壓制干擾環(huán)境的定量描述及表征指標(biāo)測試方法

王 超，陳 飛，戎建剛

(中國航天科工集團(tuán)8511研究所，江蘇 南京 210007)

壓制干擾環(huán)境的定量描述及表征指標(biāo)測試方法

王 超，陳 飛，戎建剛

(中國航天科工集團(tuán)8511研究所，江蘇 南京 210007)

從典型干擾樣式的角度出發(fā)，對壓制干擾環(huán)境的量化表征指標(biāo)電磁功率密度譜s進(jìn)行了深化研究，在時域、頻域上給出了不同干擾樣式下s指標(biāo)的數(shù)學(xué)及仿真模型，并介紹了s指標(biāo)的測量方法，為導(dǎo)彈武器抗干擾指標(biāo)體系構(gòu)建、抗干擾性能定量評估提供理論依據(jù)。

壓制干擾；電磁功率密度譜；電磁干擾環(huán)境；復(fù)雜電磁環(huán)境

0 引言

在日益復(fù)雜的電磁干擾環(huán)境中，導(dǎo)彈武器裝備逐步暴露出一些不適應(yīng)性問題。當(dāng)前急需在導(dǎo)彈武器研制的各個階段進(jìn)行電磁干擾環(huán)境的適應(yīng)性試驗與評估，而復(fù)雜電磁環(huán)境的定量描述和表征指標(biāo)測試是導(dǎo)彈武器適應(yīng)性試驗與評估工作中首先要解決的基礎(chǔ)問題之一。目前國內(nèi)外已有不少相關(guān)的研究，文獻(xiàn)[1]提出了一種戰(zhàn)場電磁環(huán)境復(fù)雜性度量的方法，用電磁信號樣式相關(guān)系數(shù)、頻率占有度系數(shù)、頻率重合度系數(shù)等五個指標(biāo)對電磁環(huán)境復(fù)雜性進(jìn)行度量；文獻(xiàn)[2]設(shè)計了一種復(fù)雜電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，能對電磁信號的時域、頻域、能域以及信號類別等特性進(jìn)行監(jiān)測；文獻(xiàn)[3]從電磁環(huán)境預(yù)測、生成、集成與控制、監(jiān)測以及評價五大環(huán)節(jié)闡述了復(fù)雜電磁環(huán)境模擬過程中各環(huán)節(jié)的基本功能和技術(shù)。

根據(jù)干擾的影響機(jī)理，電磁干擾環(huán)境可分為欺騙干擾環(huán)境和壓制干擾環(huán)境。本文對文獻(xiàn)[6～8]提出的壓制干擾環(huán)境的定量描述方法做更深入的研究，從典型壓制干擾樣式的角度出發(fā)，對其提出的電磁功率密度譜指標(biāo)做了進(jìn)一步的細(xì)化和挖掘，在時域、頻域上給出了不同干擾樣式下電磁功率密度譜的數(shù)學(xué)及仿真模型，并介紹了電磁功率密度譜的測量方法。

1 壓制干擾環(huán)境量化表征指標(biāo)

導(dǎo)彈武器天線口面感受到的電磁干擾環(huán)境分為壓制干擾電磁環(huán)境和欺騙干擾電磁環(huán)境，對其中的壓制干擾電磁環(huán)境進(jìn)行量化表征，提出相應(yīng)的量化表征指標(biāo)[5-8]，如表1所示。

其中，s為電磁功率密度譜，表示某一時刻電子對抗裝備在導(dǎo)彈武器接收天線口面處產(chǎn)生的信號功率密度在頻域的分布。s的計算公式為：

(1)

式中，PJ和GJ分別為干擾機(jī)的發(fā)射功率和天線增益；La為大氣傳播衰減系數(shù)；BJ為干擾機(jī)工作帶寬；RJ為雷達(dá)與干擾機(jī)之間的距離。

表1 壓制干擾環(huán)境量化表征指標(biāo)體系

從表1中可以看出，在對導(dǎo)彈武器施放有源壓制干擾時，干擾信號在時域(間斷、連續(xù)、雜亂)和頻域(寬帶、窄帶、梳狀譜)上的分布特點(diǎn)是復(fù)雜多樣的，干擾樣式的種類和參數(shù)均會對壓制干擾的效果產(chǎn)生影響。根據(jù)公式(1)計算得出的僅是某一時刻的電磁功率密度譜，并未將其在時域、頻域上的分布特點(diǎn)完整表述出來。此外，干擾信號對雷達(dá)信號處理的影響與信號的實際持續(xù)時間有關(guān)，例如間斷噪聲類的干擾要產(chǎn)生干擾效果，時間上的積累就非常重要；頻域上實際對雷達(dá)有影響的是進(jìn)入到其接收帶寬的干擾信號，接收帶寬外即便存在干擾能量也無法對其造成影響。

綜上分析，本文結(jié)合具體的干擾樣式在時域、頻域上對s開展進(jìn)一步的細(xì)化研究，在具體的干擾樣式建立電磁功率密度譜s在時域和頻域上的數(shù)學(xué)模型，將s指標(biāo)在時域和頻域上的分布特性和動態(tài)變化定量、完整的表述出來，再在時域和頻域上引入“濾波器”的概念，即濾除對雷達(dá)或?qū)б^無效的干擾信號部分，保留對雷達(dá)或?qū)б^有效的部分，將“天線口面的電磁功率密度譜s”轉(zhuǎn)變?yōu)榈健皩走_(dá)或?qū)б^有干擾效果的電磁功率密度譜s”。

2 電磁功率密度譜s的時域細(xì)化研究

2.1 時域模型

2.1.1 間斷噪聲干擾s模型

選取間斷噪聲這種在時域上會有不同程度間斷的典型干擾樣式，借助Matlab的仿真手段做出在施放這種干擾時，天線口面可測得的電磁功率密度譜s的時域波形曲線。

間斷噪聲干擾是將射頻噪聲信號切割成時域上寬度、空度具有一定規(guī)律或者隨機(jī)變化的脈沖信號，對目標(biāo)回波信號形成遮蓋或壓制的效果。遮蓋作用的產(chǎn)生，是因為在回波信號上附加了一個隨機(jī)噪聲，兩者一經(jīng)混合，信號很難檢測。在這種情況下，回波信號將部分地改變或失去信號特征，嚴(yán)重時會完全消失。根據(jù)間斷噪聲干擾的干擾特點(diǎn)可以建立對應(yīng)的解析模型：

窄帶高斯過程可表示為：

(2)

un(t)=t/σ2exp(t2/(2σ2))

(3)

當(dāng)上述的射頻噪聲干擾以脈沖的形式存在，即為間斷噪聲干擾，其表達(dá)式為：

(4)

式中，Aj為噪聲干擾信號幅度，T為脈沖寬度，Tr為脈沖重復(fù)周期。它們的比值即為占空比：

D=T/Tr

(5)

方便起見，只計算一個脈沖重復(fù)周期內(nèi)的電磁功率密度譜，此時的間斷噪聲干擾信號可表示為：

根據(jù)信號表達(dá)式可計算近似的瞬時功率(式中的系數(shù)k根據(jù)具體情況確定，這里取1)：

(6)

再結(jié)合公式(1)即可計算一個脈沖重復(fù)周期內(nèi)電磁功率密度譜s隨時間變化的表達(dá)式：

(7)

這樣，在間斷噪聲干擾條件下，天線口面可測得的電磁功率密度譜s可表示為：

s(t)=

(8)

根據(jù)這一數(shù)學(xué)模型選取仿真參數(shù)做出仿真圖形。仿真參數(shù)：峰值功率大約為100W，天線增益GJ=20dB，中心頻率wj=60×106πrad/s(30MHz)，間斷周期Tr=0.5ms，占空比D=50%，噪聲帶寬B=20MHz，R=5000m，La=1，仿真圖如圖1～2所示。

可以看出在間斷噪聲干擾條件下，天線口面測得的電磁功率密度譜s在時域上會有不同程度的間斷，根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型可得到理論上每一時刻的s值。

2.1.2 雜亂脈沖干擾s模型

同理通過推導(dǎo)計算，也可以得到雜亂脈沖干擾下電磁功率密度譜s的時域波形。雜亂脈沖干擾是指將連續(xù)的噪聲調(diào)幅、噪聲調(diào)頻信號切割成寬度、空度隨機(jī)變化的脈沖信號，使其在雷達(dá)終端產(chǎn)生雜亂的干擾脈沖，從而對雷達(dá)形成干擾。其信號解析式可表示為：

(9)

首先從時域上計算第m個雜亂脈沖的瞬時功率：

PJ(t)=|Ajun(t-mTrmcos(wj(t-mTrm)+

φ(t-mTrm)|2

(10)

這樣，可以得到雜亂脈沖干擾條件下的電磁功率密度譜s在時域上的動態(tài)變化模型：

s(t)=

(11)

仿真參數(shù)設(shè)置與間斷噪聲相同，但是脈沖重復(fù)周期和脈寬隨機(jī)變化，仿真圖如圖3～4所示。

2.2 時域濾波器

上節(jié)通過推導(dǎo)計算和仿真確立了間斷噪聲和雜亂脈沖干擾條件下天線口面可測得的電磁功率密度譜s的時域模型，這一模型的意義在于將電磁功率密度譜s在時域上的分布特性和動態(tài)變化定量的描述出來，但僅有這一模型是不夠的，原因是實際對雷達(dá)或者導(dǎo)引頭有影響的干擾信號并不是該模型描述的全部干擾信號。這一點(diǎn)可以在下面針對某型防空導(dǎo)引頭進(jìn)行的干擾內(nèi)場試驗中得到驗證。

從圖5～6中可以看出，鋸齒掃頻和正弦掃頻干擾對信噪比的影響極小，施加干擾與未施加干擾時的信噪比變化曲線幾乎一致。這是因為掃頻干擾在時域上可以等效為間斷噪聲干擾，由于干擾時間不夠長，間斷的干擾信號在信號處理中積累不起來，所以對導(dǎo)引頭信噪比的影響較小。

這就需要引入“時域濾波器”的概念，即根據(jù)干擾的持續(xù)時間和干擾信號的數(shù)學(xué)模型濾除無用信號，保留在時域上對雷達(dá)或?qū)б^真正有效的部分信號，如圖7所示。針對同一時間段的作戰(zhàn)對抗過程，在確定了有用信號部分的s波形后，可以對這一部分信號的s值在時域上做積分，積分值越大代表干擾信號對雷達(dá)或?qū)б^的影響越強(qiáng)。

3 電磁功率密度譜s的頻域細(xì)化研究

3.1 頻域模型

這里以梳狀譜干擾為例給出s的頻域模型。梳狀譜干擾信號是指由多個窄帶干擾譜構(gòu)成的干擾信號。在雷達(dá)工作頻段內(nèi)加入具有梳狀頻譜的干擾信號，集中干擾信號功率，對頻域內(nèi)的幾個頻率點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)干擾，使得雷達(dá)速度波門無法跟蹤。通?？刹捎肗個正弦波信號的和表示梳狀譜干擾信號：

(12)

式中，Ajn為信號幅度，fn∈[fj-B/2,fj+B/2]，B為干擾信號帶寬，t∈[0,T]。

先對信號的表達(dá)式作傅里葉變換：

2πfn))

(13)

(14)

這樣，在梳狀譜干擾條件下，電磁功率密度譜s在頻域上的分布可表示為：

(15)

根據(jù)這一數(shù)學(xué)模型選取仿真參數(shù)做出仿真圖形，峰值功率取100W，天線增益GJ=20dB，干擾帶寬30MHz，R=5000m，La=1，干擾頻點(diǎn)在30MHz內(nèi)隨機(jī)跳變。仿真圖如圖8～9所示。

可以看出，梳狀譜干擾條件下電磁功率密度譜s在頻域上集中分布在幾個頻點(diǎn)，與梳狀譜自身的干擾特點(diǎn)相符合。

3.2 頻域濾波器

前面提到過，不管是寬帶阻塞干擾還是窄帶瞄準(zhǔn)干擾，真正能對雷達(dá)或者導(dǎo)引頭產(chǎn)生干擾效果的是進(jìn)入其接收帶寬的那部分干擾信號，并非全部的干擾信號。

在仿真中，選取的干擾帶寬是30MHz，如果被干擾對象的接收帶寬小于30MHz，或者干擾帶寬不完全在接收帶寬范圍內(nèi)，就需要結(jié)合具體的被干擾對象確定實際進(jìn)入其接收帶寬的干擾信號。頻域上本身就有濾波器的概念，這里就不再贅述了。通過頻域濾波器可以濾除在頻域上對被干擾對象無用的信號，只保留有影響的信號部分。進(jìn)入接收頻段內(nèi)的干擾功率為：

式中，s為電磁功率密度譜，Ar為有效面積，Bs為接收帶寬與干擾帶寬重合的部分。

J越大，進(jìn)入接收頻帶內(nèi)的干擾功率就越大，干擾信號對雷達(dá)或?qū)б^的影響便越強(qiáng)。

4 電磁功率密度譜s的測量方法

電磁功率密度譜的測量設(shè)備包括監(jiān)測天線、實時頻譜分析儀、數(shù)據(jù)分析處理計算機(jī)等，測量設(shè)備原理框圖如圖10所示。在測試過程中，測量設(shè)備連續(xù)采集并記錄時域、頻域信號，試驗結(jié)束后根據(jù)需求，選擇相應(yīng)頻段、時間段內(nèi)的信號進(jìn)行分析處理。

通過圖10所示的設(shè)備測量得到干擾功率為P′，根據(jù)下式計算得到導(dǎo)彈武器天線口面處的電磁功率密度譜s：

s=(P′+L-G)/(λ2G/(4π)BJ)

(16)

式中，s單位為W/(Hz·m2)；P′為頻譜分析儀輸入端口處的干擾功率，單位為W；L為監(jiān)測天線輸出端到實時信號分析儀輸入端的損耗，單位為dB；G為監(jiān)測天線增益，單位為dB；λ為導(dǎo)引頭工作波長，單位為m；BJ為干擾帶寬，單位為Hz。

通過該套測量設(shè)備，可以得到監(jiān)測天線口面電磁功率密度譜s在時域和頻域上的分布。在給出被干擾對象(雷達(dá)或?qū)б^)的相關(guān)參數(shù)后，就相當(dāng)于在時域和頻域上分別增加一個“濾波器”，這樣就可以確定對被干擾對象實際有影響的干擾信號部分，將“天線口面的電磁功率密度譜”細(xì)化到“對雷達(dá)或?qū)б^有干擾效果的電磁功率密度譜s”。

此外，由于針對每種干擾樣式都可以建立相應(yīng)的電磁功率密度譜數(shù)學(xué)模型，如果將這一模型與實際測得的s波形做比較，就可以反推出干擾樣式種類及設(shè)置參數(shù)。這樣在某些“背靠背”的對抗或者演習(xí)中，通過測得的s值可以確定對方所施放干擾樣式的種類及參數(shù)，有了這些數(shù)據(jù)，可以幫助我們將外場的電磁干擾環(huán)境逼真構(gòu)建到內(nèi)場進(jìn)行武器裝備的抗干擾試驗，對提高武器裝備的電磁干擾環(huán)境適應(yīng)性具有很高的參考價值。

5 結(jié)束語

本文對已有的壓制干擾環(huán)境定量描述方法做進(jìn)一步的深化研究：一是從典型壓制干擾樣式的角度出發(fā)，對電磁功率密度譜s做了進(jìn)一步的細(xì)化，在具體干擾樣式下從時域、頻域上給出了s的數(shù)學(xué)及仿真模型，將s指標(biāo)在時間和頻域上的動態(tài)變化和分布特性，進(jìn)行了定量、完整的描述；二是引入“濾波器”概念，將“天線口面的電磁功率密度譜”轉(zhuǎn)變到“對雷達(dá)或?qū)б^有干擾效果的電磁功率密度譜”；三是介紹了s的測量方法。本文的研究還存在一些待改進(jìn)的問題：電磁功率密度譜s的數(shù)學(xué)模型目前只是一個理論模型，還需要進(jìn)一步細(xì)化；受器材限制，目前的測量設(shè)備還不能給出電磁功率密度譜在時域和頻域上的精準(zhǔn)分布，在日后的研究工作中會進(jìn)行改進(jìn)?！?/p>

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[11]陳飛，戎建剛，王鑫.威脅電磁環(huán)境的量化表征方法分析[C]∥2015年中國宇航學(xué)會探測與導(dǎo)引技術(shù)專業(yè)委員會學(xué)術(shù)年會論文集,2015.

[12]趙國慶.雷達(dá)對抗原理[M].2版.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2012.

Quantitative description and indicators measurement method of suppressive interference environment

Wang Chao, Chen Fei, Rong Jiangang

(No.8511 Research Institute of CASIC, Nanjing 210007, Jiangsu, China)

From typical jamming modes point of view, the electromagnetic power density spectrum is detailed researched, the mathematical model of electromagnetic power density spectrum is constructed, and the measurement method of electromagnetic power density spectrum is introduced. They are theoretical basis for the test and evaluation of missle weapons.

suppressive interference； electromagnetic power density spectrum；electromagnetic interference environment； complex electromagnetic environment

2016-12-13；2017-01-05修回。

王超(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向為電子對抗。

TN97

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