岸基警戒雷達抗干擾性能評估方法

郭新民, 王　旭, 魏國華

(1. 北京理工大學信息與電子學院, 北京 100081; 2. 中國人民解放軍92785部隊, 河北 秦皇島 066200)

0　引　言

隨著戰(zhàn)場環(huán)境日趨復雜,警戒雷達作為防衛(wèi)國土安全的“衛(wèi)士”,成為敵方電子戰(zhàn)系統(tǒng)攻擊的重點目標,以削弱甚至摧毀雷達系統(tǒng)的效能。因此,軍方對雷達在干擾環(huán)境下的探測性能提出了更高的要求,以提高雷達的作戰(zhàn)能力,客觀評估雷達的抗干擾性能成為軍方與雷達研制方共同關(guān)注的重點[1]?，F(xiàn)役雷達的抗干擾性能通常以定性方式進行描述,沒有進行定量評估,軍方無法確切掌握雷達在復雜電磁環(huán)境下的真實探測性能。而軍方作為雷達的使用者,必需充分掌握各雷達的真實性能才能對其進行合理的布站,使雷達間有效地配合,充分發(fā)揮各雷達的優(yōu)勢、彌補各自的不足,達到有效的防空警戒的目的[2-4]。因此,需要一套雷達抗干擾性能的定量評估方法以衡量雷達在干擾環(huán)境下的真實探測性能[1]。

原則上講,在復雜電磁環(huán)境下進行大量雷達對抗試驗,測取大量數(shù)據(jù)并進行處理,再基于戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用準則提出的指標評估雷達的抗干擾性能,計算出的最終結(jié)論是最可靠的[5]。但實際上,限于試驗經(jīng)費、空中兵力、干擾兵力及試驗空域的協(xié)調(diào)等因素的制約,對雷達進行大量抗干擾試驗是難以實現(xiàn)的。全面、客觀地評估雷達的抗干擾性能存在以下困難。第一,雷達研制方提出的性能指標往往只以一種形式說明,這種情況下用理論分析和仿真的方法來評估雷達性能是較易實現(xiàn)的,但將其轉(zhuǎn)到一個具體的測試目標及建立測試所需的氣象、海浪或地物雜波環(huán)境時則很困難,要使外場測試結(jié)果有意義,必須把雷達設(shè)計指標轉(zhuǎn)化為實際的目標和環(huán)境,并且能再轉(zhuǎn)換回來。第二,外場測試時,要在自然環(huán)境下對雷達施加電子干擾,以檢驗雷達在干擾環(huán)境下的工作性能,然而在戰(zhàn)場環(huán)境下,雷達將對抗敵方的多種威脅或電子干擾,雷達與敵方電子戰(zhàn)系統(tǒng)之間的對抗是一個動態(tài)博弈過程,包含了大量的不確定因素。隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展,對雷達的干擾技術(shù)也在不斷提高,雷達在對抗某一種干擾時表現(xiàn)優(yōu)越,并不能說明該雷達在對抗其他干擾時同樣優(yōu)越。因此,要使雷達抗干擾性能的定量評估結(jié)果有意義,必須說明雷達外場測試的環(huán)境條件,包括動目標、雜波反射、氣象、人為干擾、其他干擾以及企圖截獲雷達信號的電子支援措施等[6-7]。綜上所述,定量評估雷達的抗干擾性能難度很大。

評估雷達的抗干擾性能是一個多指標綜合評估的過程,其中建立雷達抗干擾性能指標體系(以下簡稱“指標體系”)是評估問題的重點,指標體系應(yīng)能客觀、全面地反映雷達的抗干擾性能[1]。文獻[8-18]分別提出了指標體系,但對于不同功能的雷達,只提出了一套評估指標體系。然而在典型戰(zhàn)場環(huán)境下,不同功能的雷達肩負的職責不同,將對抗不同樣式的電子干擾,對其評估的重點也不相同。因此,用同一套評估指標體系評估不同功能的雷達在不同干擾環(huán)境下的抗干擾性能并不準確,需要對雷達抗干擾性能評估方法進行細化。本文針對岸基兩坐標警戒雷達(以下簡稱“警戒雷達”)的抗干擾性能進行分析,針對警戒雷達在典型戰(zhàn)場環(huán)境下對抗的有源干擾,對不同的干擾采用相對應(yīng)的指標體系進行評估?，F(xiàn)代的軍用雷達通常是作為軍事武器系統(tǒng)一個必備的組成部分,不同功能的雷達都是直接或間接為后端的武器系統(tǒng)服務(wù)的。因此,確定指標體系時,必須把雷達與武器系統(tǒng)聯(lián)系起來,根據(jù)武器系統(tǒng)對雷達的需求,建立最終的評估指標[5]。雷達抗干擾性能的評估貫穿于從系統(tǒng)分析設(shè)計到外場測試整個過程的[19-21]。本文從雷達的系統(tǒng)設(shè)計指標與外場測試兩個方面考慮,通過合理的多層結(jié)構(gòu)分析,針對噪聲干擾與密集假目標干擾分別構(gòu)建了指標體系,綜合運用層次分析法(analytic hierarchy process, AHP)與專家統(tǒng)計分析法確定各指標權(quán)重,運用AHP對雷達的抗干擾性能進行定量評估。

1　警戒雷達抗干擾性能評估指標體系

在雷達的系統(tǒng)設(shè)計階段進行抗干擾性能評估時,必須根據(jù)雷達的使命任務(wù)需求及其工作的背景環(huán)境確定雷達的各種工作方式及其性能,即必須確定一套可行的系統(tǒng)級技術(shù)指標,以說明雷達要實現(xiàn)的全部功能。因此,可以在理論上基于雷達的系統(tǒng)設(shè)計指標初步評估雷達的工作性能。另一方面,理論分析的方法尚未發(fā)展到足以精確預(yù)測雷達性能的程度,所以需要對雷達進行外場測試以檢驗系統(tǒng)設(shè)計指標的合理性及抗干擾技術(shù)或算法的有效性。但是,大多數(shù)雷達性能的外場測試結(jié)論具有統(tǒng)計特性,限于雷達探測的合作目標、干擾兵力及經(jīng)費等條件的限制,不可能進行大量的雷達對抗外場測試以評估雷達性能。因此,本文基于理論分析與外場測試兩方面構(gòu)建評估指標體系。

1.1　理論分析

1.1.1基本技術(shù)指標

噪聲干擾下的雷達作用距離[22]、測距(時延)精度及測角精度[23]的公式為

(1)

(2)

(3)

(4)

文獻[23]提出用抗干擾改善因子(electronic counter-countermeasures improvement factor, EIF)來評估雷達的抗干擾性能,其計算公式為

(5)

式中,(S/J)K為雷達采取抗干擾技術(shù)后的輸出信干比；(S/J)0為未采取抗干擾技術(shù)的輸出信干比。由式(5)可以得出,EIF可以直觀地反映雷達采取抗干擾技術(shù)后信干比改善的程度,但無法確定改善后的信干比與雷達檢測目標所要求的信干比之間的關(guān)系。另一方面,由于EIF是關(guān)于靈敏度時間控制、天線的垂直方向圖和目標的雷達截面積的函數(shù),因此,當雷達受干擾時雷達采取抗干擾技術(shù)這一較短的時間內(nèi),對于低速運動的目標,上述3項參數(shù)變化較小,然而對于高速運動目標(如戰(zhàn)斗機),上述3項參數(shù)變化較大,對EIF有一定的影響,無法準確衡量抗干擾技術(shù)對信干比的改善程度。警戒雷達的首要職責是探測威脅等級較高的敵方目標,如高速飛行的戰(zhàn)斗機、導彈等[24],因此,EIF不適宜作為定量評估警戒雷達抗干擾性能的指標。

1.1.2抗干擾技術(shù)

警戒雷達采取的抗干擾技術(shù)對雷達在干擾環(huán)境下的探測性能有至關(guān)重要的影響。當警戒雷達處于干擾環(huán)境下,通常采取以下兩方面措施進行對抗。①阻止干擾信號進入雷達系統(tǒng)內(nèi)部。采用超低副瓣天線、自適應(yīng)波束形成等技術(shù)抑制干擾信號;或采取頻率捷變,迫使敵方的干擾信號拓展到極寬的帶寬上,使雷達收到的干擾功率密度下降;或采取波形捷變、重頻抖動等技術(shù),增大電子戰(zhàn)系統(tǒng)對雷達信號的偵收難度[25-28]。②采取信號處理、數(shù)據(jù)處理等技術(shù)抑制干擾。當干擾信號進入雷達系統(tǒng)內(nèi)部,利用干擾信號與目標信號在時頻域[29-31]、極化域[32]、回波特性、運動特性[33]等方面存在的差異,采取多普勒旁瓣對消、旁瓣匿隱、虛假點跡過濾、動目標檢測(moving target detection, MTD)及動目標顯示(moving target indicator, MTI)等技術(shù)進一步削弱、抑制干擾,使雷達在干擾背景下將目標信息提取出來[34-35]。

1.1.3工作體制

警戒雷達的工作體制主要有脈沖壓縮(pulse compression, PC)和相控陣兩種。警戒雷達的首要任務(wù)是在盡可能遠的距離及時檢測并跟蹤威脅目標,因此,對探測距離提出了較高的需求。PC雷達通過發(fā)射較寬的脈沖信號提高發(fā)射信號能量,增大目標檢測概率與探測距離,同時在接收回波信號時采用匹配濾波技術(shù)輸出窄脈沖,以滿足警戒雷達對遠距離目標探測和距離分辨力的需求[36],因此,警戒雷達廣泛采用PC體制。相控陣體制的雷達具有靈活的能量管理、波束控制及自適應(yīng)陣列處理能力,具有很強的抗干擾能力和多目標處理能力。

1.2　外場測試

外場測試主要檢驗雷達在干擾條件下的戰(zhàn)術(shù)性能。將雷達在干擾條件下的戰(zhàn)術(shù)性能與系統(tǒng)設(shè)計的戰(zhàn)術(shù)指標相比較,可直觀地反映雷達的抗干擾性能,本文定義了下列指標:相對探測距離、相對角度分辨力、相對距離分辨力、相對角度精度、相對距離精度、真目標跟蹤概率及假目標剔除概率。各指標的定義如下:①相對探測距離是雷達在干擾條件下的最大探測距離與其設(shè)計要求的作用距離的比值;②相對角度/距離分辨力是雷達設(shè)計所要求的角度/距離分辨力與雷達在干擾環(huán)境下測得的角度/距離分辨力的比值;③相對角度/距離精度是指雷達設(shè)計所要求的角度/距離精度與雷達在干擾環(huán)境下測得的角度/距離精度的比值;④真目標跟蹤概率是雷達在干擾環(huán)境下跟蹤的真實目標數(shù)量與雷達在無干擾環(huán)境下跟蹤的真實目標數(shù)量的比值;⑤假目剔除概率是雷達在干擾環(huán)境下通過采取抗干擾技術(shù)抑制掉的假目標數(shù)量與雷達在干擾環(huán)境下未采取抗干擾技術(shù)時的假目標數(shù)量的比值。

1.3　評估指標體系的構(gòu)建

在評估實踐中,評估指標直接決定評估結(jié)果的可信度與評估方法的實用性[37]。不同功能的雷達肩負著不同的使命任務(wù),在防空反導的作戰(zhàn)過程中,雷達在對抗不同類型的電子干擾時會采取不同的抗干擾技術(shù),因此需要根據(jù)雷達的作戰(zhàn)用途以及對抗場景選取評估指標,同時指標體系構(gòu)建時應(yīng)充分把握完備性、獨立性、可用性3個原則。本文充分考慮警戒雷達在典型戰(zhàn)場下的干擾環(huán)境,對警戒雷達抗干擾性能評估指標體系進行細化。針對警戒雷達將主要面臨的噪聲干擾與密集假目標干擾,分別構(gòu)建了評估指標體系,如圖1和圖2所示。

圖1　警戒雷達抗噪聲干擾性能評估指標體系

圖2　警戒雷達抗密集假目標干擾性能評估指標體系

本文從警戒雷達的工作體制、抗干擾技術(shù)以及干擾環(huán)境下的戰(zhàn)術(shù)性能3個方面入手,構(gòu)建了評估指標體系,涵蓋了國內(nèi)以及部分國外引進雷達所具有的較為成熟、有效的多種抗干擾技術(shù)和工作體制,具有較好地完備性。該評估指標體系不僅理論上可行,而且具有可操作性。當警戒雷達面臨不同樣式的干擾時,可以選取相應(yīng)的指標體系進行評估,且指標體系中各指標值均可通過本文提出的方法獲取。由于艦載兩坐標警戒雷達具有的抗干擾技術(shù)以及所面臨的有源干擾樣式與岸基兩坐標警戒雷達相同,因此,本文提出的警戒雷達抗干擾性能評估指標體系及評估方法適用于岸基/艦載平臺的兩坐標警戒雷達。

2　警戒雷達抗干擾性能評估方法

確定指標權(quán)重的方法主要有兩類:主觀賦權(quán)法與客觀賦權(quán)法。主觀賦權(quán)法是基于專家的知識、經(jīng)驗與認識,通過對研究對象評估指標的重要性進行判斷,進而確定指標權(quán)重,如AHP、專家統(tǒng)計分析法,這類方法在賦權(quán)過程中,通過采取不同的技術(shù)或算法可在一定的程度上降低賦權(quán)的主

觀性,但對專家存在一定程度的依賴?？陀^賦權(quán)法是通過數(shù)理統(tǒng)計運算求解指標權(quán)重,如相關(guān)系數(shù)法和主成分分析法。這類方法雖然避免了主觀及人為因素的影響,但需以大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),且有時權(quán)重值并未客觀反應(yīng)評估指標的真實重要程度,存在一定的偏差[38]。

AHP是由美國運籌學家塞蒂教授提出的一種將定性與定量分析相結(jié)合的、系統(tǒng)化的決策分析方法,其把研究對象作為一個系統(tǒng),按照分解、比較判斷、綜合的思維方式進行決策,廣泛用于軍事指揮、經(jīng)濟計劃和管理、能源政策和分配等領(lǐng)域。雷達對抗領(lǐng)域的權(quán)威專家對國內(nèi)雷達以及國外引進雷達采用的抗干擾技術(shù)及其實際性能有準確的認識,對國外的雷達前沿技術(shù)保持追蹤和學習,積累了豐富的經(jīng)驗,能對雷達性能做出較為客觀、準確的評價。因此,本文綜合運用AHP與專家統(tǒng)計分析法確定指標權(quán)重,以提高賦權(quán)的準確性。

AHP將研究對象或問題分解為若干組成因素以形成遞階層次結(jié)構(gòu),進而評估系統(tǒng)的綜合效能,主要分為以下4個步驟[39]:

步驟1根據(jù)研究的對象,建立層次結(jié)構(gòu)模型。首先將研究對象或問題根據(jù)一定的準則分解為若干因素,各因素按照各自相應(yīng)的準則或依據(jù)再向下分解,這樣逐層分解以形成遞推層次結(jié)構(gòu)模型。

步驟2構(gòu)造判斷矩陣。權(quán)威專家根據(jù)經(jīng)驗和認識,利用1～9標度法對各指標進行相對重要性評估以構(gòu)造判斷矩陣。

步驟3求解該矩陣的最大特征值、對應(yīng)的特征向量,做一致性檢驗[39]。如果通過檢驗,將特征向量歸一化處理后就得到最終的權(quán)重向量;若不通過,則重新構(gòu)造判斷矩陣。

步驟4計算每層元素對研究對象的合成權(quán)重。

通過多位雷達對抗領(lǐng)域?qū)＜曳謩e對抗干擾技術(shù)、工作體制對雷達抗干擾性能的重要性進行評分后再取均值,求得的各項指標的重要性結(jié)果如表1～表3所示。

表1　抗干擾技術(shù)對警戒雷達抗噪聲干擾的重要性1)

注1): MTD表示動目標檢測技術(shù),MTI表示動目標顯示技術(shù)。

表2　抗干擾技術(shù)對警戒雷達抗密集假目標干擾重要性

表3　工作體制對警戒雷達抗干擾的重要性

關(guān)于抗干擾技術(shù)重要性說明:首先假定警戒雷達在受到干擾時,能采取有效的措施使接收機和終端數(shù)據(jù)處理不飽和,否則將可能導致雷達無法有效探測、輸出目標信息或者直接導致雷達終端分系統(tǒng)死機,此時則認為雷達的抗干擾性能為零;再者假定雷達采用的抗干擾措施都是采用很成熟的技術(shù)或算法實現(xiàn)的,且雷達輔助天線的數(shù)量大于或者等于干擾源的數(shù)量,當雷達同時具有MTD與MTI功能時,只考慮MTD的重要性;當雷達同時具有多普勒旁瓣對消、旁瓣匿隱、旁瓣對消中的3項或兩項功能時,只取重要性最大的指標;當雷達同時具有恒虛警與雜波圖功能時,只考慮恒虛警的重要性;當雷達同時具有MTD與雜波圖功能時,只考慮MTD的重要性。通過上述說明,可以對評估指標體系進行優(yōu)化,進而可以使雷達抗干擾試驗外場測試項目減少約15%。

為降低AHP對指標權(quán)重賦值的主觀性,邀請多位雷達對抗領(lǐng)域的專家對各指標的相對重要性進行統(tǒng)計分析,基于統(tǒng)計結(jié)果構(gòu)造的判斷矩陣通過一致性檢驗,求得權(quán)重為:A層與D層中各指標的權(quán)重均為[0.1830.817],B層與E層中各指標的權(quán)重均為[0.3900.610 1];在C層與F層中,干擾條件下的戰(zhàn)術(shù)性能指標的權(quán)重如表4和表5所示,雷達的工作體制確定后,其對應(yīng)體制的權(quán)重即為1,其余體制權(quán)重為0;抗干擾技術(shù)的權(quán)重計算公式為

(6)

式中,ωi為第i個指標的權(quán)重;μi為第i個指標對雷達抗噪聲/密集假目標干擾的重要性度量。根據(jù)表1、表2及抗干擾技術(shù)的重要性說明,確定最終參與評估的抗干擾技術(shù),如果包含第i個指標,則δi為1,否則為0。

表4　指標層C中各戰(zhàn)術(shù)指標權(quán)重

表5　指標層F中各戰(zhàn)術(shù)指標權(quán)重

設(shè)雷達的工作體制、抗干擾技術(shù)及外場測試得到的各指標數(shù)據(jù)為αj(j=1,2,…,n),通過加權(quán)求和得到最終的評估結(jié)果為

(7)

根據(jù)文獻[40-42]與雷達電子對抗的外場試驗總結(jié),警戒雷達在受到噪聲干擾時,采取自適應(yīng)變頻、多普勒旁瓣對消、點跡過濾等技術(shù)時,可得到抗噪聲干擾的最佳效果。在受到密集假目標干擾時,采取重頻抖動、旁瓣匿隱、頻率捷變、點跡過濾等技術(shù)時,可達到抗密集假目標干擾的最佳效果。由于相控陣雷達具有靈活的波束控制、空間功率合成及自適應(yīng)陣列處理能力,因此比PC雷達具有更強的抗干擾性能。在防空反導作戰(zhàn)中,警戒雷達在探測由敵方電子干擾掩護下的飛機編隊時,指揮員需要及時掌握威脅目標信息,要求雷達在盡可能遠的距離上發(fā)現(xiàn)目標位置及數(shù)量,為指控中心及時提供預(yù)警信息。因此,評估雷達對抗噪聲干擾的戰(zhàn)術(shù)性能時,威力最重要,分辨力次之,對精度的要求最低。警戒雷達在對抗密集假目標干擾時需要保持對真實目標的繼續(xù)跟蹤,且盡可能多地剔除假目標,降低虛警。因此,評估雷達對抗欺騙性干擾的戰(zhàn)術(shù)性能時,真目標跟蹤概率與假目標剔除概率都很重要。根據(jù)以上分析,基于AHP與專家統(tǒng)計分析計算出的指標權(quán)重符合戰(zhàn)場情況下指揮員對警戒雷達戰(zhàn)術(shù)指標重要性排序的要求,抗干擾技術(shù)的重要性排序與雷達抗干擾外場試驗總結(jié)一致。

本文針對國內(nèi)雷達及部分國外引進雷達較為成熟且有效的抗干擾技術(shù),給出了這些抗干擾技術(shù)的重要性度量值,評估指標體系中各技術(shù)指標值均可由此獲取,各戰(zhàn)術(shù)指標值可通過軍方的雷達驗收試驗結(jié)果報告獲取。相比傳統(tǒng)的定性描述方式,該方法實現(xiàn)了警戒雷達抗干擾性能的定量評估,使軍方較為全面地掌握雷達在干擾環(huán)境下的真實探測性能,便于指揮員對各雷達合理地布站使用。需要說明的是:由于指標體系中干擾環(huán)境下的各戰(zhàn)術(shù)指標值是在特定的外場環(huán)境下測得的,因此,在使用該方法評估警戒雷達的抗干擾性能時,需要說明該雷達進行外場試驗的測試環(huán)境,在此條件下使用該方法計算出的定量評估結(jié)果才有意義。若需評估、比較不同警戒雷達的抗干擾性能以便進行合理的布站,應(yīng)確保參試干擾機的參數(shù)設(shè)置相同或者與雷達相匹配,確保動目標、雜波反射、氣象及其他干擾等外場測試環(huán)境相同。

3　評估實例

現(xiàn)以某5部岸基警戒雷達為例來驗證該模型,5部雷達的具體參數(shù)如表6所示。雷達探測的空中目標為民航飛機,在距雷達天線一定距離處放置一個干擾信號模擬器,其參數(shù)設(shè)置如表7所示,當飛機即將進入雷達探測空域時,干擾信號模擬器開始施放干擾,且干擾信號的帶寬大于雷達的帶寬,測試分辨力指標時采用兩個目標信號模擬器來模擬兩個目標,利用廣播式自動相關(guān)監(jiān)視(automatic dependent surveillance broadcast, ADS-B)系統(tǒng)獲取飛機的真值數(shù)據(jù)信息。5部雷達的定量評估結(jié)果如表8和表9所示。為確保參試飛機飛行試驗的安全,外場試驗是在氣象條件較好的條件下進行的,天氣晴朗,微風,無其他人為干擾。各項外場測試結(jié)果均在滿足規(guī)定置信度要求的基礎(chǔ)上經(jīng)多次測量取平均值確定。

表6　5部警戒雷達的技術(shù)指標和外場測試結(jié)果

表7　干擾信號模擬器的參數(shù)設(shè)置

表8　5部警戒雷達的抗噪聲干擾評估結(jié)果

表9　5部警戒雷達的抗密集假目標干擾評估結(jié)果

雷達2與雷達3具有自適應(yīng)變頻、副瓣對消、MTD等技術(shù)以對抗噪聲干擾,具有脈間頻率捷變、重頻抖動、副瓣匿隱等技術(shù)以對抗密集假目標干擾,采取有效的抗干擾技術(shù)后探測性能有明顯的改善,在外場測試中相比其他3部雷達具有更好的性能,干擾環(huán)境下的戰(zhàn)術(shù)性能損失相對較小,抗干擾性能相對較強;雷達1與雷達5具有自適應(yīng)變頻、MTD、雜波圖等技術(shù)以對抗噪聲干擾，具有脈間頻率捷變、重頻抖動、波形捷變、干擾源指向等技術(shù)以對抗密集假目標干擾，干擾環(huán)境下的戰(zhàn)術(shù)性能處于中等水平；雷達4采用的抗干擾技術(shù)相對較少,干擾環(huán)境下的戰(zhàn)術(shù)性能損失相對較大,抗干擾性能相對較弱。評估實例結(jié)果表明,由該方法計算出的5部警戒雷達抗干擾性能定量評估結(jié)果符合各部雷達外場測試的性能總結(jié)。

4　結(jié)　論

本文提出了一種警戒雷達抗干擾性能的定量評估方法。與現(xiàn)有理論方法相比,該方法對警戒雷達抗干擾性能評估進行細化,針對壓制式干擾與密集假目標干擾分別進行評估,通過選取合適的戰(zhàn)技指標分別構(gòu)建了評估指標體系,并根據(jù)不同警戒雷達可能具有不同的抗干擾技術(shù),進一步給出了評估指標體系的優(yōu)化方法,可操作性更強;與外場技術(shù)方法相比,該方法可減少雷達抗干擾試驗外場測試項目約15%,節(jié)省了外場試驗時間,降低了外場試驗組織的復雜度。評估實例結(jié)果表明,由該方法計算出的定量評估結(jié)果能客觀地反映雷達的抗干擾性能,符合各部雷達參加外場測試時的性能總結(jié)。

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