艦載雷達變頻方式及變頻使用策略研究

劉冬利，蘭 慧，侯建強

(海軍大連艦艇學院 信息系統系， 遼寧 大連 116018)

工作頻率是雷達最重要的戰術參數，在雷達設計階段工作頻率的選擇主要考慮雷達的使命任務、作用距離、測量精度、分辨力等因素。雷達設計定型并投入使用以后，一般采用固定頻點工作，在雷達受到強有源電子干擾時，雷達方可通過改變雷達載頻的方式進行反干擾[1-3]。出于雷達反偵察的考慮，須盡量減小頻率資源暴露，為此雷達設計了多種變頻方式，重點討論雷達工作頻率的改變對雷達性能的影響及如何正確使用變頻方式。

1 變頻對雷達系統性能的影響

雷達定型裝艦以后，工作的中心頻率一般也就固定了，雷達工作帶寬一般等于中心頻率的10%左右，這也是雷達頻率的可變化范圍。但是雷達工作頻率是一個牽一發而動全身的參數，一旦改變將導致雷達系統中多項性能指標的變化。

1.1 改變天線的增益

天線增益G與天線有效面積A和波長λ的關系如式(1)所示：

(1)

在天線尺寸不變的情況下，工作波長或頻率的變化將導致天線增益的變化，將影響到雷達作用距離和測角精度。圖1所示為天線增益隨工作頻率的變化曲線。

圖1 天線增益隨頻率變化曲線

從圖1可以看出：當天線尺寸固定時，天線增益在高頻段的變化要小于低頻段的變化，因此，頻率向高頻的捷變對天線增益的影響更小。同時，根據雷達頻率變化一般為10%的范圍可以計算得到：當頻率向下變化10%時，天線增益下降為原來的81%；當頻率向上變化10%時，天線增益則變為原來的1.21倍。

1.2 改變饋線的損耗

導行電磁波在波導中傳播時，不同的工作頻率其傳播衰減不同[4-6]，如圖2所示，在波導工作頻率范圍內，衰減量有極小值，雷達中心頻率一般設計在這個值上，所以當雷達工作頻率無論變大還是變小都將導致饋線損耗加大，從而影響雷達的輸出功率，導致作用距離下降。

從圖2可以看出，對TE10波導而言，當頻率小于最佳頻率時，波導損耗的變化較大；當頻率大于最佳頻率時，波導損耗的變化較小。因此，對捷變頻雷達而言，頻率向高頻的變化時，波導損耗的變化較小，對雷達的性能影響也較小。

圖2 波導衰減與雷達工作波長的關系曲線

1.3 影響發射機放大鏈的增益

主振放大式發射機的功率放大鏈在整個工作頻帶范圍內的增益是不平坦的，如圖3所示。可見雷達工作頻率工作在邊頻附近時，其輸出功率將小于中心頻點的功率值，也將導致輸出功率的降低[7]。

圖3 主振放大式發射機功率放大鏈增益和頻率的關系曲線

1.4 影響電磁波的大氣衰減量

圖4給出了在不同仰角時的雙程衰減分貝數，它們又與工作頻率有關。工作頻率升高，衰減增大；而探測時仰角越大，衰減減小[8]。

圖4 不同頻率電磁波在大氣中的衰減量曲線

1.5 影響對動目標的檢測效果

式(2)描述了為多普勒頻移fd與雷達與目標之間的徑向速度υr和雷達發射電磁波的波長λ的關系[9]：

(2)

式(2)中，fd為多普勒頻移(Hz)；υr為雷達與目標之間的徑向速度(m/s)；λ為雷達發射電磁波的波長(m)。

可見，當目標運動方向和速度不變時，改變發射頻率將導致多普勒頻移fd的變化，而動目標顯示濾波器的頻率特性是不變的，所以將導致動目標處理系統對目標的處理效果的不同。同樣，根據波長與頻率的關系可知：多普勒頻率隨雷達頻率成正比變化。

2 變頻對雷達檢測的改善

2.1 改變目標的RCS起伏

目標的雷達散射截面積(RCS)是雷達工作頻率的函數，如某飛機前端截面積和波長的關系如圖5所示。

圖5 某飛機前端截面積和波長的關系曲線

目標RCS的起伏有助于對目標的檢測[10-11]，因此捷變頻雷達更容易檢測目標。

2.2 有助于抑制海雜波

由于海面風速的影響，海雜波包括快起伏與慢起伏兩個部分，頻域處理難以區分海面慢動目標與海雜波。采用捷變頻可以實現快起伏海雜波去相關(即噪聲化)，提高回波信噪比，實現有用目標的檢測[12-13]。

假設海面“白帽雜波”(快起伏強相關海雜波)相關時間τc。

一個水平波束寬度內回波脈沖數：

N0=FrTd

(3)

式(3)中：Fr表示脈沖重復頻率；Td表示波束駐留時間。

如果固定頻率時，等效的相互獨立脈沖數：

N1=1+Td/τc

(4)

則脈間固定頻率時的積累增益：

G1=10logN1

(5)

脈間頻率捷變時的積累增益：

G2=10logN1-L(N1)

(6)

其中，L(N1)表示積累損失。

積累損失的近似值：

(7)

從圖6可以看出：采用捷變頻雷達的海雜波積累增益要遠小于固定頻雷達，因此，捷變頻雷達有助于海雜波的抑制。

圖6 海雜波積累增益曲線

2.3 可以消除二次回波

由于發射信號頻率捷變，在當前脈沖重復周期內，脈沖壓縮的回波信號只與當前發射時刻的脈沖頻率相對應，上一周期內的“二次”回波與當前脈沖頻率并不一致，故此不能被當前周期內的信號解調，因此該體制能夠消除“二次”回波，并且僅能有效接收某個脈沖重復周期內的回波。如圖7所示，為頻率捷變技術消除“二次”回波的過程示意圖。

圖7 捷變頻消除二次回波過程示意圖

2.4 實現波瓣間盲區互補

對于海雜波而言，波瓣分裂會造成波瓣間存在波瓣盲區，波瓣分裂的盲角位置與天線架設高度和發射波長有關：

(8)

其中，F表示天線方向圖；h表示天線架設高度；θ表示入射角度；λ表示入射波長。因此，改變天線架設高度或者改變波長，就可以移動盲角位置，實現波瓣間盲區互補。如圖8所示。

圖8 捷變頻波瓣盲區互補示意圖

綜上，雷達頻率改變后，將導致雷達性能的一系列變化，有的向有利方向變化，有的向不利方向變化，其定量的綜合影響效果目前尚缺乏試驗數據，但是變頻的總體效果將導致雷達檢測性能的下降。

3 艦載雷達的主要變頻方式

變頻系統一般具有手動變頻、去相關變頻、偽隨機變頻、自適應捷變頻和脈組變頻等幾種工作方式。

1) 手動變頻。手動變頻是人工選擇所有工作頻點中的某一個頻點作為下個周期的工作頻率，或將雷達設置為“變頻”工作狀態的操作。對于主振放大式發射機，工作頻帶內有若干頻點可以選擇；對于單級震蕩式發射機，只能將雷達置于“變頻”工作狀態，頻點不可控。

手動變頻的優點是可以控制暴露頻點的數目，保護頻率資源，缺點是無法適應強電子戰條件下的工作環境，因為手動變頻后，敵方干擾機會馬上截獲輻射信號，無法達到真正抗干擾的目的。

2) 自適應變頻。當雷達受到窄帶或寬帶干擾時，為了找到無干擾頻點或干擾最小的頻點，把敵方干擾影響減至最小，可選用自適應捷變頻工作方式[14-16]。雷達在主動探測系統的主通道中引入獨立偵察通道完成全頻段偵察，并使用統計分析對干擾環境的偵察結果，找出無干擾或功率最小干擾頻率點，進而控制頻率合成器產生該頻點的雷達工作頻率，以達到有效地對抗敵方的積極干擾。為了防止雷達在和干擾機對抗過程中的頻點暴露，有的雷達設置了干擾門限，只有當干擾強度超過了最大可容忍的門限值后，下一個重復周期才進行變頻操作，最大限度的保護頻率資源。

3) 脈組變頻。脈組變頻[17]主要解決頻率捷變與MTI的兼容問題。在有源干擾與無源干擾同時需要對抗的情況下，為了有效地檢測目標，需采用脈組變頻工作方式。MTI是作多脈沖相關處理，在幾個脈沖持續期間內雷達頻率不能改變，否則MTI將無法達到預期對消效果，所以，脈組的工作方式就是在MTI處理期間的一組脈沖內發射頻率不變，下一組脈沖更換至另一工作頻點，可以達到對有源干擾與無源干擾的同時抑制。

4) 去相關變頻。這種工作方式主要用于削弱海雜波的影響，是以中心頻率及其左右各幾個頻率點進行脈間去相關。當脈間頻率變化范圍大于目標尺寸所要求的臨界跳頻頻率時，可以用此達到目標去相關的目的，從而減小雷達目標的回波起伏，以提高目標的檢測概率。

5) 偽隨機變頻。偽隨機變頻[18]是在每個雷達重復周期內，由軟件在雷達工作頻率范圍隨機取出一個頻率作為下個周期的工作頻率。這種工作方式是通過反偵察的方式進行反干擾，破壞敵方電子偵察接收機對雷達信號的偵察、分選，降低偵察接收機對雷達脈沖信號的截獲概率。偽隨機變頻與MTI工作方式不兼容，具有一定的局限性。

4 變頻方式使用策略

綜上所述，從技術層面講，雷達載頻在雷達系統中是牽一發而動全身的影響因素，對諸多雷達技戰術參數產生較大影響；從戰術層面講，雷達載頻是非常重要的戰術資源，和雷達波形一樣，在平時需要重點保護，以免在戰時處于不利地位。因此，雷達載頻的使用需要著重解決變頻使用與隱蔽使用的矛盾、不同變頻方式的使用方法以及與其他信號處理方式的兼容問題。

4.1 使用時機

雷達受到有源干擾后，一般處置過程包括：干擾類型判別、干擾等級確定、技術反干擾、變頻反干擾、體系反干擾。操作員一般通過干擾畫面特征判別干擾類型是噪聲干擾、欺騙干擾或組合干擾，通過干擾在雷達畫面的主副瓣覆蓋范圍判別干擾等級，通過副瓣匿隱、濾波等技術手段削弱干擾強度，當技術手段無效且雷達必須進行反干擾對抗時采取變頻操作。雷達變頻反干擾的使用時機是：當雷達受到強有源干擾無法正常工作或完成使命任務時，經請示授權后方可進行變頻反干擾操作。指揮員根據戰場態勢決定是否采取變頻反干擾操作。

4.2 使用要點

1) 處理好反干擾與反偵察之間的關系。反干擾與反偵察處于同等重要的地位，平時以反偵察為重點，戰時以反干擾成功為重點，準確把握變頻反干擾的使用時機和使用方法，減少頻點暴露，確保戰時有備用、用之有效果。

2) 把握好變頻反干擾成功的前提條件。變頻反干擾適用于對抗窄帶瞄準式干擾以及欺騙干擾，對于干擾類型和干擾帶寬的準確判斷是反干擾成功的前提，實際中依據戰場環境和作戰需求選擇正確的變頻方式。

3) 補償變頻反干擾引入的性能損失。采用變頻反干擾操作以后，雷達的整體探測性能將出現下降，表現為雷達最大探測距離會下降10%左右，當使用脈組變頻與MTI兼容時由于脈沖積累數目下降導致作用距離進一步下降，當使用副瓣匿隱處理時會出現干擾剩余等不利情形，需要采用多傳感器協同等措施加以補償。

4.3 使用決策

變頻方式的使用決策流程如圖9所示。圖9中，干擾類型的判別依據是雷達畫面特征，連成片的噪聲狀干擾為噪聲干擾，目標狀的干擾為欺騙干擾。手動變頻的使用方法為變頻兩次，第一次相對于中心頻點先上變頻2～5個頻點，帶寬跨度應大于50 MHz；第二次下變頻至偏離中心頻點2～5個頻點，變頻間隔3～5 s為宜，期間觀察干擾效果，如果干擾現象無變化，則可判為寬帶壓制干擾，否則判為窄帶干擾。MTI的使用依據是運動威脅目標背景是否存在海雜波或者地物雜波且影響目標檢測。如果雷達設計了帶門限的自適應工作方式，應首選自適應變頻工作方式。

圖9 變頻方式使用決策流程框圖

5 結論

雷達變頻方式的使用一直缺乏有效的理論依據和指導方法，針對這一問題詳細分析了載頻變化對雷達系統性能的有利及不利影響，給出了雷達幾種典型變頻方式的用途及使用條件，最后給出了變頻方式使用決策流程與使用方法。研究結論對于雷達頻率資源的使用具有理論參考價值和實際指導意義。