遠距離支援干擾條件下雷達探測范圍研究

賈金偉,劉海亮

(解放軍91404部隊，秦皇島 066001)

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遠距離支援干擾條件下雷達探測范圍研究

賈金偉,劉海亮

(解放軍91404部隊，秦皇島 066001)

摘要：從雷達基本原理和干擾方程出發，建立了遠距離支援式干擾條件下的雷達探測距離模型，研究了不同抗干擾措施下的改善因子，并進一步演算出雷達探測范圍方程，利用MATLAB軟件對雷達探測威力進行了仿真，分析了不同抗干擾措施對雷達威力的影響，對雷達對抗訓練評估具有重要意義。

關鍵詞：雷達探測距離；改善因子；雷達對抗

0引言

雷達利用電磁波的反射特性發現并測定目標位置，而有源干擾則是通過發射噪聲或欺騙干擾信號來擾亂雷達的正常工作，達到縮小雷達探測距離或降低雷達對目標發現概率的目的。探測距離是衡量雷達作戰性能的一項重要指標，探測距離與接收到的回波信號信干比有直接關系，信干比與雷達有效輻射功率、目標反射截面積、空間衰減及干擾機有效輻射功率等多種因素有關，對雷達來說如何采取有效抗干擾措施來提高信干比以盡可能遠距離發現目標、發揮雷達最大效能對于實際作戰和對抗評估訓練都有非常重要的意義。

1自由空間中雷達探測距離

由雷達探測理論可知，自由空間中雷達對特定目標的最大探測距離為：

(1)

式中:Pt為雷達發射信號的功率;Gt為發射天線增益;Gr為接收天線增益;σ為目標截面積;λ為波長;k=1.38×10-23,為波爾茲曼常數；Ts為輸入噪聲溫度；Bn為接收機檢波前的噪聲帶寬；Fn為接收機的噪聲系數；(S/N)min為最小可檢測信噪比(檢測因子)；L為雷達系統總損耗。

從式(1)中可以看出，雷達對目標的探測距離與雷達性能、目標特性、電磁波的傳輸等密切相關。而雷達在某個距離上能否發現目標，歸根到底還是由目標回波能量與噪聲能量之比(信噪比)決定的。雷達有效輻射功率越大，目標雷達截面積越大，空間衰減越小，則進入雷達接收機的目標信號能量越大，隨之信干比也越大，探測距離越遠；相反，在干擾條件下干擾機的有效輻射功率越大，方向上和頻率上瞄得越準，與雷達的距離越近，則進入雷達接收機的干擾能量越大，隨之信干比越小，探測距離越近[1]。對雷達探測性能有影響的傳播因素主要是大氣衰減、表面反射、繞射、大氣折射等。

2干擾條件下雷達探測距離

2.1遠距離支援干擾(SOJ)條件下雷達探測距離

遠距離支援干擾為干擾機遠離敵方雷達和己方被保護目標，通過輻射強噪聲干擾信號壓縮雷達探測距離以掩護己方目標，干擾能量主要從雷達天線副瓣進入接收機。支援式干擾下干擾機在敵方雷達探測范圍之外，利于自我保護，實際作戰中應用較為廣泛。遠距離支援干擾如圖1所示。

圖1　遠距離支援式干擾示意圖

雷達接收到的目標反射回波信號功率為：

(2)

假定單部干擾機主瓣對準雷達實施壓制噪聲干擾，此時進入雷達接收機的干擾功率為：

(3)

式中：Pj為干擾發射機功率；Gj為干擾天線增益；Gr(θ)為雷達天線在干擾方向上的接收增益；θ為雷達主瓣方向與雷達到干擾機連線方向的夾角。

干擾機方向雷達天線增益Gr(θ)可由以下經驗公式求得[2]：

(4)

式中：Gr為雷達接收天線增益；θ0.5為雷達主瓣寬度；K為與雷達天線特性有關的常數；Rj為干擾機與雷達的間距；Δfr為雷達接收帶寬；γj為干擾信號相對雷達天線的極化損失，一般取γj=0.5；Δfj為干擾信號帶寬。

進入雷達接收機的目標信號和干擾信號功率之比為：

(5)

無干擾條件下雷達作用距離的推導是基于接收機內部只有熱噪聲的情況下得出的，而干擾條件下雷達接收機內部不僅有熱噪聲，還有干擾，再由最小可檢測信噪比(S/N)min來推導干擾條件下的雷達作用距離顯然不合適。此時引入最小可檢測信雜比(S/J)min來代替最小可檢測信噪比(S/N)min[3]。干擾條件下，若雷達能夠發現目標，必須使目標回波能量與干擾能量之比大于雷達檢測目標所需的最小信雜比(S/J)min，則可以得到干擾條件下雷達最大作用距離為：

(6)

2.2抗干擾改善因子

干擾條件下雷達抗干擾效果主要取決于信干比的變化，這是效果評定的理論基礎之所在。抗干擾改善因子正是基于這一理論提出的，它也是唯一被IEEE采用的度量模型。抗干擾改善因子定義為雷達采取某種抗干擾措施后與采取抗干擾措施前輸出端信干比的比值，它反映了抗干擾措施改善輸出端信干比的程度[4]：

(7)

式中：(S/J)0為采取抗干擾措施前雷達輸出的信干比；(S/J)k為采取抗干擾措施后雷達輸出的信干比。

若雷達采取多種抗干擾措施，且每種抗干擾措施的效果是不同的，則總的抗干擾改善因子為：

(8)

式中：F1、F2、…、Fn分別表示不同抗干擾措施的改善因子，如頻率捷變、副瓣對消、脈沖積累、脈沖壓縮、低副瓣天線、寬限窄、恒虛警率(CFAR)等。

抗干擾改善因子用于度量雷達采取某個或某幾個抗干擾措施時雷達抗干擾性能的改善程度，可以比較不同抗干擾措施的效果，能從一定角度對雷達抗干擾性能進行定量評估。下面對幾種常見抗干擾措施的改善因子進行簡要分析[5]。

(1) 脈沖壓縮抗干擾改善因子。脈沖壓縮信號主要包括線性調頻信號、非線性調頻信號和相位編碼信號。脈沖壓縮信號的抗干擾改善因子為：

(9)

式中：D為脈沖壓縮比；N為相位編碼信號的碼元數；L為脈沖壓縮損耗，一般取值為-1.3 dB。

(2) 旁瓣對消抗干擾改善因子：

(10)

式中：Po為未采用旁瓣對消時系統輸出功率；Poc為采用旁瓣對消后系統輸出功率。

通常情況下旁瓣對消抗干擾改善因子Fjcr≥18 dB。

(3) 頻率捷變抗干擾改善因子：

(11)

式中：Bjr為干擾信號與雷達捷變頻重疊帶寬；Bj為干擾信號帶寬；Bri為雷達瞬時帶寬；Bri為雷達捷變帶寬。

(4) 脈沖積累抗干擾改善因子。脈沖積累分相干積累和非相干積累，相干積累改善因子為FM=n0.8;非相干積累改善因子為FM=nγ,γ為雷達波束駐留目標期間的脈沖個數，取0.7～0.9之間的值。

相參雷達抗干擾改善因子為FM=N0.8M0.7,N為相干積累數，M為非相干積累數。

(5) 寬限窄電路抗干擾改善因子。寬限窄電路是由寬帶中放、寬帶限幅和窄帶中放級聯形成的電路，在時域和頻域多次濾除噪聲干擾能量，同時保護目標回波信號能量不受損失，從而極大改善系統信干比。

2.3抗干擾改善因子與探測距離的關系

雷達采取抗干擾措施后的最大探測距離為[6]：

(12)

最大探測距離是雷達重要的戰術技術指標，最大程度縮短雷達的探測距離是壓制干擾所期望的干擾效果。因此，雷達抗干擾效果可由采取抗干擾措施前后最大探測距離的相對變化進行度量。

3雷達探測范圍

雷達的探測范圍是一個在方位、俯仰和距離三維空間的封閉區域，只要確定了以雷達為中心各個方向上的最大探測距離，雷達作用范圍的邊界也就確定了。作用范圍邊界點的距離R是俯仰角φ和方位角θ的函數R(θ,φ)。

雷達的探測范圍函數可由天線的水平方向函數f(θ)和垂直方向函數f(φ)得到，即[7]：

(13)

當雷達天線在方位旋轉對目標進行搜索掃描時，波束的覆蓋區域即形成雷達的探測范圍，探測范圍公式為：

(14)

在某些情況下，雷達到作用范圍邊界的距離R(θ,φ)可以得到進一步簡化。如單機干擾條件下的雷達作用范圍，可用雷達天線垂直面方向圖函數表示為：

R(θ,β)=Rmax·f(φ)=

(15)

假如干擾機從某一方位角α對雷達實施干擾，即可令：θ=α·180°/π-β。當方位角β從0°到360°變化時，利用公式(15)即可得到雷達在每個方向上的最大探測距離，任一方位上的雷達最大探測距離Rmax與雷達的性能、干擾機相對雷達的位置、干擾機主瓣方向以及干擾機的效能等因素有關。將雷達不同方位上的最大探測距離點依次連接，就得到干擾條件下雷達探測范圍的邊界。

4干擾條件下雷達探測距離仿真分析

假定一部警戒搜索雷達參數如下：雷達發射機功率Pt=80 kW，天線增益Gt=Gr=1 000，波長λ=0.1 m，雷達接收機帶寬Δfr=5 MHz，目標雷達截面積σ=10 m2，最小可檢測信噪比為(S/J)min=13，系統總損耗L=3 dB。利用公式(1)對該雷達作用范圍進行計算，MATLAB軟件仿真結果如圖2所示。可以看出雷達最大作用距離為140 km，與雷達實際性能指標比較接近。

假定遠距離干擾機參數如下：干擾發射機功率Pj=1 kW，天線增益Gj=100，噪聲干擾帶寬Δfj=300 MHz，干擾信號對雷達天線的極化損失γj=0.5；干擾機在距離雷達200 km處從45°方向主瓣對準雷達實施遠距離支援干擾，利用MATLAB軟件對該情況進行仿真，得到雷達二維作用距離和三維作用范圍如圖3所示。

可以看到雷達威力圖在干擾機方向被撕開了一個缺口，探測距離被壓制在42 km范圍內，威力范圍以外的區域雷達將探測不到特定威脅目標。

圖2　無干擾條件下的雷達威力圖

圖3　單部干擾機干擾下的雷達威力圖

雷達受到干擾后分別單獨采取多種抗干擾措施，比較雷達在不同抗干擾措施下的探測距離，以此判斷不同抗干擾措施的效果。假設每種抗干擾措施的改善因子分別為：旁瓣對消改善因子為F1=18 dB，脈沖壓縮改善因子為F2=8 dB，頻率捷變改善因子為F3=20 dB，脈沖積累改善因子為F4=14 dB，寬限窄改善因子為F5=6 dB，MATLAB軟件仿真后的雷達探測距離如圖4所示。

圖4　雷達采取抗干擾措施后的探測距離對比圖

從圖4中可以看出，雷達采取抗干擾措施后的探測距離對比采取措施前的威力均有所增加，其中頻率捷變效果最好，旁瓣對消、脈沖積累、脈沖壓縮其次，寬限窄效果最差。

5結束語

本文從雷達探測距離的角度對不同抗干擾措施對抗遠距離支援式干擾的效果進行了研究，對雷達對抗訓練具有一定借鑒意義。雷達對目標的探測距離不僅與干擾強弱有關，更與目標特性、電磁波傳輸損耗及雷達自身性能等因素有關，本文只側重于考慮目標與噪聲的功率性因素，具有一定的局限性，但功率準則依然是目前廣泛應用的一種抗干擾效果度量方法。

參考文獻：

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[7]白普易，任明秋，王學軍.雷達抗干擾性能評估指標分析與測試平臺設計[J].計算機與數字工程，2011，39(11)：25-29.

Research into Radar Detection Coverage under The Condition of Stand-off Jamming

JIA Jin-wei,LIU Hai-liang

(Unit 91404 of PLA,Qinhuangdao 066001,China)

Abstract:Starting from the basic principle and jamming equation of radar,this paper establishes the radar detection range model under the condition of stand-off jamming (SOJ),studies the improvement factors of different anti-jamming measures,further calculates the equation of radar detection coverage,simulates the radar detection power by using MATLAB software,analyzes the influence of different anti-jamming measures on the radar power,which has important significance for the training and evaluation of radar countermeasure.

Key words:radar detection range;improvement factor;radar countermeasure

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.01.007

中圖分類號：TN974

文獻標識碼：A

文章編號：CN32-1413(2016)01-0036-04

收稿日期:2015-09-17