(1-e-αlk)(1-αlke-2αlk),

    (6)

    2.3 IFM接收機(jī)恢復(fù)時(shí)間的脈沖丟失

    設(shè)恢復(fù)時(shí)間為Δt,若在此期間各天線各頻段有信號(hào)到達(dá)必然丟失,丟失數(shù)量為

    (7)

    2.4 脈沖測頻概率和丟失概率的數(shù)學(xué)模型

    (8)

    (9)

    3 測頻系統(tǒng)改進(jìn)

    3.1 理論分析

    引導(dǎo)式測頻體制的優(yōu)點(diǎn)是原理簡單,工程上容易實(shí)現(xiàn)且資源利用率高,成本代價(jià)小。但是其缺點(diǎn)也很明顯,即IFM收機(jī)處理時(shí)間段內(nèi)只能對一個(gè)天線的一個(gè)頻段進(jìn)行處理,非對準(zhǔn)天線和非對準(zhǔn)頻段有脈沖出現(xiàn)就會(huì)產(chǎn)生脈沖丟失。對于4天線4頻段的引導(dǎo)測頻系統(tǒng)而言,同時(shí)存在15個(gè)頻段無法對準(zhǔn),因此會(huì)造成大量的脈沖丟失,從而對脈沖的截獲造成影響。

    由于數(shù)字瞬時(shí)測頻[11](digital instantaneous frequency measurement, DIFM)接收機(jī)的模塊化處理,其體積和質(zhì)量都相當(dāng)?shù)男?,因此一種提高脈沖測頻概率的方法是在目前現(xiàn)有裝備的基礎(chǔ)上,采用DIFM技術(shù),增加DIFM模塊,以提升頻段對準(zhǔn)效率,從而提高脈沖測頻概率。以4天線4頻段的引導(dǎo)測頻系統(tǒng)為例,改進(jìn)方式如圖3所示。

    圖3 改進(jìn)后測頻系統(tǒng)Fig.3 Improved frequency measurement system

    DIFM接收機(jī)的數(shù)量不同,測頻系統(tǒng)的改進(jìn)方式也不同。圖3中虛線部件的有無由DIFM接收機(jī)的數(shù)量決定。DIFM接收機(jī)的數(shù)量為4,8,12,16,此時(shí)分別需要1,2,3,4個(gè)頻段濾波網(wǎng)絡(luò),不需要開關(guān)選擇網(wǎng)絡(luò)和本振網(wǎng)絡(luò)。如圖4所示為DIFM收機(jī)數(shù)量為4時(shí)的測頻系統(tǒng)框圖。DIFM接收機(jī)為其他數(shù)量時(shí),則需要開關(guān)選擇網(wǎng)絡(luò)和本振網(wǎng)絡(luò)。

    圖4 四DIFM測頻系統(tǒng)Fig.4 4-DIFM frequency measurement system

    3.2 改進(jìn)后系統(tǒng)的脈沖測頻概率分析

    (10)

    (11)

    4 仿真結(jié)果及分析

    4.1 輻射源模型

    假設(shè)空間有16個(gè)輻射源進(jìn)入測頻系統(tǒng),頻段和方位特性如表1。它們分別從不同方向不同頻段分別饋入RWR系統(tǒng)?!璞硎据椛湓葱盘?hào)進(jìn)入對應(yīng)縱向表頭的天線,×表示對應(yīng)輻射源信號(hào)不進(jìn)入對應(yīng)的天線。頻段1代表2~6.5 GHz頻段;頻段2代表6.5~11 GHz頻段;頻段3代表11~15.5 GHz頻段;頻段4代表15.5~20 GHz頻段。

    表1 輻射源假設(shè)頻段、方位特性Table 1 Scenario emitter's frequency range and azimuth

    輻射源信號(hào)特性如表2所示。仿真中對各個(gè)輻射源的PRI(pulse repetition interval)和PW(pulse width)均加抖動(dòng)噪聲,以仿真信號(hào)測量特性。

    表2 輻射源信號(hào)假設(shè)主要特征Table 2 Scenario emitter's signal main characters

    4.2 仿真結(jié)果與分析

    (1) 脈沖測頻概率

    設(shè)接收機(jī)的處理時(shí)間T=80 μs,恢復(fù)時(shí)間Δt=2 μs。根據(jù)4.1中假設(shè)的輻射源方位、頻率特性及參數(shù)特征,由式(8)計(jì)算可得,各天線各頻段的頻率檢測概率如表3所示。由表3可以看出,各天線各頻段的測頻概率不同,這主要是由進(jìn)入每個(gè)通道每個(gè)頻段的輻射源數(shù)量及每個(gè)輻射源的特征參數(shù)所決定的。即進(jìn)入該通道的輻射源數(shù)量越多,或進(jìn)入該通道輻射源的脈沖密度流(即頻率)越大,所能檢測的正確脈沖數(shù)量就越多,測頻概率也越大。

    表3 各天線各頻段的脈沖測頻概率Table 3 Pulse frequency measurement probability of each antenna and frequency range %

    (2) 處理時(shí)間T對測頻概率的影響

    通常情況下,IFM接收的處理時(shí)間越長,其他天線、頻段出現(xiàn)脈沖的可能性就越大,脈沖丟失數(shù)量也越多。但隨著時(shí)間的增加,檢測頻段的脈沖數(shù)量也在增多,因此檢測概率趨近于一個(gè)定值。如圖5所示為脈沖測頻概率隨處理時(shí)間變化的仿真結(jié)果。

    圖5 脈沖測頻概率與處理時(shí)間的關(guān)系Fig.5 Relationship between pulse frequency measurement probability and processing time

    由圖5可知,當(dāng)測頻時(shí)間很小時(shí),脈沖測頻概率很小。這是因?yàn)楫?dāng)處理時(shí)間小于恢復(fù)時(shí)間時(shí),恢復(fù)時(shí)間內(nèi)丟失脈沖數(shù)量權(quán)重大,因而測頻概率很小。但處理時(shí)間也不宜過大,這是因?yàn)樘幚頃r(shí)間越大,非檢測頻段丟失的信息量就越大。最佳的處理時(shí)間應(yīng)在大于恢復(fù)時(shí)間的基礎(chǔ)上,與輻射源的周期相同。但在復(fù)雜電磁環(huán)境下,輻射源的數(shù)量很多,其PRI值也并非已知參數(shù),因此接收機(jī)的處理時(shí)間要根據(jù)實(shí)際情況而定。

    (3) 改進(jìn)后系統(tǒng)的脈沖測頻概率仿真

    選定合適的處理時(shí)間T=80 μs,由式(10)可得接收機(jī)數(shù)量與脈沖測頻概率的關(guān)系,圖6中藍(lán)色曲線為應(yīng)用蒙特卡羅定理[12]仿真1 000次取平均后的結(jié)果,對應(yīng)左側(cè)y軸。綠色曲線為脈沖測頻概率的性能增長曲線,對應(yīng)右側(cè)y軸。其含義為當(dāng)前接收機(jī)數(shù)量與上一個(gè)接收機(jī)數(shù)量相比,脈沖測頻概率的增加值。

    圖6 DIFM數(shù)量與脈沖測頻概率及其變化量的關(guān)系Fig.6 Relationship between DIFM number and frequency measurement probability and variation

    由圖6可知測頻概率隨接收機(jī)數(shù)量的增加而增加,數(shù)量小于6時(shí)測頻概率增加較快,大于6時(shí)測頻概率增加較慢。數(shù)量大于10以后,脈沖測頻概率增加得很小。接收機(jī)的數(shù)量增加到16個(gè)時(shí)測概率最大,但由于脈沖交疊和接收機(jī)恢復(fù)時(shí)間所產(chǎn)生的脈沖丟失,測頻概率也無法達(dá)到100%,且此需4個(gè)頻段濾波網(wǎng)絡(luò),成本代價(jià)很高,體積質(zhì)量也很大。因此根據(jù)圖5的仿真結(jié)果,綜合考慮到測頻概率、成本代價(jià)及體積質(zhì)量等指標(biāo),接收機(jī)的數(shù)量可選為4個(gè)或8個(gè)。

    5 結(jié)束語

    本文結(jié)合典型RWR測頻體制,對測頻過程中引導(dǎo)式引起的脈沖丟失問題進(jìn)行了理論分析,并建立了相應(yīng)的脈沖測頻概率數(shù)學(xué)模型,提出了一種基于增加硬件資源的改進(jìn)方法。通過仿真驗(yàn)證了結(jié)論,結(jié)合仿真結(jié)果分析接收機(jī)個(gè)數(shù)與測頻概率之間的關(guān)系,并綜合代價(jià)、體積和測頻概率等指標(biāo)給出了合適的瞬時(shí)測頻接收機(jī)數(shù)量。本文可為RWR的改進(jìn)提供參考,同時(shí)也為新型RWR提出了一種效能評估手段。

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