雷達(dá)扇區(qū)靜默精細(xì)化設(shè)置研究

劉　浩　陶松波　孟藏珠　孟藏珍

(1.空軍參謀部電子對(duì)抗雷達(dá)局　北京　100032；2.駐上海航天局804所軍代室　上海　201109；

0　引言

雷達(dá)是探測(cè)海面、空中和地面目標(biāo)的重要手段之一，在戰(zhàn)爭(zhēng)和空防中扮演著極其重要的角色。隨著高科技武器的迅猛發(fā)展以及作戰(zhàn)樣式的不斷變化，雷達(dá)作為獲取敵方信息的主要裝備，不僅承擔(dān)了發(fā)現(xiàn)和跟蹤多種目標(biāo)的重任，并且所處的環(huán)境也變得越來越復(fù)雜，受到的威脅也越來越多，在其發(fā)展中一直面臨“四抗”的威脅[1-2]。縱觀近年來的戰(zhàn)爭(zhēng)，我們可以看出，雷達(dá)作為戰(zhàn)爭(zhēng)的“眼睛”，它是敵方的重點(diǎn)打擊對(duì)象，只有確保了雷達(dá)在戰(zhàn)場(chǎng)上的生存力，我們才不會(huì)在戰(zhàn)爭(zhēng)中變成“盲人”受制于對(duì)手，同樣也不會(huì)出現(xiàn)任人宰割的局面。所以增強(qiáng)這雙“眼睛”的生存能力就變成了各國(guó)軍方所追求的重點(diǎn)。

對(duì)于現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中電子偵察和反輻射導(dǎo)彈的威脅[3-6]，對(duì)雷達(dá)的威脅日益嚴(yán)重。雷達(dá)偵察是為了取得雷達(dá)對(duì)抗所需情報(bào)而進(jìn)行的電子對(duì)抗偵察。通過對(duì)敵方雷達(dá)發(fā)射的信號(hào)搜索、分析、截獲和識(shí)別，從而查出敵方雷達(dá)的脈沖寬度、工作頻率、天線掃描方式、脈沖重復(fù)頻率、天線方向圖和掃描速率，以及敵方雷達(dá)的類型、位置等。無論戰(zhàn)時(shí)還是和平時(shí)代，敵對(duì)方從未停止過對(duì)對(duì)方雷達(dá)的偵查。針對(duì)此問題，雷達(dá)一般采取扇區(qū)靜默的方式進(jìn)行對(duì)抗。但在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于雷達(dá)扇區(qū)靜默的使用較為粗略，并沒有一個(gè)明確的設(shè)置準(zhǔn)則，對(duì)其大小如何設(shè)置沒有依據(jù)，這極大限制了雷達(dá)扇區(qū)靜默的效果。更有甚者，操作員因擔(dān)心靜默扇區(qū)設(shè)置不合理發(fā)生漏情而放棄使用雷達(dá)扇區(qū)靜默，這嚴(yán)重影響了雷達(dá)性能發(fā)揮。針對(duì)上述問題，本文討論了雷達(dá)扇區(qū)靜默精細(xì)化設(shè)置方法。

1　扇區(qū)靜默設(shè)置原理

扇區(qū)靜默設(shè)置的理論依據(jù)是根據(jù)偵察機(jī)接收到雷達(dá)的電磁波功率與其接收機(jī)本身的靈敏度相對(duì)比，當(dāng)偵察機(jī)接收機(jī)接收雷達(dá)的信號(hào)功率大于等于接收機(jī)靈敏度時(shí)，我方雷達(dá)即被敵方偵察機(jī)發(fā)現(xiàn)；當(dāng)偵察機(jī)雷達(dá)接收機(jī)接收的信號(hào)功率小于接收機(jī)靈敏度時(shí)，則我方雷達(dá)未被敵方偵察機(jī)發(fā)現(xiàn)。所以對(duì)于扇區(qū)靜默設(shè)置理論依據(jù)是通過對(duì)偵察接收機(jī)接收到雷達(dá)信號(hào)的強(qiáng)度，通過與其靈敏度的比較來確定的。

具體公式推導(dǎo)如下。假設(shè)R為雷達(dá)到偵察機(jī)之間的距離,λ為雷達(dá)工作波長(zhǎng),Pt為雷達(dá)發(fā)射功率,Gt為雷達(dá)天線增益,Gr為偵察機(jī)接收天線增益,L為極化失配損耗和信號(hào)傳輸損耗,Prmin為偵察機(jī)接收機(jī)靈敏度。則雷達(dá)從天線發(fā)射出去的功率為

P=PtGt

(1)

由于雷達(dá)在發(fā)射電磁波后，在空間中形成一個(gè)球面，向四周輻射，所以偵察機(jī)天線處雷達(dá)信號(hào)的功率密度為

(2)

考慮雷達(dá)偵察機(jī)接收天線與雷達(dá)天線極化損耗以及信號(hào)傳輸損耗，則偵察機(jī)天線處雷達(dá)信號(hào)的功率密度由式(2)改為

(3)

假設(shè)偵察機(jī)接收天線有效面積為Ar，那么Ar表示為：

(4)

則偵察機(jī)接收到的雷達(dá)信號(hào)功率Pr為

(5)

而偵察接收機(jī)靈敏度也就是接收機(jī)能偵察到雷達(dá)信號(hào)功率Pr的最小值，此時(shí)對(duì)應(yīng)兩者之間的最大距離，所以偵察接收機(jī)靈敏度可表示為

(6)

所以，雷達(dá)扇區(qū)靜默設(shè)置的理論根據(jù)可表示為

θ靜默扇區(qū)={θ|Pr≥Prmin}

(7)

其中，Pr為方位角θ內(nèi)雷達(dá)信號(hào)被偵察機(jī)接收到的功率。

由式(7)可以看出：當(dāng)敵方偵察機(jī)能成功偵察我方雷達(dá)信號(hào)則需要開啟雷達(dá)扇區(qū)靜默；反之，則看作敵方偵察機(jī)偵察失敗，雷達(dá)可正常工作。

2　扇區(qū)靜默精細(xì)化設(shè)置模型

在雷達(dá)探測(cè)過程中，雷達(dá)天線是以固定速度順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的。為討論方便，假定雷達(dá)是順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。相對(duì)于雷達(dá)來說，偵察機(jī)的天線波束指向雷達(dá)方向，可認(rèn)為是不轉(zhuǎn)動(dòng)的，所以在探測(cè)過程中雷達(dá)的波瓣與偵察機(jī)的波瓣會(huì)周期對(duì)準(zhǔn)。根據(jù)偵察過程，所以扇區(qū)靜默精細(xì)化設(shè)置本主要考慮以下三種情況：

1)雷達(dá)副瓣與偵察機(jī)雷達(dá)主瓣對(duì)準(zhǔn)

該情況下是當(dāng)雷達(dá)進(jìn)行過旋轉(zhuǎn)掃描時(shí)，我方雷達(dá)波瓣會(huì)與敵方偵察機(jī)的雷達(dá)波瓣對(duì)準(zhǔn)，當(dāng)我方雷達(dá)第一副瓣對(duì)準(zhǔn)敵方偵察機(jī)第一副瓣時(shí)(雷達(dá)天線、偵察機(jī)天線一般情況下其他副瓣電平較低，不予考慮)，敵方接收機(jī)接收到的信號(hào)小于敵方偵察機(jī)雷達(dá)接收機(jī)靈敏度，所以沒有被發(fā)現(xiàn)。接著是我方雷達(dá)第一副瓣對(duì)準(zhǔn)敵方偵察機(jī)的雷達(dá)主瓣，假設(shè)此時(shí)敵方接收機(jī)接收到的信號(hào)大于敵方偵察機(jī)雷達(dá)接收機(jī)靈敏度，則被敵方偵察機(jī)發(fā)現(xiàn)。此時(shí)波瓣對(duì)準(zhǔn)情況，如圖1所示。

圖1　雷達(dá)副瓣與偵察機(jī)主瓣對(duì)準(zhǔn)示意圖

由于此時(shí)滿足偵察條件，敵方雷達(dá)能偵察到的我方雷達(dá)波瓣第一副瓣的信號(hào)，根據(jù)式(7)可知，此時(shí)雷達(dá)扇區(qū)靜默角度的大小為雷達(dá)第一副瓣中心與雷達(dá)主瓣中心的夾角2倍，即

θ靜默扇區(qū)={θ|雷達(dá)兩第一副瓣之間的夾角}

(8)

2)雷達(dá)主瓣與偵察機(jī)雷達(dá)副瓣對(duì)準(zhǔn)

該情況下是當(dāng)雷達(dá)進(jìn)行過旋轉(zhuǎn)掃描時(shí)，我方雷達(dá)波瓣會(huì)與敵方偵察機(jī)的雷達(dá)波瓣對(duì)準(zhǔn)，在圖1所示情況下不能被對(duì)方偵察機(jī)雷達(dá)所發(fā)現(xiàn)，那么雷達(dá)波瓣繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)雷達(dá)主瓣與偵察機(jī)雷達(dá)第一副瓣對(duì)準(zhǔn)的情況下，假設(shè)此時(shí)敵方接收機(jī)接收到的信號(hào)大于敵方偵察機(jī)雷達(dá)接收機(jī)靈敏度，即被敵方偵察機(jī)發(fā)現(xiàn)。那么該時(shí)刻雷達(dá)與偵察機(jī)波瓣對(duì)準(zhǔn)情況如圖2所示。

圖2　雷達(dá)主瓣與偵察機(jī)第一副瓣對(duì)準(zhǔn)示意圖

由于此時(shí)滿足偵察條件，我方雷達(dá)波瓣主瓣信號(hào)能被敵方偵察機(jī)雷達(dá)第一副瓣有效探測(cè)到。所以雷達(dá)扇區(qū)靜默角度的大小為敵方偵察機(jī)雷達(dá)的第一副瓣中心與其主瓣中心的夾角2倍，即

θ靜默扇區(qū)={θ|偵察機(jī)天線兩第一副瓣之間的夾角}

(9)

3)雷達(dá)主瓣與偵察機(jī)雷達(dá)主瓣對(duì)準(zhǔn)

該情況下是當(dāng)雷達(dá)進(jìn)行過旋轉(zhuǎn)掃描時(shí)，我方雷達(dá)波瓣會(huì)與敵方偵察機(jī)的雷達(dá)波瓣對(duì)準(zhǔn)，在圖1和圖2所展示的情況下都不能被對(duì)方偵察機(jī)雷達(dá)所發(fā)現(xiàn)，那么波瓣繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)雷達(dá)主瓣與偵察機(jī)雷達(dá)主瓣對(duì)準(zhǔn)的情況下，此時(shí)敵方接收機(jī)接收到的信號(hào)功率大于敵方偵察機(jī)雷達(dá)接收機(jī)靈敏度，即被敵方偵察機(jī)發(fā)現(xiàn)。該時(shí)刻波瓣對(duì)準(zhǔn)情況如圖3所示。

圖3　雷達(dá)主瓣與偵察機(jī)主瓣對(duì)準(zhǔn)示意圖

由于此時(shí)滿足偵察條件，只能是我方雷達(dá)主瓣與敵方偵察機(jī)雷達(dá)主瓣接觸時(shí)才能被發(fā)現(xiàn)。所以雷達(dá)扇區(qū)靜默角度的大小為兩者主瓣寬度大的一方的主瓣寬度，即

θ靜默扇區(qū)={θ|max(θ雷達(dá)，θ偵察機(jī))}

(10)

其中，θ雷達(dá)為雷達(dá)天線主瓣寬度，θ偵察機(jī)是偵察機(jī)天線主瓣寬度。

3　仿真實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中假設(shè)某雷達(dá)的參數(shù)如表1所示。在具體實(shí)驗(yàn)中，由于要考慮部分參數(shù)變化時(shí)扇區(qū)靜默設(shè)置變化情況，因此表中部分?jǐn)?shù)據(jù)會(huì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況具體調(diào)整。

表1　雷達(dá)主要參數(shù)設(shè)置

由于國(guó)外偵察機(jī)的相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)無法獲得，所以實(shí)驗(yàn)所用偵察機(jī)的相關(guān)參數(shù)是結(jié)合雷達(dá)數(shù)據(jù)給出的仿真參數(shù)，假設(shè)國(guó)外偵察機(jī)的相關(guān)參數(shù)數(shù)據(jù)如表2所示。在具體實(shí)驗(yàn)中，由于要考慮部分參數(shù)變化時(shí)扇區(qū)靜默設(shè)置變化情況，因此表中部分?jǐn)?shù)據(jù)會(huì)根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況具體調(diào)整。

表2　偵察機(jī)主要參數(shù)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)一：討論偵察天線主瓣增益變化時(shí)的情況。

除偵察機(jī)天線主瓣增益外，偵察機(jī)、雷達(dá)參數(shù)如表1、表2所示。當(dāng)偵察機(jī)的主瓣增益為15dB、20dB、30dB變化時(shí)，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4　偵察機(jī)的主瓣增益變化時(shí)仿真效果圖

由仿真結(jié)果可以看出：當(dāng)偵察機(jī)天線主瓣增益不同時(shí),雷達(dá)反偵察時(shí)靜默扇區(qū)大小的設(shè)置是有區(qū)別的。從圖4可以看出,當(dāng)主瓣增益為15dB時(shí)，雷達(dá)與偵察機(jī)距離在300km以外，只需要將靜默扇區(qū)大小設(shè)為14°，而到300km以內(nèi)則需要擴(kuò)大靜默扇區(qū)為18°。而當(dāng)偵察機(jī)主瓣增益增大時(shí)，則需要向大調(diào)整靜默扇區(qū)的距離向外推，從圖中來看，當(dāng)偵察機(jī)主瓣增益增大到20dB時(shí)，在雷達(dá)尚未發(fā)現(xiàn)偵察機(jī)時(shí)即要調(diào)整到18°,這時(shí)需要借助技偵情報(bào)支持，告知偵察機(jī)與雷達(dá)的距離，以方便反偵察。當(dāng)偵察機(jī)主瓣增益增大25dB時(shí)，同理。圖中給出的值比式(8)、(9)、(10)計(jì)算的值要大，是因?yàn)樵诜抡嬷羞m量擴(kuò)大了靜默扇區(qū)大小，以增加反偵察的可靠性,下面實(shí)驗(yàn)中此情況相同。

實(shí)驗(yàn)二：討論雷達(dá)發(fā)射功率變化時(shí)的情況

除雷達(dá)發(fā)射功率外，偵察機(jī)、雷達(dá)參數(shù)如表1、表2所示。當(dāng)雷達(dá)發(fā)射功率為15kW、20kW、變化時(shí)，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5　雷達(dá)功率變化時(shí)仿真效果圖

由仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出隨著雷達(dá)功率的增大，雷達(dá)扇區(qū)靜默角都在相同距離時(shí)會(huì)隨之增大。當(dāng)雷達(dá)發(fā)射功率位15kW時(shí)，在距離500km處向外靜默扇區(qū)大小可設(shè)置為14°，而往里則需要設(shè)置為18°；相比于雷達(dá)發(fā)射功率為20kW時(shí)，靜默扇區(qū)大小調(diào)整距離縮小了100km。實(shí)驗(yàn)中距離沒有完全銜接是由于距離離散取值所致。

實(shí)驗(yàn)三：偵察機(jī)靈敏度變化時(shí)的情況

除偵察機(jī)的接收機(jī)靈敏度外，偵察機(jī)、雷達(dá)參數(shù)如表1、表2所示。當(dāng)雷達(dá)發(fā)射功率為15kW、20kW、變化時(shí)，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6　偵察機(jī)的靈敏度變化時(shí)仿真效果圖

由仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，隨著偵察機(jī)靈敏度的提高，雷達(dá)扇區(qū)靜默角都在相同距離時(shí)會(huì)隨之增大。從圖6中可以看出，在偵察機(jī)接收機(jī)靈敏度為-60dBm時(shí)，當(dāng)距離小于等于150km時(shí)，扇區(qū)靜默的角度要設(shè)置為18°；當(dāng)距離在200km至600km時(shí)，此時(shí)扇區(qū)靜默的角度應(yīng)該設(shè)置為14°；當(dāng)距離大于650km時(shí)，此時(shí)扇區(qū)靜默的角度應(yīng)該設(shè)置為8°。而偵查接收機(jī)靈敏度提高到-70dBm時(shí)，在550km以內(nèi)扇區(qū)靜默的角度就需要設(shè)置為18°；當(dāng)距離大于550km時(shí)，此時(shí)扇區(qū)靜默的角度應(yīng)該設(shè)置為14°。實(shí)驗(yàn)中距離沒有完全銜接原因同上文。

從上述實(shí)驗(yàn)可以看出，對(duì)于雷達(dá)扇區(qū)靜默功能的使用，要最大化發(fā)揮其反偵察的能力，同時(shí)兼顧發(fā)揮雷達(dá)的探測(cè)性能，需要根據(jù)雷達(dá)和偵察機(jī)的參數(shù)，以及兩者之間的距離來科學(xué)調(diào)整靜默扇區(qū)的大小。

4　結(jié)束語

現(xiàn)在信息化條件下的戰(zhàn)爭(zhēng)，雷達(dá)將面臨重大挑戰(zhàn)，工作環(huán)境日益復(fù)雜。為了應(yīng)對(duì)敵方偵察，同時(shí)擔(dān)負(fù)空中警戒任務(wù)，需要采用扇區(qū)靜默的功能。而現(xiàn)有雷達(dá)上對(duì)于該功能的使用缺乏科學(xué)的指導(dǎo)，實(shí)際運(yùn)用操作性差。為解決此問題， 本文研究了扇區(qū)靜

默的精細(xì)化設(shè)置方法，考慮了雷達(dá)和偵察機(jī)的系統(tǒng)參數(shù)，結(jié)合偵察機(jī)偵察工作過程，詳細(xì)討論了靜默扇區(qū)大小設(shè)置的方法，為實(shí)際作戰(zhàn)中此功能應(yīng)用提供了科學(xué)參考。若將此功能嵌入雷達(dá)裝備，加載敵方偵察機(jī)參數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)扇區(qū)靜默自動(dòng)設(shè)置實(shí)現(xiàn)反偵察，減少中間的人工環(huán)節(jié)，可提升雷達(dá)扇區(qū)靜默效率。雷達(dá)扇區(qū)靜默設(shè)置的精細(xì)化、自動(dòng)化必將是今后雷達(dá)反干擾的趨勢(shì)。