有源壓制性干擾的干擾模糊區(qū)建模與仿真?

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,使雷達(dá)系統(tǒng)接收端信噪比嚴(yán)重降低,目標(biāo)回波信號模糊不清或完全淹沒在干擾信號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)信號少量的信息(雷達(dá)信號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。

然而就如何對該類干擾效能進(jìn)行高效、準(zhǔn)確地評估,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),目前針對雷達(dá)有源壓制性干擾的評估準(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)其評估結(jié)果均過于絕對,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漸進(jìn)的過程,同時現(xiàn)代雷達(dá)的信號檢測也是一個動態(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)域外邊線時也不會立即被發(fā)現(xiàn),而是要經(jīng)過一個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)“時現(xiàn)時隱”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)對目標(biāo)回波信號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)定一個檢測門限,如圖1所示,當(dāng)被檢測信號電平大于或等于檢測門限電平時,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)被檢測信號電平小于檢測門限電平時,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直接被濾除。然而通過檢波器所被成功檢錄的信號中并非全為真實(shí)目標(biāo)回波信號,若噪聲信號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

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,以增大進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī)內(nèi)信號中的噪聲。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,雷達(dá)會相應(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)回波信號也會被濾除,同時,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)對雷達(dá)施放較大功率的有源壓制性干擾時,其將直接影響雷達(dá)信號檢測,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)信號丟失,同時存在部分較大能量的噪聲信號被雷達(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功率與目標(biāo)回波信號功率比值JSR定義為干擾壓制系數(shù)Kj[5],針對雷達(dá)來說Kj通常為一個定值,其主要與雷達(dá)對信號檢測性能相關(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頻譜寬度之比;Lj為干擾信號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,雷達(dá)將被有效壓制,現(xiàn)需要解決下述兩個問題：

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我們知道在同一時刻t(即同一位置),當(dāng)干擾信號與目標(biāo)回波信號功率相等時,干擾信號依然能有效掩蓋目標(biāo)回波信號,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,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)回波信號并非被干擾信號絕對掩蓋,而是存在被掩蓋的可能,目標(biāo)時隱時現(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)干擾效果評估過程中,雷達(dá)天線的方向性增益對準(zhǔn)確評估的影響較大,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)對雷達(dá)干擾效果的有效評估,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,選定對預(yù)警雷達(dá)進(jìn)行干擾評估建模。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為主瓣相對于水平面上仰的角度。

設(shè)φ0.5=8°,φtill=7°,根據(jù)式(5)對雷達(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)以航空電子對抗力量采取遠(yuǎn)程支援干擾方式,對敵地面遠(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,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。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,將會提出過高需求(干擾機(jī)功率需求將高出1倍),這將是對兵力運(yùn)用的極大浪費(fèi)。

下面對干擾機(jī)處于不同距離位置,對干擾模糊區(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,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,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)前對有源壓制性干擾評估方法不足的基礎(chǔ)上,提出了“干擾模糊區(qū)”的概念,并對其進(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)勢的評估提供參考。由于在本文建模過程中,沒有對被保衛(wèi)目標(biāo)的各狀態(tài)的RCS及信號在環(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。

[1]張崔永,趙風(fēng)東,楊志祥.新型干擾樣式對某型雷達(dá)干擾效果研究[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2013,11(3)：241-245.

[2]劉南輝.俄羅斯空軍電子對抗作戰(zhàn)效能評估[M].北京：中國人民解放軍空軍,2007.

[3]康亞光,秦開兵,游志剛.固定目標(biāo)防護(hù)的干擾波束內(nèi)部壓制區(qū)模型分析[J].火力與指揮控制,2012,37(4)：114-116.

[4]平殿發(fā),劉志遠(yuǎn),張韞.機(jī)載雷達(dá)有源干擾扇面分析與估算[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2012,10(4)：443-447.

[5]趙國慶.雷達(dá)對抗原理[M].2版.西安：西安電子科技大學(xué)出版社,2012.

[6]張錫祥,劉永堅(jiān),王國宏.和平時期電子戰(zhàn)技術(shù)與應(yīng)用：雷達(dá)對抗篇[M].北京：電子工業(yè)出版社,2005.

[7]VAKIN S A,SHUSTOV L N,DUNWELL R H.Fundamentals of Electronic Warfare[M].Norwood,MA：Artech House,2001.