跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)抗干擾性能評(píng)估指標(biāo)體系研究

馬冬冬,郭新民

(92785部隊(duì)，河北 秦皇島 066000)

0 引 言

在現(xiàn)代復(fù)雜多變的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下，電磁環(huán)境日趨復(fù)雜，跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)的環(huán)境適應(yīng)性已成為制約地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)性能的關(guān)鍵?；谖淦飨到y(tǒng)的需求，跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)抗干擾及雜波的技術(shù)也在不斷進(jìn)步。本文主要分析地空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)(以下簡(jiǎn)稱“跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)”)的抗有源干擾性能，僅考慮單部雷達(dá)的抗干擾性能，不考慮通過(guò)紅外測(cè)向及激光測(cè)距配合使用改善雷達(dá)性能的因素。構(gòu)建跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)抗干擾性能指標(biāo)體系(以下簡(jiǎn)稱“指標(biāo)體系”)是評(píng)估雷達(dá)抗干擾性能的基礎(chǔ)。文獻(xiàn)[1-3]基于不同的角度分別構(gòu)建了評(píng)估指標(biāo)體系，進(jìn)一步推動(dòng)了雷達(dá)抗干擾評(píng)估工作。然而，在典型戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)下，不同功能的雷達(dá)將對(duì)抗不同樣式的電子干擾，因此有必要進(jìn)一步細(xì)化評(píng)估指標(biāo)體系。本文針對(duì)跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)將對(duì)抗的噪聲、距離-速度拖引、距離拖引-角度欺騙等多種干擾，基于系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)、工作體制、抗干擾技術(shù)、及外場(chǎng)測(cè)試，分別構(gòu)建不同的評(píng)估指標(biāo)體系。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)

跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)在噪聲干擾環(huán)境下的探測(cè)距離[4]、測(cè)距精度及測(cè)角精度[5]的公式為

(1)

(2)

(3)

T′s=Ts+Tj

(4)

式中，Rj為雷達(dá)在噪聲干擾環(huán)境下的探測(cè)距離，tf為雷達(dá)的相干處理間隔，Gr為雷達(dá)接收天線的增益，Pav為雷達(dá)的平均功率，Gt為雷達(dá)發(fā)射天線的增益，σ為目標(biāo)的雷達(dá)截面積，λ為雷達(dá)波長(zhǎng)，F(xiàn)t為發(fā)射路徑的方向圖傳播因子，F(xiàn)p為雷達(dá)天線的極化因子，F(xiàn)lens為透鏡因子，F(xiàn)r為接收路徑的方向圖傳播因子，T′s為噪聲干擾下的雷達(dá)輸入端噪聲溫度，k為玻爾茲曼常數(shù)，Lt為發(fā)射饋線損耗，La(Rmj)為雷達(dá)天線到干擾機(jī)的大氣吸收損耗，Dx(n′)為有效檢測(cè)因子，k1、k2均是大約為1的常數(shù)，tr為脈沖上升時(shí)間，δTR為雷達(dá)的回波信號(hào)時(shí)延精度，J為干擾信號(hào)的功率譜密度，δθ為目標(biāo)的角度精度，E為雷達(dá)回波信號(hào)的能量，N0為噪聲的功率譜密度，θB為雷達(dá)的波束寬度，Ts為無(wú)干擾時(shí)的雷達(dá)輸入端噪聲溫度，Tj為外界噪聲干擾下的雷達(dá)輸入端等價(jià)噪聲溫度。當(dāng)噪聲干擾信號(hào)強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于接收機(jī)內(nèi)部噪聲時(shí)，Tj?Ts，可忽略雷達(dá)波長(zhǎng)對(duì)雷達(dá)探測(cè)距離的影響。

由公式(1)可知，在噪聲干擾環(huán)境下的雷達(dá)發(fā)現(xiàn)距離Rj與雷達(dá)平均發(fā)射功率Pav、天線發(fā)射增益Gt及系統(tǒng)相干處理間隔tf3個(gè)參數(shù)乘積的四次方根成正比。因此，增大雷達(dá)的平均發(fā)射功率Pav、天線的發(fā)射增益Gt及系統(tǒng)的相干處理間隔tf對(duì)提高雷達(dá)探測(cè)距離的貢獻(xiàn)相對(duì)較小。另一方面，限于功耗、散熱、體積、質(zhì)量、成本等因素，跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)的發(fā)射功率和天線增益不會(huì)設(shè)計(jì)得很高。因此，為提高跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)的抗干擾性能，通常采取多種有效的抗干擾措施以抑制干擾，提高雷達(dá)信干比。

2 抗干擾技術(shù)

在復(fù)雜電磁環(huán)境下，當(dāng)跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)對(duì)抗敵方干擾時(shí)，雷達(dá)系統(tǒng)首先對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行分析、識(shí)別，然后系統(tǒng)自動(dòng)啟用或通過(guò)人工方式啟用相應(yīng)的抗干擾策略。跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)的抗干擾技術(shù)主要有以下4方面。

2.1 反偵察

跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)實(shí)現(xiàn)反偵察的途徑主要有兩點(diǎn)：一是控制雷達(dá)開(kāi)機(jī)時(shí)機(jī)，在不影響完成作戰(zhàn)任務(wù)的前提下盡量減少雷達(dá)信號(hào)對(duì)外輻射的時(shí)間；二是采用復(fù)雜波形、波形捷變、頻率捷變、重頻捷變等方式降低雷達(dá)設(shè)備被敵方偵察設(shè)備截獲的概率或者增加敵方干擾機(jī)引導(dǎo)干擾的時(shí)間。然而，遺憾的是，雷達(dá)個(gè)別工作方式與有些反偵察措施不能同時(shí)使用，如脈沖多普勒工作方式與脈間頻率捷變無(wú)法同時(shí)使用，只能與脈組頻率捷變同時(shí)使用。這在一定程度上降低了雷達(dá)反偵察的能力。

2.2 干擾分析與識(shí)別

跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)通過(guò)在時(shí)域、頻域等方面分析雷達(dá)感興趣的目標(biāo)回波信號(hào)與干擾信號(hào)的特性差異，以識(shí)別干擾信號(hào)。[6]在多數(shù)情況下，干擾信號(hào)與目標(biāo)回波信號(hào)的頻譜特性存在差異。當(dāng)目標(biāo)受距離拖引或速度拖引時(shí)，雷達(dá)距離波門(mén)或速度波門(mén)被干擾信號(hào)捕獲，雷達(dá)收到的信號(hào)幅度會(huì)突然增大，進(jìn)而影響、控制雷達(dá)接收機(jī)內(nèi)部的自動(dòng)增益控制電路，基于上述特性信息可識(shí)別干擾信號(hào)。

2.3 抗壓制干擾

跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)跟蹤干擾源主要有3種方式。第1種為“燒穿”工作方式。雷達(dá)采用降低天線旋轉(zhuǎn)速率(機(jī)械掃描)、增大脈沖掃描速率等方式增大脈沖駐留時(shí)間以提高雷達(dá)發(fā)射信號(hào)能量，進(jìn)而提高雷達(dá)接收機(jī)輸出信干比，增大目標(biāo)檢測(cè)概率，提高雷達(dá)測(cè)距、測(cè)角精度。第2種為被動(dòng)跟蹤方式。跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)將自衛(wèi)干擾機(jī)的干擾信號(hào)作為目標(biāo)信號(hào)，對(duì)目標(biāo)實(shí)施角度跟蹤，然而除角度信息外雷達(dá)無(wú)法獲取目標(biāo)其他信息。第3種為交替跟蹤方式。在強(qiáng)干擾時(shí)跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)采用被動(dòng)跟蹤方式，在干擾強(qiáng)度較弱時(shí)切換為主動(dòng)跟蹤模式，雷達(dá)在這兩種工作模式下交替工作，直至自衛(wèi)干擾機(jī)無(wú)法掩護(hù)目標(biāo)。

2.4 抗欺騙干擾

針對(duì)跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)的欺騙干擾主要是基于轉(zhuǎn)發(fā)式干擾技術(shù)或者基于數(shù)字射頻存儲(chǔ)技術(shù)通過(guò)跟蹤波門(mén)拖引的方式來(lái)破壞、擾亂雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的跟蹤。跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)通常會(huì)采用以下兩種方法來(lái)對(duì)抗有源欺騙干擾：(1)通過(guò)采取脈間頻率捷變、脈間重頻抖動(dòng)等方式，增大敵方干擾系統(tǒng)偵察、分析跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)信號(hào)的難度；(2)當(dāng)跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)采用特定的技術(shù)、手段檢測(cè)到已受干擾時(shí)，通過(guò)采取記憶跟蹤、脈沖前沿跟蹤等方式對(duì)抗干擾，防止跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)被誘騙。

2.4.1 抗距離拖引干擾

抗距離拖引干擾的主要技術(shù)為脈沖前沿跟蹤、記憶跟蹤的跟蹤方式，以及重頻捷變、頻率捷變、波形捷變等變換雷達(dá)信號(hào)參數(shù)的方法。脈沖前沿跟蹤是對(duì)目標(biāo)的脈沖回波信號(hào)前沿進(jìn)行檢測(cè)和跟蹤，對(duì)前波門(mén)信號(hào)優(yōu)先加權(quán)，由此可以獲得10 dB左右的增益，以檢測(cè)真實(shí)目標(biāo)。然而，另一方面，脈沖前沿跟蹤所要求的帶寬比雷達(dá)通常的跟蹤距離波門(mén)要寬，這就增大了雷達(dá)受噪聲干擾的概率。當(dāng)雷達(dá)目標(biāo)跟蹤速率發(fā)生突變時(shí)，雷達(dá)根據(jù)需要可轉(zhuǎn)入記憶跟蹤狀態(tài)，待距離拖引干擾信號(hào)離開(kāi)距離波門(mén)時(shí)，雷達(dá)再轉(zhuǎn)入正常跟蹤狀態(tài)，該技術(shù)也稱為取樣-保持-平滑技術(shù)?？焖俑淖兝走_(dá)工作參數(shù)，可降低雷達(dá)信號(hào)被截獲的概率，使欺騙干擾信號(hào)總是滯后于目標(biāo)回波信號(hào)，使干擾機(jī)只能實(shí)現(xiàn)距離波門(mén)后向拖引或者無(wú)法有效實(shí)施干擾。

2.4.2 抗速度拖引干擾

抗速度拖引干擾的主要技術(shù)是將目標(biāo)多普勒頻率對(duì)應(yīng)的速度與目標(biāo)距離變化率求取的速度值進(jìn)行比較，若兩者不一致，則判定為速度拖引干擾。另一種技術(shù)是雙頻發(fā)射，通過(guò)同時(shí)發(fā)射兩個(gè)不同頻率信號(hào)，使得雷達(dá)接收機(jī)能完成對(duì)真正目標(biāo)回波信號(hào)頻率和速度波門(mén)拖引信號(hào)的鑒別。速度拖引干擾主要是針對(duì)脈沖多普勒雷達(dá)，或雷達(dá)采用脈沖多普勒工作模式，此時(shí)雷達(dá)才可能受到速度拖引干擾。

2.4.3 抗角度欺騙干擾

重頻抖動(dòng)、頻率捷變等技術(shù)可使干擾機(jī)難以對(duì)準(zhǔn)雷達(dá)信號(hào)，使干擾信號(hào)的變換總是滯后于雷達(dá)信號(hào)，降低角度欺騙干擾概率。在對(duì)抗由交叉極化引起的角度欺騙干擾時(shí)，因平板陣列天線對(duì)交叉極化反應(yīng)不敏感，雷達(dá)可采用平板陣列天線等技術(shù)在一定程度上抑制交叉極化干擾，也可采用交叉極化對(duì)消器等方式抑制干擾。

3 工作體制

3.1 圓錐掃描

圓錐掃描雷達(dá)易被自衛(wèi)式調(diào)幅干擾所影響。例如，逆增益干擾，它通過(guò)對(duì)干擾信號(hào)的幅度進(jìn)行調(diào)制，使其調(diào)制速率等于圓錐掃描雷達(dá)的波束掃描速率，且使干擾信號(hào)相位與雷達(dá)回波信號(hào)形成180°的相位差，從而對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)產(chǎn)生測(cè)角偏差。隱蔽圓錐掃描雷達(dá)在對(duì)抗這種類型的干擾時(shí)存在一定的優(yōu)勢(shì)。但是，這種類型的雷達(dá)也容易受到干擾。通過(guò)在逆增益干擾機(jī)的基礎(chǔ)上增加一個(gè)低頻掃描電路，當(dāng)偵收到雷達(dá)信號(hào)時(shí)即可對(duì)其實(shí)施干擾。由于圓錐掃描雷達(dá)和隱蔽圓錐掃描雷達(dá)很容易受到干擾，且目標(biāo)跟蹤精度相對(duì)較低，現(xiàn)代跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)很少采用這兩種體制。因此，本文對(duì)上述兩種體制不作考慮。

3.2 單脈沖

與圓錐掃描雷達(dá)相比，單脈沖雷達(dá)對(duì)目標(biāo)信息的測(cè)量更加精確，而且不易受到諸如逆增益干擾及調(diào)幅干擾的影響。單脈沖雷達(dá)基于同時(shí)產(chǎn)生的多波束計(jì)算出目標(biāo)角度誤差信號(hào)，因此不會(huì)受到因目標(biāo)回波信號(hào)幅度不穩(wěn)帶來(lái)的測(cè)角偏差。單脈沖雷達(dá)采用多信道接收對(duì)回波進(jìn)行處理，就可計(jì)算出目標(biāo)的角跟蹤誤差信息，抗單點(diǎn)源干擾能力較強(qiáng)，且單脈沖雷達(dá)的這一特性可使其有效跟蹤敵方的噪聲干擾信號(hào)。

3.3 相控陣

相控陣?yán)走_(dá)在反偵察方面可以無(wú)慣性地快速波束掃描，即采用隨機(jī)掃描而不是周期掃描。電磁情報(bào)偵察設(shè)備不能與相控陣天線的掃描同步，這就使得敵方的電子偵察飛機(jī)難以獲取足夠數(shù)據(jù)以分析雷達(dá)特征信息以攻擊其弱點(diǎn)。另一方面，相控陣?yán)走_(dá)的接收方向圖與發(fā)射方向圖很可能不同，這就使相控陣天線方向圖進(jìn)一步難以獲取或測(cè)量。因此，干擾機(jī)對(duì)相控陣?yán)走_(dá)形成有效干擾的難度進(jìn)一步增大。

在主動(dòng)抗干擾方面，相控陣?yán)走_(dá)可利用很多同類的陣元放大器在給定的方向上形成單個(gè)波束，產(chǎn)生很高的平均功率，提高雷達(dá)的搜索、截獲及跟蹤性能。相控陣天線可根據(jù)外部的干擾信號(hào)進(jìn)行自適應(yīng)處理，以在天線方向圖中將對(duì)應(yīng)于外部噪聲源的方向置于零點(diǎn)，可在很大程度上抑制從旁瓣進(jìn)入的干擾信號(hào)。

4 外場(chǎng)測(cè)試

外場(chǎng)測(cè)試是通過(guò)組織跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)對(duì)抗特定的干擾，以檢驗(yàn)其實(shí)際的戰(zhàn)術(shù)性能。將雷達(dá)受干擾時(shí)的戰(zhàn)術(shù)性能與無(wú)干擾時(shí)的戰(zhàn)術(shù)性能相比較以衡量雷達(dá)的抗干擾性能。為評(píng)估跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)分別對(duì)抗噪聲干擾、距離-速度拖引干擾、距離-角度欺騙干擾的性能，本文定義下列指標(biāo)：相對(duì)探測(cè)距離是雷達(dá)在噪聲干擾環(huán)境下的最大探測(cè)距離與無(wú)干擾時(shí)雷達(dá)作用距離的比值；相對(duì)角度/距離分辨力是雷達(dá)在無(wú)干擾環(huán)境下角度/距離分辨力與雷達(dá)在干擾環(huán)境下測(cè)得的角度/距離分辨力的比值；相對(duì)角度/距離精度是指雷達(dá)在無(wú)干擾環(huán)境下的角度/距離精度與雷達(dá)在干擾環(huán)境下測(cè)得的角度/距離精度的比值；抗距離/速度/角度欺騙成功概率是指在一定的干擾試驗(yàn)次數(shù)前提下跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)仍能穩(wěn)定跟蹤真實(shí)目標(biāo)的次數(shù)與總的欺騙干擾試驗(yàn)次數(shù)的比值。

5 評(píng)估指標(biāo)體系的構(gòu)建

跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)在面臨不同樣式的干擾時(shí)將采取不同的抗干擾技術(shù)，因此需要根據(jù)雷達(dá)的使命任務(wù)以及作戰(zhàn)場(chǎng)景選取評(píng)估指標(biāo)，同時(shí)必須充分把握獨(dú)立性、完備性、可用性3個(gè)原則。距離拖引干擾實(shí)現(xiàn)方式較為簡(jiǎn)單，適用于任何脈沖體制的跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)。本文充分考慮跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)可能對(duì)抗的干擾樣式，對(duì)其抗干擾性能評(píng)估指標(biāo)體系進(jìn)行細(xì)化。針對(duì)跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)將面臨的噪聲干擾、距離-速度拖引、距離拖引-角度欺騙干擾，分別選取最有效的抗干擾技術(shù)與戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)構(gòu)建評(píng)估指標(biāo)體系。

5.1 跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)抗噪聲干擾性能評(píng)估指標(biāo)體系

跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)抗噪聲干擾主要是通過(guò)采取多種方式增強(qiáng)雷達(dá)發(fā)射信號(hào)能量或者抑制干擾信號(hào)能量，進(jìn)而增強(qiáng)雷達(dá)信干比，提高雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)能力與跟蹤精度?？赏ㄟ^(guò)采取自適應(yīng)變頻方式尋找雷達(dá)工作帶寬內(nèi)干擾功率譜密度最小的頻點(diǎn)，使雷達(dá)接收干擾能量最小。通過(guò)旁瓣對(duì)消、旁瓣匿隱等方式，抑制從雷達(dá)天線副瓣進(jìn)入的干擾信號(hào)。通過(guò)采用燒穿模式、動(dòng)目標(biāo)顯示、動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)等方式增大回波信干比，增強(qiáng)雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)能力。主動(dòng)探測(cè)無(wú)法探測(cè)目標(biāo)的情況下可采用被動(dòng)跟蹤的方式獲取威脅目標(biāo)的角度信息。跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)抗噪聲干擾性能評(píng)估指標(biāo)體系如圖1所示。

圖1 跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)抗噪聲干擾性能評(píng)估指標(biāo)體系

5.2 跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)抗距離-速度拖引干擾性能評(píng)估指標(biāo)體系

跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)抗距離拖引干擾的方式主要是通過(guò)采取重頻抖動(dòng)、頻率捷變等方式快速改變雷達(dá)參數(shù)，使干擾信號(hào)總是滯后于目標(biāo)回波，進(jìn)而雷達(dá)可采取脈沖前沿跟蹤的方式提取目標(biāo)距離信息。跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)抗速度拖引干擾的方式主要是通過(guò)將目標(biāo)多普勒頻率求取的速度與目標(biāo)距離變化率求取的速度值比較，或者通過(guò)雙頻發(fā)射方式及記憶跟蹤方式，使雷達(dá)完成對(duì)真正目標(biāo)回波信號(hào)和速度波門(mén)拖引信號(hào)的鑒別。跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)抗距離-速度拖引干擾性能評(píng)估指標(biāo)體系如圖2所示。

圖2 跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)抗距離-速度拖引干擾性能評(píng)估指標(biāo)體系

5.3 跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)抗距離拖引-角度欺騙干擾性能評(píng)估指標(biāo)體系

單脈沖跟蹤雷達(dá)基于同時(shí)產(chǎn)生的多波束計(jì)算出目標(biāo)角度誤差信號(hào)，對(duì)逆增益干擾等幅度調(diào)制的干擾信號(hào)不敏感，對(duì)抗單干擾源角度欺騙干擾具有較好的性能。針對(duì)交叉極化干擾引起的角度欺騙，可以采用交叉極化對(duì)消器、平板陣列天線、極化屏蔽等技術(shù)抑制交叉極化分量進(jìn)入雷達(dá)天線。跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)抗距離-速度拖引干擾性能評(píng)估指標(biāo)體系如圖3所示。

圖3 跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)抗距離-角度欺騙干擾性能評(píng)估指標(biāo)體系

6 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)抗干擾性能評(píng)估指標(biāo)體系?；趹?zhàn)術(shù)應(yīng)用準(zhǔn)則與概率準(zhǔn)則，針對(duì)噪聲干擾、距離-速度拖引、距離拖引-角度欺騙干擾分別提出了跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)抗干擾性能評(píng)估指標(biāo)體系。該方法對(duì)跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)抗干擾性能評(píng)估進(jìn)行細(xì)化，針對(duì)3種典型的干擾樣式分別進(jìn)行評(píng)估，選取合適的戰(zhàn)技指標(biāo)分別構(gòu)建了評(píng)估指標(biāo)體系，具有更強(qiáng)的操作性。