彈道導(dǎo)彈突防干擾機(jī)收發(fā)隔離方法研究*

趙蕾，陳方予，郝昀，郭冬子，鐘世勇

(1. 南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210023； 2. 北京機(jī)電工程總體設(shè)計(jì)部，北京 100854)

空天防御體系與武器

彈道導(dǎo)彈突防干擾機(jī)收發(fā)隔離方法研究*

趙蕾1，陳方予2，郝昀2，郭冬子2，鐘世勇2

(1. 南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210023； 2. 北京機(jī)電工程總體設(shè)計(jì)部，北京 100854)

彈道導(dǎo)彈突防雷達(dá)干擾機(jī)采取主瓣干擾時(shí)，收發(fā)同時(shí)工作十分必要。通過計(jì)算干擾機(jī)收發(fā)信號功率，分析了影響收發(fā)隔離的因素，指出采用收發(fā)功率自適應(yīng)措施可降低收發(fā)隔離要求。然后給出了一個(gè)實(shí)現(xiàn)收發(fā)功率自適應(yīng)控制的電原理參考框圖，指出收發(fā)天線前后分置是解決收發(fā)隔離的一種有效方法，介紹了2種降低波導(dǎo)天線尾瓣增益的方法。最后指出了探討的方法雖然原理上可行，但在實(shí)際工程應(yīng)用中還有許多實(shí)際問題需要解決。

彈道導(dǎo)彈突防；雷達(dá)干擾機(jī)；收發(fā)隔離；功率自適應(yīng)；收發(fā)天線分置；降低尾瓣增益

0 引言

彈道導(dǎo)彈突防雷達(dá)干擾機(jī)通?？晒ぷ髟?種模式下，一種是噪聲壓制干擾模式；另一種是多假目標(biāo)欺騙干擾模式。噪聲信號與雷達(dá)信號不相參，雷達(dá)匹配濾波時(shí)，不能得到處理增益，與雷達(dá)接收目標(biāo)信號相比，功率上會損失一個(gè)處理增益的倍數(shù)[1]，因而，噪聲干擾信號往往需要較大的功率。彈載干擾機(jī)受體積、質(zhì)量和能量限制，往往功率難以做得較大，因此，多假目標(biāo)欺騙干擾模式是彈載干擾機(jī)常用的一種干擾模式。

有效的多假目標(biāo)干擾需要將多假目標(biāo)信號嵌入到彈頭回波信號串中，這樣會取得較好的干擾效果[2]。由此需要多假目標(biāo)信號串中的前幾個(gè)假目標(biāo)信號要超前彈頭回波信號到達(dá)雷達(dá)接收機(jī)。實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，首先需要雷達(dá)干擾機(jī)在雷達(dá)探測方向上要前置于彈頭，在理論上能夠?qū)崿F(xiàn)干擾信號前置，其次還需要雷達(dá)干擾機(jī)反應(yīng)時(shí)間短，在工程上能夠做到干擾信號前置。

需要強(qiáng)調(diào)的是，自衛(wèi)式彈載干擾機(jī)工作時(shí)應(yīng)采取雷達(dá)主瓣干擾方式[3-4](旁瓣支援式干擾需要較大的功率，在彈載平臺上應(yīng)用難度較大)，即反導(dǎo)雷達(dá)探測彈頭時(shí)，雷達(dá)干擾機(jī)與彈頭應(yīng)同處一個(gè)探測雷達(dá)波束內(nèi)。這個(gè)要求在使用上限制了雷達(dá)干擾機(jī)的前置距離，由此要求干擾機(jī)的反應(yīng)時(shí)間必須要短。

為保證假目標(biāo)信號與彈頭回波信號有好的相參性，理想的做法是干擾機(jī)對雷達(dá)探測信號進(jìn)行全脈沖采樣存儲，收發(fā)分時(shí)工作，但當(dāng)雷達(dá)使用寬脈沖信號探測時(shí)，這種做法與干擾機(jī)快速反應(yīng)時(shí)間要求相沖突。一種試圖折衷的方法是，采取高速時(shí)分采樣存儲，這種做法能夠取得低于雷達(dá)相參處理增益6 dB的處理增益[5]。這種高速時(shí)分收發(fā)轉(zhuǎn)換的做法，雖然能夠縮短干擾機(jī)反應(yīng)時(shí)間，但輸出的干擾信號在時(shí)域和頻域上均有缺陷[6-7]，當(dāng)反導(dǎo)雷達(dá)瞬時(shí)帶寬足夠?qū)?，接收信號功率足夠大時(shí)，反導(dǎo)雷達(dá)有可能通過一些檢測方法將這種干擾信號在時(shí)域和頻域上的缺陷檢測出來。

由此看出，要實(shí)現(xiàn)多假目標(biāo)干擾的有效性，同時(shí)要保證多假目標(biāo)信號的逼真性，干擾機(jī)需要收發(fā)同時(shí)工作。

干擾機(jī)收發(fā)同時(shí)工作帶來的問題是干擾機(jī)需要解決收發(fā)隔離問題，這個(gè)問題許多文獻(xiàn)都探討過相應(yīng)的解決方法[8-9]，本文從其他方向探討彈載突防雷達(dá)干擾機(jī)解決收發(fā)隔離問題的方法。

1 解決收發(fā)隔離方法

1.1 干擾機(jī)收發(fā)隔離條件

干擾機(jī)收發(fā)隔離對應(yīng)干擾機(jī)的發(fā)收功率比，要實(shí)現(xiàn)干擾機(jī)的收發(fā)隔離，首先需要分析干擾機(jī)的發(fā)收功率比。

使用雷達(dá)方程和干擾方程計(jì)算公式[1，10]，分別計(jì)算干擾機(jī)接收雷達(dá)信號功率和發(fā)射的假目標(biāo)信號功率(干擾機(jī)與彈頭伴飛時(shí)，通常與彈頭相距較近，距探測雷達(dá)相對較遠(yuǎn)[11-12]，計(jì)算雷達(dá)信號和干擾信號功率傳輸時(shí)，可近似使用同一距離R，另外干擾信號為多假目標(biāo)形式時(shí)，干信比取1，這樣既能保證干擾的有效性，又可降低干擾信號發(fā)射功率，利于收發(fā)隔離)，將兩者相比得到干擾機(jī)發(fā)收功率比K。

(1)

式中：σ為彈頭雷達(dá)散射截面積(RCS)；GjTR為干擾機(jī)發(fā)射天線在雷達(dá)照射方向上的增益；ArR為干擾機(jī)接收天線在雷達(dá)照射方向上的等效口面面積；γ1為干擾機(jī)接收天線極化適配因子；γ2為雷達(dá)接收天線極化適配因子。

因干擾機(jī)接收雷達(dá)信號與發(fā)射干擾信號在同一方向上，當(dāng)干擾機(jī)收發(fā)天線采用類似天線時(shí)，有4πArR=GrRλ2=GjTRλ2，γ1=γ2=γ，代入式(1)得

(2)

由式(2)可見，干擾機(jī)發(fā)收功率比與被掩護(hù)彈頭RCS成正比，與干擾機(jī)收發(fā)天線等效口面面積成反比，與探測雷達(dá)有效輻射功率(ERP)和干擾機(jī)與雷達(dá)之間距離R無關(guān)。

不難看出，只要能夠設(shè)計(jì)干擾機(jī)收發(fā)之間的隔離度大于干擾機(jī)發(fā)收功率比，干擾機(jī)就可實(shí)現(xiàn)收發(fā)隔離，即干擾機(jī)就能收發(fā)同時(shí)工作。

1.2 收發(fā)功率自適應(yīng)控制改善收發(fā)隔離要求

干擾機(jī)收發(fā)隔離度對應(yīng)干擾機(jī)的接收功率和發(fā)射功率，干擾機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，如能將接收門限和發(fā)射信號功率設(shè)計(jì)成能夠隨接收雷達(dá)信號功率變化而自行調(diào)整，這種做法與以往干擾機(jī)接收門限和發(fā)射功率不可調(diào)整的狀況相比，解決收發(fā)隔離問題的難度相對要小些，這個(gè)優(yōu)點(diǎn)可通過下面實(shí)例說明，例如，干擾機(jī)在距雷達(dá)50～500 km距離范圍內(nèi)掩護(hù)彈頭時(shí)，若干擾機(jī)接收門限和發(fā)射信號功率不隨接收雷達(dá)信號功率變化而調(diào)整，即將干擾機(jī)接收門限和發(fā)射信號功率設(shè)計(jì)成定值，設(shè)計(jì)接收門限時(shí)，需要保證干擾機(jī)在距雷達(dá)500 km處能夠接收雷達(dá)信號；設(shè)計(jì)發(fā)射信號功率時(shí)，需要保證干擾機(jī)在距雷達(dá)50 km處發(fā)射的干擾信號能夠干擾雷達(dá)，這種設(shè)計(jì)方法導(dǎo)致遠(yuǎn)距離下干擾信號功率富裕，近距離時(shí)接收靈敏度富裕，要求干擾機(jī)收發(fā)隔離度比式(1)給出的值大100倍(20 dB)。

如果干擾機(jī)采用收發(fā)功率自適應(yīng)控制措施，在收發(fā)隔離要求上，與未采用收發(fā)功率自適應(yīng)措施相比，收發(fā)隔離度可獲得干擾機(jī)最大工作距離與最小工作距離之比平方倍的好處。圖1給出了一個(gè)收發(fā)自適應(yīng)控制電路的原理參考框圖。

圖1中，由接收天線接收的雷達(dá)信號經(jīng)高放放大后，分成2路，一路經(jīng)檢波、幅度量化形成判別門限，限制門限以下的發(fā)射機(jī)串?dāng)_信號進(jìn)入；另一路經(jīng)下變頻，通過門限開關(guān)選通，至DRFM進(jìn)行信號存儲，與多假目標(biāo)信號調(diào)制。干擾機(jī)發(fā)射信號經(jīng)小功率放大器放大后，經(jīng)電調(diào)衰減器進(jìn)行幅度控制，最后經(jīng)大功率放大器放大，由發(fā)射天線輻射出去。這樣就實(shí)現(xiàn)了干擾機(jī)的收發(fā)功率自適應(yīng)控制。

1.3 收發(fā)天線分置實(shí)現(xiàn)收發(fā)隔離

由式(1)可見，降低彈頭RCS和提高干擾機(jī)收發(fā)天線增益(等效口面面積)均可有效降低干擾機(jī)收發(fā)隔離度要求。

彈頭可通過整形、涂敷和調(diào)姿隱身等措施降低在反導(dǎo)雷達(dá)觀測方向上的RCS[13]。

彈載突防干擾機(jī)通常需要在天線前向一個(gè)較大的角域內(nèi)能夠接收雷達(dá)信號和發(fā)射干擾信號，即需要干擾機(jī)收發(fā)天線有較寬的前向波束。較寬的天線前向波束對應(yīng)較平坦且增益不高的天線前向增益方向圖，通過提高干擾機(jī)天線增益降低干擾機(jī)收發(fā)隔離要求的方法最終會受到干擾角域的限制。

干擾機(jī)收發(fā)信號在同一個(gè)頻率上，收發(fā)信號難以在頻域上實(shí)現(xiàn)隔離；同時(shí)干擾機(jī)發(fā)射的干擾信號極化方式需要與雷達(dá)照射信號極化方式匹配，干擾機(jī)收發(fā)信號也難以在極化上實(shí)現(xiàn)隔離[14]，干擾機(jī)可采取的一種收發(fā)隔離方法是設(shè)法在空間上增加收發(fā)天線之間距離，衰減收發(fā)天線之間的干擾信號傳輸，再通過設(shè)置接收信號功率門限，限制干擾信號進(jìn)入干擾機(jī)接收機(jī)，實(shí)現(xiàn)干擾機(jī)收發(fā)信號之間的隔離。下面分析這種做法的理論方法和工程可實(shí)現(xiàn)性。

干擾機(jī)收發(fā)天線分置時(shí)，收發(fā)天線間的距離r能夠保證干擾信號在收發(fā)天線之間的傳輸符合遠(yuǎn)場傳輸條件時(shí)，干擾機(jī)接收機(jī)接收到的干擾信號功率為Prj為

(3)

式中：Pj為干擾機(jī)發(fā)射干擾信號功率；GjTr為干擾機(jī)發(fā)射天線在干擾機(jī)接收天線方向上的增益；Arj為干擾機(jī)接收天線在干擾機(jī)發(fā)射天線方向上的等效口面面積；γ3為干擾機(jī)收發(fā)信號之間的極化適配損失。

干擾機(jī)發(fā)射的干擾信號功率與接收到的干擾信號功率之比Is為

(4)

式中：Is為需要的發(fā)收隔離度。

圖1 收發(fā)自適應(yīng)控制電路電原理參考框圖Fig.1 Receiving and transmitting power self-reacting control principle diagram

由式(4)可見，增大收發(fā)天線之間距離r和減小收發(fā)天線在傳輸方向上的增益均可增大干擾機(jī)收發(fā)之間的干擾信號功率衰減。

顯然，只要Is>K，干擾機(jī)就能夠?qū)崿F(xiàn)收發(fā)隔離。比較式(1)與式(4)，得到干擾機(jī)收發(fā)隔離條件為

(5)

當(dāng)干擾機(jī)收發(fā)天線如圖2前后設(shè)置時(shí)，有ArR=Arj。此時(shí)式(5)簡化為

(6)

圖2 干擾機(jī)收發(fā)天線前后設(shè)置Fig.2 Setting receiving and transmitting antenna of jammer tandem

由式(6)可見，在干擾機(jī)發(fā)射天線前向增益GjTR一定的情況下，減小干擾機(jī)發(fā)射天線后向增益GjTr是提高干擾機(jī)收發(fā)隔離的有效措施。

圓波導(dǎo)天線有較大的前向增益和較小的尾瓣增益，比較適合實(shí)現(xiàn)空間收發(fā)隔離。波導(dǎo)天線邊緣結(jié)構(gòu)不連續(xù)，產(chǎn)生后向散射波和繞射波，是產(chǎn)生尾瓣的主要原因，通過改善波導(dǎo)天線口面結(jié)構(gòu)的不連續(xù)性可抑制波導(dǎo)天線的后向輻射能量，降低尾瓣，可用的方法是在波導(dǎo)天線口面設(shè)置扼流槽(皺紋喇叭)和向后向卷邊(口徑匹配喇叭)[15]，圖3，4給出了2種改進(jìn)的圓波導(dǎo)天線結(jié)構(gòu)圖。皺紋喇叭受槽寬和槽深受尺寸影響，工作帶寬不易做寬；口徑匹配喇叭有相對較寬的工作帶寬。圖5，6分別給出了一種口徑匹配喇叭的3D，2D增益方向圖。

由圖5，6可見，經(jīng)邊緣處理后改進(jìn)的波導(dǎo)天線有較低的后向增益，這對提高干擾機(jī)的收發(fā)隔離十分有利。

圖3 波導(dǎo)天線口面設(shè)置扼流槽(皺紋喇叭)Fig.3 Setting choke groove around wave-guide antenna port (goffer horn)

圖4 波導(dǎo)天線口面邊緣后卷(口徑匹配喇叭)Fig.4 Wave-guide antenna brim reel in backwards (port match horn)

圖5 一種口徑匹配喇叭的3D增益方向圖Fig.5 3D gain pattern of a port match horn

圖6 一種口徑匹配喇叭的2D增益方向圖Fig.6 2D gain pattern of a port match horn

2 設(shè)計(jì)舉例

彈載雷達(dá)干擾機(jī)收發(fā)天線分置通常可有2種方式，一種是左右分置，干擾機(jī)釋放前，收發(fā)天線平行回收，干擾機(jī)釋放后，收發(fā)天線向左右兩側(cè)90°打開；另一種是前后分置，釋放前發(fā)射天線回收在干擾機(jī)本體內(nèi)，釋放后由推桿向前推出。前一種方式因干擾機(jī)整體轉(zhuǎn)動慣量較大，對干擾機(jī)自旋穩(wěn)定影響較大而較少采用，后一種方式國外(俄羅斯)的彈載突防干擾機(jī)有使用。下面通過計(jì)算例子說明收發(fā)天線前后分置實(shí)現(xiàn)干擾機(jī)收發(fā)隔離的工程可實(shí)現(xiàn)性。

假設(shè)彈頭RCS為σ=0.1 m2，反導(dǎo)雷達(dá)工作波長λ=3 cm，突防干擾機(jī)收發(fā)天線在突防角域內(nèi)最小增益等于1(0 dBi)，天線極化適配損耗γ=0.5。

干擾機(jī)收發(fā)天線前后分置，如圖2所示，r=1 m。

根據(jù)電磁波傳輸遠(yuǎn)場條件：

(7)

式中：Gr為接收天線在傳輸方向上的增益；GT為發(fā)射天線在傳輸方向上的增益。

取γ3=0.5，由式(4)算得干擾機(jī)收發(fā)天線之間的干擾信號傳輸功率衰減為

Is高于K值17dB，干擾機(jī)可以實(shí)現(xiàn)收發(fā)隔離，由此看出上面這種收發(fā)隔離方法具有實(shí)際工程意義。

3 結(jié)束語

本文在理論上分析了影響彈載雷達(dá)干擾機(jī)收發(fā)隔離的因素，指出了使用收發(fā)功率自適應(yīng)控制技術(shù)給彈載雷達(dá)干擾機(jī)收發(fā)隔離帶來的好處，說明了空間隔離是一條可行的收發(fā)隔離技術(shù)途徑，指出了收發(fā)天線前后分置情況下，抑制天線尾瓣增益的重要性，介紹了2種降低波導(dǎo)天線尾瓣增益的方法，給出了一個(gè)通過收發(fā)天線前后分置實(shí)現(xiàn)收發(fā)隔離的工程計(jì)算例子，討論了工程可實(shí)現(xiàn)性。目的是希望能夠給廣大彈道導(dǎo)彈突防干擾機(jī)設(shè)計(jì)者提供盡可能的幫助。

本文討論的彈載突防雷達(dá)干擾機(jī)采用收發(fā)功率自適應(yīng)控制措施，干擾機(jī)根據(jù)接收雷達(dá)照射信號功率，調(diào)整接收門限和發(fā)射信號功率，將干擾機(jī)收發(fā)隔離度設(shè)計(jì)成一個(gè)不包含雷達(dá)有效輻射功率和雷達(dá)探測距離參數(shù)的定值，在一個(gè)相對要求較低的量值上實(shí)現(xiàn)干擾機(jī)收發(fā)隔離，這種做法的優(yōu)點(diǎn)在彈載雷達(dá)干擾機(jī)對抗多部反導(dǎo)雷達(dá)時(shí)顯得更加突出，具有適用價(jià)值。

本文在理論上探討了彈道導(dǎo)彈突防雷達(dá)干擾機(jī)實(shí)現(xiàn)收發(fā)隔離的方法，結(jié)果雖然在理論上表明可行，但在具體工程應(yīng)用中還有許多實(shí)際問題需要解決，諸如干擾機(jī)體積限制，收發(fā)天線前后分置后，因轉(zhuǎn)動慣量變化帶來的姿態(tài)穩(wěn)定設(shè)計(jì)，以及寬帶工作給收發(fā)隔離帶來的影響等，這些問題都需要根據(jù)干擾機(jī)的具體情況，進(jìn)行進(jìn)一步的工程設(shè)計(jì)，本文只是試圖在理論上為解決彈載雷達(dá)干擾機(jī)解決收發(fā)隔離問題提供技術(shù)途徑。

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Isolation Between Receiving and Transmitting of BM Penetration Jammer

ZHAO Lei1, CHEN Fang-yu2, HAO Yun2,GUO Dong-zi2, ZHONG Shi-yong2

(1. Nanjing Institute of Industry Technology, Jiangsu Nanjing 210023, China;2. Beijing System Design Institute of Mechanical-Electrical Engineering, Beijing 100854, China)

When ballistic missile(BM) penetration jammer takes the way of interfering the antenna’s main lobe, it is necessary for BM penetration jammer to receive and transmit signal at thesame time. Through computing the power of receiving and transmitting signals of BM penetration jammer, the main factors effecting isolation between receiving and transmitting of BM penetration jammer is analyzed and it is found that the receiving and transmitting power self-reacting control can decreasethe isolation request between receiving and transmitting. Then, an electric principle drawing realizing receiving and transmitting power self-reacting control is proposed, and to separate transmitting and receiving antenna in the front and the rear respectively is an effective method to solve the problem of isolation between receiving and transmitting.In addition, two ways of decreasing wave-guide antenna rear lobe gain are introduced. Finally, it is pointed out that the method is feasible in theory, but there are many problems to be solved in practical engineering application.

ballistic missile(BM) penetration;radar jammer; isolation between receiving and transmitting; power self-reacting; transmit and receive antenna separating; decrease rear beam gain

2015-05-15；

2015-09-30

南京工業(yè)職業(yè)學(xué)院科研基金項(xiàng)目(YK14-02-04)

趙蕾(1978-)，女，江蘇南京人。高工，碩士，主要研究方向?yàn)楹教祀娮訉埂?/p>

10.3969/j.issn.1009-086x.2016.06.001

TJ761.3；TN974

A

1009-086X(2016)-06-0001-06

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