多波束分時(shí)壓制干擾建模與仿真*

戎 華 陳 求

(海軍大連艦艇學(xué)院 大連 116018)

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多波束分時(shí)壓制干擾建模與仿真*

戎 華 陳 求

(海軍大連艦艇學(xué)院 大連 116018)

多波束分時(shí)壓制干擾能夠利用有限的干擾資源對多批威脅目標(biāo)實(shí)施干擾,但由于采用了波束切換體制設(shè)計(jì),會出現(xiàn)脈沖丟失的現(xiàn)象,影響多目標(biāo)壓制干擾效果。文章分析了脈沖丟失原因,建立了多波束分時(shí)壓制干擾模型,并仿真分析了復(fù)雜電磁環(huán)境條件下,干擾脈沖持續(xù)時(shí)間和輻射源重頻對壓制干擾概率的影響,給出了壓制干擾概率下降程度,對多目標(biāo)分時(shí)壓制干擾決策具有參考價(jià)值。

多波束分時(shí)壓制干擾; 脈沖持續(xù)時(shí)間; 脈沖丟失; 壓制概率

Class Number TP391

1 引言

多波束分時(shí)壓制干擾通過電子偵察,依據(jù)目標(biāo)威脅等級進(jìn)行干擾排序,通過對輻射源信號的脈沖到達(dá)時(shí)間預(yù)測和干擾波束的瞬時(shí)切換實(shí)現(xiàn)對多目標(biāo)的動態(tài)干擾。這種設(shè)計(jì)體制一定程度上將有限的干擾資源進(jìn)行了最優(yōu)化利用,同時(shí)也在波束切換過程中出現(xiàn)了脈沖丟失現(xiàn)象,影響了干擾效果。但目前的研究還停留在對脈沖丟失概率的建模分析[1,10],本文在分析脈沖丟失概率的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步對多波束分時(shí)壓制干擾概率進(jìn)行了建模仿真。

2 分時(shí)壓制干擾建模

干擾機(jī)對多目標(biāo)輻射源進(jìn)行壓制干擾是通過分時(shí)波束切換實(shí)現(xiàn)的,某一特定時(shí)刻干擾機(jī)波束只能干擾一個(gè)輻射源,因此,在計(jì)算出“一對一”[2～3]壓制干擾概率后,再將脈沖丟失概率折算到其中,就可以得到某一時(shí)間段內(nèi)的“一對多”壓制干擾概率。2.1 單目標(biāo)壓制干擾建模[4～5]

單部干擾機(jī)在某一時(shí)間間隔內(nèi)對目標(biāo)雷達(dá)“一對一”的壓制干擾概率可以表示為

(1)

(2)

式中,fr為雷達(dá)脈沖重復(fù)頻率；y0為檢測門限；Pt為雷達(dá)發(fā)射功率；Gt為雷達(dá)發(fā)射天線增益；σ為目標(biāo)的有效反射面積；Δfj為干擾機(jī)的通頻帶；φ為雷達(dá)掃描扇角；L為雷達(dá)功率損耗因子；K為波爾茲曼常數(shù)；Δfr為雷達(dá)接收機(jī)的通頻帶；Pj為干擾機(jī)發(fā)射功率；Gj為干擾機(jī)天線主瓣方向上的增益；θ0.5為雷達(dá)天線半功率波束寬度；θ(t)為雷達(dá)與目標(biāo)連線和雷達(dá)與干擾機(jī)連線之間夾角；Rj(t)為干擾機(jī)至雷達(dá)的距離；R(t)為被掩護(hù)目標(biāo)至雷達(dá)的距離,干擾機(jī)、 被掩護(hù)目標(biāo)、 雷達(dá)的位置關(guān)系如圖1所示[6～7]。

設(shè)敵機(jī)抵達(dá)攻擊位置的距離為R0,即干擾任務(wù)的終止分配時(shí)刻為t2,敵機(jī)速度為v,干擾機(jī)坐標(biāo)為(xj,yj,0),則有：

(3)

(4)

(5)

設(shè)φ為敵機(jī)航向與x軸夾角,則有：

(6)

(7)

圖1 干擾機(jī)、雷達(dá)、被掩護(hù)目標(biāo)之間的位置關(guān)系圖

2.2 多目標(biāo)壓制干擾建模

2.2.1 影響分時(shí)壓制效果因素分析

對圖2進(jìn)行分析可知,單部干擾機(jī)在對多個(gè)雷達(dá)目標(biāo)實(shí)施干擾時(shí),主要分為三個(gè)時(shí)間段： 1) 對f1的干擾持續(xù)時(shí)間τ1,當(dāng)多個(gè)輻射源的脈沖信號同時(shí)出現(xiàn)時(shí),必然會出現(xiàn)脈沖重疊,在τ1時(shí)間段內(nèi),干擾機(jī)無法對其他不同頻率的脈沖信號實(shí)施干擾,產(chǎn)生脈沖丟失； 2) 波束切換時(shí)間τ2,在此時(shí)間段內(nèi),如有輻射源脈沖信號出現(xiàn),干擾機(jī)無法對其進(jìn)行干擾,也會產(chǎn)生脈沖丟失； 3) 干擾偵察時(shí)間(包括實(shí)施干擾和偵察的相互轉(zhuǎn)換時(shí)間)τ3,在此時(shí)間段內(nèi)如有輻射源脈沖信號出現(xiàn),干擾機(jī)無法對其進(jìn)行干擾,也會產(chǎn)生脈沖丟失。以上產(chǎn)生的脈沖丟失現(xiàn)象,由于丟失的脈沖沒有被有效干擾,從而影響了整體的干擾概率,是造成多目標(biāo)分時(shí)壓制干擾效果下降的重要原因[8]。

2.2.2 脈沖丟失概率計(jì)算

1) 干擾持續(xù)時(shí)間τ1內(nèi)脈沖丟失概率[9～10]

當(dāng)單部干擾機(jī)對多個(gè)輻射源目標(biāo)實(shí)施分時(shí)壓制干擾時(shí),可以認(rèn)為各輻射源的脈沖到達(dá)時(shí)間在統(tǒng)計(jì)概率上是相互獨(dú)立不相關(guān)的,在τ1內(nèi)到達(dá)的n個(gè)脈沖的概率服從泊松(Poisson)分布,即：

(8)

式中,ρ為平均脈沖密度。則在τ1時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)多于一個(gè)脈沖達(dá)到的概率Pn>1(τ1),即τ1時(shí)間內(nèi)脈沖丟失的概率可表示為

Pn>1(τ1) =P2(τ1)+P3(τ1)+…

=1-(1+ρτ1)exp(-ρτ1)

(9)

2) 波束切換時(shí)間τ2內(nèi)脈沖丟失概率

在脈沖波束切換時(shí)間內(nèi)由于出現(xiàn)新脈沖,干擾機(jī)不能對新出現(xiàn)脈沖實(shí)施干擾,因此,在τ2和時(shí)間內(nèi)脈沖的丟失概率Pn≥1(τ2)可表示為

Pn≥1(τ2)=1-exp(-ρτ2)

(10)

3) 干擾偵察時(shí)間τ3內(nèi)脈沖丟失概率

在電子偵察和電子干擾的相互轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi),干擾機(jī)同樣無法對新出現(xiàn)的脈沖實(shí)施干擾,因此,在τ3和時(shí)間內(nèi)的脈沖丟失概率Pn≥1(τ3)可表示為

Pn≥1(τ3)=1-exp(-ρτ3)

(11)

4) 干擾機(jī)實(shí)施多目標(biāo)干擾時(shí)總脈沖丟失概率

PL=Pn>1(τ1)+Pn≥1(τ2)+Pn≥1(τ3)

(12)

干擾機(jī)實(shí)施多目標(biāo)干擾時(shí),總脈沖的丟失概率反映了相較于干擾機(jī)實(shí)施單目標(biāo)干擾的干擾效果下降程度。

2.2.3 多目標(biāo)分時(shí)壓制干擾概率

在實(shí)際海戰(zhàn)場環(huán)境下,被干擾雷達(dá)輻射源的重頻、脈寬以及干擾時(shí)所采用的帶寬都不相同,通過計(jì)算機(jī)仿真可以得到單部干擾機(jī)對多目標(biāo)實(shí)施分時(shí)壓制干擾時(shí)的脈沖丟失概率,如果將脈沖丟失概率折算到干擾機(jī)的功率損耗,則當(dāng)干擾機(jī)對N部雷達(dá)輻射源實(shí)施分時(shí)壓制干擾時(shí),對某一部雷達(dá)輻射源的壓制概率可表示為

(13)

γ=1-ηPL

(14)

式中,γ為多目標(biāo)分時(shí)壓制干擾下的功率損耗因子,η為修正系數(shù),由裝備試驗(yàn)確定。

3 建模仿真流程

對多波束分時(shí)壓制干擾的數(shù)學(xué)模型,可以通過計(jì)算干擾機(jī)對多個(gè)輻射源目標(biāo)進(jìn)行分時(shí)壓制干擾的壓制概率得出,計(jì)算機(jī)建模仿真可按圖2所示流程進(jìn)行。

圖2 建模仿真流程

4 仿真分析

1) 定量參數(shù)賦值

令檢測門限y0=27；雷達(dá)發(fā)射功率*雷達(dá)發(fā)射天線增益PtGt=20KW；目標(biāo)的有效反射面積σ=20000m2；干擾機(jī)的通頻帶Δfj=2*雷達(dá)接收機(jī)的通頻帶Δfr；雷達(dá)掃描扇角φ=90°；雷達(dá)功率損耗因子L=6； 干擾機(jī)發(fā)射功率*干擾機(jī)天線主瓣方向上的增益PjGj=120KW； 雷達(dá)天線半功率波束寬度θ0.5=1.5°；η=0.8；波束切換時(shí)間τ2=4μs；偵察時(shí)間τ3=6μs; 干擾時(shí)間間隔t2-t1=2000s； 雷達(dá)與目標(biāo)連線和雷達(dá)與干擾機(jī)連線之間夾角θ(t)=0；干擾機(jī)至雷達(dá)的距離Rj(t)=被掩護(hù)目標(biāo)至雷達(dá)的距離R(t)=300000m,目標(biāo)速度v=400,干擾機(jī)坐標(biāo)為(xj=30000,yj=30000,0)。

2) 變量參數(shù)賦值

令雷達(dá)脈沖重復(fù)頻率fr分別為2000/3000/ 4000/5000；干擾脈沖持續(xù)時(shí)間τ1分別為20μs、30μs、40μs、50μs。

3) Matlab程序仿真

對多批重頻分別為2000/3000/4000/5000、脈沖寬度為5μs,但頻率不同、方位不同的雷達(dá)進(jìn)行干擾,當(dāng)干擾脈沖持續(xù)時(shí)間τ1分別為20μs、30μs、40μs、50μs時(shí),雷達(dá)壓制概率和干擾目標(biāo)批數(shù)關(guān)系如圖3所示。

圖3 雷達(dá)壓制概率和干擾目標(biāo)批數(shù)關(guān)系

由上圖可知,當(dāng)目標(biāo)為重頻較低的常規(guī)輻射源時(shí),即使干擾持續(xù)時(shí)間延長,干擾機(jī)仍可保持對8批目標(biāo)實(shí)現(xiàn)80%以上的干擾成功概率；當(dāng)目標(biāo)為重頻較高的輻射源時(shí),隨著脈沖丟失概率的上升,干擾成功概率下降。當(dāng)目標(biāo)重頻達(dá)到5000時(shí),只能對1批目標(biāo)實(shí)現(xiàn)80%以上的干擾成功概率,干擾效果嚴(yán)重下降。

5 結(jié)語

多波束分時(shí)壓制干擾效果主要受干擾目標(biāo)重頻和干擾脈沖持續(xù)時(shí)間影響。當(dāng)干擾機(jī)所處電磁環(huán)境中平均脈沖密度一定的情況下,受干擾持續(xù)時(shí)間延長影響,多波束分時(shí)壓制干擾的多目標(biāo)干擾批數(shù)銳減,壓制干擾效果降低；干擾機(jī)所處電磁環(huán)境中平均脈沖密度越高,干擾成功概率越低。

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Multi-beam Time-shift Noise Jamming Modeling and Simulation

RONG Hua CHEN Qiu

(Dalian Navy Academy, Dalian 116018)

The multi-beam time-shift noise jamming can utilize the limited jamming resources on many threaten targets, but it usually causes pulse loss for using time-shift beam switching system which can affect the effect of noise jamming. This paper analyzes causes of pulse loss, builds the multi-beam time-shift noise jamming model. Then the paper simulates the impact of duration of jamming pulse and repetition frequency of radiation source within the complex electromagnetic environment, gives the degree of decline of multi-beam time-shift noise jamming that has reference value to the operational decisions.

multi-beam time-shift noise jamming, duration of pulse, pulse loss, jamming probability

2016年5月17日,

2016年6月20日

戎華，女，博士，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向：電子對抗及信息戰(zhàn)。陳求，男，碩士研究生，研究方向：電子對抗及信息戰(zhàn)。

TP391

10.3969/j.issn.1672-9722.2016.11.005