復(fù)雜電磁環(huán)境壓制干擾對機(jī)載警戒雷達(dá)的影響

王軍東

(中國飛行試驗(yàn)研究院,西安 710089)

?

復(fù)雜電磁環(huán)境壓制干擾對機(jī)載警戒雷達(dá)的影響

王軍東

(中國飛行試驗(yàn)研究院,西安 710089)

復(fù)雜電磁環(huán)境對雷達(dá)作用的正常發(fā)揮提出了更高的要求,其直接影響雷達(dá)對目標(biāo)的探測能力。文中分析了壓制性干擾對警戒雷達(dá)發(fā)現(xiàn)概率和探測距離兩個主要性能指標(biāo)的影響，并對復(fù)雜電磁環(huán)境下警戒雷達(dá)探測性能進(jìn)行了驗(yàn)證。同時，提出了利用探測性能評估機(jī)載警戒雷達(dá)抗壓制干擾能力的方法。

復(fù)雜電磁環(huán)境; 壓制性干擾; 發(fā)現(xiàn)概率;探測距離

0 引 言

現(xiàn)代戰(zhàn)場上雷達(dá)的工作避不開復(fù)雜電磁環(huán)境的影響，因此，復(fù)雜電磁環(huán)境下雷達(dá)的抗干擾技術(shù)成為雷達(dá)領(lǐng)域的重要研究課題。雷達(dá)面臨的電磁環(huán)境越來越復(fù)雜，對雷達(dá)抗干擾能力的要求亦越來越高。如何評價復(fù)雜電磁環(huán)境下雷達(dá)的抗干擾能力，成為雷達(dá)設(shè)計(jì)廠所和部隊(duì)作戰(zhàn)使用部門共同關(guān)心的課題。

近年來，國內(nèi)雷達(dá)領(lǐng)域的相關(guān)學(xué)者和工程技術(shù)人員，從理論到工程應(yīng)用方面，對雷達(dá)抗干擾能力評估方面作了大量的研究，并取得了很好的成果[1-3]。但雷達(dá)抗干擾能力評估問題復(fù)雜，迄今為止沒有形成統(tǒng)一的方法和公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)。文獻(xiàn)[4-5]對噪聲干擾進(jìn)行仿真，基于單獨(dú)的計(jì)算機(jī)仿真來模擬戰(zhàn)場環(huán)境，得出的結(jié)果在實(shí)踐中利用率并不高，也難以說明在戰(zhàn)場上的實(shí)際使用效果。本文主要研究雷達(dá)在未來戰(zhàn)場上面臨的敵方施放的有針對性的壓制性干擾而形成的電磁環(huán)境，評估機(jī)載警戒雷達(dá)的抗干擾性能。

1 復(fù)雜電磁環(huán)境下警戒雷達(dá)受壓制性干擾特性

警戒雷達(dá)受到敵方的電子干擾時，效能會受到削弱。由于警戒雷達(dá)工作方式為多目標(biāo)的探測跟蹤，因此，受到的干擾主要為有源壓制性干擾，直接影響其發(fā)現(xiàn)概率和探測距離，最終縮短其預(yù)警時間，受到的威脅等級提高。

雷達(dá)有源壓制性干擾的主要目的是造成對雷達(dá)的目標(biāo)信號的壓制，當(dāng)雷達(dá)受到有源壓制干擾時，隨著干擾強(qiáng)度的增加，將會使雷達(dá)主瓣和副瓣扇面內(nèi)背景增強(qiáng)，使得無法觀測和發(fā)現(xiàn)干擾區(qū)域內(nèi)的目標(biāo)，在雷達(dá)目標(biāo)檢測中將會出現(xiàn)點(diǎn)跡混亂、航跡錯誤，以致無法探測或跟蹤到目標(biāo)。各種干擾方式都是為了使雷達(dá)在規(guī)定發(fā)現(xiàn)概率和虛警概率條件下的發(fā)現(xiàn)距離下降。雷達(dá)抗有源壓制干擾就是與同時域、同頻域和同空域情況下力求減小干擾影響，即降低雷達(dá)發(fā)現(xiàn)距離的下降程度[6-8]。

壓制性干擾是用噪聲或類似噪聲的干擾信號遮蓋或淹沒有用信號,阻止雷達(dá)檢測目標(biāo)信號。雷達(dá)對目標(biāo)的檢測基于一定的概率，如果目標(biāo)信號能量與噪聲能量相比,超過檢測門限,則可以保證在一定虛警概率的條件下達(dá)到一定的檢測概率，壓制干擾就是使強(qiáng)干擾功率進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī),盡可能降低信噪比,造成雷達(dá)對目標(biāo)檢測的困難。壓制性干擾效果表現(xiàn)為雷達(dá)或含有雷達(dá)的作戰(zhàn)系統(tǒng)由于受到干擾而造成的作戰(zhàn)性能的下降。

2 壓制性干擾對警戒雷達(dá)發(fā)現(xiàn)概率的影響

雷達(dá)信號的檢測性能由其發(fā)現(xiàn)概率和虛警概率來描述，發(fā)現(xiàn)概率越大，說明發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的可能性越大，與此同時希望虛警概率的值不能超過允許值。

在雷達(dá)性能參數(shù)確定的情況下，發(fā)現(xiàn)概率主要取決于雷達(dá)環(huán)境特性。對警戒雷達(dá)的壓制性干擾就是用噪聲或類似于噪聲的干擾信號壓制或淹沒有用信號，阻止雷達(dá)檢測到目標(biāo)信息，造成雷達(dá)對目標(biāo)檢測的困難。當(dāng)信噪比降低到一定程度，雷達(dá)就將無法發(fā)現(xiàn)或者無法正確發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。因此，在虛警概率確定的情況下，雷達(dá)的發(fā)現(xiàn)概率是以信噪比為自變量的增函數(shù)，隨著信噪比的變化而變化。

通常雷達(dá)接收的干擾噪聲為寬帶高斯噪聲，接收機(jī)輸入端接收到干擾的概率密度函數(shù)為

(1)

式中：P(v)是寬帶高斯噪聲電壓的概率；σ2是其方差，噪聲干擾的均值為零。噪聲包絡(luò)的電壓幅度服從瑞利分布，概率密度函數(shù)為

(2)

式中：r表示噪聲包絡(luò)的振幅值。設(shè)置門限電平為VT，噪聲包絡(luò)電壓超過門限電平的概率就是虛警概率Pfa，可以得出虛警概率與門限電平VT的關(guān)系為

(3)

即

(4)

由式(3)可得，當(dāng)噪聲分布函數(shù)P(r)一定時，虛警概率Pfa的大小完全取決于門限電平VT。

信號加噪聲超過門限的概率就是發(fā)現(xiàn)概率Pd，設(shè)信號頻率是中頻濾波器的中心頻率，包絡(luò)檢波器的輸出包絡(luò)的概率密度函數(shù)則為

(5)

式中：x為信號加噪聲的包絡(luò)；A為信號振幅；I0(z)是變量為z的零階修正Bessel函數(shù)，定義為

(6)

信號被發(fā)現(xiàn)的概率就是超過預(yù)定門限VT的概率，因此，發(fā)現(xiàn)概率Pd為

(7)

該式反應(yīng)了發(fā)現(xiàn)概率Pd與門限電平VT及正弦波振幅A的關(guān)系，接收機(jī)信號電壓與功率的關(guān)系為

(8)

(9)

以信噪比為變量，以虛警概率為參變量分析檢測概率與信噪比的關(guān)系，可以得到雷達(dá)發(fā)現(xiàn)概率與信噪比、虛警概率之間的關(guān)系：當(dāng)虛警概率一定時，信噪比越大，發(fā)現(xiàn)概率越大，即當(dāng)門限電平一定時，發(fā)現(xiàn)概率隨信噪比的增大而增大。從另一方面來說，如果信噪比一定，則虛警概率越小，發(fā)現(xiàn)概率越?。环粗?，虛警概率越大，發(fā)現(xiàn)概率越大。當(dāng)相對門限(VT/σ)提高時虛警概率降低，但發(fā)現(xiàn)概率也會降低，通?？偸窍Ｍ摼怕室欢〞r提高發(fā)現(xiàn)概率，只有提高信噪比才能辦到，因?yàn)殚T限電平對發(fā)現(xiàn)概率和虛警概率的作用是一致的。警戒雷達(dá)在作戰(zhàn)時受到的壓制性干擾，就是減少了雷達(dá)接收機(jī)的信噪比，從而降低了警戒雷達(dá)的發(fā)現(xiàn)概率。

3 復(fù)雜電磁環(huán)境下壓制性干擾對警戒雷達(dá)探測距離的影響

雷達(dá)探測距離是基于一定發(fā)現(xiàn)概率的，隨著雷達(dá)與目標(biāo)間距離的變化，雷達(dá)接收機(jī)內(nèi)的信噪比也隨之變化。所以在不同距離上雷達(dá)對目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率是不同的，一般警戒雷達(dá)對目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)概率Pd=50%的距離，可認(rèn)為雷達(dá)能正常發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的距離，即為雷達(dá)的探測距離。

在無干擾情況下，到達(dá)雷達(dá)接收機(jī)的目標(biāo)回波信號功率為

(10)

式中：Pt為雷達(dá)發(fā)射功率；Gt為雷達(dá)天線的主瓣增益；λ為雷達(dá)發(fā)射電磁波的波長；R為雷達(dá)與目標(biāo)之間的距離；σ為目標(biāo)等效反射面積；L為雷達(dá)系統(tǒng)功率損耗因子。

在無壓制性干擾時，雷達(dá)接收機(jī)輸出噪聲包括外部天線噪聲和接收機(jī)工作時產(chǎn)生的內(nèi)部噪聲。外部天線噪聲包括地球表面反射的無線電噪聲、地球大氣輻射無線電噪聲以及宇宙背景輻射噪聲。

若接收機(jī)輸出噪聲功率為Pin，則無壓制性干擾信噪比可表示為

(11)

當(dāng)雷達(dá)遭受有源壓制性干擾時，雷達(dá)接收機(jī)輸入端噪聲為熱噪聲和電子干擾機(jī)發(fā)射的干擾信號，根據(jù)干擾方程，可得到達(dá)雷達(dá)接收機(jī)的干擾信號功率為

(12)

式中：Pj為干擾機(jī)發(fā)射功率；Gj為干擾機(jī)的增益；Gt(θ)表示與雷達(dá)方向夾角為θ處的增益(雷達(dá)天線在干擾機(jī)方向上的增益)；Br為雷達(dá)接收機(jī)帶寬；Bj為干擾信號帶寬；Rj為干擾機(jī)與雷達(dá)的距離。

對于自衛(wèi)式干擾形式，Rj=R,Gt(θ)=Gr(0)=Gt。干擾信號與目標(biāo)信號同時進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī)，在壓制干擾條件下，接收機(jī)線性輸出端的信噪比(信干比)可近似表示為

(13)

此時雷達(dá)天線的主瓣對準(zhǔn)干擾機(jī)，為了在這種情況下發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，要求Ps/PJ足夠大，并達(dá)到檢測所需要的信噪比SNRmin，此時相應(yīng)的作用距離為

(14)

式中：RSJ即為雷達(dá)抗壓制干擾的自衛(wèi)距離，當(dāng)目標(biāo)大于這個距離時雷達(dá)不能發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，小于這個距離時雷達(dá)具有相應(yīng)防衛(wèi)能力。

4 一種警戒雷達(dá)抗壓制性干擾試驗(yàn)

雷達(dá)抗干擾性能應(yīng)針對干擾機(jī)的某一確定技術(shù)狀態(tài),由無干擾時的雷達(dá)性能和施加干擾時的雷達(dá)最大發(fā)現(xiàn)距離的差值來表征。雷達(dá)抗干擾能力強(qiáng),則該值小,反之該值就大。

鑒于雷達(dá)探測性能試驗(yàn)的目標(biāo)機(jī)不具有干擾功能，因此，為便于比對干擾對警戒雷達(dá)的影響，試驗(yàn)雷達(dá)目標(biāo)機(jī)不變，利用干擾機(jī)和目標(biāo)機(jī)緊密編隊(duì)的方式來完成警戒雷達(dá)抗壓制性干擾試驗(yàn)。

在進(jìn)行復(fù)雜電磁環(huán)境下警戒雷達(dá)抗干擾試驗(yàn)時，已經(jīng)完成該警戒雷達(dá)對特定目標(biāo)機(jī)的對空探測性能試驗(yàn)。同時，抗干擾試驗(yàn)的雷達(dá)工作參數(shù)和工作剖面與特定目標(biāo)機(jī)的對空探測性能試驗(yàn)保持一致，只在抗干擾試驗(yàn)中增加了干擾機(jī)，檢查警戒雷達(dá)受到壓制干擾后，警戒雷達(dá)對目標(biāo)機(jī)的探測距離和探測概率變化情況。試驗(yàn)中目標(biāo)機(jī)緊隨干擾機(jī)，雙機(jī)編隊(duì)距離小于5 km，以隨隊(duì)自衛(wèi)式對雷達(dá)主瓣實(shí)施噪聲壓制干擾，警戒雷達(dá)載機(jī)相對目標(biāo)機(jī)和干擾機(jī)以迎頭方式進(jìn)入，干擾機(jī)干擾方式為窄帶壓制式干擾，設(shè)定等效干擾功率譜密度保持不變，按以下公式設(shè)置等效干擾功率譜密度

(15)

式中：Pj為干擾機(jī)的發(fā)射機(jī)輸出功率；Gj為干擾機(jī)天線增益；Bj為干擾機(jī)輸出信號帶寬；L為干擾機(jī)系統(tǒng)損耗。雷達(dá)載機(jī)、干擾機(jī)和目標(biāo)機(jī)位置示意圖，如圖1所示。

圖1 雷達(dá)載機(jī)、干擾機(jī)和目標(biāo)機(jī)相對位置

試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在無壓制干擾和有壓制干擾兩種情況下，由發(fā)現(xiàn)概率隨探測距離變化的擬合曲線可得，該警戒雷達(dá)受到壓制性干擾后，探測距離有明顯下降。圖2給出在虛警概率恒定時，警戒雷達(dá)在無壓制干擾和有壓制干擾兩種情況下發(fā)現(xiàn)概率與探測距離變化曲線圖，圖中距離使用了歸一化處理。

圖2 雷達(dá)發(fā)現(xiàn)距離與發(fā)現(xiàn)概率曲線

假設(shè)，雷達(dá)與目標(biāo)機(jī)進(jìn)入距離為R0，則在某干擾功率譜密度情況下，發(fā)現(xiàn)概率為50%時，無干擾狀態(tài)警戒雷達(dá)對該目標(biāo)機(jī)的探測距離為0.86R0，實(shí)施壓制干擾后警戒雷達(dá)對該目標(biāo)機(jī)的探測距離為0.67R0，探測距離下降約22%。

5 結(jié)束語

從飛行試驗(yàn)結(jié)果看出，強(qiáng)電磁干擾環(huán)境的存在，使警戒雷達(dá)作戰(zhàn)能力呈現(xiàn)明顯的下降，即戰(zhàn)場復(fù)雜電磁環(huán)境的存在，阻礙了雷達(dá)作戰(zhàn)能力的發(fā)揮。未來戰(zhàn)場上雷達(dá)對抗面臨的電磁環(huán)境會越來越復(fù)雜,因此，只有充分認(rèn)知雷達(dá)工作面臨的戰(zhàn)場電磁環(huán)境，掌握其對雷達(dá)作戰(zhàn)能力的影響，采取相應(yīng)的對抗措施，設(shè)法消減復(fù)雜電磁環(huán)境造成的不利影響，才能更好地發(fā)揮雷達(dá)在復(fù)雜電磁環(huán)境下的作戰(zhàn)能力。而對雷達(dá)抗干擾能力的評估，需要根據(jù)具體指標(biāo)要求提出合理方法，來滿足作戰(zhàn)使用要求，這樣才能在未來戰(zhàn)場上發(fā)揮應(yīng)有的作戰(zhàn)效果。

[1] 周萬幸.雷達(dá)抗干擾效能評估模型與指標(biāo)體系研究[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2013,35(11)：2-5.

ZHOU Wanxing.A study on model and index system of radar anti-jamming effectiveness[J].Modern Radar,2013,35(11)：2-5.

[2] 李波濤,李 明,吳順君.雷達(dá)抗干擾效能評估方法探討[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2006,28(11)：16-19.LI Botao,LI Ming,WU Shunjun.A disquisition on radar ECCM capability[J].Modern Radar,2006,28(11)：16-19.

[3] 王志剛，王 芳，趙志強(qiáng).戰(zhàn)場電磁環(huán)境客觀復(fù)雜性分析與評估[J].現(xiàn)代防御技術(shù)，2010,38(3)：19-25.

WANG Zhigang,WANG Fang,ZHAO Zhiqiang.Analysis and evaluation for external complexity of battlefield electromagnetic environment[J].Modern Deffence Technology,2010,38(3)：19-25.

[4] 蓋世昌,許 騰,侯 博,等.復(fù)雜電磁環(huán)境下搜索雷達(dá)探測概率仿真分析[J].指揮控制與仿真,2010,32(2)：81-83.

GAI Shichang,XU Teng,HOU Bo,et al.Radar detection probability simulation analysis under complicated electromagnetic environment[J].Command Control & Simulation,2010,32(2)：81-83.

[5] 賀志強(qiáng)，趙 鋒，趙幫緒，等.噪聲干擾下雷達(dá)目標(biāo)檢測概率計(jì)算模型研究[J].現(xiàn)代防御技術(shù)，2012,40(1)：119-123.

HE Zhiqiang，ZHAO Feng，ZHAO Bangxu，et al.Research on computation model of radar target detection probability with noise interference[J].Modern Deffence Technology,2012,40(1)：119-123.

[6] 王小念,蘇 福,余 巍,等.復(fù)雜電磁環(huán)境下的雷達(dá)對抗問題[J].現(xiàn)代雷達(dá),2008,30(4)：21-24.

WANG Xiaonian,SU Fu,YU Wei,et al.Radar countermeasure questionin complex electromagnetic environment[J].Modern Radar,2008,30(4)：21-24.

[7] 李淑華，黃曉剛，劉 平,等.復(fù)雜電磁環(huán)境下雷達(dá)抗干擾技術(shù)研究[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2013,35(4)：1-5.

LI Shuhua，HUANG Xiaogang，LIU Ping,et al.A study on radar anti-jamming technology under complex electro-magnetic environment[J].Modern Radar,2013,35(4)：1-5.

[8] 郭淑霞,王亞鋒,單雄軍,等.復(fù)雜電磁環(huán)境下雷達(dá)探測效能的探索性分析[J].西北工業(yè)大學(xué)學(xué)報,2015,33(5)：837-842.

GUO Shuxia，WANG Yafeng，SHAN Xiongjun,et al.Exploratory analysis of radar detection effectiveness under complex electromagnetic environment[J].Journal of Northwestern Polytechnical University,2015,33(5)：837-842.

王軍東 男，1971年生，碩士，高級工程師。研究方向?yàn)槔走_(dá)、電子戰(zhàn)試飛技術(shù)。

Complex Electromagnetic Environment Noise Barrage Jamming Effects on Airborne Warning Radar

WANG Jundong

(Chinese Flight Test Establishment,Xi′an 710089,China)

The complex electromagnetic environment propose a higher request to the normal display of radar function,it influences the airborne radar detection performaences directly.The influence of oppressive jam to the warning radar's detection probability and detection range is analyced.And detection performance is tested through flight test in complicated electromagnetic environment.In addition,the way of evaluation about airborne warning radar anti-oppressive jamming ability is given by detection performance.

complex eletromagnetic environment; oppressive jam; detection probability; detection range

??對抗·

10.16592/j.cnki.1004-7859.2016.10.018

王軍東 Email：jefferyjundong@126.com

2016-07-12

2016-09-22

TN957

A

1004-7859(2016)10-0079-04