對某機載預警雷達的干擾能力需求分析

楊 康，張 昀，郝 汀，趙明峰，黃 偉，付博超

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

現代戰爭中，掌握制空權是戰爭制勝的關鍵，而全天時、全天候、超遠程、高精度的機載預警雷達則是掌握制空權的根本保證，其在預警、探測、警戒、偵察及指揮控制等領域發揮了其它傳感器不可替代的作用。因而，機載預警雷達的研制與裝備受到世界各國的高度關注。在各國預警機中，美國較為典型的機載預警雷達，在作戰飛行高度上可以探測320 km以外的目標，可同時跟蹤數百個空中目標[1]。本文介紹了某機載預警雷達的組成、功能以及部分公開參數，并對其主要性能指標進行了反推演算；在此基礎上分析了干擾此雷達所需的偵察靈敏度和干擾功率等指標，并對干擾效能進行了仿真。

1 某機載預警雷達組成及功能

該機載預警雷達功能框圖如圖1所示，由旋罩(含天線陣列)、發射機、海用機柜、模擬機柜、數字機柜和顯控臺等組成。天線陣列接收雷達信號后，送入模擬機柜，并通過射頻模塊組合將信號分別送入超視距(BTH)、脈沖多普勒(PD)、海上監視(MSC)模式接收機。其中BTH、PD接收機將模擬信號轉換成數字信號，并完成恒虛警率(CFAR)的壓縮、檢測，然后送入數字機柜。MSC接收機設置檢測門限以降低海雜波。BTH接收機、MSC接收機生成的數字信號被送入雷達接口適配單元(RIAU)，PD接收機生成的數字信號被送入自適應信號處理器(ASP)。自適應信號處理單元完成數字脈沖壓縮，并輸出數字檢測數據至雷達數據處理器(RDP)。RDP通過RIAU接收和處理來自ASP、模擬接收單元、海上接收單元的目標信息，并為中心計算單元和雷達控制維護面板(RCMP)提供目標裝備狀態信息，以得出目標參數情報并生成航跡數據。

圖1 雷達功能框圖

據公開資料[2-3]，該雷達的旋罩尺寸為9.1 m×1.8 m，天線尺寸為7.3 m×1.5 m。天線采用波導裂縫平面陣列形式，由28根主波導、2根輔助波導組成，如圖2所示。天線陣列方位向機掃，覆蓋360°空域，6 r/min；俯仰向電掃，并由鐵氧體移相器進行波束引導，覆蓋±30°空域。天線陣列形成的波束寬度為：方位1°，俯仰6°，副瓣電平為-50 dB。發射機激勵級采用行波管，輸出級采用寬帶速調管，并采用液冷方式散熱。發射機輸出的平均功率約為10 kW，平視模式下峰值功率為700 kW，下視模式下為900 kW。接收機采用對海模式下的專用接收機、脈沖多普勒接收機和脈壓接收機，后兩者以頻率分隔方式工作。在信號處理方面采用了遞歸雜波對消、快速傅里葉轉換(FFT)分析和CFAR處理。在數據處理方面，采用3種脈沖重復頻率(PRF)解距離模糊實現測距，俯仰向電掃并采用最大幅度法測高，速度信息由多普勒濾波器組提取，并對高速目標采用3種PRF參差信號解速度模糊。雷達具備邊掃描邊跟蹤能力，可同時處理600個目標，引導100個目標。雷達工作頻率為3.1 GHz～3.4 GHz。當載機高度為9 600 m時，對大型高空目標探測距離為667 km，對中型目標為445 km，對小型低空目標為324 km。

圖2 雷達波導裂縫陣面

該雷達有6種工作方式：(1)脈沖多普勒非高度掃描方式。通過脈沖多普勒方式捕捉從高空到低空的空中目標，探測距離遠，但不能測定目標的高度。(2)脈沖多普勒高度掃描方式。此方式與脈沖多普勒非高度掃描方式基本相同，優點是可以通過波束的俯仰向掃描測定目標高度，缺點是探測距離較短。(3)超視距方式。此方式采用低重頻線性調頻寬脈沖信號探測超長距離的空中目標，不能進行高度測量，也不能去除地面雜波。(4)海上工作方式。通過發射窄脈沖雷達信號，降低海雜波以探測海面目標。(5)無源工作方式。通過關閉雷達發射機，僅用接收機接收敵方的輻射信號，并給出信號方位。(6)交叉掃描方式。在此方式下，之前介紹的工作方式可組合使用，例如脈沖多普勒高度掃描方式和超視距方式同時使用，或者脈沖多普勒非高度掃描方式與海上工作方式同時使用，又或者有源與無源工作同時使用。該雷達進行方位掃描時，將監視空間分成24～32個扇形區，并且各扇形區根據不同的作戰目的選取不同的工作方式，具備隨時更換能力。雷達正常工作時頻率可自動捷變，其它信號參數如重頻、脈寬等也可不斷變化。

2 某機載預警雷達的指標反演

根據公開資料對該雷達天線增益進行估算，可采用以下2個公式[4]：

(1)

(2)

式中：ΔΩ為波束寬度；A為天線有效孔徑，且有Ae=ρA(0≤ρ≤1)，ρ一般取0.7;λ為波長。

已知雷達波束寬度方位向為1°，俯仰向為6°，根據公式(1)可得：

(3)

換算成dB為單位，天線增益G為38.4 dB。天線面積A=7.3 m×1.5 m≈10.95 m2，工作波長分別按3.4 GHz進行計算，根據公式(2)可得：

(4)

換算成dB為單位，天線增益G為40.9 dB。結合2種方式下的計算結果，并考慮天線為了獲得超低副瓣特性及機體遮擋等影響，天線增益G取37.4 dB。

根據公開資料，該雷達最大方位旁瓣為-39 dB，平均旁瓣低于-50 dB，對該預警雷達進行了天線方向圖的仿真，具體如圖3所示。

圖3 AN/APY-2雷達天線仿真圖

雷達距離方程[5]為：

(5)

式中：Pav為發射機輸出的平均功率；σ為雷達散射截面積；R為雷達最大探測距離；L為微波損耗，包括天線罩和大氣損耗；k為波爾茲曼常數；T0為工作溫度；F為接收機噪聲因子；Ti為相參處理時間；G為天線增益；σSNR為檢測所需要的信噪比。

考慮各級損耗后，檢測所需信噪比約為7.5 dB；匹配濾波器和距離采樣損耗約為2 dB；加權和速度采樣損耗約為2 dB；CFAR損耗約為2 dB；波瓣損害約為1.5 dB。因此,檢測所需要的SNR為15 dB。將表1參數代入公式(5)，可以估算出該雷達對戰斗機的威力距離為428 km。

對比反推計算結果和公開資料可得：公開資料中發射功率等指標可信，可用于進行干擾能力需求分析。

3 針對該預警雷達的干擾分析

以機載隨隊干擾為預設場景，考慮對該機載預警雷達實施有源干擾，對干擾機的偵察、干擾能力進行分析。

表1 參數選用表

雷達偵察方程[6]為：

(6)

式中：Pt為雷達發射功率；Gt為雷達天線增益；Gr為干擾設備偵察天線增益；Rmax為最大偵察距離；λ為雷達工作波長；γ為極化損失系數。

該雷達峰值功率按900 kW計算，天線增益為37.4 dB，考慮極化損失為3 dB，工作頻率選取3.1 GHz，雷達副瓣按照圖2擬合的數據計算，將上述參數代入公式(6)，那么在不同距離上對雷達主副瓣信號進行偵察所需的靈敏度如表2所示。

表2 靈敏度統計表

由表2可知，對雷達主瓣實施偵察，干擾機偵察靈敏度優于-30 dBm時即可滿足要求；但是如果對雷達實施副瓣偵察，隨著主副比的增大，干擾機所需的靈敏度也變高。在距離雷達400 km處，偵察雷達平均副瓣-50 dB，此時所需的靈敏度最高，需優于-80 dBm。

雷達干擾方程[7]為：

(7)

在隨隊干擾方式下，由于被保護目標和干擾機平臺重合，故有Rj=Rt，代入式(7)可得：

(8)

雷達峰值功率為900 kW，天線增益為37.5 dB，被保護目標雷達截面積為5 m2，考慮極化損失為3 dB(即γj=-3 dB)。采用壓制干擾樣式，壓制系數Kj的取值為26 dB。將上述參數代入公式(8)，那么在距離雷達100 km處，干擾機所需的等效輻射功率如表3所示。

由表3可知，采用噪聲樣式實施壓制干擾，如僅對其主瓣進行干擾，需要2.6 W即可滿足要求。如需對雷達平均副瓣(-50 dB)進行干擾，那么所需功率為262 kW，這對機載干擾設備是不能接受的，也是不可實現的，因為供電、散熱、體積、重量等各方面因素都有限制。從隨隊干擾的戰術上分析，也不需要如此大角度地注入干擾信號。

采用相干假目標干擾樣式情況下，由于電子假目標信號特征與雷達回波的特征相同，有效干擾所需的干信比為1即可。在不同干擾距離情況下、干擾信號進入雷達不同副瓣區域時，系統所需的有效干擾功率如表4所示。

表3 干擾功率統計表(Kj=26dB)

表4 干擾功率統計表(Kj=0 dB)

根據表4所示，如果對雷達主瓣實施干擾，干擾機有效輻射功率0.4 W即可滿足要求；但是如果對雷達實施副瓣干擾，隨著主副比的增大，干擾機所需的有效輻射功率也逐步增加。雷達平均副瓣水平為-50 dB，此時干擾所需的有效輻射功率為10 kW。

綜合考慮2種干擾樣式以及載機平臺的相關能力，干擾設備等效輻射功率選取10 kW較為合理，既可實施主瓣及近區副瓣的壓制干擾，也可實現大角度的相干假目標干擾。在壓制干擾情況下，不同距離上的壓制區域如圖4所示，圖中“R”點為雷達位置，“J”點為干擾機位置。由圖4可知，干擾機僅僅能夠在主瓣及近主瓣的小角度范圍內形成干擾掩護區域。在假目標干擾情況下，干擾機從距離雷達400 km處到100 km處，可產生的假目標范圍如圖5所示，圖中曲線外部區域即為可生成假目標的范圍，對比壓制干擾樣式形成的干擾扇面明顯較大。

圖4 不同距離上壓制干擾效果

圖5 不同距離上假目標形成區域

4 結束語

本文介紹了某機載預警雷達的組成、功能和相關工作模式，對其主要指標進行反推演算，擬合了其天線方向圖；在此基礎上，基于隨隊干擾場景，對主副瓣偵察和干擾所需的靈敏度、有效輻射功率指標進行計算，并給出干擾效能仿真圖。