收發(fā)同時(shí)對(duì)電磁頻譜控制區(qū)域的影響研究

羅景青 孫 兵 朱偉強(qiáng)

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收發(fā)同時(shí)對(duì)電磁頻譜控制區(qū)域的影響研究

羅景青*①孫 兵①朱偉強(qiáng)②

①(電子工程學(xué)院 合肥 230037)②(中國(guó)航天科工集團(tuán)8511研究所 南京 210007)

在電子系統(tǒng)中，有時(shí)需要在同一平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)同時(shí)進(jìn)行信號(hào)的接收和發(fā)射。這時(shí)，通常會(huì)采用一定的收發(fā)隔離措施和信號(hào)相消處理技術(shù)。相對(duì)于收發(fā)非同時(shí)而言，收發(fā)同時(shí)會(huì)對(duì)電磁頻譜控制區(qū)域產(chǎn)生較大的影響。該文以同時(shí)接收雷達(dá)信號(hào)又干擾該雷達(dá)的情況為例，研究了收發(fā)同時(shí)對(duì)電磁頻譜控制區(qū)域的影響，提出了綜合天線收發(fā)隔離與后續(xù)數(shù)字相消處理的總體隔離度概念，分析了影響總體隔離度的因素，建立了數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)了相關(guān)公式，仿真分析了總體隔離度對(duì)偵察作用區(qū)、干擾暴露區(qū)以及電磁頻譜控制區(qū)的影響。

電磁頻譜控制區(qū)；收發(fā)同時(shí)；隔離度

1 引言

隨著電子對(duì)抗與雷達(dá)在相互對(duì)抗中不斷發(fā)展，對(duì)電子對(duì)抗系統(tǒng)的要求不斷提高[1]。為了提高電子干擾機(jī)生存能力及作戰(zhàn)性能，在很多情況下，干擾機(jī)需連續(xù)偵察周圍的雷達(dá)設(shè)備，并能夠不間斷地發(fā)射對(duì)敵方雷達(dá)的干擾信號(hào)。因此，干擾機(jī)需要同時(shí)進(jìn)行偵察接收與干擾發(fā)射，也就是收發(fā)同時(shí)工作。我們把可以同時(shí)偵察和干擾敵電磁系統(tǒng)的區(qū)域稱為電磁頻譜控制區(qū)。當(dāng)系統(tǒng)工作在收發(fā)同時(shí)模式時(shí)，一般采用一定的收發(fā)隔離措施。然而，收發(fā)隔離是有限的，偵察接收機(jī)不只是接收到雷達(dá)信號(hào)，干擾信號(hào)也會(huì)耦合進(jìn)入偵察接收機(jī)。因此，干擾信號(hào)的強(qiáng)度與接收信號(hào)強(qiáng)度之間有一約束關(guān)系，根據(jù)這一關(guān)系，結(jié)合收發(fā)隔離因素的影響，電磁頻譜控制區(qū)域?qū)?huì)發(fā)生變化。

收發(fā)隔離是收發(fā)同時(shí)的關(guān)鍵技術(shù)，它是為了保證干擾發(fā)射信號(hào)耦合到接收機(jī)后不影響接收機(jī)的正常工作。常見(jiàn)的收發(fā)同時(shí)采用的隔離技術(shù)分為兩類。一類是天線間收發(fā)隔離技術(shù)[14]，主要包括空間隔離，旁瓣隔離，極化隔離等；一類是利用數(shù)字對(duì)消技術(shù)，改善接收機(jī)輸出端信噪比，提高收發(fā)隔離度。對(duì)于收發(fā)同時(shí)的隔離問(wèn)題已有較為廣泛研究，但是收發(fā)同時(shí)對(duì)于電磁頻譜控制區(qū)域的影響卻沒(méi)有進(jìn)行深入分析。

收發(fā)隔離技術(shù)直接影響耦合進(jìn)入接收機(jī)的干擾信號(hào)功率大小，從而影響偵察距離；為了確保偵察機(jī)具有良好的偵察性能，在收發(fā)同時(shí)模式和隔離度有限的情況下，干擾信號(hào)發(fā)射功率受到約束，有效干擾壓制區(qū)域也受到影響。本文先介紹收發(fā)同時(shí)工作常用的收發(fā)隔離措施，然后對(duì)收發(fā)隔離度對(duì)偵察作用距離、干擾作用距離以及電磁頻譜控制區(qū)的影響展開(kāi)研究。

2 收發(fā)同時(shí)可采取的隔離技術(shù)及總體隔離度

2.1收發(fā)天線間的收發(fā)隔離技術(shù)

當(dāng)收發(fā)天線被安裝在固定位置后，接收機(jī)收到的干擾信號(hào)功率為

干擾發(fā)射功率通過(guò)種種途徑到達(dá)接收機(jī)輸入端的衰減量一般稱為收發(fā)天線間隔離度。

將式(1)代入，收發(fā)天線隔離度還可以寫成

例如，當(dāng)收發(fā)天線等效相位中心間距為8 m，在7.5 GHz頻率上，得到=68 dB，加上其他的技術(shù)措施可得到10 dB，這對(duì)于近距離小功率干擾機(jī)而言，一般可以滿足收發(fā)隔離需求。

2.2自適應(yīng)數(shù)字對(duì)消技術(shù)

一般的自適應(yīng)回波抵消的原理框圖如圖1所示。主通道的輸入信號(hào)為

圖1 自適應(yīng)數(shù)字相消原理框圖

2.3 總體隔離度

無(wú)耦合干擾信號(hào)時(shí)，接收機(jī)輸入端的信噪比為

當(dāng)收發(fā)同時(shí)工作時(shí)，接收機(jī)輸入端不止存在熱噪聲功率，而且存在通過(guò)干擾天線耦合進(jìn)入偵察接收機(jī)的干擾信號(hào)功率，把采用天線間收發(fā)隔離技術(shù)后的耦合干擾信號(hào)視為噪聲信號(hào)，因此，接收機(jī)輸入端總的噪聲功率為

這時(shí)，接收機(jī)輸入端的信噪比為

一般情況下，耦合干擾功率遠(yuǎn)大于熱噪聲功率：

則式(10)改寫為

將式(2)代入式(12)，于是有

式中，

為采用兩類隔離措施后，等效進(jìn)入偵察接收機(jī)輸入端的干擾信號(hào)功率。而

為采用天線間隔離措施和數(shù)字相消措施后等效的總體隔離度，簡(jiǎn)稱隔離度。

3 隔離度對(duì)偵察作用距離的影響

偵察作用距離是指?jìng)刹旖邮諜C(jī)能偵察到雷達(dá)輻射源輻射信號(hào)的最遠(yuǎn)距離，是衡量雷達(dá)偵察系統(tǒng)的偵測(cè)雷達(dá)信號(hào)能力的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)。當(dāng)收發(fā)同時(shí)條件，干擾發(fā)射天線和偵察接收天線之間存在耦合，進(jìn)入偵察接收機(jī)的信號(hào)使接收機(jī)靈敏度降低，使偵察作用距離降低。本節(jié)就隔離度對(duì)偵察距離的影響進(jìn)行分析。

不考慮收發(fā)同時(shí)的最大偵察作用距離：

將式(6)代入式(17)得最大偵察作用距離為

考慮直視距離后，雷達(dá)對(duì)抗偵察機(jī)的偵察作用距離為

(1)提高總體隔離度可以增加最大偵察距離。當(dāng)總體隔離度較低時(shí)，需要信號(hào)很強(qiáng)才能到使信噪比達(dá)到偵察靈敏度，所以最大偵察距離受到影響。提高總體隔離度可以減小等效進(jìn)入接收機(jī)輸入端的干擾信號(hào)功率，從而增加最大偵察作用距離，但是由于可視距離限制，當(dāng)最大偵察距離增加到時(shí)，最大偵察距離不再隨隔離度的提高而增加。

(2)干擾發(fā)射功率對(duì)偵察作用距離有限制作用。當(dāng)總體隔離度一定時(shí)，干擾發(fā)射功率越小，偵察作用距離越大。因?yàn)楦蓴_發(fā)射功率越小，等效進(jìn)入接收機(jī)輸入端的干擾信號(hào)功率越小，偵察作用距離越大。

4 隔離度對(duì)最小干擾距離的影響

干擾方程是設(shè)計(jì)干擾機(jī)時(shí)進(jìn)行初始計(jì)算以及選取整機(jī)參數(shù)的基礎(chǔ)，同時(shí)也是使用干擾機(jī)時(shí)計(jì)算和確定干擾機(jī)有效干擾空間(即干擾機(jī)威力范圍)的依據(jù)。由于干擾機(jī)的基本任務(wù)就是壓制雷達(dá)，保衛(wèi)目標(biāo)，所以，干擾方程必然涉及到干擾機(jī)、目標(biāo)和雷達(dá)3個(gè)因素，干擾方程就是反映干擾機(jī)、雷達(dá)和目標(biāo)三者之能量關(guān)系的方程。本節(jié)就總體隔離度對(duì)最小干擾距離的影響進(jìn)行分析。

干擾方程的一般形式：

圖2 總體隔離度對(duì)偵察距離影響????????圖3 主、副瓣偵察隔離度對(duì)偵察作用距離影響

本節(jié)以自衛(wèi)式干擾為例，分析隔離度對(duì)干擾區(qū)域的影響。當(dāng)干擾機(jī)配置在被保衛(wèi)目標(biāo)上時(shí)，,，此時(shí)，

可令，

(1)總體隔離度不夠會(huì)使最小干擾距離增大。在一定范圍內(nèi)，總體隔離度越高，最小干擾距離越小，但是隔離度超出一定范圍后，最小干擾距離不再隨隔離度的增加而減小。這是因?yàn)樵试S的最大耦合功率一定情況下，總體隔離度提高，允許發(fā)射的最大干擾功率增大，最小干擾距離減小，但超過(guò)一定范圍時(shí)，由于干擾機(jī)存在最大額定工作功率，所以最小干擾距離不會(huì)小于。

圖4 隔離度對(duì)最小干擾距離影響

5 收發(fā)同時(shí)對(duì)電磁頻譜控制區(qū)域的影響

對(duì)目標(biāo)進(jìn)行干擾時(shí)，有些情況下需要偵察和干擾同時(shí)進(jìn)行，偵察引導(dǎo)干擾，此時(shí)作用區(qū)域是偵察作用區(qū)域和干擾壓制區(qū)域重疊的區(qū)域，即電磁頻譜控制區(qū)。本節(jié)以這個(gè)區(qū)域的面積作為衡量性能的標(biāo)準(zhǔn)。正常情況下，偵察作用區(qū)域邊界要遠(yuǎn)大于有效干擾壓制區(qū)邊界，但由于收發(fā)同時(shí)，會(huì)有干擾信號(hào)耦合進(jìn)入接收機(jī)，使接收機(jī)靈敏度下降，偵察作用距離減小，當(dāng)隔離度很差時(shí)，甚至可能使偵察作用區(qū)域半徑小于有效壓制區(qū)域邊界半徑，無(wú)法利用偵察信息引導(dǎo)干擾。

以2維為例，圖5為電磁頻譜控制區(qū)示意圖。電磁頻譜控制區(qū)域面積可按式(28)計(jì)算：

圖６為不同隔離度情況下，電磁頻譜控制區(qū)域面積與干擾發(fā)射功率的關(guān)系圖。由圖6可以得出結(jié)論：總體隔離度一定時(shí)，為了獲得最大的電磁頻譜控制區(qū)域面積，存在最佳干擾發(fā)射功率。由圖看出，總體隔離度一定時(shí)，電磁頻譜控制區(qū)域面積隨著干擾發(fā)射功率的增加，呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)。因?yàn)楫?dāng)干擾發(fā)射功率在一段較小的范圍內(nèi)時(shí)，增加，雖然使進(jìn)入接收機(jī)的增加，但此時(shí)最大偵察作用距離始終大于可視距離，因此偵察區(qū)域面積不會(huì)變化，而的增加使干擾壓制區(qū)域增加，所以電磁頻譜控制區(qū)域面積增加。當(dāng)干擾發(fā)射功率超過(guò)這一范圍時(shí)，雖然的增加使有效壓制區(qū)域面積增加，但此時(shí)偵察作用距離小于可視距離，的增加使進(jìn)入接收機(jī)的增加，偵察作用區(qū)域減小，相比于干擾區(qū)域面積增加量來(lái)說(shuō)，偵察作用區(qū)域面積減小更加嚴(yán)重，所以重疊的電磁頻譜控制區(qū)域面積減小。

圖7為不同干擾發(fā)射功率情況下，電磁頻譜控制區(qū)域面積與隔離度的關(guān)系圖。由圖7可以得出結(jié)論：總體隔離度越高，電磁頻譜控制區(qū)域面積越大。干擾發(fā)射功率一定時(shí)，最小干擾壓制距離一定，有效干擾壓制區(qū)域不變，總體隔離度增加，使等效進(jìn)入接收機(jī)輸入端的干擾信號(hào)功率減小，偵察作用距離增加，偵察區(qū)域面積變大，因此，電磁頻譜控制區(qū)域面積增加，但當(dāng)超過(guò)這一范圍時(shí)，偵察作用距離受到可視距離限制不再增加，此時(shí)電磁頻譜控制區(qū)域面積不再增加。

圖5 電磁頻譜控制區(qū)示意圖???圖6 干擾發(fā)射功率對(duì)電磁頻譜控制區(qū)域影響???圖7 總體隔離度對(duì)電磁頻譜控制區(qū)域影響

6 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)收發(fā)同時(shí)對(duì)電磁頻譜控制區(qū)的影響，本文首先分析了收發(fā)同時(shí)可以采用的隔離措施，提出總體隔離度概念，建立了數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)了相關(guān)公式，然后分析了總體隔離度對(duì)偵察作用距離、最小干擾壓制距離的影響，最后分析了干擾發(fā)射功率和總體隔離度對(duì)電磁頻譜控制區(qū)域的影響。仿真實(shí)驗(yàn)表明，在一定范圍內(nèi)，提高收發(fā)隔離度有利于增大偵察作用區(qū)、干擾壓制區(qū)以及電磁頻譜控制區(qū)，超過(guò)這一范圍，隔離度的提高沒(méi)有意義。另外，隔離度一定的條件下，存在最佳的干擾發(fā)射功率使得電磁頻譜控制區(qū)面積最大。

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Research on the Influences of Simultaneous Transmission and Reception on Electronic Warfare Area

LUO Jingqing①SUN Bing①ZHU Weiqiang②

①(,230037,)②(. 8511,210007,)

In the electronic system, it occasionally needs to accomplish the transmission and reception of signal in the same platform, at this time, certain transceiver isolation and signal cancellation processing technology are usually adopted. Relative to non-simultaneous transmission and reception, simultaneous transmission and reception makes more influence on electronic warfare area. This paper takes the situation of receiving the radar signal and interfering in itself for example, makes the research of the effect of simultaneous transmission and reception on electronic warfare area. The conception of total isolation of comprehensive transceiver antenna and follow-up digital cancellation is proposed in the paper, and the factors that affect the total isolation are analyzed, then the mathematical model is set up, and the correlative formulas are deduced. In the end, the influence of total isolation on the reconnaissance function area, jamming exposure area and comprehensive electronic warfare area are analyzed by simulation.

Comprehensive electronic warfare area; Simultaneous transmission and reception; Isolation

TN97

A

1009-5896(2016)11-2739-06

10.11999/JEIT160051

2016-01-13；改回日期：2016-06-08；

2016-09-01

羅景青 m13721052122_1@163.com

羅景青： 男，1957年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)槔走_(dá)與雷達(dá)對(duì)抗技術(shù)、空間信息處理、陣列信號(hào)處理、電子對(duì)抗信息處理.

孫 兵： 男，1991年生，碩士生，研究方向?yàn)槔走_(dá)及雷達(dá)對(duì)抗理論與技術(shù).

朱偉強(qiáng)： 男，1964年生，研究員，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)榭臻g信息處理、信號(hào)與信息處理.