實船條件下雷達對抗系統收發隔離度自動測試方法研究

姚金垠，胡澤輝，楊愛平

(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

雷達對抗系統一般包含雷達偵察設備和雷達干擾設備。雷達偵察設備實時截獲、測量和識別被干擾目標雷達的信號，而雷達干擾設備根據雷達偵察設備分析出的目標雷達信息，實時采取最佳干擾樣式和干擾信號形式[1]。即雷達偵察設備與雷達干擾設備同時在運行，從而需要兩設備間有足夠的接收發射隔離度。當雷達對抗系統安裝于水面艦艇時，由于受安裝空間限制、艦艇表面環境復雜性等因素影響，收發隔離的完全解決比較困難。在此條件下，雷達對抗系統采取多種措施進行收發同時工作，而其中獲取雷達對抗系統實船安裝后的收發隔離度、對工作措施的可用性以及收發隔離改進的方向都大有用處。本文根據某型雷達對抗系統的特點，設計并驗證了一種實船條件下的收發隔離度自動測試方法[2-3]。

1 對收發隔離度的需求

雷達對抗系統中偵察設備與干擾設備之間的電磁干擾主要傳輸途徑是天線間的耦合，常用隔離度來定量表征這種耦合的強弱程度，一般定義為一個天線發射功率與另一個天線所接收功率之比，用dB表示。根據上文所述，雷達對抗系統運行時，理想條件下，需要雷達偵察設備與雷達干擾設備同時運行且相互不影響，雷達干擾設備發射機發射功率漏到雷達偵察設備接收機輸入端的功率，應小于接收機的靈敏度。假設發射機發射功率為Pt，而接收機的靈敏度為Pr，從而系統的理想收發隔離度為D，有：

D≥Pt-Pr

(1)

受收發隔離度的限制，當偵察天線和干擾天線間距較近并同時工作時，從干擾天線發射的干擾信號會被偵察天線偵收到，被誤認為是來自外部環境中的雷達信號，導致將該信號引導給干擾設備，再次產生干擾信息，系統進而會產生“自發自收”(自激)現象，最終雷達對抗系統效能嚴重降低，甚至癱瘓[4]。

為避免系統的自激現象，實際工程中，對于自衛式干擾機收發同時工作的需求，一般有如下3種解決方法：

(1) 時分隔離方法，一種最常用的收發通道隔離解決方法，即把偵察和干擾的工作時間進行分隔。即：短時間內關閉干擾發射機，并且在這短時間內，對雷達信號進行偵察分析，此時只要考慮發射機靜態噪聲的影響。

(2) 靈敏度控制方法，發射機和接收機同時工作。即：發射機產生干擾脈沖時，在發射脈沖包絡內，降低接收機靈敏度工作；在發射機不發射時，接收機滿靈敏度工作。

(3) 發射功率控制方法，發射機和接收機同時工作。即：發射機產生干擾脈沖時，根據系統收發隔離度，控制發射功率，以不影響接收機靈敏度為準。

綜合上述實際工程中解決自衛式干擾機收發隔離需求的總結如表1所示。

表1 收發隔離度測試需求分析表

綜上所述，雷達對抗系統安裝到實船后，系統收發隔離度的準確測試標定對系統作戰效能的發揮至關重要。

2 收發隔離度計算方法

系統的收發隔離度與發射天線和接收天線的輻射特性、收發天線的間距以及收發天線的指向等因素有關，同時在水面艦艇的復雜艦面環境下，艦艇表面各種金屬反射面以及其他收發天線等也是對收發隔離度的重要影響因素。

縱觀電磁兼容仿真中收發天線隔離度的計算方法，既包括依據遠場方向性函數的近似算法，又包括較嚴格的方法：線天線中的互阻抗法，面天線的口面場法，拋物面天線的幾何繞射理論(GTD)法，存在電大導體的混合法(MM-GTD)以及處理任意形狀天線隔離度的復矢量方向性函數積分法等。

早期的計算機仿真預測軟件(IEMCAP、IVEM-CA)是在遠場區條件下，利用天線遠區方向圖來計算天線隔離度。近年來的收發隔離計算預測軟件則采用了計算電磁學的最新成果，使用了矩量法(MM)、幾何繞射理論(GTD)等，近年來，基于上述理論的工程化軟件日趨成熟，例如可采用天線布局分析軟件(XGTD)對雷達對抗系統收發天線裝艦后的性能進行評估，XGTD是一款天線布局通用分析軟件，軟件采用GTD、UTD、PO、SBR等高頻算法，適合計算電大尺寸問題，計算過程中考慮了鏡面反射、多次反射、邊緣繞射、尖頂繞射、表面繞射、爬行波等主要散射類型，將天線方向圖代入其中，可由軟件模擬計算出收發設備之間的隔離度[4]。

對于上述幾種收發隔離度的計算方法總結如下：

(1) 依據遠場方向性函數估算隔離度，若收發天線間距為r，有：

(2)

式中：Dt和Dr分別為發射天線和接收天線的等效口徑；Gt(θ)為發射天線對應的近區等效副瓣增益；Gr(φ)為接收天線對應的近區等效副瓣增益。

如收發天線之間加隔離板和吸波材料后，Gr(φ)與Gt(φ)均有明顯減小，當前工程上兩者的影響效果能達到30 dB左右。而受制于雷達對抗系統在艦艇上的布局限制，對于X波段的設備，這個遠場條件常常不能滿足，從而根據上述公式只能近似估算收發天線隔離度[5]。

(2) 線天線互阻抗法主要在線天線陣工作時使用。在艦船上短波天線隔離度計算中常采用，但在面對雷達對抗系統中常用天線時，這種方法不再適用[5]。

(3) 拋物面天線的幾何繞射理論(GTD)法采取數值方法用于解決安裝于大導體上的短波天線隔離度問題，而對于載體尺寸遠大于波長情況的艦載自衛式雷達對抗系統，MM-GTD混合法是一種有效的計算工具。但這需要對導體載體進行精確建模，通常載體(艦船)本身形狀很復雜，同時又安裝各種設備，形成巨大復雜的導體，使得精確建模基本不可能，從而使得計算得出收發隔離度只是更為近似的估算。例如對某型雷達對抗系統安裝后的位置進行收發隔離度仿真計算，采用下面的安裝模型(如圖1所示)，使用天線布局分析軟件(XGTD)，仿真計算出的隔離度與實際測試得出的隔離度能差約20 dB。

圖1 某型雷達對抗系統收發天線安裝模型圖

實船條件下，通過上述仿真計算方法無法得到工程上可以使用的收發隔離數據，從而只能采取實船測試的方法。

3 收發隔離度當前測試方法

某型雷達對抗系統具有發射機定向發射、接收機全向接收的特點，同時不同的頻率點具有不同的收發隔離特性。收發隔離測試時的測試框圖如圖2所示。測試流程圖如圖3所示。

圖2 系統收發隔離度測試框圖

圖3 系統收發隔離測試流程圖

測試完成后，二維數據表格形成，分別是特定頻率和特定方位發射時，雷達接收機接收到的信號幅度值(dB)。當前收發隔離測試方法主要有如下的缺點：

(1) 測試時間長，整個測試流程都在控制軟件的控制下進行，控制軟件通過網絡對雷達干擾設備與雷達偵察設備之間進行通信，每個測試點都需要雷達干擾設備發射信號，雷達偵察設備分選出信號的輻射源描述字(EDW)信息，待EDW信息穩定后，再獲取EDW信息的幅度信息。在測試方位和測試頻率點較多時，測試速度不夠快。

(2) 測試得到的EDW信息幅度值不能直接用于收發同時靈敏度控制下的控制碼，需要根據偵察設備的校正表進行EDW幅度值到靈敏度控制碼的轉換。同時需要考慮EDW幅度的測量精度、靈敏度控制的控制精度等因素，轉換較為繁瑣且準確性不高。

(3) 當前非同步控制的收發隔離測試方法的最大問題是無法排除測試環境周圍因素的影響。例如艦艇停泊在港口或是在繁忙航道航行時，收發隔離度無法進行，主要原因是無法區別采集到的反射EDW信息是本艦艦面反射產生或其他非本艦因素產生。例如圖4是某艦港口停泊時的測試圖，其中除了主峰值時本艦產生外，距離艦船較遠處的強反射點亦能產生反射信號，從而影響EDW幅度信息的準確性，進而影響收發隔離度測試進行，嚴重時，使得測試的收發隔離度數據完全失效。

圖4 近岸條件下的收發隔離測試波形圖

4 基于同步脈沖的收發隔離測試方法

針對當前實船條件下收發隔離測試方法的諸多不足，利用當前某型雷達對抗系統中的硬件控制總線，改進測試方法，如圖5所示。主要改進點是利用雷達干擾設備與雷達偵察設備之間的硬件控制總線，對雷達干擾設備發射的每個收發隔離測試脈沖使用同步觸發脈沖控制偵察設備進行測量，并將測量結果脈沖描述字(PDW)碼通過PDW碼傳輸總線返回到雷達干擾設備中，雷達干擾設備進行頻率處理，并記錄相應的幅度和方位。在此過程中，雷達干擾設備使用靈敏度控制總線逐次控制靈敏度碼，并逐個測量收發隔離發射脈沖，從而可以獲取不同頻率、不同方位的收發同時靈敏度控制碼。

此外，雷達干擾設備與雷達偵察設備之間使用同步觸發脈沖進行同步發射與測量，測量的時間域可以選擇控制，從而可以消除收發隔離測試時外部環境的影響。

圖5 改進后的基于同步脈沖的收發隔離測試框圖

基于同步脈沖的收發隔離測試流程圖如圖6所示。其中虛框中的流程為脈沖級執行過程，從而大大減小整個收發隔離度測試過程的耗費時間。

圖6 基于同步脈沖的收發隔離測試流程圖

根據上述改進后的收發隔離度測試方法，對圖1的實裝某型雷達對抗系統的收發隔離度進行測試，單頻點單波束測試時間在100 ms～500 ms之間，而使用第3章的測試方法單頻點、單波束測試時間在2 s～8 s之間，改進后的測試方法單位時間內的測試效率至少提升了4倍。將所有頻率點及方位進行多次全面測試，改進前測試時間90 min～100 min，改進后測試時間12～15 min。改進后測試時間最長僅為原方法測試時間的1/6。分別在近岸區域和遠海區域進形測試后發現，改進前同一頻率點同方位的近岸區域和遠海區域收發隔離值相差為12～18 dB，而改進后收發隔離相差為2～4 dB。從以上測試結果可知，基于同步脈沖的收發隔離測試方法較目前的收發隔離測試辦法測試效率、測試結果的準確率以及環境適應能力都大大提高，具有更高的工程使用價值。

5 結束語

本文首先分析了雷達對抗系統中收發隔離度不佳的幾種解決方法，從而說明了收發隔離度的重要意義以及常用的收發隔離度仿真測試方法。在分析當前各種收發隔離度仿真測試方法的缺點基礎上，結合當前某型雷達對抗系統的設備特點，提出了一種基于同步脈沖的脈沖級快速收發隔離測試方法，并在實船安裝條件下進行了測試驗證，對比了新測試方法和老測試方法在速度和準確度上的差異，從而為后續雷達對抗系統實船安裝后的收發隔離度測試標定提供了解決方法。