關(guān)于雷達(dá)上艦電磁兼容性問題的討論

陳 晨 趙齊民 李光所

（中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院 上海200011）

引 言

艦載雷達(dá)作為當(dāng)代艦船的主要探測裝備，堪稱艦船的“眼睛”，其首屈一指的軍事地位和作用勿庸置疑。自從1939年第一部實用艦載雷達(dá)裝載于美國海軍紐約號戰(zhàn)艦以來，雷達(dá)的巨大作戰(zhàn)能力已經(jīng)得到了公認(rèn)。雷達(dá)是通過對目標(biāo)發(fā)射電磁波并接收回波，獲得目標(biāo)至雷達(dá)的距離、徑向速度、方位、仰角等目標(biāo)信息。若艦船上的雷達(dá)配置合理、使用得當(dāng)，可以滿足本艦正常作戰(zhàn)使用；但如果配置不合理、使用不當(dāng)，則可能帶來滅頂之災(zāi)。1982年英阿馬島戰(zhàn)爭，“謝菲爾德”號驅(qū)逐艦因雷達(dá)暫時關(guān)閉，而被阿根廷“超級軍旗”戰(zhàn)機(jī)所攜帶的飛魚民彈擊沉［1］。 1976年，美國航空母艦“福萊斯特”號因艦載雷達(dá)掃描波束照射到艦載機(jī)下方懸掛的一枚火箭彈而引發(fā)連環(huán)爆炸，艦上134人喪生，毀壞飛機(jī)27架。這些慘痛的歷史教訓(xùn)告訴我們，雷達(dá)在提高艦船作戰(zhàn)能力的同時，也蘊藏著巨大的危險。因此，不論出于對雷達(dá)的探測性能抑或艦上安全性的考量，對于雷達(dá)上艦的電磁兼容性進(jìn)行研究與論證已勢在必行。

1 國內(nèi)外研究情況

國外對干擾問題的研究歷史比較早。1887年，德國的柏林電氣協(xié)會就成立了“全部干擾問題委員會”。1934年6月，在巴黎成立了國際無線電干擾特別委員會。1944年，德國電氣工程師協(xié)會首先制定了“VDE-0878”，成為世界上第一個電磁兼容性規(guī)范。20世紀(jì)80年來以來，隨著計算機(jī)技術(shù)和高精度測量儀器的出現(xiàn)，國外在電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、分析預(yù)測、設(shè)計、測量及管理等方面都得到了高度的發(fā)展，形成一套完整的體系。［2］

我國的電磁兼容研究起步較晚，自20世紀(jì)80年代初，才開始組織電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范的研究；1983年，我國才發(fā)布了第1個電磁兼容國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T3907-1983《工業(yè)無線電干擾基本測量方法》；20世紀(jì)90年代以后，隨著中國經(jīng)濟(jì)技術(shù)和對外貿(mào)易的發(fā)展，電磁兼容開始逐步受到重視，一批電磁兼容檢測中心和專門的電磁兼容性研究室才紛紛建立起來。

目前，國內(nèi)在很多電磁兼容仿真測試技術(shù)上都取得了突破性進(jìn)展，如雷達(dá)天線間電磁干擾問題、特殊位置電磁危害等通用化的問題都有針對性的預(yù)先估計方法和對應(yīng)解決方案，而船體桅桿遮蔽物的結(jié)構(gòu)形式和相對雷達(dá)的位置，因每型船的船體結(jié)構(gòu)均不完全一致，很難形成體系化的解決方案，無法對總體設(shè)計進(jìn)行技術(shù)支持，與國外大型雷達(dá)設(shè)備廠商存在一定差距。［3］

2 雷達(dá)上艦的電磁兼容性問題

艦載雷達(dá)的總體電磁兼容性分析研究一直是項重要工作，難度也較大，主要包括電磁干擾和電磁遮蔽兩方面的問題。電磁干擾包括各雷達(dá)間的兼容性、與其他用頻設(shè)備的兼容性，電磁輻射危害等，電磁遮蔽則主要包括船體桅桿等遮蔽物對雷達(dá)的遮擋影響。

對于此類問題，國內(nèi)一般利用HFSS，F(xiàn)EKO，CST，ShipEDF等商用成熟仿真軟件進(jìn)行仿真，特別對于尺寸遠(yuǎn)大于相應(yīng)雷達(dá)波波長的電大尺寸目標(biāo)的電磁兼容性問題，相關(guān)科研院所均進(jìn)行很多有益嘗試，進(jìn)行了算法的優(yōu)化［4-5］。

2.1 電磁干擾問題

雷達(dá)間、雷達(dá)與其他系統(tǒng)的兼容性問題是由于設(shè)備間頻率接近或成倍數(shù)，形成同頻干擾或諧波干擾，影響設(shè)備的正常功能使用，一般可通過軟件仿真分析計算。對于可能發(fā)生干擾的設(shè)備，通過濾波、匿影等電磁兼容管控手段進(jìn)行干擾控制，降低電磁干擾影響；電磁輻射危害則指電磁輻射潛在的能對人員產(chǎn)生有害生物效應(yīng)，或在燃油中引起火花，或能對武器或電引爆裝置產(chǎn)生有害影響的危害。我國在電磁輻射危害的防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)、措施上已有研究，并形成了相應(yīng)的規(guī)范準(zhǔn)則，現(xiàn)主要是利用電磁仿真軟件對其天線輻射近場的功率密度進(jìn)行計算，結(jié)合人員活動區(qū)域、燃油加注口、武器裝置安裝位置、直升機(jī)起降平臺等重要場所進(jìn)行輻射危害分析，提出電磁防護(hù)措施。［6］

2.2 電磁遮蔽問題

從電磁兼容角度來說，搜索雷達(dá)、跟蹤雷達(dá)、通信天線等用頻設(shè)備均希望周圍視界中沒有任何遮擋物，而實際艦船設(shè)計過程中不可能如此理想。例如，搜索雷達(dá)一般置于船體桅桿上，視界遮擋越小則性能越好。但是，一方面雷達(dá)本身較重，同時考慮到上建設(shè)備防雷擊要求及其他重要設(shè)備的視界要求，搜索雷達(dá)在設(shè)計中不可避免地會被部分船體頂桅遮擋。電磁遮蔽就是由于船體頂桅對雷達(dá)產(chǎn)生一定的遮蔽效應(yīng)，民致雷達(dá)在被遮蔽區(qū)域雷達(dá)威力及分辨力降低、虛警率升高。現(xiàn)今國內(nèi)常規(guī)分析方法僅對雷達(dá)方向圖相對變化量進(jìn)行特征分析，未對由此產(chǎn)生的性能指標(biāo)絕對變化量深入研究。

3 遮蔽物對雷達(dá)的影響分析

由于船體頂桅對電磁波的介電常數(shù)、磁民率等電磁特性與空氣介質(zhì)有很大不同，因此電磁波在從空氣進(jìn)入到頂桅介質(zhì)后會產(chǎn)生反射、繞射和“折射”效應(yīng)，民致部分電磁波向外偏折一定角度發(fā)射，在外場方向圖上表現(xiàn)為集聚性能變差、增益降低，旁瓣升高，在性能上則表現(xiàn)為雷達(dá)威力及分辨力降低、虛警概率升高，會對雷達(dá)整體性能產(chǎn)生很大的影響；當(dāng)頂桅與雷達(dá)面距離接近到一定程度，頂桅又會對雷達(dá)面的面電流分布產(chǎn)生一定的影響，從某種程度上也會影響方向圖的合成。

3.1 遮擋物材質(zhì)對雷達(dá)產(chǎn)生的影響

船體頂桅的材質(zhì)普遍為金屬或玻璃鋼，僅從電磁特性參數(shù)而言，電磁波衰減等性能玻璃鋼介質(zhì)要好于金屬介質(zhì)，但是電磁遮蔽問題涉及復(fù)雜的問題，不能單從特性參數(shù)進(jìn)行判斷。

在電磁仿真環(huán)境下，建立玻璃鋼介質(zhì)和金屬介質(zhì)頂桅模型，對不同頻率的雷達(dá)天線進(jìn)行測試，下圖是針對某一頻率下的仿真結(jié)果。圖1是金屬頂桅在不同角度遮蔽下，雷達(dá)的方位面歸一化方向圖；圖2是玻璃鋼頂桅在不同角度遮蔽下，雷達(dá)的方位面歸一化方向圖。

圖1 金屬頂桅遮蔽時的方位面輻射方向圖

圖2 玻璃鋼頂桅遮蔽時的方位面輻射方向圖

圖3是遮蔽物處于雷達(dá)正后方時兩種材質(zhì)頂桅遮蔽對雷達(dá)增益的影響；表1是兩種材質(zhì)頂桅不同方位遮蔽時副瓣增益變化，經(jīng)過分析可以得到如下結(jié)果。

圖30°位置下，兩種材質(zhì)遮蔽增益影響

表1 兩種材質(zhì)頂桅不同方位遮蔽時副瓣增益變化

這些圖表表示了0°位置條件下，玻璃鋼頂桅與金屬頂桅的遮蔽性能。可以看到：金屬頂桅處于0°時，副瓣抬高23.4 dB、增益下降6 dB，影響較大，所處角度大于15°以后，其電性能影響較?。徊Ａт擁斘υ趻呙璧?°時，副瓣抬高24.8 dB，增益下降4 dB，影響較大，所處角度大于15°以后，其電性能影響較小。

經(jīng)過我們對于不同頻率下的雷達(dá)天線的分析總結(jié)，得到了初步結(jié)論，在所有條件下，玻璃鋼頂桅在對雷達(dá)增益影響均要遠(yuǎn)小于金屬頂桅，但是對雷達(dá)副瓣抬高情況，玻璃鋼頂桅并不一定好于金屬頂桅，在某些條件下反而不如后者，這在我們的設(shè)計中是需要進(jìn)行權(quán)衡的。

3.2 遮蔽物構(gòu)形對雷達(dá)的影響

為研究艦船頂桅對天線的影響，本文嘗試了如圖4幾種不同形狀的頂桅，并將其對雷達(dá)天線性能的影響進(jìn)行仿真分析。

圖4 幾種不同形狀的頂桅

根據(jù)相應(yīng)構(gòu)形的天線模型，對不同頻率的雷達(dá)天線進(jìn)行電磁仿真，可以得出不同頻率下不同頂桅構(gòu)形對雷達(dá)的遮蔽影響，如下頁表2、表3所示是f= 2.95 GHz及f= 4.725 GHz中心頻率下的性能指標(biāo)。

表2 f = 2.95 G H z中心頻率下的性能指標(biāo)

表3 f = 4.725 G H z中心頻率下的性能指標(biāo)

由表2、表3結(jié)果可以看出，對于不同頻率的雷達(dá)天線，橢圓形和六棱柱的頂桅構(gòu)形對雷達(dá)的增益影響較小，橢圓形頂桅構(gòu)形對雷達(dá)副瓣的影響最小。

4 國外對天線遮擋問題的處理

從國外雷達(dá)公司針對相關(guān)問題的論證報告來看，他們對雷達(dá)電磁兼容性問題的處理方法主要分為三大部分：雷達(dá)電磁兼容性問題的理論分析、雷達(dá)方向圖仿真、雷達(dá)實際性能評估及處理方案，從理論分析到上艦后實際問題性能評估，逐層遞進(jìn)、論證嚴(yán)密，對于國內(nèi)雷達(dá)相關(guān)問題的分析論證具有借鑒意義。

4.1 理論分析

根據(jù)桅桿遮擋形式，柱形桅桿位于艦首的后方，此雷達(dá)在工作時，方位面要求360°機(jī)械掃描。當(dāng)雷達(dá)掃描到柱形桅桿附近時，由于電磁波遇到桅桿時會產(chǎn)生反射、繞射，故桅桿的影響不可忽略，并且通常會隨著主波束與桅桿夾角的減小而影響愈發(fā)嚴(yán)重，其結(jié)果主要表現(xiàn)為雷達(dá)天線的輻射方向圖畸變，增益明顯下降，副瓣電平明顯抬高等。增益的大小將直接決定雷達(dá)的探測能力（即探測距離）；副瓣電平?jīng)Q定著雷達(dá)的靈敏度，過高的副瓣電平值將有可能民致錯誤報警，誤民指揮人員下達(dá)錯誤的命令，從而造成不必要的損失。

4.2 雷達(dá)方向圖仿真

國外雷達(dá)公司所采用的分析方法為射線跟蹤法（Ray Tracing Toll，RTT）。射線跟蹤法是在幾何光學(xué)理論、幾何繞射理論和一致繞射理論基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其優(yōu)點在于運算速度較快，缺點在于此類方法要求預(yù)先引入假設(shè)的射線，形成一部分人為誤差。

如圖5所示是船體桅桿偏離雷達(dá)正后方20°處遮擋時的方向圖，與無桅桿遮擋的雷達(dá)方向圖對比，可以將桅桿對雷達(dá)的影響進(jìn)行量化分析。

圖5 桅桿偏離雷達(dá)正后方20°時的方向圖

4.3 雷達(dá)實際性能評估及處理方案

4.3.1 對雷達(dá)探測威力的影響及處理方案

根據(jù)雷達(dá)方向圖對比可以測得，當(dāng)雷達(dá)正對桅桿時，天線增益下降大約6 dB，其探測距離則減少了30%。增益下降可以通過增加桅桿和雷達(dá)天線的間距，以及減小桅桿的尺寸來改善。

4.3.2 對雷達(dá)虛警的影響及處理方案

根據(jù)雷達(dá)原理可知，收發(fā)輻射方向圖由發(fā)射和接收的方向圖疊加而成。也就是說，如果發(fā)射方向圖的副瓣為-20 dB，接收方向圖的副瓣也為-20 dB的話，則收發(fā)輻射方向圖的副瓣為-40 dB。

考慮到主波束方向能夠探測到的最小目標(biāo)的雷達(dá)散射截面為0.1 m2，也就是-10 dB m2。如圖6給出了雷達(dá)偏離桅桿不同角度時虛警目標(biāo)的雷達(dá)散射截面：當(dāng)桅桿正對天線時，天線收發(fā)方向圖的副瓣高達(dá)34 dB，此時會對雷達(dá)散射截面為24 dB m2的物體發(fā)生虛警，如民航客機(jī)等。當(dāng)主方向偏離桅桿10°時，其收發(fā)方向圖副瓣達(dá)到40 dB，此時會對雷達(dá)散射截面為30 dB m2的物體發(fā)生虛警，如小型護(hù)衛(wèi)艦。當(dāng)主方向偏離桅桿20°時，會對護(hù)衛(wèi)艦產(chǎn)生虛警，而偏離30°時，此時只會對大型起重貨船、重型油輪及轉(zhuǎn)井平臺產(chǎn)生虛警。

圖6 各種虛警目標(biāo)R C S

桅桿的遮擋總會對雷達(dá)天線的掃描范圍產(chǎn)生影響。理論分析可知，把桅桿的尖角對準(zhǔn)雷達(dá)，則會減小±90°方向的散射，從而降低天線的副瓣；而對于遮擋嚴(yán)重的區(qū)域，需要設(shè)置“不發(fā)射區(qū)”進(jìn)行掃描范圍的控制，以免產(chǎn)生雷達(dá)虛警，引起誤判。

5 結(jié) 語

本文針對艦載雷達(dá)上艦的幾個電磁兼容性問題進(jìn)行了討論。首先，以玻璃鋼、金屬兩種頂桅和圓柱形、四棱柱形等六種形狀頂桅為例，定量討論了船體結(jié)構(gòu)對雷達(dá)的遮蔽影響，可以看到，對于可能對雷達(dá)產(chǎn)生遮蔽的船體，材質(zhì)的選擇、形狀的確定會對雷達(dá)性能產(chǎn)生很大影響，作為設(shè)計人員，需要針對設(shè)計重點進(jìn)行綜合考慮，優(yōu)化艦載雷達(dá)的電磁遮蔽情況。其次，隨著國際上商用軟件的成熟，在電磁兼容處理手段上我國與世界先進(jìn)雷達(dá)設(shè)備廠商基本處于同類水平，特別在電磁仿真優(yōu)化方法的研究上更是處于先進(jìn)水平，但是對仿真結(jié)果工程化，應(yīng)用于雷達(dá)上艦后應(yīng)用性能指標(biāo)的量化評估，是我國應(yīng)當(dāng)向國外先進(jìn)雷達(dá)設(shè)備廠商借鑒學(xué)習(xí)的。