單頻電磁輻射對(duì)雷達(dá)的干擾規(guī)律

趙 凱, 魏光輝, 潘曉東, 杜 雪, 任仕召

(陸軍工程大學(xué)石家莊校區(qū)電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 河北 石家莊 050003)

0 引 言

未來信息化條件下的一體化聯(lián)合作戰(zhàn)中,電子信息裝備廣泛應(yīng)用,戰(zhàn)場電磁環(huán)境日趨惡化,突出表現(xiàn)為多種電磁信號(hào)在空域、時(shí)域和頻域下，分布密集、數(shù)量繁多、樣式復(fù)雜、動(dòng)態(tài)交替,嚴(yán)重妨礙信息系統(tǒng)和電子設(shè)備正常工作，顯著影響武器裝備的作戰(zhàn)運(yùn)用和效能發(fā)揮[1-4]。自20世紀(jì)60年代起,美軍就開始了裝備的電磁危害研究,并將研究內(nèi)涵逐步擴(kuò)展到了當(dāng)前的“裝備電磁環(huán)境效應(yīng)”上[5]。掌握效應(yīng)規(guī)律是研究“裝備電磁環(huán)境效應(yīng)”的重要環(huán)節(jié),近年來,在世界范圍內(nèi)已有諸多學(xué)者對(duì)典型武器裝備(如通信電臺(tái)、無人機(jī)、無線電引信等)在連續(xù)波電磁輻射、超寬帶電磁脈沖、高功率微波干擾下出現(xiàn)的效應(yīng)規(guī)律進(jìn)行研究[6-12],剖析了典型的電磁輻射耦合通道、損傷規(guī)律等,對(duì)提高武器裝備電磁防護(hù)性能起到重要作用。

雷達(dá)在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中扮演著“千里眼”的角色。作為電子化程度較高的用頻裝備,雷達(dá)對(duì)電磁輻射比較敏感,若沒有足夠的電磁防護(hù)性能,就難以正常發(fā)揮其戰(zhàn)技性能[13]。近年來,對(duì)雷達(dá)電磁效應(yīng)的研究主要以雷達(dá)電子對(duì)抗為背景,即信息干擾效應(yīng)[14-17],而鮮有以非信息干擾為背景的文獻(xiàn)見諸報(bào)道。本文從一般雷達(dá)在單頻電磁輻射干擾下的工作狀態(tài)入手,對(duì)阻塞干擾、假目標(biāo)干擾規(guī)律進(jìn)行理論分析,而后通過試驗(yàn)探究干擾規(guī)律,對(duì)提高雷達(dá)電磁防護(hù)能力及保證其作戰(zhàn)效能具有重要意義。

1 理論分析

一般來說,對(duì)雷達(dá)的干擾可分為阻塞干擾與假目標(biāo)干擾[18-22]。以單頻電磁輻射為干擾源,基于雷達(dá)測距原理分析電路非線性失真,進(jìn)而探究阻塞干擾與假目標(biāo)干擾的規(guī)律。

1.1 一般雷達(dá)線性工作狀態(tài)

假設(shè)在單頻電磁輻射干擾下,雷達(dá)對(duì)單個(gè)靜止散射體進(jìn)行探測,耦合至雷達(dá)接收機(jī)的信號(hào)具有如下形式：

ur(t)=Us(t)cos [ωs(t-τ)]+Ujcos (ωjt+φ)

(1)

式中,Us(t)表示耦合到接收機(jī)的有用信號(hào)電壓包絡(luò)；Uj為干擾信號(hào)耦合電壓幅值；ωs和ωj為有用信號(hào)和干擾信號(hào)的角頻率；τ為有用信號(hào)由發(fā)出至返回的時(shí)延；φ表示干擾信號(hào)的初相位。

接收機(jī)本振信號(hào)頻率與回波信號(hào)頻率相同,其形式可表示為

uL(t)=cos(ωst)

(2)

以接收機(jī)I通道為例進(jìn)行說明,Q通道同理。當(dāng)輸入信號(hào)ur(t)較小、接收機(jī)處于線性工作狀態(tài)時(shí),回波信號(hào)與干擾信號(hào)同時(shí)通過混頻器,與本振信號(hào)uL(t)進(jìn)行混頻,并經(jīng)低通濾波后得到有用信號(hào)與干擾信號(hào)分量為

(3)

式中,as和aj為與頻率有關(guān)的非線性系數(shù)。

在后續(xù)的信號(hào)處理中,由I、Q通道混頻輸出的有用信號(hào)分量,可以無模糊地計(jì)算出時(shí)延τ的數(shù)值,進(jìn)而得到目標(biāo)的距離;由asUs(t)可得到真實(shí)目標(biāo)回波的強(qiáng)度,回波信號(hào)被線性放大。而干擾信號(hào)分量可能導(dǎo)致系統(tǒng)誤判,在后續(xù)處理中會(huì)產(chǎn)生假目標(biāo),其距離與(ωj-ωs)t+φ有關(guān),其強(qiáng)度由ajUj決定,干擾信號(hào)同樣被線性放大。由于t+φ是時(shí)變量,因此每次探測得到的假目標(biāo)位置是隨機(jī)的。

1.2 持續(xù)非線性失真

當(dāng)輸入信號(hào)ur(t)較大時(shí),接收機(jī)開始出現(xiàn)持續(xù)非線性失真,這是一種較弱的非線性失真,利用冪級(jí)數(shù)分析法進(jìn)行分析[6]。當(dāng)系統(tǒng)輸入信號(hào)如式(1)所示時(shí),保留冪級(jí)數(shù)的前4項(xiàng),輸出信號(hào)可表示為

(4)

式中,bi(i=0,1,2,…)是與電路特性有關(guān)的非線性系數(shù)。式(4)中的輸出信號(hào)與本振信號(hào)uL(t)進(jìn)行混頻,并通過低通濾波后,可得到有用信號(hào)與干擾信號(hào)的輸出分量為

(5)

由式(5)可知,有用信號(hào)與干擾信號(hào)的增益為

(6)

由式(5)和式(6)可得到以下結(jié)論。

(1) 由于b3<0,當(dāng)較強(qiáng)的輸入信號(hào)使得系統(tǒng)產(chǎn)生持續(xù)非線性失真時(shí),有用信號(hào)與干擾信號(hào)的增益均被壓制,隨著干擾信號(hào)強(qiáng)度的增大而降低,阻塞干擾是由非線性系數(shù)b3引起的。

(2) 當(dāng)干擾強(qiáng)度持續(xù)增加時(shí),雷達(dá)測得的真實(shí)目標(biāo)電平持續(xù)降低,降幅逐漸增大;而假目標(biāo)電平持續(xù)增高,增幅逐漸減小。

(3) 雷達(dá)依然可以通過計(jì)算時(shí)延τ得到目標(biāo)的距離,持續(xù)非線性失真不會(huì)影響探測距離的準(zhǔn)確度。

1.3 突變非線性失真

當(dāng)干擾場強(qiáng)過大、系統(tǒng)直接工作在飽和甚至擊穿等特殊區(qū)域時(shí),可將產(chǎn)生的強(qiáng)非線性失真稱為突變非線性失真。若繼續(xù)使用冪級(jí)數(shù)分析法,其展開式項(xiàng)數(shù)無法窮盡,此時(shí)應(yīng)使用矢量法來進(jìn)行分析。當(dāng)輸入信號(hào)具有式(1)形式時(shí),可繪制接收信號(hào)的矢量圖,如圖1所示。其中,ωdt=ωs(t-τ)-(ωjt+φ)。

圖1 輸入信號(hào)矢量疊加圖Fig.1 Vector overlay diagram of input signal

由圖1可知,混頻前非線性輸出信號(hào)中有用信號(hào)分量為

uos(t)=S(t)cos (ωjt+φ+θ)

(7)

假設(shè)系統(tǒng)截止電壓為Um,當(dāng)突變非線性失真產(chǎn)生時(shí),Uj+Us(t)≥Um。參考文獻(xiàn)[6]的推導(dǎo)過程,由式(7)可得到混頻前非線性輸出信號(hào)中有用信號(hào)分量為

(8)

一般來說,若系統(tǒng)產(chǎn)生突變非線性失真,干擾信號(hào)的幅度要遠(yuǎn)大于有用信號(hào)的幅度,即Uj>>Us(t),此時(shí)有Uj≈S(t),θ≈0。結(jié)合圖1可知,混頻前非線性輸出信號(hào)中干擾信號(hào)分量為

uoj(t)=Ujcos(ωjt+φ)≈
S(t) cos(ωjt+φ)≈Umcos (ωjt+φ)

(9)

式(8)、式(9)疊加后經(jīng)過混頻、濾波,得到有用信號(hào)與干擾信號(hào)的輸出分量為

(10)

由此可得到有用信號(hào)、干擾信號(hào)增益為

(11)

由式(10)、式(11)可得到以下結(jié)論。

(1) 出現(xiàn)突變非線性失真時(shí),系統(tǒng)飽和,有用信號(hào)、干擾信號(hào)增益隨干擾信號(hào)電壓的增加而線性下降(對(duì)數(shù)坐標(biāo)下,以下相同)。

(2) 隨著干擾信號(hào)強(qiáng)度的增加,雷達(dá)測得的真實(shí)目標(biāo)電平線性下降;假目標(biāo)電平保持穩(wěn)定,不隨干擾信號(hào)強(qiáng)度變化而變化。

(3) 突變非線性失真同樣不會(huì)影響探測距離的準(zhǔn)確度。

2 單頻電磁輻射效應(yīng)試驗(yàn)

開展系列試驗(yàn),進(jìn)一步探究單頻電磁輻射對(duì)雷達(dá)的阻塞干擾、假目標(biāo)干擾規(guī)律。

2.1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

具體試驗(yàn)布置如圖2所示。信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生單頻連續(xù)波作為干擾信號(hào),經(jīng)功率放大器放大后經(jīng)由定向耦合器1向輻射天線饋電,使得覆蓋雷達(dá)收發(fā)天線的空間形成場強(qiáng)不均勻性小于3 dB的輻射區(qū)域,同時(shí)輻射天線充當(dāng)雷達(dá)的探測目標(biāo)。頻譜儀1通過定向耦合器監(jiān)測干擾信號(hào)的輻射功率,頻譜儀2用于后續(xù)開展注入試驗(yàn)時(shí)監(jiān)測干擾信號(hào)的注入功率。

圖2 電磁輻射效應(yīng)試驗(yàn)配置圖Fig.2 Configuration diagram of electromagnetic radiation effect test

受試?yán)走_(dá)為某型Ku波段步進(jìn)頻連續(xù)波雷達(dá),具備靜目標(biāo)測距功能,工作頻率為f0±100 MHz(f0為中心頻率),發(fā)射信號(hào)幅值恒定。受試?yán)走_(dá)在信號(hào)處理過程中,將采集到的I/Q路數(shù)據(jù)進(jìn)行逆傅里葉變換,得到目標(biāo)回波的一維距離像,不同目標(biāo)的強(qiáng)弱由歸一化電平來表示,如圖3所示[23]。

圖3 距離窗100 m時(shí)一維圖像示意圖Fig.3 One dimensional image schematic diagram of 100 m distance window

歸一化電平所反映的實(shí)質(zhì)是各位置電平與峰值電平的差值,而在研究過程中應(yīng)以不同位置的絕對(duì)電平為對(duì)象。結(jié)合前文對(duì)非線性失真的分析,試驗(yàn)中可將峰值電平與假目標(biāo)電平分別作為研究阻塞干擾與假目標(biāo)干擾的效應(yīng)參數(shù)。

為避免試驗(yàn)設(shè)備的金屬外殼等扭曲試驗(yàn)點(diǎn)附近電場,采取位置替換法來測試場強(qiáng)[24]。另外,場強(qiáng)計(jì)對(duì)小于1 V/m的場強(qiáng)測量誤差較大,對(duì)此應(yīng)使試驗(yàn)點(diǎn)處場強(qiáng)達(dá)到10 V/m,讀取頻譜儀1的輻射功率,在后續(xù)試驗(yàn)中采用線性內(nèi)插法來計(jì)算實(shí)際輻射場強(qiáng)[25]。

2.2 阻塞干擾試驗(yàn)規(guī)律

2.2.1 峰值電平隨干擾場強(qiáng)變化規(guī)律

為全面反映干擾規(guī)律,試驗(yàn)中選擇的干擾信號(hào)頻率fi要顧及到帶內(nèi)、帶外頻率。另外,根據(jù)經(jīng)驗(yàn),干擾頻偏(fi-f0)取負(fù)值時(shí),其試驗(yàn)結(jié)果與取正值時(shí)相似。由于本文關(guān)心的是總體的干擾規(guī)律,故可只取干擾頻偏為正值的情況進(jìn)行試驗(yàn)。綜上考慮,結(jié)合受試?yán)走_(dá)的工作頻率,分別使用頻偏為0 Hz、30 MHz、70 MHz、110 MHz和150 MHz的干擾信號(hào)進(jìn)行試驗(yàn)。選定干擾頻偏后,調(diào)整信號(hào)發(fā)生器與功率放大器,使頻譜儀1讀取的輻射功率逐漸增大,每次調(diào)整后進(jìn)行探測,記錄目標(biāo)回波峰值電平的變化。結(jié)合第2.1節(jié)輻射場強(qiáng)的測量方法,可得到峰值電平壓縮量隨干擾場強(qiáng)的變化,如圖4所示。

圖4 峰值電平壓縮量隨干擾場強(qiáng)變化Fig.4 Variation of peak level compression with interference field strength

由圖4可得到以下結(jié)論。

(1) 在不同頻偏的干擾下,峰值電平壓縮量隨干擾場強(qiáng)的總體變化趨勢基本一致:當(dāng)干擾場強(qiáng)較小時(shí),雷達(dá)工作在線性區(qū),峰值電平幾乎保持穩(wěn)定,說明有用信號(hào)增益恒定;隨著干擾場強(qiáng)的增大,系統(tǒng)出現(xiàn)持續(xù)非線性失真,峰值電平壓縮量隨著干擾場強(qiáng)的上升而增加,增幅持續(xù)變大,說明有用信號(hào)增益的下降;當(dāng)干擾場強(qiáng)增大到一定程度后,系統(tǒng)飽和,壓縮量隨干擾場強(qiáng)增加而近似于線性增加。試驗(yàn)結(jié)果與前文理論分析相符。

(2) 干擾頻偏小于30 MHz時(shí),峰值電平隨干擾場強(qiáng)的變化幾乎一致;隨著干擾頻偏的擴(kuò)大,相同干擾場強(qiáng)下峰值電平壓縮量逐漸降低,臨界阻塞干擾場強(qiáng)逐漸提高?？拷行念l率的干擾信號(hào)似乎更容易對(duì)受試?yán)走_(dá)造成有效干擾。

2.2.2 阻塞干擾單頻臨界干擾場強(qiáng)測試

本文中敏感判據(jù)主要用于探究干擾規(guī)律,要求其準(zhǔn)確地反映出受試?yán)走_(dá)是否受擾,不同于一般意義上的干擾效果評(píng)估。故可從效應(yīng)參數(shù)對(duì)干擾場強(qiáng)較敏感的位置處選取。由圖4可知,當(dāng)峰值電平壓縮量在10 dB以上時(shí),其增幅相對(duì)穩(wěn)定,此時(shí)系統(tǒng)對(duì)于干擾更為敏感。另外,由雷達(dá)方程可知,當(dāng)峰值電平壓縮12 dB時(shí),雷達(dá)最大探測距離下降一半[26]。為便于試驗(yàn),取峰值電平壓縮12 dB作為受試?yán)走_(dá)阻塞干擾敏感判據(jù)。

通過變步長調(diào)節(jié)法對(duì)阻塞干擾單頻臨界干擾場強(qiáng)進(jìn)行測試[25],試驗(yàn)布置如圖2所示。值得注意的是,當(dāng)頻偏超出一定范圍后,會(huì)出現(xiàn)干擾場強(qiáng)過小不足以對(duì)受試?yán)走_(dá)造成有效干擾的情況,對(duì)此可開展電磁注入試驗(yàn)來得到臨界干擾場強(qiáng)[27]。測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 阻塞干擾單頻敏感度曲線Fig.5 Single frequency susceptibility curve of blocking interference

由圖5可得到如下結(jié)論。

(1) 受試?yán)走_(dá)阻塞干擾敏感頻段約為(f0-180)～(f0+160)MHz,明顯寬于其標(biāo)定的f0±100 MHz工作頻段;在敏感頻段內(nèi),臨界干擾場強(qiáng)由5.4 dBV/m提高至18.5 dBV/m左右。

(2) 當(dāng)干擾頻偏處于-120～120 MHz時(shí),臨界干擾場強(qiáng)總體緩慢上升約10 dB,且受試?yán)走_(dá)對(duì)頻偏-120 MHz的干擾最敏感,明顯偏離中心頻率,這與接收機(jī)內(nèi)濾波器性能有關(guān)。

(3) 當(dāng)頻偏繼續(xù)向兩邊擴(kuò)大時(shí),臨界干擾場強(qiáng)分別迅速上升,這與射頻濾波器的通帶設(shè)定有關(guān)。

(4) 當(dāng)頻偏超過±200 MHz后,臨界干擾場強(qiáng)增速放緩,最終趨于穩(wěn)定,在兩側(cè)形成相對(duì)平坦區(qū)域。左右兩側(cè)的臨界干擾場強(qiáng)約為28 dBV/m、35 dBV/m,兩者相差7 dB,這與雷達(dá)接收機(jī)射頻前端放大器等元器件的選頻特性有關(guān)。

(5) 敏感頻段外兩側(cè)平臺(tái)區(qū)域的臨界干擾場強(qiáng)要比帶內(nèi)最敏感處分別高出約23 dB、30 dB。

2.3 假目標(biāo)干擾試驗(yàn)規(guī)律

2.3.1 假目標(biāo)電平隨干擾場強(qiáng)變化規(guī)律

試驗(yàn)布置如圖2所示,具體試驗(yàn)方法與第2.2.1節(jié)類似,不再贅述,結(jié)果如圖6所示。其中,當(dāng)干擾頻偏為110 MHz、150 MHz時(shí),未出現(xiàn)特征明顯的假目標(biāo);假目標(biāo)電平抬升量是相對(duì)于無干擾時(shí)受試?yán)走_(dá)一維距離像的下限電平計(jì)算而來的。

圖6 假目標(biāo)電平抬升量隨干擾場強(qiáng)變化Fig.6 Change of absolute level rise of false target with interference field strength

由圖6可得到如下結(jié)論。

(1) 在不同的頻偏干擾下,假目標(biāo)電平抬升量隨干擾場強(qiáng)的總體變化趨勢基本一致:當(dāng)干擾場強(qiáng)較小時(shí),雷達(dá)工作在線性區(qū),假目標(biāo)電平隨著干擾場強(qiáng)的增加而近似線性增長,說明干擾信號(hào)的增益恒定;當(dāng)干擾場強(qiáng)增大到使系統(tǒng)出現(xiàn)持續(xù)非線性失真時(shí),假目標(biāo)電平抬升量仍隨干擾場強(qiáng)的上升而增長,但增速持續(xù)下降,說明了干擾信號(hào)增益的持續(xù)降低;隨著干擾場強(qiáng)繼續(xù)增大,干擾信號(hào)飽和,假目標(biāo)電平基本保持平穩(wěn),不隨干擾場強(qiáng)的增大而發(fā)生變化。試驗(yàn)結(jié)果與前文理論分析相符。

(2) 在相同干擾場強(qiáng)下,干擾頻偏為0 Hz、30 MHz、70 MHz時(shí)，假目標(biāo)電平抬升量依次降低,頻偏較小的干擾信號(hào)似乎更容易對(duì)受試?yán)走_(dá)造成假目標(biāo)干擾。

(3) 受試?yán)走_(dá)在頻偏為110 MHz和150 MHz的電磁輻射干擾下未產(chǎn)生假目標(biāo),帶外電磁輻射似乎不易對(duì)受試?yán)走_(dá)造成有效的假目標(biāo)干擾。

2.3.2 假目標(biāo)干擾單頻臨界干擾場強(qiáng)測試

下面對(duì)受試?yán)走_(dá)假目標(biāo)干擾單頻臨界干擾場強(qiáng)進(jìn)行測試,探究頻偏對(duì)假目標(biāo)干擾的影響。由圖6可知,假目標(biāo)電平抬升量小于6 dB時(shí),其與干擾場強(qiáng)幾乎成線性關(guān)系;而高于6 dB后,某些頻偏下假目標(biāo)電平增速放緩。另外,選擇較低的數(shù)值作為判據(jù)可便于試驗(yàn)操作。綜上考慮,選擇假目標(biāo)電平抬升6 dB作為假目標(biāo)干擾敏感判據(jù)。據(jù)此開展試驗(yàn)得到假目標(biāo)干擾單頻臨界干擾場強(qiáng),如圖7所示。

圖7 假目標(biāo)干擾單頻敏感度曲線Fig.7 Single frequency susceptibility curve of false target interference

由圖7可得到如下結(jié)論。

(1) 受試?yán)走_(dá)假目標(biāo)干擾敏感頻段約為(f0-75)～(f0+70)MHz,該范圍明顯窄于其工作頻段;在敏感頻段內(nèi),臨界干擾場強(qiáng)由-25.0 dBV/m左右提高至-6.4 dBV/m左右。

(2) 受試?yán)走_(dá)對(duì)頻偏為0 Hz的干擾信號(hào)最敏感,臨界干擾場強(qiáng)最小;隨著干擾頻偏的增加,臨界干擾場強(qiáng)迅速提高,且?guī)缀跻? Hz頻偏為軸左右對(duì)稱。

(3) 當(dāng)干擾頻偏在兩端超過-75 MHz、70 MHz時(shí),無法對(duì)受試?yán)走_(dá)造成有效的假目標(biāo)干擾,說明受試?yán)走_(dá)在工作頻段外抗假目標(biāo)干擾能力較好。

3 結(jié) 論

雷達(dá)的電磁防護(hù)能力成為制約其作戰(zhàn)效能發(fā)揮的關(guān)鍵因素,本文以單頻電磁輻射為干擾源,對(duì)雷達(dá)阻塞干擾、假目標(biāo)干擾規(guī)律展開研究,得到的結(jié)論如下。

(1) 單頻電磁輻射既可對(duì)雷達(dá)造成阻塞干擾使探測目標(biāo)回波減弱,也可產(chǎn)生假目標(biāo)干擾使雷達(dá)出現(xiàn)虛警。無論是阻塞干擾還是假目標(biāo)干擾,其臨界干擾場強(qiáng)都是與輻射頻偏緊密相關(guān)的。總體來看,隨輻射頻偏的增加,臨界干擾場強(qiáng)先緩慢增加、后急劇躍變,最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

(2) 受試?yán)走_(dá)的阻塞干擾敏感頻段約為(f0-180)～(f0+160)MHz,寬于其標(biāo)定的(f0±100)MHz工作頻段;而假目標(biāo)干擾敏感頻段約為(f0-75)～(f0+70)MHz,窄于其工作頻段。易于對(duì)受試?yán)走_(dá)造成假目標(biāo)干擾的頻率范圍明顯窄于阻塞干擾,兩者相差約50%。

(3) 總體上看,產(chǎn)生假目標(biāo)干擾的電平明顯低于阻塞干擾電平。在阻塞干擾與假目標(biāo)干擾各自的敏感頻段內(nèi),最敏感處臨界干擾場強(qiáng)分別約為5.4 dBV/m和-25.0 dBV/m,兩者差值可達(dá)30 dB。

(4) 假目標(biāo)干擾出現(xiàn)的位置(距離)具有隨機(jī)性,隨著干擾場強(qiáng)的增加,當(dāng)系統(tǒng)工作在線性狀態(tài)時(shí),假目標(biāo)電平線性增加;系統(tǒng)出現(xiàn)持續(xù)非線性失真時(shí),假目標(biāo)電平的增長被壓制,增幅逐漸降低;直至系統(tǒng)達(dá)到飽和,假目標(biāo)電平為恒定值。

(5) 阻塞干擾雖然可以壓縮目標(biāo)回波峰值電平,但不會(huì)影響目標(biāo)測距的準(zhǔn)確性。當(dāng)干擾場強(qiáng)較低、系統(tǒng)出現(xiàn)非線性失真時(shí),壓縮量隨干擾場強(qiáng)的上升而持續(xù)增加;當(dāng)干擾場強(qiáng)較高、系統(tǒng)達(dá)到飽和時(shí),壓縮量隨干擾場強(qiáng)線性增加。