基于探測(cè)性能的艦載雷達(dá)電磁兼容分析

方小星，朱志宇，張　冰，李　陽2

(江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，　江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

?

基于探測(cè)性能的艦載雷達(dá)電磁兼容分析

方小星，朱志宇，張冰，李陽2

(江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

摘要：針對(duì)艦船編隊(duì)時(shí)同種雷達(dá)較多，相互之間存在電磁兼容影響的問題,利用描述雷達(dá)探測(cè)性能的最大作用距離的衰減來描述雷達(dá)系統(tǒng)中同頻段間的電磁兼容程度。首先，分別建立相同工作頻段、不同頻率雷達(dá)間的電磁兼容模型；得到整雷達(dá)系統(tǒng)的電磁兼容模型。然后，通過仿真定量分析了模型的雷達(dá)間距、壓制系數(shù)、靈敏度等重要參數(shù)對(duì)電磁兼容的影響，對(duì)發(fā)揮協(xié)同作戰(zhàn)雷達(dá)的最大效益提供了數(shù)字化分析依據(jù)。

關(guān)鍵詞：電磁兼容；艦載雷達(dá)；最大作用距離；相同工作頻段

0引言

艦船編隊(duì)時(shí)，由于同型號(hào)軍艦的雷達(dá)配置上很多都是同種雷達(dá)。當(dāng)同頻或者相近頻率的雷達(dá)同時(shí)工作時(shí)，就不能忽略雷達(dá)間的電磁兼容。電磁兼容性的好壞將直接影響雷達(dá)的工作性能，甚至左右一場(chǎng)海戰(zhàn)的勝負(fù)。所以，需要對(duì)雷達(dá)間的電磁兼容程度進(jìn)行預(yù)測(cè)。國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)此作了很多研究，有基于干擾三要素所提出的電磁兼容模型[1-3]，一般都是用輻射源的有效干擾功率與敏感設(shè)備的靈敏度門限值的差值得到干擾裕量來預(yù)測(cè)電磁兼容程度；也有基于雷達(dá)的信干比的電磁兼容模型，文獻(xiàn)[4]通過分析了雷達(dá)檢測(cè)因子與虛警概率、檢測(cè)概率的關(guān)系，利用綜合信干比與檢測(cè)因子之間的關(guān)系來建立電磁兼容模型；文獻(xiàn)[5]利用雷達(dá)耦合時(shí)的干噪比大于檢測(cè)門限的概率來建立電磁兼容模型。本文利用雷達(dá)在受到干擾的情況下，探測(cè)能力會(huì)降低，其最大作用距離衰減的特性，對(duì)整個(gè)編隊(duì)的同頻段的艦載雷達(dá)建立電磁兼容模型。

1雷達(dá)系統(tǒng)電磁兼容模型

1.1相同工作頻段非同頻時(shí)電磁兼容模型

通過雷達(dá)方程[6]知道，無干擾時(shí)，雷達(dá)的最大作用距離為

(1)

式中：P為雷達(dá)的發(fā)射功率；G為雷達(dá)天線增益；λ為雷達(dá)發(fā)射電磁波波長(zhǎng)；σ為目標(biāo)散射截面積；Smin為雷達(dá)最小可檢測(cè)信號(hào)；L為雷達(dá)發(fā)射并接收電磁波過程中的能量損耗。

L的dB單位表達(dá)式為

(2)

式中：L′為大氣吸收損耗、雨雪損耗、兩部雷達(dá)的天線罩損耗、饋線傳輸損耗等各種損耗的和；LP為極化損耗, 即兩部雷達(dá)極化方式的差異引入的損耗, 現(xiàn)代雷達(dá)大多采用線極化, 如果兩部雷達(dá)極化方式相同, 極化損失取0 dB, 否則極化損失較大, 一般取20 dB；Lr=(32.5+20lgf+20lgR)為電磁波空間傳播損耗, 其中，f為頻率(單位為MHz)，R為傳播距離(單位為km)。

假設(shè)有N部雷達(dá)同時(shí)工作，且存在同頻干擾。一般的情況下，雷達(dá)多在同頻段非同頻狀態(tài)下工作，此時(shí)雷達(dá)n收到其他雷達(dá)的干擾會(huì)受到接收機(jī)的選擇性曲線產(chǎn)生的對(duì)無用發(fā)射機(jī)發(fā)射頻譜抑制的影響。此系數(shù)(FDR)可由ITU-R SM.337-6建議書得出。

(3)

式中：P(f)為干擾信號(hào)等效中頻的功率譜密度；H(f)為接收機(jī)的頻率響應(yīng)；Δf=ft-fr，ft為干擾源的即時(shí)頻率，fr為接收機(jī)的調(diào)諧頻率。

FDR可以分為兩項(xiàng)，調(diào)諧抑制(OTR)和頻率失諧抑制(OFR)，后者是由干擾源和接收機(jī)失諧產(chǎn)生的額外抑制。

FDR(Δf)=OTR+OFR(Δf)dB

(4)

其中

(5)

第n個(gè)雷達(dá)收到的其他雷達(dá)的干擾Pm可表示為

(6)

式中：Pi為相鄰干擾雷達(dá)i的發(fā)射功率；Gi為相鄰干擾雷達(dá)i的天線增益；Gn為受干擾雷達(dá)n的天線接收增益；γn為雷達(dá)i干擾信號(hào)對(duì)雷達(dá)n接收天線的極化系數(shù)；Rin為雷達(dá)i與受干擾雷達(dá)n之間距離；Lin為雷達(dá)i發(fā)射的電磁波被雷達(dá)n接收過程中的能量損耗；FDRni為第i個(gè)雷達(dá)干擾對(duì)雷達(dá)n的頻率相關(guān)抑制系數(shù)，這里為一般值，不為dB值；λti為第i個(gè)干擾雷達(dá)的波長(zhǎng)。

雷達(dá)n收到的目標(biāo)信號(hào)功率Prs為

(7)

式中：Rn為雷達(dá)n與目標(biāo)的距離；λrn為雷達(dá)n的波長(zhǎng)。

在受干擾條件下，雷達(dá)若要發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，收到的目標(biāo)信號(hào)功率Prs和接收的干擾功率Prj(Prj=Prn)必須滿足以下條件

(8)

式中：Kn為第n個(gè)雷達(dá)的壓制系數(shù)。

(9)

(10)

1.2可能出現(xiàn)空間對(duì)準(zhǔn)時(shí)電磁兼容模型

1.2.1被干擾雷達(dá)可被對(duì)準(zhǔn)

當(dāng)被雷達(dá)天線對(duì)準(zhǔn)，接收機(jī)前端會(huì)出現(xiàn)過載現(xiàn)象，電磁兼容程度很差，可認(rèn)為電磁兼容程度μ=0。

如果被干擾雷達(dá)2和干擾雷達(dá)1兩個(gè)雷達(dá)的掃描范圍內(nèi)，就要考慮雷達(dá)1對(duì)雷達(dá)2對(duì)準(zhǔn)時(shí)的情況。假設(shè)雷達(dá)1、2的距離為R12，以雷達(dá)1為球心，R12為半徑作一個(gè)球面，使得雷達(dá)2落在球面上，用雷達(dá)1的水平掃描角度?1和俯仰掃描角度θ1將其掃描面積表示出來。同樣的方法將對(duì)準(zhǔn)雷達(dá)2的極限面積表示出來，如圖1所示。

圖1　對(duì)準(zhǔn)范圍模擬圖

圖1中最小的圓是某個(gè)時(shí)刻的波束的極限對(duì)準(zhǔn)面積W，將W沿著黑點(diǎn)平移一圈，得到的所有范圍為V；U是雷達(dá)掃描范圍。干擾概率p21為

(11)

(12)

故p21的最終值與雷達(dá)1、2之間的距離無關(guān)。

假設(shè)有M個(gè)雷達(dá)對(duì)雷達(dá)n可對(duì)準(zhǔn)。雷達(dá)i對(duì)雷達(dá)n的對(duì)準(zhǔn)概率為

(13)

(14)

(15)

1.2.2干擾雷達(dá)與被干擾雷達(dá)可相互對(duì)準(zhǔn)

當(dāng)兩個(gè)雷達(dá)的主瓣波束可以相互對(duì)準(zhǔn)的時(shí)候，既需要避免對(duì)其他天線的對(duì)準(zhǔn)，也需要避免對(duì)準(zhǔn)其他天線。

首先，由文獻(xiàn)[9]知道兩個(gè)雷達(dá)相互對(duì)準(zhǔn)需要水平方位和俯仰方位都對(duì)準(zhǔn)，其概率為

(16)

式中：Ph為水平方位對(duì)準(zhǔn)概率；α1、α2為雷達(dá)1和雷達(dá)2的天線波束寬度；?1、?2為雷達(dá)1、2天線水平掃描區(qū)域的角度(?1、?2在文獻(xiàn)中默認(rèn)為360°)；Pv為俯仰方位對(duì)準(zhǔn)概率；β1、β2雷達(dá)1和雷達(dá)2俯仰波束寬度；θ1、θ2為雷達(dá)1和雷達(dá)2俯仰角的掃描范圍。

(17)

(18)

那么其電磁兼容程度μ″m為

μ″m=

(19)

1.3艦載相同頻段雷達(dá)組成的系統(tǒng)間電磁兼容模型

將所有相同頻段的雷達(dá)組成一個(gè)系統(tǒng)，預(yù)測(cè)整個(gè)艦載雷達(dá)系統(tǒng)的電磁兼容程度。假設(shè)總共有N部雷達(dá)，K個(gè)雷達(dá)可以對(duì)準(zhǔn)其他雷達(dá)，其中有M個(gè)雷達(dá)可以兩兩對(duì)準(zhǔn)，則總電磁兼容程度為

(20)

式中：ηi為第i個(gè)雷達(dá)的重要系數(shù)。

在建立了雷達(dá)系統(tǒng)的電磁兼容模型后可以看出，雷達(dá)的各種技術(shù)參數(shù)對(duì)電磁兼容程度都有一定的影響。

2算例分析

通過算例分析雷達(dá)參數(shù)對(duì)于電磁兼容程度的影響。為方便計(jì)算，將所有雷達(dá)放在同一水平面考慮。表1給出了四部同頻段(9 000 MHz～9 100 MHz)雷達(dá)的主要技術(shù)參數(shù)。

表1雷達(dá)的主要技術(shù)參數(shù)

假設(shè)雷達(dá)A～D功率偏移譜密度ΔP(Δf)與接收機(jī)的頻率響應(yīng)H(f)為

ΔP(Δf)dB=

(21)

(22)

式中：Δf為與工作頻率的偏移。

經(jīng)計(jì)算可得：1/FDRnA≈0.858 2；1/FDRnB≈0.866 8；1/FDRnC≈0.866 8；1/FDRnD≈0.429 3。

2.1雷達(dá)間距對(duì)電磁兼容程度μ的影響

圖2給出了兩兩雷達(dá)之間的電磁兼容性與雷達(dá)間距關(guān)系圖。

圖2　雷達(dá)電磁兼容性與雷達(dá)間距關(guān)系

圖2中，μ是電磁兼容程度，R是兩雷達(dá)相距的距離。由圖中雷達(dá)B對(duì)雷達(dá)A曲線、雷達(dá)D對(duì)雷達(dá)A曲線和雷達(dá)C對(duì)雷達(dá)A曲線可以明顯看出，雷達(dá)C對(duì)雷達(dá)A的干擾最大，雷達(dá)D最小。而且此五部雷達(dá)中，雷達(dá)A對(duì)雷達(dá)D的干擾最大，電磁兼容性最差。

2.2雷達(dá)重要系數(shù)對(duì)總電磁兼容的影響

通過雷達(dá)間距對(duì)電磁兼容程度影響的仿真可以看出兩雷達(dá)之間距離越遠(yuǎn)電磁兼容程度越高?，F(xiàn)在做如下假設(shè)：雷達(dá)C與雷達(dá)D相距21.2132km、雷達(dá)A與雷達(dá)C相距22.1044km、雷達(dá)D與雷達(dá)A相距22.104 4 km；雷達(dá)A完全在雷達(dá)D的掃描范圍內(nèi)。雷達(dá)C、D的重要系數(shù)相同，雷達(dá)A、C、D三個(gè)雷達(dá)組成一個(gè)雷達(dá)協(xié)同系統(tǒng)，三個(gè)雷達(dá)的重要系數(shù)總和為1。下面是雷達(dá)A重要度系數(shù)與整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)電磁兼容程度的關(guān)系。

圖3中，η是雷達(dá)A的重要系數(shù)，Φ是整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)的電磁兼容程度。從圖中可以看出：雷達(dá)重要度越大整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)的Φ越小，說明雷達(dá)A對(duì)整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)的干擾程度高。

圖3　雷達(dá)A重要度系數(shù)與總電磁兼容程度關(guān)系

2.3雷達(dá)靈敏度對(duì)總電磁兼容 的影響

假設(shè)雷達(dá)A、C、D重要度系數(shù)分別為0.20、0.35、0.45；分別對(duì)雷達(dá)A、C、D中的一個(gè)雷達(dá)靈敏度進(jìn)行變化仿真時(shí)，其他雷達(dá)采用表1中的參數(shù)。靈敏度越高，最小可檢測(cè)信號(hào)最小。圖4是雷達(dá)最小可檢測(cè)信號(hào)大小對(duì)總電磁兼容的影響圖。

圖4　雷達(dá)靈敏度與總電磁兼容的關(guān)系

圖4中Smin是雷達(dá)的最小可檢測(cè)信號(hào)大??；Φ是整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)的電磁兼容程度。從圖中可以看出：最小可檢測(cè)信號(hào)越小，靈敏度越高，而整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)的電磁兼容程度越小，所以雷達(dá)靈敏度越高越容易干擾，在雷達(dá)A、C、D組成的系統(tǒng)實(shí)際工作情況下中，雷達(dá)D的靈敏度的增大對(duì)Φ影響最大，雷達(dá)C次之，雷達(dá)A最小。

2.4雷達(dá)壓制系數(shù)對(duì)總電磁兼容Φ的影響

下面對(duì)雷達(dá)的壓制系數(shù)進(jìn)行分析，假設(shè)雷達(dá)A、C、D重要度系數(shù)分別為0.20、0.35、0.45；分別對(duì)雷達(dá)A、C、D中的一個(gè)雷達(dá)壓制系數(shù)進(jìn)行變化仿真時(shí)，其他雷達(dá)采用表1中的參數(shù)。仿真圖如圖5所示。

圖5　雷達(dá)壓制系數(shù)與總電磁兼容的關(guān)系

圖5中，K是雷達(dá)壓制系數(shù)，Φ是整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)的電磁兼容程度。圖中可以看出：壓制系數(shù)越大，雷達(dá)電磁兼容程度越大，而且雷達(dá)A的壓制系數(shù)的增大對(duì)Φ影響最小，雷達(dá)C次之，雷達(dá)D最大。

3結(jié)束語

利用雷達(dá)的最大作用距離的損耗大小分析雷達(dá)間的電磁兼容程度，建立了整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)的總電磁兼容程度模型，應(yīng)用本文提出的分析方法，可以在海戰(zhàn)場(chǎng)上進(jìn)行雷達(dá)任務(wù)調(diào)度時(shí)對(duì)總電磁兼容程度的影響數(shù)字化，對(duì)發(fā)揮協(xié)同作戰(zhàn)雷達(dá)的最大效益提供分析依據(jù)。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]胡皓全, 楊顯清, 趙家升. 雷達(dá)之間電磁干擾預(yù)測(cè)模型研究[J]. 電子科技大學(xué)學(xué)報(bào), 2001,30(1): 37-40.

HU Haoquan,YANG Xianqing, ZHAO Jiasheng. Research on electromagnetic interference prediction model in radar system[J]. Journal of Electronic Technology University, 2001, 30(1): 37-40.

[2]趙欣楠, 程光偉. 雷達(dá)系統(tǒng)間電磁兼容性的計(jì)算與預(yù)測(cè)[J]. 火控雷達(dá)技術(shù), 2007, 36(4): 48-51.

ZHAO Xinnan, CHENG Guangwei. Prediction and evaluation of EMC in radar system[J]. Firepower Control Radar Technology, 2007, 36(4): 48-51.

[3]DANIEL W, TAM S, AZU C. A computer-aided design technique for EMC analysis[C]//1995 IEEE Electromagnetic Compatibility Symposium. Atlanta: IEEE Press,1995: 234-235.

[4]王先超, 栗飛. 海戰(zhàn)場(chǎng)電子干擾環(huán)境下雷達(dá)作用距離建模與仿真[J]. 海軍航空工程學(xué)院學(xué)報(bào), 2014, 29(1): 43-46.

WANG Xianchao, LI Fei. Under the sea battlefield electronic interference environment radar distance modeling and simulation[J]. Naval Aviation Engineering College, 2014, 29(1): 43-46.

[5]TERRY F. Antenna coupling model for radar electromagnetic compatibility analysis[J]. IEEE Transactions on EMC,1989, 31(1): 85-87.

[6]馬哈夫扎. 雷達(dá)系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)[M]. 劉永堅(jiān), 倪嘉驪, 譯. 北京：電子工業(yè)出版社, 2008.

MAHAFZA. Radar system analysis and design[M]. LIU Yongjian, LI Jiali, translate. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2008.

[7]李圭源, 張厚, 殷雄, 等. 基于作用距離衰減的雷達(dá)間電磁兼容模型[J]. 電訊技術(shù), 2010, 50(3): 49-53.

LI Kuiyuan, ZHANG Hou, YIN Xiong, et al. Radar EMC model based on the role of distance attenuation[J].Telecommunications Technology, 2010,50(3): 49-53.

[8]史豪杰, 邢清華, 劉付顯. 基于最大作用距離損耗的雷達(dá)間電磁兼容度量新方法[J]. 現(xiàn)代防御技術(shù), 2010, 38(6): 138-140.

SHI Haojie, XING Qinghua, LIU Fuxian. New methods of radar EMC based on the loss of maximum range[J]. Modern Defense Technology, 2010, 38(6): 138-140.

[9]侯民勝. 雷達(dá)之間的干擾及概率計(jì)算[J]. 雷達(dá)與對(duì)抗, 2006(2): 16-18.

HOU Minsheng. The interference and probability calculation between the radar[J]. Radar and ECM, 2006 (2): 16-18.

方小星男，1991年生，碩士研究生。研究方向?yàn)殡姶偶嫒莘治觥?/p>

朱志宇男，1971年生，教授，碩士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化、智能控制、信號(hào)與信息處理、電磁兼容等。

張冰女，1967年生，教授，碩士生導(dǎo)師。研究方向?yàn)槔走_(dá)信號(hào)處理、電磁兼容。

李陽男，1978年生，博士，講師。研究方向?yàn)殡姶偶嫒荨?/p>

Electromagnetic Compatibility Analysis of Ship-borne Radar Based on Radar Detection Performance

FANG Xiaoxing，ZHU Zhiyu，ZHANG Bing，LI Yang

(Department of Electronics and Information,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212003, China)

Abstract：Aimed at the electromagnetic compatibility(EMC) problems between same working band radars on fleet battle ships, radar detection performance such as maximum radar range is used to describe the EMC degree between the radars in radar system. The EMC degree model of entire radar system can be gotten by establishing EMC model of every two radars.Through the simulation, the relationship is analysed between the degree of EMC and several important parameters in the model such as the distance between the radar and so on which provides a digital basis for analyzing maximum benefit of the radar in coordinating combat.

Key words：EMC; ship-borne radar; maximum operating range; same working band

中圖分類號(hào)：TN959.7

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1004-7859(2016)02-0006-05

收稿日期：2015-10-19

修訂日期：2015-12-16

通信作者：方小星Email：fang_xiaoxing@126.com

基金項(xiàng)目：船舶預(yù)研支撐技術(shù)基金資助項(xiàng)目(13J3.3.5)；江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目(KYLX15_1109)

DOI：·總體工程· 10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.02.002