羅金亮,金家才,朱 霖

(1.解放軍電子工程學(xué)院302教研室,安徽合肥230037;2.安徽四創(chuàng)電子股份有限公司,安徽合肥230088)

0 引言

有源壓制性干擾是一種通過發(fā)射噪聲或類似噪聲的強(qiáng)干擾信號(hào),使雷達(dá)系統(tǒng)接收端信噪比嚴(yán)重降低,目標(biāo)回波信號(hào)模糊不清或完全淹沒在干擾信號(hào)之中而難以或無法判別的電子干擾。其只需要獲取敵雷達(dá)信號(hào)少量的信息(雷達(dá)信號(hào)的頻率及頻率變化范圍信息)便可以釋放有效干擾,是一種易于實(shí)現(xiàn)的干擾方式,也是較為常用的一種干擾方式。

然而就如何對(duì)該類干擾效能進(jìn)行高效、準(zhǔn)確地評(píng)估,一直是界內(nèi)不斷探索且爭論不休的難題,且目前也暫無統(tǒng)一定論。文獻(xiàn)[1]總結(jié)了雷達(dá)干擾效果的評(píng)估準(zhǔn)則,主要包括信息準(zhǔn)則、功率準(zhǔn)則、概率準(zhǔn)則和時(shí)間準(zhǔn)則;文獻(xiàn)[2]與文獻(xiàn)[1]相比又增加了戰(zhàn)役-戰(zhàn)術(shù)準(zhǔn)則,其方法是通過戰(zhàn)役或戰(zhàn)術(shù)行動(dòng)的整體作戰(zhàn)效能的變化來反映雷達(dá)干擾效果;綜合分析所查閱的所有文獻(xiàn),目前針對(duì)雷達(dá)有源壓制性干擾的評(píng)估準(zhǔn)則絕大多數(shù)采用功率準(zhǔn)則,文獻(xiàn)[3]利用干擾壓制區(qū)的概念分析了掩護(hù)固定目標(biāo)時(shí)的干擾波束內(nèi)的壓制區(qū)模型;文獻(xiàn)[4]利用干擾扇面的概念進(jìn)行了機(jī)載雷達(dá)有源干擾的扇面分析及模型建立。

上述研究成果極大程度地豐富了有源壓制性干擾效果評(píng)估的方法,在一定程度上為有源壓制性干擾的作戰(zhàn)使用提供了參考,但綜合分析上述研究成果,不難發(fā)現(xiàn)其評(píng)估結(jié)果均過于絕對(duì),均采用“非此即彼”的描述,在實(shí)際中是否真的超過“干擾壓制區(qū)”、“干擾扇面”或“干擾掩護(hù)區(qū)”的區(qū)域外邊線就會(huì)立即暴露在敵雷達(dá)的探測威脅下呢?答案是否定的,因?yàn)楦蓴_功率隨距離的變化是一個(gè)漸進(jìn)的過程,同時(shí)現(xiàn)代雷達(dá)的信號(hào)檢測也是一個(gè)動(dòng)態(tài)可調(diào)的過程,因此,當(dāng)在實(shí)戰(zhàn)或?qū)崪y中不難發(fā)現(xiàn),當(dāng)被保衛(wèi)目標(biāo)的位置超越所估算的“干擾壓制區(qū)”、“干擾扇面”或“干擾掩護(hù)區(qū)”的區(qū)域外邊線時(shí)也不會(huì)立即被發(fā)現(xiàn),而是要經(jīng)過一個(gè)逐步被暴露的過渡區(qū)域即為干擾模糊區(qū),在該區(qū)域內(nèi)被保衛(wèi)目標(biāo)在雷達(dá)顯示器中呈現(xiàn)“時(shí)現(xiàn)時(shí)隱”的模糊狀態(tài),無法被準(zhǔn)確、連續(xù)地測定。

1 干擾模糊區(qū)的形成機(jī)理及模型構(gòu)建

干擾模糊區(qū)是有效干擾區(qū)與暴露區(qū)之間的干擾效果逐步衰減,被保護(hù)目標(biāo)逐漸被暴露的模糊過渡區(qū)域,它是干信比JSR與目標(biāo)距離Rt之間呈連續(xù)反比關(guān)系的重要體現(xiàn),其在現(xiàn)實(shí)中也是真實(shí)存在的。

1.1 干擾模糊區(qū)的形成機(jī)理

目前較為先進(jìn)的雷達(dá)對(duì)目標(biāo)回波信號(hào)的檢測均是在基于一定發(fā)現(xiàn)概率Pd和虛警概率Pfa的條件下(恒虛警率CFAR),設(shè)定一個(gè)檢測門限,如圖1所示,當(dāng)被檢測信號(hào)電平大于或等于檢測門限電平時(shí),如圖1中A點(diǎn)所示,雷達(dá)則認(rèn)為此點(diǎn)有目標(biāo)存在;當(dāng)被檢測信號(hào)電平小于檢測門限電平時(shí),如圖1中B點(diǎn)所示,雷達(dá)則認(rèn)為此點(diǎn)為噪聲并在通過檢波器時(shí)直接被濾除。然而通過檢波器所被成功檢錄的信號(hào)中并非全為真實(shí)目標(biāo)回波信號(hào),若噪聲信號(hào)超過檢測門限并被判定為“目標(biāo)”,則該“目標(biāo)”便稱為“虛警”。

圖1 雷達(dá)回波信號(hào)

有源壓制性干擾通過向雷達(dá)發(fā)射噪聲或類似噪聲的干擾信號(hào),以增大進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī)內(nèi)信號(hào)中的噪聲。當(dāng)雷達(dá)接收機(jī)內(nèi)噪聲過大則將導(dǎo)致“虛警”過多時(shí),雷達(dá)會(huì)相應(yīng)地提高檢測門限,以減少“虛警”,但隨著檢測門限的提高,相應(yīng)一些能量較弱的真實(shí)目標(biāo)回波信號(hào)也會(huì)被濾除,同時(shí),由于雷達(dá)需要保證一定的發(fā)現(xiàn)概率,所以雷達(dá)也不可能過高地提高檢測門限,因此,當(dāng)對(duì)雷達(dá)施放較大功率的有源壓制性干擾時(shí),其將直接影響雷達(dá)信號(hào)檢測,導(dǎo)致雷達(dá)檢測門限相應(yīng)提高,致使部分真實(shí)目標(biāo)信號(hào)丟失,同時(shí)存在部分較大能量的噪聲信號(hào)被雷達(dá)成功檢錄,致使在雷達(dá)屏幕上形成一定程度的“亮斑”,其“亮斑”的大小取決于進(jìn)入到雷達(dá)接收機(jī)內(nèi)的干信比JSR小。

在大多數(shù)文獻(xiàn)中,將使雷達(dá)剛好失去正常工作能力的干擾信號(hào)功率與目標(biāo)回波信號(hào)功率比值JSR定義為干擾壓制系數(shù)Kj[5],針對(duì)雷達(dá)來說Kj通常為一個(gè)定值,其主要與雷達(dá)對(duì)信號(hào)檢測性能相關(guān),與外部干擾無關(guān)。為使干擾保持有效則必須使JSR≥Kj,經(jīng)測試表明,常規(guī)脈沖雷達(dá)的干擾壓制系數(shù)Kj通常為3～5 dB[6]。

根據(jù)干擾方程可得

式中：JSR為進(jìn)入到雷達(dá)接收機(jī)內(nèi)的干信比;PtGt為雷達(dá)等效輻射功率;σ為被掩護(hù)目標(biāo)的有效反射面;Rj為干擾機(jī)與雷達(dá)之間的距離;Lt為雷達(dá)信號(hào)在空中的傳播損耗因子;PjGj為干擾機(jī)等效輻射功率;kf為雷達(dá)接收機(jī)有效通帶寬度與干擾信號(hào)頻譜寬度之比;Lj為干擾信號(hào)在空中的傳播損耗因子;Gt為雷達(dá)天線主瓣增益;Gt(θ,φ)為偏離雷達(dá)主瓣方位角為θ,俯仰角為φ的副瓣增益。

從式(1)可以看出,在其他參數(shù)確定后,JSR與R4成正比,也就是說在作戰(zhàn)過程中,當(dāng)其他狀態(tài)均保持不變的狀態(tài),隨著被保衛(wèi)目標(biāo)與雷達(dá)之間的距離減小,雷達(dá)接收機(jī)內(nèi)的干信比JSR也將逐漸減小,其關(guān)系如圖2所示,從圖中可以看出JSR與R之間的關(guān)系呈一條連續(xù)遞增的曲線。

圖2 JSR與R的關(guān)系

現(xiàn)假設(shè)雷達(dá)干擾壓制系數(shù)為3 dB,根據(jù)圖2可知,當(dāng)被保衛(wèi)目標(biāo)與雷達(dá)之間的距離R≥21.2 km時(shí),雷達(dá)將被有效壓制,現(xiàn)需要解決下述兩個(gè)問題：

1)需要論證是否R一旦小于21.2 km即為被保衛(wèi)目標(biāo)進(jìn)入了“暴露區(qū)”呢?答案是否定的,因?yàn)楦鶕?jù)圖2的仿真結(jié)論,我們知道干信比JSR與R之間的關(guān)系呈一條連續(xù)遞增的曲線,并不存在陡變的現(xiàn)象,因此,其干擾效果也應(yīng)該是逐漸遞減的過程。

2)干信比JSR要減小到什么程度才能徹底使雷達(dá)不受到干擾影響?根據(jù)圖1我們知道在同一時(shí)刻t(即同一位置),當(dāng)干擾信號(hào)與目標(biāo)回波信號(hào)功率相等時(shí),干擾信號(hào)依然能有效掩蓋目標(biāo)回波信號(hào),反之則無效,由此可知,只要干信比JSR≥0,有源壓制性干擾便具備有效掩護(hù)目標(biāo)的可能。

綜上所述,當(dāng)干信比JSR逐步減小時(shí),有源壓制性干擾的干擾效果并非從“有效壓制”直接跳入至“目標(biāo)暴露”,其中間存在一定的過渡區(qū)域。在該過渡區(qū)域中,目標(biāo)回波信號(hào)并非被干擾信號(hào)絕對(duì)掩蓋,而是存在被掩蓋的可能,目標(biāo)時(shí)隱時(shí)現(xiàn),其干擾效果是模糊的,因此,我們將該區(qū)域定義為干擾模糊區(qū)。

1.2 干擾模糊區(qū)的模型構(gòu)建

1)干擾模糊距離Rm

根據(jù)上述對(duì)干擾模糊區(qū)的定義及其形成機(jī)理的描述,可得有源壓制性干擾的干擾模糊區(qū)的數(shù)學(xué)模型為

式中,Rm為雷達(dá)的干擾模糊距離。其余項(xiàng)與式(1)相同。

2)干擾壓制系數(shù)Kj

雷達(dá)接收機(jī)的干擾壓制系數(shù)是指接收機(jī)輸入端線性分量的傳輸頻帶內(nèi)使用壓制干擾信號(hào)下的必需的最小干信比。其數(shù)學(xué)模型[7]為

式中：τs為脈沖寬度;Δfs為頻帶寬度;Pd為雷達(dá)檢測概率;Pfa為雷達(dá)虛警概率。

對(duì)于不同體制的雷達(dá)及其采用相應(yīng)的抗干擾方法,其干擾壓制系數(shù)均有所不同,具體情況詳見表1[5]。

表1 各典型體制雷達(dá)或雷達(dá)抗干擾方法的干擾壓制系數(shù)計(jì)算

3)天線副瓣增益Gt(θ,φ)

在雷達(dá)干擾效果評(píng)估過程中,雷達(dá)天線的方向性增益對(duì)準(zhǔn)確評(píng)估的影響較大,然而雷達(dá)真實(shí)的雷達(dá)天線增益方向圖只能通過實(shí)測獲得,為實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)干擾效果的有效評(píng)估,通常采用建立替代模型的方法進(jìn)行雷達(dá)天線方向性增益進(jìn)行估算。

由于有源壓制性干擾可用于對(duì)任何類型的雷達(dá)實(shí)施干擾,既可以是預(yù)警雷達(dá)也可以是制導(dǎo)(火控)雷達(dá),由于本文主要探討有源壓制干擾的干擾模糊區(qū),而預(yù)警雷達(dá)與制導(dǎo)(火控)雷達(dá)相比,其探測距離及受到相同干擾時(shí)所呈現(xiàn)的干擾區(qū)域范圍都要略大,因此,為更顯著地展示干擾模糊區(qū)的效果,選定對(duì)預(yù)警雷達(dá)進(jìn)行干擾評(píng)估建模。由于現(xiàn)有主戰(zhàn)預(yù)警雷達(dá)大多采用余割平方天線。

其在方位平面上天線波束的主瓣方向圖一般為高斯型,而主瓣以外的方向圖為辛格函數(shù)形式,其方向圖函數(shù)為

式中：f(θ)為雷達(dá)方向圖函數(shù);θ0.5為雷達(dá)在方位平面上的半功率波瓣寬度。

設(shè)θ0.5=3.8°,根據(jù)式(4)對(duì)雷達(dá)天線方向圖進(jìn)行仿真,得到余割平方天線方位平面的方向圖如圖3所示。

圖3 θ0.5=3.8°雷達(dá)天線方位平面的方向圖

其在俯仰平面上天線波束的主瓣方向圖一般為余割平方形,其方向圖函數(shù)為

式中：φ0.5為雷達(dá)在俯仰平面上的半功率波瓣寬度;φtill為主瓣相對(duì)于水平面上仰的角度。

設(shè)φ0.5=8°,φtill=7°,根據(jù)式(5)對(duì)雷達(dá)天線方向圖進(jìn)行仿真,得到余割平方天線俯仰平面的方向圖如圖4所示。

圖4 θ0.5=8°雷達(dá)天線俯仰平面的方向圖

綜上所述,天線副瓣增益Gt(θ,φ)應(yīng)為

Gt(θ,φ)=f(θ)·g(φ) (6)

根據(jù)式(6)對(duì)雷達(dá)天線方向圖進(jìn)行仿真,得到余割平方天線立體方向圖如圖5所示。

圖5 θ0.5=3.8°,φ0.5=8°雷達(dá)天線方向圖

2 干擾模糊區(qū)的仿真分析

現(xiàn)以航空電子對(duì)抗力量采取遠(yuǎn)程支援干擾方式,對(duì)敵地面遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)實(shí)施有源壓制性干擾,以掩護(hù)我航空兵實(shí)施突防為背景,進(jìn)行干擾模糊區(qū)的仿真分析。

2.1 單部雷達(dá)干擾模糊區(qū)仿真分析

以干擾美AN/TPS-44預(yù)警雷達(dá)為例,設(shè)其Pt=1.12 k W,Gt=29 dB,θ0.5=3.8°,φ0.5=8°,Kj=3 d B;設(shè)干擾機(jī)Pj=1 k W,Gj=27 d B,R′j=1.5×105m,Hj=6000 m,kf=10;突防飛機(jī)σ=10 m2,Ht=150 m;信號(hào)在空氣中的傳播衰減不計(jì)。

通過Matlab仿真,結(jié)果如圖6所示。

圖6 單部雷達(dá)干擾模糊區(qū)仿真結(jié)果圖

圖6(a)顯示的是未考慮干擾模糊區(qū)時(shí)的干擾效果圖,“心”形線內(nèi)所圍成的區(qū)域?yàn)椤案蓴_暴露區(qū)”,“心”形線外的其他區(qū)域均為“有效壓制區(qū)”;圖6(b)顯示的是加入干擾模糊區(qū)時(shí)的干擾效果圖,小“心”形線內(nèi)所圍成的區(qū)域?yàn)椤案蓴_暴露區(qū)”,小“心”形線外與大“心”形線內(nèi)所夾的區(qū)域?yàn)椤案蓴_模糊區(qū)”,大“心”形線外的其他區(qū)域?yàn)椤坝行褐茀^(qū)”。

根據(jù)仿真結(jié)果可以看出,若未考慮“干擾模糊區(qū)”的實(shí)際存在,則在估算干擾暴露區(qū)時(shí),其范圍將明顯增大,在絕大部分方向上擴(kuò)大縱深約達(dá)5 km,在該區(qū)域內(nèi)預(yù)警雷達(dá)并不能準(zhǔn)確、連續(xù)地探測目標(biāo),在雷達(dá)顯示屏上會(huì)因干擾產(chǎn)生大量的“點(diǎn)跡”,從而有效掩蓋了真實(shí)目標(biāo)回波信號(hào)。在實(shí)戰(zhàn)中若舍棄“干擾模糊區(qū)”這一概念,在作戰(zhàn)籌劃階段,籌劃兵力數(shù)量及裝備性能時(shí),將會(huì)提出過高需求(干擾機(jī)功率需求將高出1倍),這將是對(duì)兵力運(yùn)用的極大浪費(fèi)。

下面對(duì)干擾機(jī)處于不同距離位置,對(duì)干擾模糊區(qū)進(jìn)行仿真,設(shè)Rj分別為200,150,100和50 km,結(jié)果如圖7所示。

從仿真結(jié)果可以看出,隨著干擾機(jī)與雷達(dá)之間的距離不斷縮小,干擾掩護(hù)區(qū)的范圍也在逐漸縮小,根據(jù)式(2)可以知道,這是由于Rm∝Rj所造成的。

圖7 干擾機(jī)處于不同距離時(shí)的干擾模糊區(qū)仿真結(jié)果圖

2.2 組網(wǎng)雷達(dá)干擾模糊區(qū)仿真分析

在實(shí)際作戰(zhàn)過程中,干擾機(jī)所面對(duì)并不是單一的某部雷達(dá),而是相互交織的雷達(dá)網(wǎng),下面針對(duì)兩種典型配置形式的雷達(dá)網(wǎng)進(jìn)行干擾模糊區(qū)的仿真分析。

1)“一線”配置

根據(jù)超短波的最大通信距離,設(shè)雷達(dá)站站距為20 km,各雷達(dá)站的坐標(biāo)分別為A1：(0,0)、A2：(0,2×104)、A3：(0,-2×104),并不斷減少干擾機(jī)與雷達(dá)陣地間的間距,仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 呈“一線”配置雷達(dá)網(wǎng)干擾模糊區(qū)仿真結(jié)果圖

從仿真結(jié)果可知,隨著干擾機(jī)與雷達(dá)陣地之間的距離不斷減小,雷達(dá)網(wǎng)的有效探測區(qū)域逐漸減小,當(dāng)Rj≤45 km時(shí),雷達(dá)網(wǎng)的“干擾暴露區(qū)”已不存在交叉重疊區(qū),但“干擾模糊區(qū)”仍存在交叉重疊區(qū),突防飛機(jī)可以選擇該區(qū)域作為“通道”進(jìn)行突防。

2)“倒三角”配置

設(shè)雷達(dá)站站距為20 km,各雷達(dá)站的坐標(biāo)分別為A1：(0,1×104)、A2：(0,-1×104)、A3：(-2×104×sin60°,0),仿真結(jié)果如圖9所示。

從仿真結(jié)果可知,當(dāng)Rj≤40 km時(shí),呈“倒三角”配置的雷達(dá)網(wǎng)才出現(xiàn)具備實(shí)施突防條件的“突防通道”,這是由于干擾機(jī)對(duì)雷達(dá)網(wǎng)中的前兩部雷達(dá)均是從副瓣實(shí)施干擾,其比主瓣干擾需要更大的能量,所以其要求的干擾機(jī)距離需更近,因此,面對(duì)敵“倒三角”雷達(dá)網(wǎng)不應(yīng)選擇“三角”的一邊中線作為突防方向,而應(yīng)選擇威脅較弱的“一角”實(shí)施干擾并突防。

圖9 呈“倒三角”配置雷達(dá)網(wǎng)干擾模糊區(qū)仿真結(jié)果圖

3 結(jié)束語

本文在分析當(dāng)前對(duì)有源壓制性干擾評(píng)估方法不足的基礎(chǔ)上,提出了“干擾模糊區(qū)”的概念,并對(duì)其進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模及仿真分析,在后續(xù)的實(shí)裝測試中也驗(yàn)證了該區(qū)域的真實(shí)存在,進(jìn)行“干擾模糊區(qū)”的計(jì)算可為實(shí)戰(zhàn)中更為精準(zhǔn)的使用兵力及作戰(zhàn)態(tài)勢(shì)的評(píng)估提供參考。由于在本文建模過程中,沒有對(duì)被保衛(wèi)目標(biāo)的各狀態(tài)的RCS及信號(hào)在環(huán)境傳播中的損耗進(jìn)行分析,因此,根據(jù)該模型計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際情況略有出入。目前,“干擾模糊區(qū)”還處于初步探討階段,如何選擇更為有效的干擾信號(hào)調(diào)制方式及干擾樣式以提高干擾機(jī)在“干擾模糊區(qū)”內(nèi)的干擾掩護(hù)效果,將是下一步需要繼續(xù)深入研究的問題。

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