舒鵬云(南京科瑞達電子裝備有限責任公司，南京211100)

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機載偵察設備中超外差接收機帶寬選擇

舒鵬云
(南京科瑞達電子裝備有限責任公司，南京211100)

摘要:超外差接收機應用于寬帶偵察設備時存在截獲概率問題，當偵察設備和雷達之間存在相互靠近的運動時，其真正的截獲距離是小于最大探測距離的不定值，分析表明平均截獲距離與超外差接收機帶寬具有很大關系，不同的帶寬對應著不同的平均截獲距離。結合偵察設備的使用需求，提出了根據平均截獲距離選擇合適的超外差接收機帶寬的方法，仿真結果表明該方法可行。

關鍵詞:接收機帶寬;截獲概率;平均截獲距離

0　引言

雷達偵察設備的靈敏度越高，其探測距離越遠，先敵發(fā)現的概率就越大。因此，具有高靈敏度特點的超外差接收機在雷達偵察設備中獲得了廣泛的應用。由于超外差接收機帶寬較窄，應用于雷達偵察設備等寬帶系統(tǒng)時通常采用頻率掃描的方式來覆蓋較寬的頻率范圍，并且接收機設置多個可調的帶寬，在不同情況下選擇使用［1］。在這種應用中需要權衡下述問題:偵察設備的超外差接收機帶寬越窄，靈敏度越高，偵察距離越遠;但是隨著接收機帶寬的減少，相同時間內對雷達信號的截獲概率也隨之降低，意味著截獲信號所需的時間可能越長。在實際應用情況中，偵察設備和雷達之間都存在著相對運動，如果需要較長的時間來截獲信號，偵察設備對雷達信號的實際截獲距離就會縮短，先敵發(fā)現的可能性就降低。那么，在偵察時應如何選擇超外差帶寬呢?本文以機載應用為例，提供一種分析思路。

1　超外差接收機典型應用模型分析

考慮如下情況，我方電子偵察飛機飛向敵方陣地，對沿途及陣地進行偵察，敵方陣地的防空搜索及制導雷達、遠程警戒雷達等是主要的威脅輻射源。建立模型如圖1所示。

圖1　模型示意圖

該模型中偵察設備和雷達描述如下:

(a)雷達的地理位置固定不動;

(b)雷達天線進行360°圓周掃描，天線波束寬度為θ，掃描周期為Asp，重復周期為Pri;

(c)偵察設備隨載機以較高速度v接近雷達;

(d)偵察設備測向采用360°實時全寬開接收方式;

(e)偵察設備測頻采用帶寬為B的超外差接收機，掃描頻率范圍為Fs，掃描駐留時間為Ts。

當偵察設備接收的雷達信號能量等于偵察設備的靈敏度時，偵察設備與雷達之間的距離稱為偵察設備對該雷達的最大探測距離D。如果偵察設備在空域、頻域和時域都能夠實時截獲雷達信號，則其截獲信號時與雷達的實際距離R即為最大探測距離D。如果偵察設備或雷達在頻域、空域或時域采用搜索工作方式，則偵察設備截獲雷達信號的條件為:在偵察設備與雷達之間距離小于等于前述最大探測距離的前提下，雷達波束掃描到偵察設備的同時，偵察設備掃描頻段必須覆蓋雷達信號頻率，并且雷達發(fā)射脈沖時偵察設備處于接收狀態(tài)，即時域、頻域、空域三維都同時對準。因此，如果偵察設備或雷達在時域、頻域、空域工作于搜索狀態(tài)時，則偵察設備對雷達信號的截獲是非實時的，需要一定的截獲時間。相對于最大探測距離D，在偵察設備截獲信號時，飛機已經以速度v飛行了時間t(截獲信號所需時間)，所以偵察設備的實際截獲距離R小于最大探測距離D。在實際情況中，因為截獲時間t是隨機變量，所以距離R也是一個隨機的不確定值。因此，通常是研究R的均值，本文稱之為平均截獲距離。在上述模型中，從偵察設備的角度來看，平均截獲距離與超外差接收機的帶寬密切相關。在實際應用中，可將“獲得最大平均截獲距離”作為重要參考因素，選擇合適的接收機帶寬。

1.1帶寬與最大探測距離關系

在偵察設備中，接收機帶寬是影響探測距離的重要因素。偵察設備對雷達的最大探測距離D由下式［1］決定:

其中，Pt為雷達發(fā)射機功率(dBm)，Gt為雷達天線增益(dB)，Gr為偵察設備天線增益(dB)，F為雷達射頻頻率(MHz)，S為偵察設備接收機靈敏度(dBm)，L為偵察設備系統(tǒng)損耗(dB)。接收機靈敏度S =－114 + 10lg(B)+ NF+ SNR［2－3］，其中，B為接收機帶寬(MHz)，NF為接收機噪聲系數(dB)，SNR為正常處理所需信噪比(dB)。將S代入式(1)得式(2)表明了偵察設備對不同雷達的最大探測距離與接收機帶寬之間的數學關系。

1.2帶寬與平均截獲時間關系

偵察截獲概率表現了在滿足能量條件下偵察設備在多維空間中檢測雷達信號的統(tǒng)計特性。偵察設備對雷達信號的截獲時間t與截獲概率Poi的關系滿足下式［4］:

式中

其中，n為搜索窗個數，τi為第i個搜索窗的平均寬度，Ti為第i個搜索窗的平均搜索周期。通常搜索窗口為空域、頻域和時域等3個窗口。

根據第1節(jié)設定的模型，雷達天線波束寬度為θ，并以Asp為周期進行360°圓周掃描，偵察設備在360°方位上實時全寬開。因此，空域搜索窗口τ1= Asp· θ/360，T1= Asp。偵察設備以接收機帶寬B為增量、Ts為駐留時間，順序掃描頻率范圍Fs，當偵察設備掃描頻段覆蓋雷達射頻時，即滿足頻域截獲條件。因此，頻域搜索窗口τ2= Ts，T2= Ts·(Fs/B)。在時域搜索窗口，可知τ3= Pw，T3= Pri。如果分別將上述τi和Ti帶入式(3)，得到的是一個脈沖的截獲時間與截獲概率的關系式。事實上偵察設備必須連續(xù)截獲一定個數的脈沖才能正確分選出雷達信號，所以可換一個角度分析并推導所求關系式。

在空域和頻域發(fā)生一次截獲事件時，搜索窗個數n為2，截獲時間t與截獲概率Poi的關系由式(3)確定，τ1、τ2、T1、T2分別對應前述的空域和頻域搜索窗的各值。設雷達的重復間隔為Pri，所需連續(xù)截獲的脈沖個數為P，令τ= P·Pri。由T=∏2Ti/∑2

ndn0i =1(τ－τ)i =1

id 1和P=∏2(τi－τd)所確定的式(3)，即為連(τ－τ)0i =1T

id i續(xù)截獲Pn個脈沖時的截獲時間t和截獲概率Poi之間的關系［5］。由前述可得

駐留時間Ts與偵察設備測量的重復間隔最大值PRImax相關［6］，不失一般性設偵察設備需要接收到至少4個脈沖時才能夠正確處理雷達信號，則Ts至少為4倍PRImax。考慮到由于脈沖重疊或低信噪比造成的脈沖丟失或畸變的情況，Ts通常會增加數倍PRImax的時間，假設增加2倍PRImax的時間，則駐留時間Ts為6 倍PRImax。由于需要至少接收4個脈沖，即Pn=4，因此τd=4Pri。

當偵察設備的頻率范圍Fs、PRImax(決定Ts)以及主要的威脅雷達確定后(決定Asp、θ和Pri)，截獲時間則取決于所要達到的截獲概率和接收機的帶寬，三者關系由式(3)、(4)、(5)確定。

1.3帶寬與平均截獲距離關系

搜索系統(tǒng)的截獲概率與截獲時間的關系由式(3)決定。如果偵察設備與雷達之間以徑向速度v相互接近，當截獲到雷達信號時花費的截獲時間為t，則此時偵察設備與雷達之間距離縮短了vt，當t為上節(jié)討論的平均截獲時間時，平均截獲距離R = D－vt，將式(2)和式(3)代入，整理得

式(6)表明了平均截獲距離與超外差接收機帶寬的關系，在實際應用中可以根據不同的任務需求，參考上式來選擇超外差接收機的帶寬。

2　超外差接收機帶寬選擇

執(zhí)行偵察任務時可根據重點防范或關注的雷達選擇超外差接收機帶寬，如果能夠依據積累的情報獲知雷達參數是最理想的，如果不能則可根據雷達用途參考同類型雷達。設某雷達偵察設備在方位上采用全向接收體制，在頻率上采用超外差接收機掃描的方式，其指標規(guī)定的頻率覆蓋范圍為2～18 GHz、PRI測量范圍為3 μs～10 ms，則頻率覆蓋范圍Fs為16000 MHz，頻率掃描駐留時間Ts為60 ms，天線增益Gr(根據實際使用的天線類型有所不同)、通道損耗L、接收機噪聲系數NF、處理所需信噪比SNR等參數可由實際測量或工程經驗獲得，參數如表1所示。

假設某次任務以某地面防空雷達作為主要威脅，該雷達參數如表2所示，此模式下雷達的最大作用距離為40 km。

表1　偵察設備的有關參數天線增益

觀察式(3)可知，隨著截獲時間的增加，截獲概率Poi只能無限趨近于1。如果取Poi=1，式(6)的末項無意義，因此在分析中取Poi=99%。假設飛機飛行速度v =500 km/h，將Poi、v、表1、表2等數據帶入式(4)、(5)和(6)，獲得平均截獲距離R與帶寬B之間的關系曲線，如圖2所示。從圖中可以看出，帶寬選擇370 MHz時的平均截獲距離最大，為50 km，大于雷達的最大作用距離。

假設某次任務以某一地面遠程對空警戒雷達作為主要威脅，該雷達參數如表3所示，此模式下雷達最大作用距離為370 km。

圖2　接收機帶寬對此雷達的平均截獲距離

表3　某地面遠程對空警戒雷達的有關參數峰值功率

將Poi、v、表1、表3等數據帶入式(4)、(5)和(6)，獲得平均截獲距離R與帶寬B之間的關系曲線。為觀察方便，將圖按不同比例截成兩幅，如圖3所示。

圖3　接收機帶寬對此雷達平均截獲距離

可以發(fā)現，圖3曲線變化趨勢與圖2相同，只是平均截獲距離最大值對應的帶寬更小，并且圖中任意帶寬值所對應的平均截獲距離都遠遠大于雷達的最大作用距離。進一步分析可以知道，這是由于遠程對空警戒雷達的發(fā)射功率非常大、天線增益很高，偵察設備接收機帶寬減小所增加的探測距離比帶寬減小所增加的截獲時間具有壓倒性優(yōu)勢。在這種情況下，選擇接收機帶寬時就不必追求最大平均截獲距離，需要兼顧考慮對其他雷達的截獲或雷達射頻捷變的情況，通?？蛇x取400 MHz左右。

3　結束語

該方法將理論推導與工程經驗相結合開展研究，仿真結果與實際使用情況是相吻合的。雖然本方法的分析研究是基于機載雷達偵察設備所建立的模型，但是仍具有較為廣泛的使用價值。例如，在潛艇使用的雷達偵察設備中，超外差接收機帶寬的選擇也可以使用該方法，與本文所述模型不同之處僅僅是反潛飛機所載的雷達處于運動狀態(tài)而偵察設備靜止，但是其模型原理是相同的。

參考文獻:

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［6］唐永年.雷達對抗工程［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2012.

Bandwidth selection of a superheterodyne receiver in airborne reconnaissance equipment

SHU Peng-yun
(Nanjing CORAD Electronic Equipment Co.，Ltd.，Nanjing 211100)

Abstract:The problem of intercept probability may occur when a superheterodyne receiver is applied in the wideband reconnaissance equipment.If the reconnaissance equipment and the radar are approaching each other，the actual intercept range is a variable less than the maximum detection range.It is indicated that the average intercept range is closely associated with the bandwidth of the superheterodyne receiver.Different bandwidths correspond to different average intercept ranges.Based on the operation requirements of the reconnaissance equipment，a method of using the average intercept range to select the appropriate bandwidth of the superheterodyne receiver is presented.The results indicate that the method is feasible.

Keywords:receiver bandwidth; intercept probability; average intercept range

作者簡介:舒鵬云(1970-)，男，高級工程師，碩士，研究方向:電子對抗裝備研制。

收稿日期:2015-01-12;修回日期:2015-01-20

文章編號:1009－0401(2015)01－0046－04

文獻標志碼:A

中圖分類號:TN957.5