機(jī)載偵察設(shè)備中超外差接收機(jī)帶寬選擇

舒鵬云(南京科瑞達(dá)電子裝備有限責(zé)任公司，南京211100)

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機(jī)載偵察設(shè)備中超外差接收機(jī)帶寬選擇

舒鵬云
(南京科瑞達(dá)電子裝備有限責(zé)任公司，南京211100)

摘要:超外差接收機(jī)應(yīng)用于寬帶偵察設(shè)備時存在截獲概率問題，當(dāng)偵察設(shè)備和雷達(dá)之間存在相互靠近的運(yùn)動時，其真正的截獲距離是小于最大探測距離的不定值，分析表明平均截獲距離與超外差接收機(jī)帶寬具有很大關(guān)系，不同的帶寬對應(yīng)著不同的平均截獲距離。結(jié)合偵察設(shè)備的使用需求，提出了根據(jù)平均截獲距離選擇合適的超外差接收機(jī)帶寬的方法，仿真結(jié)果表明該方法可行。

關(guān)鍵詞:接收機(jī)帶寬;截獲概率;平均截獲距離

0　引言

雷達(dá)偵察設(shè)備的靈敏度越高，其探測距離越遠(yuǎn)，先敵發(fā)現(xiàn)的概率就越大。因此，具有高靈敏度特點(diǎn)的超外差接收機(jī)在雷達(dá)偵察設(shè)備中獲得了廣泛的應(yīng)用。由于超外差接收機(jī)帶寬較窄，應(yīng)用于雷達(dá)偵察設(shè)備等寬帶系統(tǒng)時通常采用頻率掃描的方式來覆蓋較寬的頻率范圍，并且接收機(jī)設(shè)置多個可調(diào)的帶寬，在不同情況下選擇使用［1］。在這種應(yīng)用中需要權(quán)衡下述問題:偵察設(shè)備的超外差接收機(jī)帶寬越窄，靈敏度越高，偵察距離越遠(yuǎn);但是隨著接收機(jī)帶寬的減少，相同時間內(nèi)對雷達(dá)信號的截獲概率也隨之降低，意味著截獲信號所需的時間可能越長。在實(shí)際應(yīng)用情況中，偵察設(shè)備和雷達(dá)之間都存在著相對運(yùn)動，如果需要較長的時間來截獲信號，偵察設(shè)備對雷達(dá)信號的實(shí)際截獲距離就會縮短，先敵發(fā)現(xiàn)的可能性就降低。那么，在偵察時應(yīng)如何選擇超外差帶寬呢?本文以機(jī)載應(yīng)用為例，提供一種分析思路。

1　超外差接收機(jī)典型應(yīng)用模型分析

考慮如下情況，我方電子偵察飛機(jī)飛向敵方陣地，對沿途及陣地進(jìn)行偵察，敵方陣地的防空搜索及制導(dǎo)雷達(dá)、遠(yuǎn)程警戒雷達(dá)等是主要的威脅輻射源。建立模型如圖1所示。

圖1　模型示意圖

該模型中偵察設(shè)備和雷達(dá)描述如下:

(a)雷達(dá)的地理位置固定不動;

(b)雷達(dá)天線進(jìn)行360°圓周掃描，天線波束寬度為θ，掃描周期為Asp，重復(fù)周期為Pri;

(c)偵察設(shè)備隨載機(jī)以較高速度v接近雷達(dá);

(d)偵察設(shè)備測向采用360°實(shí)時全寬開接收方式;

(e)偵察設(shè)備測頻采用帶寬為B的超外差接收機(jī)，掃描頻率范圍為Fs，掃描駐留時間為Ts。

當(dāng)偵察設(shè)備接收的雷達(dá)信號能量等于偵察設(shè)備的靈敏度時，偵察設(shè)備與雷達(dá)之間的距離稱為偵察設(shè)備對該雷達(dá)的最大探測距離D。如果偵察設(shè)備在空域、頻域和時域都能夠?qū)崟r截獲雷達(dá)信號，則其截獲信號時與雷達(dá)的實(shí)際距離R即為最大探測距離D。如果偵察設(shè)備或雷達(dá)在頻域、空域或時域采用搜索工作方式，則偵察設(shè)備截獲雷達(dá)信號的條件為:在偵察設(shè)備與雷達(dá)之間距離小于等于前述最大探測距離的前提下，雷達(dá)波束掃描到偵察設(shè)備的同時，偵察設(shè)備掃描頻段必須覆蓋雷達(dá)信號頻率，并且雷達(dá)發(fā)射脈沖時偵察設(shè)備處于接收狀態(tài)，即時域、頻域、空域三維都同時對準(zhǔn)。因此，如果偵察設(shè)備或雷達(dá)在時域、頻域、空域工作于搜索狀態(tài)時，則偵察設(shè)備對雷達(dá)信號的截獲是非實(shí)時的，需要一定的截獲時間。相對于最大探測距離D，在偵察設(shè)備截獲信號時，飛機(jī)已經(jīng)以速度v飛行了時間t(截獲信號所需時間)，所以偵察設(shè)備的實(shí)際截獲距離R小于最大探測距離D。在實(shí)際情況中，因?yàn)榻孬@時間t是隨機(jī)變量，所以距離R也是一個隨機(jī)的不確定值。因此，通常是研究R的均值，本文稱之為平均截獲距離。在上述模型中，從偵察設(shè)備的角度來看，平均截獲距離與超外差接收機(jī)的帶寬密切相關(guān)。在實(shí)際應(yīng)用中，可將“獲得最大平均截獲距離”作為重要參考因素，選擇合適的接收機(jī)帶寬。

1.1帶寬與最大探測距離關(guān)系

在偵察設(shè)備中，接收機(jī)帶寬是影響探測距離的重要因素。偵察設(shè)備對雷達(dá)的最大探測距離D由下式［1］決定:

其中，Pt為雷達(dá)發(fā)射機(jī)功率(dBm)，Gt為雷達(dá)天線增益(dB)，Gr為偵察設(shè)備天線增益(dB)，F(xiàn)為雷達(dá)射頻頻率(MHz)，S為偵察設(shè)備接收機(jī)靈敏度(dBm)，L為偵察設(shè)備系統(tǒng)損耗(dB)。接收機(jī)靈敏度S =－114 + 10lg(B)+ NF+ SNR［2－3］，其中，B為接收機(jī)帶寬(MHz)，NF為接收機(jī)噪聲系數(shù)(dB)，SNR為正常處理所需信噪比(dB)。將S代入式(1)得式(2)表明了偵察設(shè)備對不同雷達(dá)的最大探測距離與接收機(jī)帶寬之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。

1.2帶寬與平均截獲時間關(guān)系

偵察截獲概率表現(xiàn)了在滿足能量條件下偵察設(shè)備在多維空間中檢測雷達(dá)信號的統(tǒng)計特性。偵察設(shè)備對雷達(dá)信號的截獲時間t與截獲概率Poi的關(guān)系滿足下式［4］:

式中

其中，n為搜索窗個數(shù)，τi為第i個搜索窗的平均寬度，Ti為第i個搜索窗的平均搜索周期。通常搜索窗口為空域、頻域和時域等3個窗口。

根據(jù)第1節(jié)設(shè)定的模型，雷達(dá)天線波束寬度為θ，并以Asp為周期進(jìn)行360°圓周掃描，偵察設(shè)備在360°方位上實(shí)時全寬開。因此，空域搜索窗口τ1= Asp· θ/360，T1= Asp。偵察設(shè)備以接收機(jī)帶寬B為增量、Ts為駐留時間，順序掃描頻率范圍Fs，當(dāng)偵察設(shè)備掃描頻段覆蓋雷達(dá)射頻時，即滿足頻域截獲條件。因此，頻域搜索窗口τ2= Ts，T2= Ts·(Fs/B)。在時域搜索窗口，可知τ3= Pw，T3= Pri。如果分別將上述τi和Ti帶入式(3)，得到的是一個脈沖的截獲時間與截獲概率的關(guān)系式。事實(shí)上偵察設(shè)備必須連續(xù)截獲一定個數(shù)的脈沖才能正確分選出雷達(dá)信號，所以可換一個角度分析并推導(dǎo)所求關(guān)系式。

在空域和頻域發(fā)生一次截獲事件時，搜索窗個數(shù)n為2，截獲時間t與截獲概率Poi的關(guān)系由式(3)確定，τ1、τ2、T1、T2分別對應(yīng)前述的空域和頻域搜索窗的各值。設(shè)雷達(dá)的重復(fù)間隔為Pri，所需連續(xù)截獲的脈沖個數(shù)為P，令τ= P·Pri。由T=∏2Ti/∑2

ndn0i =1(τ－τ)i =1

id 1和P=∏2(τi－τd)所確定的式(3)，即為連(τ－τ)0i =1T

id i續(xù)截獲Pn個脈沖時的截獲時間t和截獲概率Poi之間的關(guān)系［5］。由前述可得

駐留時間Ts與偵察設(shè)備測量的重復(fù)間隔最大值PRImax相關(guān)［6］，不失一般性設(shè)偵察設(shè)備需要接收到至少4個脈沖時才能夠正確處理雷達(dá)信號，則Ts至少為4倍PRImax?？紤]到由于脈沖重疊或低信噪比造成的脈沖丟失或畸變的情況，Ts通常會增加數(shù)倍PRImax的時間，假設(shè)增加2倍PRImax的時間，則駐留時間Ts為6 倍PRImax。由于需要至少接收4個脈沖，即Pn=4，因此τd=4Pri。

當(dāng)偵察設(shè)備的頻率范圍Fs、PRImax(決定Ts)以及主要的威脅雷達(dá)確定后(決定Asp、θ和Pri)，截獲時間則取決于所要達(dá)到的截獲概率和接收機(jī)的帶寬，三者關(guān)系由式(3)、(4)、(5)確定。

1.3帶寬與平均截獲距離關(guān)系

搜索系統(tǒng)的截獲概率與截獲時間的關(guān)系由式(3)決定。如果偵察設(shè)備與雷達(dá)之間以徑向速度v相互接近，當(dāng)截獲到雷達(dá)信號時花費(fèi)的截獲時間為t，則此時偵察設(shè)備與雷達(dá)之間距離縮短了vt，當(dāng)t為上節(jié)討論的平均截獲時間時，平均截獲距離R = D－vt，將式(2)和式(3)代入，整理得

式(6)表明了平均截獲距離與超外差接收機(jī)帶寬的關(guān)系，在實(shí)際應(yīng)用中可以根據(jù)不同的任務(wù)需求，參考上式來選擇超外差接收機(jī)的帶寬。

2　超外差接收機(jī)帶寬選擇

執(zhí)行偵察任務(wù)時可根據(jù)重點(diǎn)防范或關(guān)注的雷達(dá)選擇超外差接收機(jī)帶寬，如果能夠依據(jù)積累的情報獲知雷達(dá)參數(shù)是最理想的，如果不能則可根據(jù)雷達(dá)用途參考同類型雷達(dá)。設(shè)某雷達(dá)偵察設(shè)備在方位上采用全向接收體制，在頻率上采用超外差接收機(jī)掃描的方式，其指標(biāo)規(guī)定的頻率覆蓋范圍為2～18 GHz、PRI測量范圍為3 μs～10 ms，則頻率覆蓋范圍Fs為16000 MHz，頻率掃描駐留時間Ts為60 ms，天線增益Gr(根據(jù)實(shí)際使用的天線類型有所不同)、通道損耗L、接收機(jī)噪聲系數(shù)NF、處理所需信噪比SNR等參數(shù)可由實(shí)際測量或工程經(jīng)驗(yàn)獲得，參數(shù)如表1所示。

假設(shè)某次任務(wù)以某地面防空雷達(dá)作為主要威脅，該雷達(dá)參數(shù)如表2所示，此模式下雷達(dá)的最大作用距離為40 km。

表1　偵察設(shè)備的有關(guān)參數(shù)天線增益

觀察式(3)可知，隨著截獲時間的增加，截獲概率Poi只能無限趨近于1。如果取Poi=1，式(6)的末項(xiàng)無意義，因此在分析中取Poi=99%。假設(shè)飛機(jī)飛行速度v =500 km/h，將Poi、v、表1、表2等數(shù)據(jù)帶入式(4)、(5)和(6)，獲得平均截獲距離R與帶寬B之間的關(guān)系曲線，如圖2所示。從圖中可以看出，帶寬選擇370 MHz時的平均截獲距離最大，為50 km，大于雷達(dá)的最大作用距離。

假設(shè)某次任務(wù)以某一地面遠(yuǎn)程對空警戒雷達(dá)作為主要威脅，該雷達(dá)參數(shù)如表3所示，此模式下雷達(dá)最大作用距離為370 km。

圖2　接收機(jī)帶寬對此雷達(dá)的平均截獲距離

表3　某地面遠(yuǎn)程對空警戒雷達(dá)的有關(guān)參數(shù)峰值功率

將Poi、v、表1、表3等數(shù)據(jù)帶入式(4)、(5)和(6)，獲得平均截獲距離R與帶寬B之間的關(guān)系曲線。為觀察方便，將圖按不同比例截成兩幅，如圖3所示。

圖3　接收機(jī)帶寬對此雷達(dá)平均截獲距離

可以發(fā)現(xiàn)，圖3曲線變化趨勢與圖2相同，只是平均截獲距離最大值對應(yīng)的帶寬更小，并且圖中任意帶寬值所對應(yīng)的平均截獲距離都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于雷達(dá)的最大作用距離。進(jìn)一步分析可以知道，這是由于遠(yuǎn)程對空警戒雷達(dá)的發(fā)射功率非常大、天線增益很高，偵察設(shè)備接收機(jī)帶寬減小所增加的探測距離比帶寬減小所增加的截獲時間具有壓倒性優(yōu)勢。在這種情況下，選擇接收機(jī)帶寬時就不必追求最大平均截獲距離，需要兼顧考慮對其他雷達(dá)的截獲或雷達(dá)射頻捷變的情況，通?？蛇x取400 MHz左右。

3　結(jié)束語

該方法將理論推導(dǎo)與工程經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合開展研究，仿真結(jié)果與實(shí)際使用情況是相吻合的。雖然本方法的分析研究是基于機(jī)載雷達(dá)偵察設(shè)備所建立的模型，但是仍具有較為廣泛的使用價值。例如，在潛艇使用的雷達(dá)偵察設(shè)備中，超外差接收機(jī)帶寬的選擇也可以使用該方法，與本文所述模型不同之處僅僅是反潛飛機(jī)所載的雷達(dá)處于運(yùn)動狀態(tài)而偵察設(shè)備靜止，但是其模型原理是相同的。

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Bandwidth selection of a superheterodyne receiver in airborne reconnaissance equipment

SHU Peng-yun
(Nanjing CORAD Electronic Equipment Co.，Ltd.，Nanjing 211100)

Abstract:The problem of intercept probability may occur when a superheterodyne receiver is applied in the wideband reconnaissance equipment.If the reconnaissance equipment and the radar are approaching each other，the actual intercept range is a variable less than the maximum detection range.It is indicated that the average intercept range is closely associated with the bandwidth of the superheterodyne receiver.Different bandwidths correspond to different average intercept ranges.Based on the operation requirements of the reconnaissance equipment，a method of using the average intercept range to select the appropriate bandwidth of the superheterodyne receiver is presented.The results indicate that the method is feasible.

Keywords:receiver bandwidth; intercept probability; average intercept range

作者簡介:舒鵬云(1970-)，男，高級工程師，碩士，研究方向:電子對抗裝備研制。

收稿日期:2015-01-12;修回日期:2015-01-20

文章編號:1009－0401(2015)01－0046－04

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

中圖分類號:TN957.5