突防飛機雷達告警設備接收電磁信號建模

毛 瑋，劉 璘，王 巖，羅振明

(1.空軍航空大學學員1隊，吉林長春 130022;2.中國人民解放軍93132部隊，黑龍江齊齊哈爾 161000;3.中國人民解放軍94909部隊，貴州貴陽 550000)

飛機突防是指飛機或飛機編隊突破敵方防空領域，深入敵方縱深區域、戰略腹地執行領略或戰術任務時，消滅其重要的政治、經濟和軍事目標的作戰行為，是現代戰爭中的一種重要斗爭手段。從近期高技術局部戰爭來看，信息戰武器已成為高技術武器的主導部分，這些武器在戰場上的大量使用，使“突防—防空”對抗具有明顯的信息對抗特征。機載雷達告警設備作為現代飛機不可或缺的電子信息對抗裝備之一。其利用接收機接收所處戰場中的電磁信號，并通過分選、識別和引導干擾設備對敵威脅輻射源進行干擾以保護飛機平臺。

文中根據雷達告警設備工作原理提出了以雷達向空間輻射的電磁信號為基礎，以機載雷達告警設備工作條件為依據的告警設備接收電磁信號建模方法。該模型考慮了突防戰場環境中雷達輻射源較多的特點，存在同時到達電磁信號的可能，提出了脈沖丟失處理模型。

1 飛機突防作戰雷達電磁環境特點

實施空中突防作戰時，防御方的防空預警系統、地空導彈防御系統、高射炮防御系統、戰斗機攔截系統等防空體系下的各種武器系統將會根據作戰需要啟動。同時為保證突防飛機能夠順利實施作戰行動，突防方的支援干擾系統也會采取措施進行配合，從而導致戰場環境中充斥著各種雷達、干擾信號，使得突防區域在空域、時域、頻域上分布的電磁信號數量繁多、樣式復雜、密集重疊、動態多變，形成了復雜的電磁環境。

2 雷達告警設備電磁信號接收模型

文中采用信號描述字的方法，根據雷達工作方式與信號的特點、飛機突防戰術運用和電磁波傳播特性，通過構造雷達信號輻射模塊、突防飛機雷達告警設備接收模塊，建立突防飛機雷達告警設備電磁信號接收模型。其中雷達信號輻射模塊包括雷達運動模型、雷達工作狀態模型、雷達輻射參數模型;突防飛機雷達告警接收模塊包括突防飛機運動模型、告警設備截獲信號模型、PDW流模型。

圖1 突防飛機雷達告警設備電磁信號接收模型

該模型工作流程如圖1所示，是通過突防飛機模型和雷達運動模型計算不同時刻下飛機與雷達的距離，根據距離判斷戰場上各雷達的工作狀態，形成各雷達狀態時刻表，依據不同時刻各雷達工作狀態下雷達參數，建立突防戰場中各雷達向空間輻射脈沖信號列表，該列表通過告警設備截獲信號模型，形成符合其接收要求的信號列表，經過PDW流模型后形成PDW流列表即飛機突防過程中雷達告警設備接收到的所有雷達信號。

3 雷達信號輻射模塊

該模塊實現戰場環境中各雷達工作狀態控制和輻射信號的描述。

3.1 雷達工作狀態判斷模型

該模型實現判斷戰場環境下不同類型的雷達開機、工作狀態判斷的功能。規則是當突防飛機進入目標雷達探測范圍后，制導雷達開機并跟蹤目標或該雷達從搜索狀態進入跟蹤狀態，雷達參數將根據需要進行改變。根據上述規則得到雷達工作狀態時刻列表，如圖2所示。

圖2 雷達狀態時刻表

因此，在模型中重點解決雷達最大探測距離和雷達告警設備最大探測距離。

3.1.1 雷達最大探測距離

雷達通過向空間發射電磁波和接收目標回波信號，以實現對遠距離目標的探測和定位。雷達對目標的最大探測距離模型可由雷達方程計算得到

式中，Rtmax為雷達最大探測距離;Pt為雷達發射的峰值功率;Gt為雷達天線增益;λ為雷達輻射電磁波的波長;σ為目標有效反射面積;L為電磁波傳播損耗;Stmin為雷達接收機靈敏度。

3.1.2 地球曲率對探測距離的影響

因電磁波傳播方向為直線以及地球曲率的影響，雷達及其告警設備的最大探測距離將受到直視距離的限制

式中，Rtr為直視距離，單位為km;R為地球半徑，單位為km;Hr為突防飛機距離地面距離，單位為m;Ht為雷達距離地面高度，單位為m。

因此，雷達和雷達告警設備最大探測距離模型為Rtmax'=min(Rtmax，Rtr)，Rtmax'=min(Rrmax，Rtr)。

3.2 雷達輻射參數模型

雷達電磁環境是指進入雷達向戰場空間輻射雷達脈沖信號的集合，該環境是由戰場中的各種雷達構成的，戰場環境中的雷達輻射信號通過雷達輻射脈沖描述字表示，該描述字包括雷達位置坐標、脈沖前沿發射時間、脈沖載頻、脈沖寬度、峰值功率、天線指向和天線半功率波束寬度。

雷達輻射參數模型是根據雷達工作方式形成單部雷達的雷達輻射脈沖描述字列表。在該模型中重點解決雷達輻射脈沖描述字與雷達工作參數的關系。其中雷達位置坐標根據雷達運動模型得到，峰值功率、天線半功率波束寬度根據雷達性能參數可直接得到。

3.2.1 脈沖前沿發射時間

脈沖前沿發射時間到達時間主要和該脈沖發射時間、威脅雷達輻射源脈沖重復周期以及信號在大氣中的傳播距離有關。

現代新體制雷達的脈沖重復周期(PRI)經典的有重頻固定、重頻抖動、脈間參差、脈組參差等。

3.2.2 脈沖載頻

目前雷達信號工作頻率的主要變化類型有:固定頻率、頻率捷變、頻率跳變等。

3.2.3 脈沖寬度

雷達信號脈沖寬度有固定脈寬和變脈寬兩類。目前采用的脈寬變化形式大致有:固定脈寬、脈組捷變、脈寬抖動等。現代雷達中脈沖寬度比較穩定，數值分布比較集中，具有較好的平穩性和聚斂性，因此該模型采用固定脈沖寬度。

3.2.4 天線指向

雷達天線指向由天線在雷達坐標系中水平角θ和俯仰角φ共同組成，表示天線的瞬時指向方向，由天線掃描方式與雷達工作狀態有關，常見的天線掃描方式有圓周掃描、扇形掃描、柵形掃描等。為方便計算，跟蹤狀態下的圓錐掃描與單脈沖跟蹤相同。

圖3中PT初表示天線在該掃描方式下的起始時間;Δt=PTi－PTi－1表示相鄰兩個脈沖的間隔時間;ω表示天線旋轉時的角速度;γ表示扇掃范圍;N表示柵形掃描的行數。

4 突防飛機雷達告警接收模塊

該模塊完成突防戰場環境下雷達信號的截獲，已按時間順序形成突防過程中脈沖信號描述字列表，顯示飛機在突發過程中接收到的雷達信號，是告警設備信號分選、識別的基礎。

圖3 天線指向模型

4.1 告警設備截獲信號模型

雷達告警設備接受空間中的電磁脈沖信號需滿足以下4個條件:(1)方向上對準;(2)頻率上對準。(3)必要的接收機靈敏度。(4)天線極化對準。因此在本模型中只需要滿足以下條件的信號將能夠進入接收機:一是突防飛機距雷達輻射源小于告警設備最大接收距離;二是突防飛機在雷達照射天線半功率波束寬度內;三是雷達信號頻率落在告警設備接受頻率范圍內。

4.2 雷達告警設備最大接收距離

告警設備對雷達的最大探測距離為

式中，Rrmax為雷達告警設備最大探測距離;Gr為雷達告警設備接收天線增益;γ為雷達告警設備天線極化損耗;Srmin為雷達告警設備接收機靈敏度。

4.3 PDW流模型

脈沖參數描述字(PDW)包括5個參數:脈沖前沿到達時間、脈沖載頻、脈沖寬度、脈沖到達角、脈沖幅度。該模型對能夠進入雷達告警設備的雷達信號進行處理，形成各部雷達信號進入告警設備的脈沖參數描述字，并描述字進行融合形成PDW流列表。在該模塊中，脈沖載頻、脈沖寬度的形成等于雷達輻射脈沖描述字對應參數加上噪聲產生，因此在該模塊中需解決脈沖前沿到達時間、脈沖到達角、脈沖幅度以及信號融合。

4.3.1 脈沖前沿到達時間

脈沖前沿到達時間與其發射時間和脈沖信號在空間中的傳播時間相關，因此脈沖前沿到達時間可以表示為

式中，R表示雷達與突防飛機相距的距離;c表示光速。

4.3.2 脈沖到達角

到達角是雷達所發射的電磁波到突防飛機處的方位。因電磁波是直線傳播，DOA是該脈沖發射時刻雷達平臺相對飛機的方位。在地球坐標系下，突防飛機坐標 U(XU，YU，ZU)，威脅雷達輻射源坐標 V(XV，YV，ZV)，運動方向分別為θU，θV。將地球坐標系轉換到飛機坐標系下

4.3.3 脈沖幅度

脈沖幅度與威脅雷達輻射源距離、雷達工作狀態、天線波束形狀、天線掃描方式等因素有關

式中，Pt為雷達信號功率;Gt天線增益;γ為雷達告警設備天線極化損耗;γ為雷達工作波長;L大氣傳播損耗;R為飛機與輻射源距離。

F(ξ)為天線方向函數，在天線方向函數中k為參數;ξ0.5為天線半功率寬度;ξ可以通過向量的方法求解出來，雷達天線指向用向量可以表示為Ra=(1，tanθ，tanφ)，雷達與突防飛機用向量表示為 RtoF=(XU－XV，YU－YV，ZU－ZV)，因此

4.3.4 多部雷達脈沖全脈沖數據融合

假定雷達之間的脈沖發射是獨立過程，機載雷達告警設備按時間順序接收脈沖信號。因此，突防過程中告警設備接收電磁信號形成的PDW流，就是將在戰場中單部雷達信號的脈沖信號中對到達時間進行排列。

然而，在機載雷達告警設備接收電磁信號中，引起雷達脈沖信號丟失的情況主要有以下兩種:

(1)同時到達信號引起的丟失。從公布的雷達告警設備資料來看，告警設備測頻方法是采用瞬時測頻體制，由于該體制的固有缺陷，因此對同時到達的信號會引起測頻出錯。根據文獻可知，當兩路信號幅度相差6 dB以上時，可以測量出幅度大的信號頻率，丟失幅度小的脈沖信號將被丟失。當兩路幅度相當時，兩個脈沖都被丟失。

(2)接收機恢復時間內丟失。當對頻率完成編碼后，存在一段與接收機有關的寂靜時間，在此期間，不能處理新的型號，在無輸入能量條件下，此時間較短，如果在此期間有信號到達必然丟失。

根據上述原因，在突防條件的雷達電磁環境下要考慮到發生同時到達信號和在接收機恢復時間內到達信號的情況，可以得到脈沖丟失處理模型，如圖4所示。

圖4 脈沖丟失處理模型

5 結束語

模型以雷達輻射電磁波信號為基礎，根據告警設備工作特點為依據，建立飛機突發過程中告警設備接收到的各種雷達信號的模型。該模型考慮了雷達、突防飛機的空間位置，對雷達工作狀態的影響，以及減少仿真過程中的計算量，提出了構建雷達狀態時刻表。在多部雷達信號處理方面，模型使用依據時間順序進行排列，提出了對同時到達的信號處理方法。

［1］王國玉，汪連棟.雷達電子戰系統數學仿真與評估［M］.北京:國防工業出版社，2004.

［2］丁鷺飛，耿富錄.雷達原理［M］.北京:電子工業出版社，2009.

［3］蒙潔，汪連棟，王國良，等.雷達電子戰系統電磁環境仿真［J］.計算機仿真，2004，21(12):21 －24.

［4］余應福，姜本清，劉長根.電子戰環境中的雷達偵察仿真系統設計［J］.艦船電子對抗，2009(2):91－94.

［5］林春應.電子對抗偵察情報分析［M］.合肥:電子工程學院，2002.

［6］王鳳山，李孝軍，馬拴柱.現代防空學［M］.北京:航空工業出版社，2008.