孫劍英，郝繼剛，劉 昂，夏 棟

(1.解放軍92664部隊(duì)，山東 青島 266031；2.海軍航空大學(xué)青島校區(qū)，山東 青島 266041)

0 引 言

采用大功率寬帶信號(hào)的壓制干擾是對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行干擾的一種有效方式。對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行壓制干擾的效果可以通過干信比(即進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī)的干擾信號(hào)功率和有用目標(biāo)回波信號(hào)功率的比值)來評(píng)估。但是，干擾信號(hào)和有用的目標(biāo)回波信號(hào)進(jìn)入雷達(dá)系統(tǒng)后在接收機(jī)和信號(hào)處理機(jī)中會(huì)進(jìn)行匹配濾波、脈沖積累等信號(hào)處理，2種信號(hào)的處理結(jié)果存在較大的差別。有用的目標(biāo)回波信號(hào)經(jīng)過匹配濾波、脈沖積累等處理后，信噪比會(huì)有顯著的提升；而干擾信號(hào)經(jīng)過信號(hào)處理后，功率也會(huì)發(fā)生變化。從理論上分析干擾信號(hào)功率增加的倍數(shù)一定小于有用的目標(biāo)回波信號(hào)增加的倍數(shù)，相當(dāng)于經(jīng)過信號(hào)處理后干信比下降了，這使得干擾機(jī)保護(hù)目標(biāo)的暴露區(qū)增加了。因此,有必要從干信比和干擾暴露區(qū)的角度，定量分析匹配濾波、脈沖積累等信號(hào)處理對(duì)壓制干擾效果的影響。

1 壓制干擾下雷達(dá)威力評(píng)估模型

對(duì)雷達(dá)施加有源壓制干擾時(shí)，干擾機(jī)、雷達(dá)和掩護(hù)目標(biāo)的相對(duì)位置如圖1所示。干擾機(jī)距離被干擾雷達(dá)的距離為，被掩護(hù)目標(biāo)與被干擾雷達(dá)的距離為，對(duì)于雷達(dá)而言掩護(hù)目標(biāo)所在方向與干擾機(jī)所在方向的夾角為。當(dāng)=0并且=時(shí)，雷達(dá)受到的干擾為自衛(wèi)式干擾。多數(shù)情況下≠，此時(shí)為志愿干擾或者伴隨干擾。無論是哪種情況，到達(dá)雷達(dá)接收機(jī)的有用目標(biāo)信號(hào)的功率計(jì)算公式為：

圖1 干擾機(jī)、雷達(dá)、掩護(hù)目標(biāo)位置示意圖

(1)

式中：為雷達(dá)發(fā)射功率；為雷達(dá)天線發(fā)射增益；為雷達(dá)天線接收增益；為雷達(dá)發(fā)射電磁波波長；為目標(biāo)反射截面積；為被掩護(hù)目標(biāo)距離雷達(dá)的距離；為雷達(dá)系統(tǒng)損耗。

進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī)干擾信號(hào)功率計(jì)算方法為：

(2)

式中：為干擾機(jī)發(fā)射功率；為干擾天線增益；()為干擾機(jī)方向上雷達(dá)天線接收增益；為干擾機(jī)相對(duì)于雷達(dá)所在方向；為電磁波波長；為干擾機(jī)距離雷達(dá)的距離；為干擾信號(hào)在干擾機(jī)和進(jìn)入雷達(dá)后的系統(tǒng)內(nèi)部損耗；為干擾信號(hào)與雷達(dá)系統(tǒng)極化失配引起的損耗；Δ為雷達(dá)接收機(jī)帶寬；Δ為干擾信號(hào)帶寬。

根據(jù)式(1)和式(2)，得到的干信比為：

式中：為壓制系數(shù)，通常情況下認(rèn)為=2時(shí)，目標(biāo)信號(hào)被干擾信號(hào)淹沒，壓制干擾有效。

當(dāng)取=2時(shí)，根據(jù)式(3)，當(dāng)存在壓制干擾時(shí)，雷達(dá)對(duì)方位上雷達(dá)截面積(RCS)為的目標(biāo)的壓制距離為：

(4)

需要注意的是()為干擾機(jī)方向上雷達(dá)天線接收增益。當(dāng)=0 時(shí)，說明干擾機(jī)跟被掩護(hù)目標(biāo)在雷達(dá)的同一方向時(shí)，()為雷達(dá)天線的接收主瓣增益。多數(shù)情況下≠0，此時(shí)根據(jù)主瓣增益和天線方向圖獲得()為：

()=()

(5)

式中：為主瓣增益；()為天線方向圖函數(shù)。

雷達(dá)天線一般采用面天線，()為近似sinc函數(shù)，如圖2所示。

圖2 極坐標(biāo)下雷達(dá)天線方向圖函數(shù)

天線方向圖函數(shù)非常復(fù)雜，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，()可以按照式(6)近似計(jì)算得到:

(6)

其函數(shù)曲線如圖3所示。

由圖2和圖3可以看出，從形狀上看()的近似公式是將天線方向圖函數(shù)進(jìn)行了近似，只取了天線方向圖函數(shù)極大值的的包絡(luò)。為雷達(dá)天線波束主瓣寬度。的取值范圍為0.04～0.1，對(duì)于針形波束，則的取值范圍為0.06～0.1，而對(duì)于波束較寬、增益較低的扇形波束，取值范圍為0.04～0.06。

圖3 Gr(θ)近似計(jì)算結(jié)果

2 脈沖壓縮和脈沖積累對(duì)干信比的影響

2.1 脈沖壓縮處理對(duì)干信比的影響

為提高距離分辨力，現(xiàn)代雷達(dá)幾乎全部采用了脈沖壓縮體制。脈沖壓縮處理是一種典型的頻域匹配濾波，它可以得到頻域上最優(yōu)的信噪比。同時(shí)由于脈壓濾波器對(duì)干擾信號(hào)不匹配，干擾/信號(hào)功率比也會(huì)下降。脈沖壓縮信號(hào)采用的波形包括線性調(diào)頻和相位編碼信號(hào)，以線性調(diào)頻信號(hào)為例。線性調(diào)頻信號(hào)的回波數(shù)據(jù)經(jīng)過壓縮處理后在距離門上的分布為sinc函數(shù)的形式。當(dāng)采用線性調(diào)頻脈沖壓縮時(shí)，壓縮后的信號(hào)輸出為：

(7)

式中：為信號(hào)帶寬；為脈沖寬度；為回波相對(duì)于發(fā)射脈沖時(shí)刻的時(shí)延。

當(dāng)取=10 MHz、=100 μs、=750 μs時(shí)，回波在距離(也就是時(shí)間)上的分布如圖4所示。

圖4 信號(hào)脈沖壓縮處理后的距離分布

脈沖壓縮的效果可以用脈沖壓縮比表示:

(8)

式中：為壓縮前的脈沖寬度；為壓縮處理后的脈沖寬度。

根據(jù)脈沖壓縮處理后的表達(dá)式(7)可以得到脈沖壓縮比跟帶寬和脈沖寬度的關(guān)系式：

=

(9)

由于回波脈沖信號(hào)被壓縮，壓縮后的脈沖幅度也變大了。同樣根據(jù)式(7)可以得到脈沖壓縮后信號(hào)強(qiáng)度為原來的倍。即經(jīng)過脈沖壓縮處理，有用的目標(biāo)回波信號(hào)的功率增強(qiáng)為：

=

(10)

脈沖壓縮處理提高了回波信號(hào)的功率，而脈壓濾波器與干擾信號(hào)不匹配，干擾信號(hào)不會(huì)被放大，那么干信比會(huì)下降為原來的1。同樣，相位編碼信號(hào)的脈壓處理使信號(hào)功率增加倍數(shù)與線性調(diào)頻信號(hào)一致，相位編碼脈壓處理也會(huì)使干信比下降為原來的1。

2.2 脈沖積累對(duì)干信比的影響

脈沖積累通過對(duì)單個(gè)天線掃描周期里面多個(gè)脈沖積累提高信號(hào)的功率。當(dāng)雷達(dá)系統(tǒng)采用非相參積累時(shí)，干擾信號(hào)也會(huì)被積累，干信比不會(huì)變化。但是雷達(dá)系統(tǒng)采用相參積累時(shí)，由于積累后的回波信號(hào)功率正比于積累脈沖個(gè)數(shù)，但是干擾信號(hào)不能在雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)相參積累，干擾積累功率增加倍數(shù)小于信號(hào)增加倍數(shù)。設(shè)雷達(dá)系統(tǒng)單個(gè)天線掃描周期內(nèi)的脈沖積累個(gè)數(shù)為，那么積累后的干擾信號(hào)功率為：

(11)

積累后的回波信號(hào)功率為：

=

(12)

2.3 脈壓處理和脈沖積累修正下的干擾方程

脈沖壓縮處理和脈沖積累不同程度地改變了有用的目標(biāo)回波信號(hào)和干擾信號(hào)的功率。根據(jù)式(10)和式(12)綜合考慮脈沖壓縮和相參后脈沖積累后的回波信號(hào)功率為：

=

(13)

而經(jīng)過脈沖壓縮處理和脈沖積累后的干擾信號(hào)功率如式(11)所示。那么經(jīng)過2種信號(hào)處理后的干信比應(yīng)該為：

(14)

根據(jù)式(14)可以得到考慮脈壓處理和脈沖積累影響的壓制距離為：

(15)

3 仿真分析

根據(jù)上一節(jié)得到的雷達(dá)壓制距離方程，對(duì)壓制干擾效果進(jìn)行仿真，仿真參數(shù)取值如表1所示。

表1 雷達(dá)和干擾機(jī)工作參數(shù)

被掩護(hù)目標(biāo)的雷達(dá)反射截面積為10 m，式(6)中近似因子取0.8，壓制系數(shù)取=2，極化失配因子=05。根據(jù)上述參數(shù)、式(4)和式(6)，得到目標(biāo)最大探測(cè)距離隨目標(biāo)進(jìn)入角度的關(guān)系如圖5所示，角度單位為°，距離單位為km。

圖5 進(jìn)入接收機(jī)的干信比對(duì)應(yīng)的目標(biāo)暴露區(qū)

在圖5中，心形包線是在不同方向上雷達(dá)對(duì)被保護(hù)目標(biāo)的最大探測(cè)距離，即探測(cè)威力。包線以內(nèi)的區(qū)域?yàn)槔走_(dá)暴露區(qū)，被掩護(hù)目標(biāo)進(jìn)入該區(qū)域后將會(huì)被雷達(dá)探測(cè)到；包線以外的區(qū)域?yàn)楦蓴_壓制區(qū)，被掩護(hù)目標(biāo)在該區(qū)域時(shí)雷達(dá)被干擾壓制，目標(biāo)不會(huì)被發(fā)現(xiàn)。從圖5可以看出，掩護(hù)目標(biāo)所在方向與干擾方向的夾角小于30°時(shí)，壓制效果較好。當(dāng)超過30°后干擾壓制區(qū)域只能在20 km以外。

干擾信號(hào)和目標(biāo)有用信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)后，雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)兩類信號(hào)進(jìn)行脈沖壓縮匹配濾波和脈沖積累處理。設(shè)雷達(dá)采用相參積累體制，積累脈沖個(gè)數(shù)=25，而脈沖壓縮比=100。那么根據(jù)式(6)和式(15)，經(jīng)過脈壓處理和脈沖積累修正后的雷達(dá)對(duì)掩護(hù)目標(biāo)的威力范圍如圖6所示。

圖6 脈壓處理與脈沖積累對(duì)目標(biāo)暴露區(qū)的影響

由圖6可以得到以下結(jié)論：

(1) 脈壓壓縮和脈沖積累都會(huì)增加雷達(dá)暴露區(qū)，減小干擾抑制區(qū)，也就是說脈沖壓縮和脈沖積累處理削弱了壓制干擾的效果。

(2) 相對(duì)于脈沖積累來講，脈沖壓縮對(duì)干擾抑制區(qū)減小的影響程度更大。

(3) 脈沖壓縮和脈沖積累2種處理方式疊加后，干擾抑制區(qū)被劇烈削減，此時(shí)除了進(jìn)入方向30°范圍以內(nèi)有較好的壓制效果，30°以外進(jìn)入方向的壓制距離都超過了100 km。

4 結(jié)束語

對(duì)雷達(dá)施加壓制干擾時(shí)，由于雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)回波信號(hào)進(jìn)行了脈沖壓縮和脈沖積累處理，信號(hào)功率得到了提升，使得壓制效果得到削減。其中，脈沖壓縮處理對(duì)干擾壓制效果的影響要大于脈沖積累。當(dāng)2種處理的影響疊加后，干擾壓制效果被劇烈衰減，此時(shí)只有從干擾機(jī)所在方向30°范圍以內(nèi)進(jìn)入的目標(biāo)能夠得到較好的干擾掩護(hù)。