雷達(dá)被截獲距離的等效試驗(yàn)方法研究*

曾小東

(中國電子科技集團(tuán)公司第十研究所，四川 成都610036)

0 引言

雷達(dá)被ESM 偵察設(shè)備截獲距離試驗(yàn)是考核鑒定雷達(dá)低截獲性能的重要試驗(yàn)內(nèi)容之一[1-3]。 在現(xiàn)代戰(zhàn)場電磁對抗條件下，雷達(dá)所面臨的電磁環(huán)境異常復(fù)雜，偵收雷達(dá)信號的ESM 偵察設(shè)備十分繁多。 要考核雷達(dá)被各種ESM 偵察設(shè)備截獲距離，無論從效率還是從耗費(fèi)都不可能用“窮盡法”來選用各種ESM 偵察設(shè)備來做實(shí)裝對抗試驗(yàn)。 與此同時，往往要選用所期望的ESM 偵察設(shè)備來進(jìn)行被截獲距離試驗(yàn)是極其困難的，甚至是不可能的。

雷達(dá)可以采用功率控制、復(fù)雜調(diào)制波形[4-5]、靈活的掃描樣式和超低副瓣等低截獲概率設(shè)計(jì)[6-7]，所以ESM偵察設(shè)備可能偵收不同功率控制量的雷達(dá)信號，也可能偵收不同副瓣的雷達(dá)信號。因此想要考核雷達(dá)在不同工作狀態(tài)下的被截獲距離，亦是不現(xiàn)實(shí)的。

本文研究的等效試驗(yàn)方法是在選定同樣的試驗(yàn)條件下的等效折算[8-10]，如假定兩次試驗(yàn)，雷達(dá)的發(fā)射功率相同，對一次試驗(yàn)的被截獲距離試驗(yàn)結(jié)果折算到其他條件下的等效被截獲距離。等效試驗(yàn)方法可以解決解決空中試飛中，由于配試設(shè)備的條件限制，如ESM 偵察設(shè)備的系統(tǒng)靈敏度等限制，條件與研制要求的規(guī)定不一致，將現(xiàn)有配試條件下得到的雷達(dá)被截獲距離等效折算到研制要求配試條件下的雷達(dá)被截獲距離。

1 等效模型

雷達(dá)的低截獲技術(shù)不斷演化，通常ESM 偵察設(shè)備得到高的信號強(qiáng)度，使得截獲接收機(jī)可以采用門限檢測來獲取每部雷達(dá)的脈沖，然后估計(jì)其參數(shù)[11]。 雷達(dá)被截獲距離是表征雷達(dá)低截獲概率技術(shù)是否有效的關(guān)鍵參數(shù)。在雷達(dá)鑒定時，需要通過試驗(yàn)驗(yàn)證其被截獲距離是否滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)，試飛是最直接的手段，然而考慮到運(yùn)行成本以及試驗(yàn)的完備性，通常首先需要以地面試驗(yàn)進(jìn)行等效測試。 本文建立了雷達(dá)被期望ESM 偵察設(shè)備截獲距離和替代ESM 偵察設(shè)備截獲距離的等效模型，可以支撐等效測試中的雷達(dá)被截獲距離折算。

雷達(dá)被期望ESM 偵察設(shè)備截獲距離為：

同理可得，雷達(dá)被替代ESM 偵察設(shè)備截獲距離為：

式中，λi和λs分別為期望試驗(yàn)和替代試驗(yàn)中的雷達(dá)信號波長，Pt_i和Pt_s分別為期望試驗(yàn)和替代試驗(yàn)中的雷達(dá)信號發(fā)射功率，Lt_i和Lt_s分別為期望試驗(yàn)和替代試驗(yàn)中的雷達(dá)發(fā)射損耗，Gt_i和Gt_s分別為期望試驗(yàn)和替代試驗(yàn)中的雷達(dá)發(fā)射天線增益，Gr_i和Gr_s分別為期望試驗(yàn)和替代試驗(yàn)中的ESM 偵察設(shè)備接收天線增益，Latm_i和Latm_s分別為期望試驗(yàn)和替代試驗(yàn)中的大氣衰減，Lpol_i和Lpol_s分別為期望試驗(yàn)和替代試驗(yàn)中的極化損耗，Lelse_i和Lelse_s分別為期望試驗(yàn)和替代試驗(yàn)中的其他損耗，Lr_i和Lr_s分別為期望試驗(yàn)和替代試驗(yàn)中ESM 偵察設(shè)備的接收損耗，δmin_i和δmin_s分別為期望試驗(yàn)和替代試驗(yàn)中ESM 偵察設(shè)備的接收機(jī)靈敏度。

兩式相除，得到等效模型為：

在試驗(yàn)過程中，使用同一部被試?yán)走_(dá)，使得期望試驗(yàn)中的雷達(dá)參數(shù)和替代試驗(yàn)中的保持一致， 即發(fā)射損耗，工作波長等參數(shù)一致，Lt_i=Lt_si，λi=λs。

同時， 假定極化損耗和其他損耗也近似相等，Lpol_i=Lpol_s，Lelse_i=Lelse_s。 于是，式(3)簡化為：

在理想情況下，不考慮大氣衰減，式(4)進(jìn)一步簡化為：

因?yàn)镋SM 偵察設(shè)備的系統(tǒng)靈敏度Smin和接收機(jī)靈敏度δ 有如下轉(zhuǎn)換關(guān)系：

式(6)可改寫為：

式中，Smin_i和Smin_s分別為期望試驗(yàn)和替代試驗(yàn)中ESM 偵察設(shè)備的系統(tǒng)靈敏度。

對于式(7)，在試驗(yàn)過程中，一方面需要判斷期望ESM偵察設(shè)備和替代ESM 偵察設(shè)備截獲時，雷達(dá)是否進(jìn)行功率控制；另一方面需要區(qū)分期望ESM 偵察設(shè)備和替代ESM 偵察設(shè)備分別截獲的是雷達(dá)主瓣、副瓣以及第幾副瓣。因此，在試驗(yàn)過程中，需要實(shí)時記錄雷達(dá)的功率控制量，以計(jì)算等效模型中的Pt_i和Pt_s。 同時，還需要實(shí)時記錄雷達(dá)的掃描角度、天線方向圖、雷達(dá)平臺經(jīng)緯高、雷達(dá)平臺姿態(tài)角以及ESM 偵察設(shè)備平臺的經(jīng)緯高，以計(jì)算等效模型中的Gt_i和Gt_s。 Gt_i和Gt_s統(tǒng)稱為ESM 偵察設(shè)備平臺方向的雷達(dá)發(fā)射增益Gt，其計(jì)算步驟如下：

(1)獲取雷達(dá)的掃描角度；

(2)根據(jù)雷達(dá)的掃描角度，查詢該雷達(dá)的掃描角度對應(yīng)的天線方向圖；

(3)根據(jù)雷達(dá)平臺經(jīng)緯高、雷達(dá)平臺姿態(tài)角以及ESM偵察設(shè)備平臺的經(jīng)緯高，計(jì)算ESM 偵察設(shè)備平臺相對于雷達(dá)平臺的方位角和俯仰角[12]。

首先計(jì)算ESM 偵察設(shè)備平臺相對雷達(dá)平臺的位置矢量在大地直角坐標(biāo)系下的表示[x，y，z]。

其中：

式中，(x0，y0，z0)和(x1，y1，z1)分別為雷達(dá)平臺和ESM 偵察設(shè) 備 平 臺 的 大 地 直 角 位 置 坐 標(biāo)。 (γ0，λ0，h0)和(γ1，λ1，h1)分別為雷達(dá)平臺和ESM 偵察設(shè)備平臺的經(jīng)度、緯度和高度，e1表示地球第一偏心率，RNi表示卯酉圈地球曲率半徑[13-14]。

式中，c()表示cos()，s()表示sin()，(Ψ，θ，φ)為雷達(dá)平臺的偏航角、俯仰角和橫滾角。

依據(jù)[xb，yb，zb]，計(jì)算得到ESM 偵察設(shè)備平臺相對雷達(dá)平臺的方位角β 和俯仰角ε。

(4)根據(jù)期望試驗(yàn)和替代試驗(yàn)中的天線方向圖、方位角和俯仰角，得到Gt_i和Gt_s。

根據(jù)不同的試驗(yàn)場景，式(7)有不同的應(yīng)用，可以解決相應(yīng)的等效折算問題[15]。

試驗(yàn)場景1：期望ESM 偵察設(shè)備和替代ESM 偵察設(shè)備為同一設(shè)備，雷達(dá)不進(jìn)行功率控制，主瓣被截獲距離和副瓣被截獲距離折算。

式中，Rm為主瓣被截獲距離，Rl為副瓣被截獲距離。

試驗(yàn)場景2：期望ESM 偵察設(shè)備和替代ESM 偵察設(shè)備為同一設(shè)備，雷達(dá)進(jìn)行功率控制，不同功率控制量下的主瓣被截獲距離折算。

式中，Rnc為滿功率時主瓣被截獲距離，Rc為功率控制時主瓣被截獲距離。

試驗(yàn)場景3：期望ESM 偵察設(shè)備和替代ESM 偵察設(shè)備為不同設(shè)備，雷達(dá)發(fā)射功率和發(fā)射增益相同，不同ESM偵察設(shè)備下的被截獲距離折算。

試驗(yàn)場景4：以上場景的組合。 實(shí)際試驗(yàn)中，用到了兩種場景的組合，為主瓣ESM 偵察設(shè)備和副瓣ESM 偵察設(shè)備為不同設(shè)備，截獲接收機(jī)靈敏度分別為Sm、Sl，進(jìn)行主瓣被截獲距離Rm和副瓣被截獲距離Rl折算。

轉(zhuǎn)換成常用的dB 表達(dá)式為：

式中，Ls_dB為副瓣電平，單位dB。

當(dāng)考慮大氣衰減時，等效模型為：

式中，Latm_sm和Latm_sl分別為主瓣和副瓣的大氣衰減。 展開后，可得：

式中，γo和γw分別為干燥空氣的吸收衰減率及水汽的吸收衰減率，均和水汽密度、溫度、氣壓、頻率有關(guān)。

2 模型驗(yàn)證

驗(yàn)證中，需要進(jìn)行多次真實(shí)試驗(yàn)，修正替代模型的參數(shù)，待模型穩(wěn)定后，可作為期望試驗(yàn)的被截獲距離計(jì)算依據(jù)。 具體的實(shí)施步驟如下。

(1)根據(jù)指標(biāo)的理論推導(dǎo)公式，建立等效模型；

(2)開展多次真實(shí)試驗(yàn)，任取兩次試驗(yàn)，得到試驗(yàn)1的真實(shí)被截獲距離和試驗(yàn)2 的真實(shí)被截獲距離；

(3)在等效模型中代入試驗(yàn)1 的真實(shí)被截獲距離，試驗(yàn)1 的被試和配試設(shè)備參數(shù)，試驗(yàn)2 的被試和配試設(shè)備參數(shù)，推導(dǎo)得到試驗(yàn)2 的等效被截獲距離；

(4)將試驗(yàn)2 的真實(shí)被截獲距離和試驗(yàn)2 的等效被截獲距離對比，得到等效模型誤差；

(5)根據(jù)等效模型誤差，迭代修改等效模型參數(shù)，減小等效模型誤差；

(6)當(dāng)?shù)刃Ｐ驼`差滿足用戶需求時，停止迭代，固化等效模型參數(shù)；

(7)在等效模型中代入替代試驗(yàn)的真實(shí)被截獲距離，替代試驗(yàn)的被試和配試設(shè)備參數(shù)，期望試驗(yàn)的被試和配試設(shè)備參數(shù)，推導(dǎo)得到期望試驗(yàn)的等效被截獲距離。

某型雷達(dá)的外場被截獲距離的處理數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 被截獲距離

驗(yàn)證不考慮大氣衰減和考慮大氣衰減的對比情況。 副瓣電平Ls_dB取-10 dB，大氣衰減率γ=(γo+γw)=0.02 dB/km。主瓣被截獲距離的驗(yàn)證結(jié)果如表2 所示。

表2 有無大氣衰減的對比情況

試驗(yàn)1 數(shù)據(jù)的試驗(yàn)場景是前文描述的“替代試驗(yàn)”，在空中試飛開展，被試飛機(jī)平臺和掛載ESM 偵察設(shè)備的配試飛機(jī)相向飛行，隨著距離的抵近，在9.7 km 時，到達(dá)臨界截獲狀態(tài)。試驗(yàn)2 數(shù)據(jù)的試驗(yàn)場景同樣是前文描述的“替代試驗(yàn)”，在機(jī)場地面開展，被試飛機(jī)平臺和車載ESM 偵察設(shè)備相距49.6 m， 通過調(diào)節(jié)ESM 偵察設(shè)備的前端衰減器，等效降低其靈敏度，達(dá)到臨界截獲狀態(tài)。 試驗(yàn)3 和試驗(yàn)4 的數(shù)據(jù)是通過試驗(yàn)1 和試驗(yàn)2 數(shù)據(jù)固化等效模型參數(shù)后，將截獲接收機(jī)靈敏度代入等效模型，得到被截獲距離。

通過試驗(yàn)2 的真實(shí)被截獲距離和試驗(yàn)2 的等效被截獲距離核算可以得到等效模型誤差為7.26%，小于試驗(yàn)大綱要求的10%，滿足固化等效模型參數(shù)的要求。 將期望試驗(yàn)1 和期望試驗(yàn)2 的截獲接收機(jī)靈敏度代入等效模型后，可分別得到被截獲距離為4.1 km 和29.5 km。

3 結(jié)論

本文研究的雷達(dá)被截獲距離的等效模型方法已應(yīng)用于某型雷達(dá)的低截獲性能評估和鑒定考核中。利用了機(jī)場地面和空中試飛的多次試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過迭代優(yōu)化的方式，建立了被截獲距離的等效模型。 被截獲距離等效模型的正確性、可行性已在實(shí)際試驗(yàn)中得到了初步的檢驗(yàn)。 等效模型具有一定的通用性，可推廣應(yīng)用于數(shù)據(jù)鏈等射頻信號的被截獲距離測試。在等效模型的推導(dǎo)過用中， 各種系統(tǒng)損耗和大氣衰減需要準(zhǔn)確測算和標(biāo)定，必要時需要單獨(dú)進(jìn)行建模和驗(yàn)證。 下一步，需要在更多的試驗(yàn)實(shí)踐中進(jìn)行數(shù)據(jù)積累，完善等效模型，提高模型的準(zhǔn)確度。