楊 康，張 昀，郝 汀，趙明峰，黃 偉，付博超

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，掌握制空權(quán)是戰(zhàn)爭制勝的關(guān)鍵，而全天時、全天候、超遠(yuǎn)程、高精度的機載預(yù)警雷達(dá)則是掌握制空權(quán)的根本保證，其在預(yù)警、探測、警戒、偵察及指揮控制等領(lǐng)域發(fā)揮了其它傳感器不可替代的作用。因而，機載預(yù)警雷達(dá)的研制與裝備受到世界各國的高度關(guān)注。在各國預(yù)警機中，美國較為典型的機載預(yù)警雷達(dá)，在作戰(zhàn)飛行高度上可以探測320 km以外的目標(biāo)，可同時跟蹤數(shù)百個空中目標(biāo)[1]。本文介紹了某機載預(yù)警雷達(dá)的組成、功能以及部分公開參數(shù)，并對其主要性能指標(biāo)進(jìn)行了反推演算；在此基礎(chǔ)上分析了干擾此雷達(dá)所需的偵察靈敏度和干擾功率等指標(biāo)，并對干擾效能進(jìn)行了仿真。

1 某機載預(yù)警雷達(dá)組成及功能

該機載預(yù)警雷達(dá)功能框圖如圖1所示，由旋罩(含天線陣列)、發(fā)射機、海用機柜、模擬機柜、數(shù)字機柜和顯控臺等組成。天線陣列接收雷達(dá)信號后，送入模擬機柜，并通過射頻模塊組合將信號分別送入超視距(BTH)、脈沖多普勒(PD)、海上監(jiān)視(MSC)模式接收機。其中BTH、PD接收機將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并完成恒虛警率(CFAR)的壓縮、檢測，然后送入數(shù)字機柜。MSC接收機設(shè)置檢測門限以降低海雜波。BTH接收機、MSC接收機生成的數(shù)字信號被送入雷達(dá)接口適配單元(RIAU)，PD接收機生成的數(shù)字信號被送入自適應(yīng)信號處理器(ASP)。自適應(yīng)信號處理單元完成數(shù)字脈沖壓縮，并輸出數(shù)字檢測數(shù)據(jù)至雷達(dá)數(shù)據(jù)處理器(RDP)。RDP通過RIAU接收和處理來自ASP、模擬接收單元、海上接收單元的目標(biāo)信息，并為中心計算單元和雷達(dá)控制維護(hù)面板(RCMP)提供目標(biāo)裝備狀態(tài)信息，以得出目標(biāo)參數(shù)情報并生成航跡數(shù)據(jù)。

圖1 雷達(dá)功能框圖

據(jù)公開資料[2-3]，該雷達(dá)的旋罩尺寸為9.1 m×1.8 m，天線尺寸為7.3 m×1.5 m。天線采用波導(dǎo)裂縫平面陣列形式，由28根主波導(dǎo)、2根輔助波導(dǎo)組成，如圖2所示。天線陣列方位向機掃，覆蓋360°空域，6 r/min；俯仰向電掃，并由鐵氧體移相器進(jìn)行波束引導(dǎo)，覆蓋±30°空域。天線陣列形成的波束寬度為：方位1°，俯仰6°，副瓣電平為-50 dB。發(fā)射機激勵級采用行波管，輸出級采用寬帶速調(diào)管，并采用液冷方式散熱。發(fā)射機輸出的平均功率約為10 kW，平視模式下峰值功率為700 kW，下視模式下為900 kW。接收機采用對海模式下的專用接收機、脈沖多普勒接收機和脈壓接收機，后兩者以頻率分隔方式工作。在信號處理方面采用了遞歸雜波對消、快速傅里葉轉(zhuǎn)換(FFT)分析和CFAR處理。在數(shù)據(jù)處理方面，采用3種脈沖重復(fù)頻率(PRF)解距離模糊實現(xiàn)測距，俯仰向電掃并采用最大幅度法測高，速度信息由多普勒濾波器組提取，并對高速目標(biāo)采用3種PRF參差信號解速度模糊。雷達(dá)具備邊掃描邊跟蹤能力，可同時處理600個目標(biāo)，引導(dǎo)100個目標(biāo)。雷達(dá)工作頻率為3.1 GHz～3.4 GHz。當(dāng)載機高度為9 600 m時，對大型高空目標(biāo)探測距離為667 km，對中型目標(biāo)為445 km，對小型低空目標(biāo)為324 km。

圖2 雷達(dá)波導(dǎo)裂縫陣面

該雷達(dá)有6種工作方式：(1)脈沖多普勒非高度掃描方式。通過脈沖多普勒方式捕捉從高空到低空的空中目標(biāo)，探測距離遠(yuǎn)，但不能測定目標(biāo)的高度。(2)脈沖多普勒高度掃描方式。此方式與脈沖多普勒非高度掃描方式基本相同，優(yōu)點是可以通過波束的俯仰向掃描測定目標(biāo)高度，缺點是探測距離較短。(3)超視距方式。此方式采用低重頻線性調(diào)頻寬脈沖信號探測超長距離的空中目標(biāo)，不能進(jìn)行高度測量，也不能去除地面雜波。(4)海上工作方式。通過發(fā)射窄脈沖雷達(dá)信號，降低海雜波以探測海面目標(biāo)。(5)無源工作方式。通過關(guān)閉雷達(dá)發(fā)射機，僅用接收機接收敵方的輻射信號，并給出信號方位。(6)交叉掃描方式。在此方式下，之前介紹的工作方式可組合使用，例如脈沖多普勒高度掃描方式和超視距方式同時使用，或者脈沖多普勒非高度掃描方式與海上工作方式同時使用，又或者有源與無源工作同時使用。該雷達(dá)進(jìn)行方位掃描時，將監(jiān)視空間分成24～32個扇形區(qū)，并且各扇形區(qū)根據(jù)不同的作戰(zhàn)目的選取不同的工作方式，具備隨時更換能力。雷達(dá)正常工作時頻率可自動捷變，其它信號參數(shù)如重頻、脈寬等也可不斷變化。

2 某機載預(yù)警雷達(dá)的指標(biāo)反演

根據(jù)公開資料對該雷達(dá)天線增益進(jìn)行估算，可采用以下2個公式[4]：

(1)

(2)

式中：ΔΩ為波束寬度；A為天線有效孔徑，且有Ae=ρA(0≤ρ≤1)，ρ一般取0.7;λ為波長。

已知雷達(dá)波束寬度方位向為1°，俯仰向為6°，根據(jù)公式(1)可得：

(3)

換算成dB為單位，天線增益G為38.4 dB。天線面積A=7.3 m×1.5 m≈10.95 m2，工作波長分別按3.4 GHz進(jìn)行計算，根據(jù)公式(2)可得：

(4)

換算成dB為單位，天線增益G為40.9 dB。結(jié)合2種方式下的計算結(jié)果，并考慮天線為了獲得超低副瓣特性及機體遮擋等影響，天線增益G取37.4 dB。

根據(jù)公開資料，該雷達(dá)最大方位旁瓣為-39 dB，平均旁瓣低于-50 dB，對該預(yù)警雷達(dá)進(jìn)行了天線方向圖的仿真，具體如圖3所示。

圖3 AN/APY-2雷達(dá)天線仿真圖

雷達(dá)距離方程[5]為：

(5)

式中：Pav為發(fā)射機輸出的平均功率；σ為雷達(dá)散射截面積；R為雷達(dá)最大探測距離；L為微波損耗，包括天線罩和大氣損耗；k為波爾茲曼常數(shù)；T0為工作溫度；F為接收機噪聲因子；Ti為相參處理時間；G為天線增益；σSNR為檢測所需要的信噪比。

考慮各級損耗后，檢測所需信噪比約為7.5 dB；匹配濾波器和距離采樣損耗約為2 dB；加權(quán)和速度采樣損耗約為2 dB；CFAR損耗約為2 dB；波瓣損害約為1.5 dB。因此,檢測所需要的SNR為15 dB。將表1參數(shù)代入公式(5)，可以估算出該雷達(dá)對戰(zhàn)斗機的威力距離為428 km。

對比反推計算結(jié)果和公開資料可得：公開資料中發(fā)射功率等指標(biāo)可信，可用于進(jìn)行干擾能力需求分析。

3 針對該預(yù)警雷達(dá)的干擾分析

以機載隨隊干擾為預(yù)設(shè)場景，考慮對該機載預(yù)警雷達(dá)實施有源干擾，對干擾機的偵察、干擾能力進(jìn)行分析。

表1 參數(shù)選用表

雷達(dá)偵察方程[6]為：

(6)

式中：Pt為雷達(dá)發(fā)射功率；Gt為雷達(dá)天線增益；Gr為干擾設(shè)備偵察天線增益；Rmax為最大偵察距離；λ為雷達(dá)工作波長；γ為極化損失系數(shù)。

該雷達(dá)峰值功率按900 kW計算，天線增益為37.4 dB，考慮極化損失為3 dB，工作頻率選取3.1 GHz，雷達(dá)副瓣按照圖2擬合的數(shù)據(jù)計算，將上述參數(shù)代入公式(6)，那么在不同距離上對雷達(dá)主副瓣信號進(jìn)行偵察所需的靈敏度如表2所示。

表2 靈敏度統(tǒng)計表

由表2可知，對雷達(dá)主瓣實施偵察，干擾機偵察靈敏度優(yōu)于-30 dBm時即可滿足要求；但是如果對雷達(dá)實施副瓣偵察，隨著主副比的增大，干擾機所需的靈敏度也變高。在距離雷達(dá)400 km處，偵察雷達(dá)平均副瓣-50 dB，此時所需的靈敏度最高，需優(yōu)于-80 dBm。

雷達(dá)干擾方程[7]為：

(7)

在隨隊干擾方式下，由于被保護(hù)目標(biāo)和干擾機平臺重合，故有Rj=Rt，代入式(7)可得：

(8)

雷達(dá)峰值功率為900 kW，天線增益為37.5 dB，被保護(hù)目標(biāo)雷達(dá)截面積為5 m2，考慮極化損失為3 dB(即γj=-3 dB)。采用壓制干擾樣式，壓制系數(shù)Kj的取值為26 dB。將上述參數(shù)代入公式(8)，那么在距離雷達(dá)100 km處，干擾機所需的等效輻射功率如表3所示。

由表3可知，采用噪聲樣式實施壓制干擾，如僅對其主瓣進(jìn)行干擾，需要2.6 W即可滿足要求。如需對雷達(dá)平均副瓣(-50 dB)進(jìn)行干擾，那么所需功率為262 kW，這對機載干擾設(shè)備是不能接受的，也是不可實現(xiàn)的，因為供電、散熱、體積、重量等各方面因素都有限制。從隨隊干擾的戰(zhàn)術(shù)上分析，也不需要如此大角度地注入干擾信號。

采用相干假目標(biāo)干擾樣式情況下，由于電子假目標(biāo)信號特征與雷達(dá)回波的特征相同，有效干擾所需的干信比為1即可。在不同干擾距離情況下、干擾信號進(jìn)入雷達(dá)不同副瓣區(qū)域時，系統(tǒng)所需的有效干擾功率如表4所示。

表3 干擾功率統(tǒng)計表(Kj=26dB)

表4 干擾功率統(tǒng)計表(Kj=0 dB)

根據(jù)表4所示，如果對雷達(dá)主瓣實施干擾，干擾機有效輻射功率0.4 W即可滿足要求；但是如果對雷達(dá)實施副瓣干擾，隨著主副比的增大，干擾機所需的有效輻射功率也逐步增加。雷達(dá)平均副瓣水平為-50 dB，此時干擾所需的有效輻射功率為10 kW。

綜合考慮2種干擾樣式以及載機平臺的相關(guān)能力，干擾設(shè)備等效輻射功率選取10 kW較為合理，既可實施主瓣及近區(qū)副瓣的壓制干擾，也可實現(xiàn)大角度的相干假目標(biāo)干擾。在壓制干擾情況下，不同距離上的壓制區(qū)域如圖4所示，圖中“R”點為雷達(dá)位置，“J”點為干擾機位置。由圖4可知，干擾機僅僅能夠在主瓣及近主瓣的小角度范圍內(nèi)形成干擾掩護(hù)區(qū)域。在假目標(biāo)干擾情況下，干擾機從距離雷達(dá)400 km處到100 km處，可產(chǎn)生的假目標(biāo)范圍如圖5所示，圖中曲線外部區(qū)域即為可生成假目標(biāo)的范圍，對比壓制干擾樣式形成的干擾扇面明顯較大。

圖4 不同距離上壓制干擾效果

圖5 不同距離上假目標(biāo)形成區(qū)域

4 結(jié)束語

本文介紹了某機載預(yù)警雷達(dá)的組成、功能和相關(guān)工作模式，對其主要指標(biāo)進(jìn)行反推演算，擬合了其天線方向圖；在此基礎(chǔ)上，基于隨隊干擾場景，對主副瓣偵察和干擾所需的靈敏度、有效輻射功率指標(biāo)進(jìn)行計算，并給出干擾效能仿真圖。