張鴻喜,　韓　偉

(91404部隊)

電磁波遮擋對艦艇雷達對抗偵察影響分析

張鴻喜,韓偉

(91404部隊)

摘要艦載雷達對抗裝備天線受艦艇上層建筑物遮擋造成的偵察能力下降問題，長期以來停留于定性分析層面，難以做出符合實際的準確判斷。采用基于單刃峰繞射模型的仿真計算方法，對遮擋效應進行分析研究并對實際尺寸艦艇的遮擋效應進行估算，可為外場和海上試驗提供先驗信息。對雷達對抗偵察裝備在遮擋區(qū)靈敏度變化情況設計并開展了靜態(tài)測量和海上動態(tài)驗證試驗相結合的一系列專題研究。通過仿真數(shù)據(jù)與實際測量試驗的數(shù)據(jù)比對，證明了利用單刃峰繞射模型對遮擋效應分析和估算的可行性，分析了艦艇上層建筑物的遮擋效應對艦載雷達對抗偵察裝備使用效果的影響。

關鍵詞雷達對抗偵察裝備；電磁波遮擋效應；單刃峰繞射；雷達偵察距離

艦艇電子信息裝備密集，上層建筑多，如美軍的“尼米茲”級航母，大型島形上層建筑位于艦舯部后方，高大細長的柱狀綜合主桅位于艦橋頂部中心位置，裝有陣列雷達、火控雷達和電子戰(zhàn)天線等。日軍的“金剛”級驅(qū)逐艦，高大的前上層建筑頂部裝有框架式桅桿，桅桿上裝有雷達及電子戰(zhàn)偵察天線[1]。對于艦艇這個高度集成的平臺，艦載雷達對抗偵察裝備在安裝時，偵察天線有時會受到上層建筑物，如桅桿、煙囪以及其他天線等的遮擋，會造成在一定方位范圍內(nèi)到達艦載雷達對抗偵察裝備天線口面的雷達電磁波能量衰減，也可等效為在遮擋的方位范圍內(nèi)，偵察機系統(tǒng)靈敏度下降，因而導致對低功率雷達偵察距離變近，偵察能力下降。

當前研究較多的是電磁波遮擋效應在雷達模擬器回波信號仿真中的應用[2-3]，也有的文獻通過仿真手段分析了典型地理環(huán)境下繞射對雷達對抗偵察接收機檢測概率的影響[4-5]。但有關艦艇上電磁波遮擋效應對艦載雷達對抗偵察裝備影響分析的文獻很少,這一海戰(zhàn)場電子對抗特有問題長期以來沒有得到應有的重視，相關研究一直停留于定性分析層面，易使電子戰(zhàn)指揮員對其所屬雷達對抗偵察裝備作戰(zhàn)效能的估計趨于樂觀。

在分析歸納業(yè)界研究成果的基礎上，提出采用基于單刃峰繞射模型的簡化計算方法，對遮擋效應進行預測分析，并對實尺寸艦艇的遮擋效應進行了估算。設計并實施的靜態(tài)測量和海上動態(tài)驗證試驗從不同側面初步證明了基于單刃峰繞射模型的電磁波遮擋效應分析估算方法的可行性，在此基礎上分析了艦艇上層建筑物遮擋效應對艦載雷達對抗偵察裝備作戰(zhàn)效能的影響。

圖1　國外某型艦載雷達對抗偵察裝備天線安裝位置示意圖

1艦艇電磁波遮擋信號幅度衰減建模

艦載雷達對抗偵察裝備通常包括偵察天線、接收機、處理機以及顯示記錄設備等。偵察天線一般安裝在艦艇上相對甲板平面具有一定高度的位置處，以保持對雷達波的通視。圖1為國外某型艦載雷達偵察裝備天線安裝位置示意圖，艦載雷達偵察裝備天線安裝在艦艇中軸線上，正前方的桅桿在艦艏方向?qū)刹煅b備天線形成遮擋。遮擋會引起雷達電磁波繞射現(xiàn)象的發(fā)生，造成電磁波能量的衰減，對偵察機而言，會使得其接收的雷達信號功率降低，進而會影響到對雷達信號的檢測。

現(xiàn)對艦載雷達對抗偵察裝備天線因受到上層建筑物遮擋而對偵察能力的影響進行分析，當偵察天線安裝在艦艇上時，正前方有一個艦艇的上層建筑物，其等效曲率半徑大于偵察天線口徑，如圖2所示。當艦艇的雷達對抗偵察裝備接收岸基和艦載雷達輻射源的信號時，在偵察天線與雷達輻射源之間的電磁波傳播路徑上，有一個艦艇上層建筑形成的障礙物，遮擋住了艦艏方向一定范圍內(nèi)的雷達輻射信號。艦艇雷達對抗偵察裝備工作頻段一般為2～18 GHz，當微波波長遠小于障礙物的尺寸時，電磁波會越過障礙物進行傳播而產(chǎn)生繞射。根據(jù)障礙物的形狀與尺寸不同，微波的繞射可分為單刃峰、圓頂、多刃峰繞射等。單刃峰繞射是指在電波傳輸中常常遇到主障礙是單個山峰的情況，如果障礙物比較陡峭，且橫向有一定寬度，則可將其視為刃峰。通過對艦艇形狀尺寸分析認為，艦艇上遮擋偵察天線的上層建筑物具有刃峰特征，我們可以近似假設其為單刃峰形式，以方便對遮擋效應進行分析建模。

圖2　偵察天線與艦艇上層建筑物位置示意圖

在電波傳輸中的單刃峰模型是假定障礙物為一個半無限吸收屏，投射至屏上的電波被全部吸收，屏頂上半無限面上的場強等于入射波的場強，不受屏及其邊緣的影響。如圖3所示。

說明：h:山峰海拔高度(m)；d1:發(fā)射天線至刃峰頂點的距離(m);d2:接收天線至刃峰頂點的距離(m)。圖3　單刃峰繞射幾何關系簡圖

當雷達輻射源所輻射的電磁波通過空間傳播到目標點時, 凡進入發(fā)射點和目標點之間第一菲涅爾區(qū)的障礙物, 都會對電磁波產(chǎn)生遮擋效應, 影響目標點的場強。可以用衰減因子來表征電磁波遮擋產(chǎn)生的輻射信號幅度衰減，單刃峰模型中相對于自由空間傳輸?shù)膯稳蟹謇@射衰減因子為[6]311

(1)

式中

C(μ0)和S(μ0)是費涅爾積分

(2)

(3)

考慮地球曲率的影響，傳輸余隙為

(4)

式中，a為地球半徑(m)。

工程上相對于自由空間的單刃峰繞射衰減因子CS可以近似表示為[6]313

(5)

公式(5)反映的是遮擋物電磁波傳播的損耗影響，是影響雷達對抗偵察裝備性能的主要因素。對于雷達輻射信號在實際傳播時因海面?zhèn)鞑ヂ窂蕉尸F(xiàn)出更為復雜的動態(tài)變化過程，相關文獻已有闡述[7-9]，本文為研究簡便，在此僅以自由空間為例進行分析。

2雷達對抗偵察距離影響分析

艦載雷達對抗偵察裝備被動接收雷達波信號，當雷達波因遮擋而發(fā)生衰減損耗時，雷達輻射源的偵察距離也會受到影響。雷達對抗偵察裝備的最大偵察距離是指：對于給定的虛警概率及發(fā)現(xiàn)概率的要求，特定的雷達信號，由于接收機內(nèi)部的熱噪聲所限制的雷達對抗偵察裝備的最大探測距離。理想空間的最大偵察距離為

(6)

式中，Pt為雷達發(fā)射功率；Gt為雷達天線增益；Lt為雷達發(fā)射饋線損耗；La為偵察天線極化損耗；Lr為偵察前端無源電路的損耗；Se為偵察接收機靈敏度；Ga為偵察天線接收增益；λ為雷達信號波長。

根據(jù)我們研究的問題，遮擋帶來的電磁波衰減是影響偵察距離的主要因素，可認為公式(6)中增加了繞射衰減因子Cs，遮擋條件下偵察系統(tǒng)理想的最大偵察距離為：

(7)

靈敏度Se是雷達偵察接收機的重要指標，它可以反映出偵察接收機檢測微弱信號的能力，也是決定雷達偵察作用距離的重要因素。在評估電磁遮擋效應對艦載雷達對抗裝備偵察距離的影響時，直接進行偵察距離的試驗往往難以組織，試驗航次較少會造成樣本不足，工程實踐上比較可取的方法是先進行雷達對抗偵察裝備的靈敏度測試，由靈敏度的變化情況來推斷對偵察距離的影響。設在正常條件下雷達偵察接收機的靈敏度Se，遮擋條件下靈敏度Se遮擋，用Si反映靈敏度的變化情況，根據(jù)公式(6)和(7)進行推導可得

(8)

可見，在理想情況下繞射衰減因子Cs在偵察裝備工作時可等效為靈敏度的變化量，而靈敏度可以在艦艇靜態(tài)條件下進行測試，測試結果可與Cs的計算數(shù)據(jù)進行比較分析，最終用于推斷對偵察距離的影響。

3數(shù)值計算與實例驗證

3.1數(shù)值計算結果

根據(jù)前面建立的模型，用Matlab進行數(shù)值計算，選擇輻射雷達距離為10 km，輻射信號波長分別為2 cm、3 cm和10 cm。由于雷達對抗偵察裝備天線是全向的，在水平方向應用公式(5)計算相對于艦艇不同舷角入射的電磁波因艦艇上層建筑物帶來的衰減情況，結果如圖4所示。從圖中數(shù)值計算結果(已歸一化處理)可以看出，由艦艏方向入射的電磁波衰減最大，舷角增大后衰減因子減小，隨著波長增大衰減因子相對減小。

由公式(7)，衰減因子Cs可直接反映到理想偵察距離的變化，假設偵察系統(tǒng)理想的最大偵察距離為30 km，以波長2 cm信號為例，數(shù)值計算結果如圖5。由圖5可見，與衰減因子相對應，在艦艏方向30°舷角范圍內(nèi)偵察距離顯著變小，由于不同工作波長帶來的距離影響不明顯，在圖中未畫出。

圖4　衰減因子計算結果

圖5　遮擋效應對偵察距離影響的數(shù)值計算結果

3.2實際測試結果

在實際工作中，對遇到的此類問題進行了研究，并對某型艦載雷達對抗偵察裝備天線受到上層建筑物的遮擋效應進行了實際測量。在遮擋效應實際測量過程中，采用了碼頭靜態(tài)測試與動態(tài)試驗相結合的方法。靜態(tài)測試方法為：安裝雷達偵察裝備天線的艦艇停泊在碼頭，采用信號源輻射的方式，測試雷達對抗偵察裝備在各個方向上對信號的偵收情況。測量的前提是信號源的功率要在偵察裝備靈敏度以上，并且要盡可能減小地物反射等的影響。實際測量的結果如圖6所示。

圖6　遮擋效應靜態(tài)測試結果

靜態(tài)測試結果表明，艦艏方向上層建筑物對偵察天線的物理遮擋，在艦艏向30°角度范圍內(nèi)造成了偵察靈敏度的下降。艦艏方向偵察裝備靈敏度下降幅度最大，舷角增大后靈敏度下降幅度減小，隨著波長增大靈敏度下降幅度相對減小。

進一步采用海上動態(tài)試驗對遮擋效應進行驗證。動態(tài)試驗的方法是：根據(jù)靜態(tài)測試結果，選擇某頻段的雷達，根據(jù)靜態(tài)測試靈敏度下降的結果選擇合適的就位點，以就位點為圓心，半徑R=2 km作勻速圓周運動，雷達跟蹤艦艇，雷達對抗偵察裝備對雷達信號進行偵收，記錄實際偵收情況。艦艇的圓周運動包括順時針和逆時針2種方式。對順時針和逆時針2種轉圈方式的雷達偵察數(shù)據(jù)進行融合，試驗結果如圖7所示。用扇形圖來表示對雷達信號的偵收情況。從實測情況看，在艦艏向30°角度范圍內(nèi)，幾乎沒有偵收到雷達信號。

圖7　遮擋效應海上動態(tài)試驗結果

在數(shù)值計算和實際測試的基礎上，進行了遮擋效應對雷達偵察距離的驗證試驗，方法是設置一部目標雷達在岸上，穩(wěn)定跟蹤艦艇，艦艇分別遠離和接近雷達航行，觀察雷達對抗偵察裝備的信號偵收情況。實際試驗結果是：當艦艇遠離岸站雷達航行時，雷達偵察裝備在距離R時能穩(wěn)定偵收目標雷達信號；當艦艇2次以艦艏向接近岸站雷達航行時，分別在0.59R和0.64R時才能穩(wěn)定偵收到目標雷達信號。由于試驗樣本有限，不能進行各角度的詳細分析，但從試驗結果看，總的趨勢是在艦艏方向的偵察距離變小。

3.3結果分析

前面已經(jīng)分析，衰減因子和偵察裝備靈敏度變化情況表征的都是電磁波遮擋效應帶來的衰減量。從數(shù)值與靜態(tài)測試結果比對情況看，變化趨勢上吻合度較高，但在幅度上有4～5 dB的差異，經(jīng)分析應是測試環(huán)境和工具帶來的損耗。

與靜態(tài)測試結果相對應，海上動態(tài)試驗結果進一步驗證了艦艇上層建筑對偵察裝備天線在艦艏向的遮擋造成了偵察裝備在艦艏方向靈敏度的下降這一規(guī)律，在遮擋區(qū)范圍內(nèi)，影響雷達信號的偵收。

在偵察距離的分析中，數(shù)值計算結果相對理想，與實際驗證試驗相比，在艦艏方向遮擋情況下偵察距離變化情況相差較大。從分析可以看出，公式(7)中的任何參數(shù)都會影響偵察距離，而在實際試驗中各參數(shù)變化不可能都是公式中設置的理想情況，因此會帶來差異。但2個結果的趨勢是一致的，即遮擋效應影響了偵察裝備的功能使用，使雷達偵察距離在遮擋區(qū)域內(nèi)顯著下降。

總的來看，對數(shù)值計算結果和實際驗證結果進行比對，2種結果是一致的，因此用這種方法進行研究能夠比較真實地反映偵察裝備天線因遮擋而對偵察性能造成影響的程度，可以作為動態(tài)試驗開展的驗前信息，對遮擋效應進行預估，優(yōu)化外場試驗方案，有效地減少外場試驗的航次、縮短外場試驗周期、降低試驗消耗，提高試驗效率。

4結 束 語

艦載雷達對抗偵察裝備天線因受到上層建筑物的遮擋效應會導致偵察能力下降，本文提出了利用單刃峰繞射模型對實際中的艦艇遮擋效應進行估算。在數(shù)值計算的基礎上，開展了靜態(tài)測試和海上動態(tài)試驗測量，兩者數(shù)據(jù)一致性較好，說明了對此問題可以利用單刃峰繞射模型進行分析和估算。計算的結果可為實際試驗提供先驗信息支持，以便更好更快地發(fā)現(xiàn)問題和解決問題。下一步，將結合艦艇外場試驗開展對電磁波遮擋效應建模與仿真的研究。

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(編輯：田麗韞)

Analysis on Influence of Electromagnetic Wave Blocking of Ship-borne Radar Countermeasure Reconnaissance System

ZHANG Hongxi，HAN Wei

(91404 Troops， China)

AbstractAnalysis on performance degradation of the ship-borne radar countermeasure reconnaissance equipment due to antenna blocking by the superstructure of the ship remains in qualitative aspect, it is impossible to make an accurate assessment conforming with actual conditions. By means of simulation computation based on single knife-edge diffraction, the paper conducts analysis on the blocking effect and estimates blocking effect of the full-scale ship which may be used to provide priori information for field and sea test. The paper designs and conducts series of research activities combining static measurement with dynamic sea test aiming at the change of sensitivity of radar reconnaissance equipment in blocking area. Through comparing measured data with simulation data, the paper proves the feasibility of analysis and estimation of blocking effect with single knife-edge diffraction model and probes into the influence of the blocking effect of the superstructure of the ship on performance of ship-borne radar reconnaissance equipment.

Keywordsradar countermeasure reconnaissance equipment; electromagnetic wave blocking effect; single knife-edge diffraction; radar reconnaissance range

收稿日期2016-01-18

作者簡介張鴻喜(1972-)，男，高級工程師，主要研究方向為電子戰(zhàn)系統(tǒng)試驗與訓練。627751@qq.com

中圖分類號TJ765.4

文章編號2095-3828(2016)03-0120-05

文獻標志碼A

DOI10.3783/j.issn.2095-3828.2016.03.023