王 超，陳 飛，戎建剛

(中國航天科工集團(tuán)8511研究所，江蘇 南京 210007)

壓制干擾環(huán)境的定量描述及表征指標(biāo)測試方法

王 超，陳 飛，戎建剛

(中國航天科工集團(tuán)8511研究所，江蘇 南京 210007)

從典型干擾樣式的角度出發(fā)，對(duì)壓制干擾環(huán)境的量化表征指標(biāo)電磁功率密度譜s進(jìn)行了深化研究，在時(shí)域、頻域上給出了不同干擾樣式下s指標(biāo)的數(shù)學(xué)及仿真模型，并介紹了s指標(biāo)的測量方法，為導(dǎo)彈武器抗干擾指標(biāo)體系構(gòu)建、抗干擾性能定量評(píng)估提供理論依據(jù)。

壓制干擾；電磁功率密度譜；電磁干擾環(huán)境；復(fù)雜電磁環(huán)境

0 引言

在日益復(fù)雜的電磁干擾環(huán)境中，導(dǎo)彈武器裝備逐步暴露出一些不適應(yīng)性問題。當(dāng)前急需在導(dǎo)彈武器研制的各個(gè)階段進(jìn)行電磁干擾環(huán)境的適應(yīng)性試驗(yàn)與評(píng)估，而復(fù)雜電磁環(huán)境的定量描述和表征指標(biāo)測試是導(dǎo)彈武器適應(yīng)性試驗(yàn)與評(píng)估工作中首先要解決的基礎(chǔ)問題之一。目前國內(nèi)外已有不少相關(guān)的研究，文獻(xiàn)[1]提出了一種戰(zhàn)場電磁環(huán)境復(fù)雜性度量的方法，用電磁信號(hào)樣式相關(guān)系數(shù)、頻率占有度系數(shù)、頻率重合度系數(shù)等五個(gè)指標(biāo)對(duì)電磁環(huán)境復(fù)雜性進(jìn)行度量；文獻(xiàn)[2]設(shè)計(jì)了一種復(fù)雜電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，能對(duì)電磁信號(hào)的時(shí)域、頻域、能域以及信號(hào)類別等特性進(jìn)行監(jiān)測；文獻(xiàn)[3]從電磁環(huán)境預(yù)測、生成、集成與控制、監(jiān)測以及評(píng)價(jià)五大環(huán)節(jié)闡述了復(fù)雜電磁環(huán)境模擬過程中各環(huán)節(jié)的基本功能和技術(shù)。

根據(jù)干擾的影響機(jī)理，電磁干擾環(huán)境可分為欺騙干擾環(huán)境和壓制干擾環(huán)境。本文對(duì)文獻(xiàn)[6～8]提出的壓制干擾環(huán)境的定量描述方法做更深入的研究，從典型壓制干擾樣式的角度出發(fā)，對(duì)其提出的電磁功率密度譜指標(biāo)做了進(jìn)一步的細(xì)化和挖掘，在時(shí)域、頻域上給出了不同干擾樣式下電磁功率密度譜的數(shù)學(xué)及仿真模型，并介紹了電磁功率密度譜的測量方法。

1 壓制干擾環(huán)境量化表征指標(biāo)

導(dǎo)彈武器天線口面感受到的電磁干擾環(huán)境分為壓制干擾電磁環(huán)境和欺騙干擾電磁環(huán)境，對(duì)其中的壓制干擾電磁環(huán)境進(jìn)行量化表征，提出相應(yīng)的量化表征指標(biāo)[5-8]，如表1所示。

其中，s為電磁功率密度譜，表示某一時(shí)刻電子對(duì)抗裝備在導(dǎo)彈武器接收天線口面處產(chǎn)生的信號(hào)功率密度在頻域的分布。s的計(jì)算公式為：

(1)

式中，PJ和GJ分別為干擾機(jī)的發(fā)射功率和天線增益；La為大氣傳播衰減系數(shù)；BJ為干擾機(jī)工作帶寬；RJ為雷達(dá)與干擾機(jī)之間的距離。

表1 壓制干擾環(huán)境量化表征指標(biāo)體系

從表1中可以看出，在對(duì)導(dǎo)彈武器施放有源壓制干擾時(shí)，干擾信號(hào)在時(shí)域(間斷、連續(xù)、雜亂)和頻域(寬帶、窄帶、梳狀譜)上的分布特點(diǎn)是復(fù)雜多樣的，干擾樣式的種類和參數(shù)均會(huì)對(duì)壓制干擾的效果產(chǎn)生影響。根據(jù)公式(1)計(jì)算得出的僅是某一時(shí)刻的電磁功率密度譜，并未將其在時(shí)域、頻域上的分布特點(diǎn)完整表述出來。此外，干擾信號(hào)對(duì)雷達(dá)信號(hào)處理的影響與信號(hào)的實(shí)際持續(xù)時(shí)間有關(guān)，例如間斷噪聲類的干擾要產(chǎn)生干擾效果，時(shí)間上的積累就非常重要；頻域上實(shí)際對(duì)雷達(dá)有影響的是進(jìn)入到其接收帶寬的干擾信號(hào)，接收帶寬外即便存在干擾能量也無法對(duì)其造成影響。

綜上分析，本文結(jié)合具體的干擾樣式在時(shí)域、頻域上對(duì)s開展進(jìn)一步的細(xì)化研究，在具體的干擾樣式建立電磁功率密度譜s在時(shí)域和頻域上的數(shù)學(xué)模型，將s指標(biāo)在時(shí)域和頻域上的分布特性和動(dòng)態(tài)變化定量、完整的表述出來，再在時(shí)域和頻域上引入“濾波器”的概念，即濾除對(duì)雷達(dá)或?qū)б^無效的干擾信號(hào)部分，保留對(duì)雷達(dá)或?qū)б^有效的部分，將“天線口面的電磁功率密度譜s”轉(zhuǎn)變?yōu)榈健皩?duì)雷達(dá)或?qū)б^有干擾效果的電磁功率密度譜s”。

2 電磁功率密度譜s的時(shí)域細(xì)化研究

2.1 時(shí)域模型

2.1.1 間斷噪聲干擾s模型

選取間斷噪聲這種在時(shí)域上會(huì)有不同程度間斷的典型干擾樣式，借助Matlab的仿真手段做出在施放這種干擾時(shí)，天線口面可測得的電磁功率密度譜s的時(shí)域波形曲線。

間斷噪聲干擾是將射頻噪聲信號(hào)切割成時(shí)域上寬度、空度具有一定規(guī)律或者隨機(jī)變化的脈沖信號(hào)，對(duì)目標(biāo)回波信號(hào)形成遮蓋或壓制的效果。遮蓋作用的產(chǎn)生，是因?yàn)樵诨夭ㄐ盘?hào)上附加了一個(gè)隨機(jī)噪聲，兩者一經(jīng)混合，信號(hào)很難檢測。在這種情況下，回波信號(hào)將部分地改變或失去信號(hào)特征，嚴(yán)重時(shí)會(huì)完全消失。根據(jù)間斷噪聲干擾的干擾特點(diǎn)可以建立對(duì)應(yīng)的解析模型：

窄帶高斯過程可表示為：

(2)

un(t)=t/σ2exp(t2/(2σ2))

(3)

當(dāng)上述的射頻噪聲干擾以脈沖的形式存在，即為間斷噪聲干擾，其表達(dá)式為：

(4)

式中，Aj為噪聲干擾信號(hào)幅度，T為脈沖寬度，Tr為脈沖重復(fù)周期。它們的比值即為占空比：

D=T/Tr

(5)

方便起見，只計(jì)算一個(gè)脈沖重復(fù)周期內(nèi)的電磁功率密度譜，此時(shí)的間斷噪聲干擾信號(hào)可表示為：

根據(jù)信號(hào)表達(dá)式可計(jì)算近似的瞬時(shí)功率(式中的系數(shù)k根據(jù)具體情況確定，這里取1)：

(6)

再結(jié)合公式(1)即可計(jì)算一個(gè)脈沖重復(fù)周期內(nèi)電磁功率密度譜s隨時(shí)間變化的表達(dá)式：

(7)

這樣，在間斷噪聲干擾條件下，天線口面可測得的電磁功率密度譜s可表示為：

s(t)=

(8)

根據(jù)這一數(shù)學(xué)模型選取仿真參數(shù)做出仿真圖形。仿真參數(shù)：峰值功率大約為100W，天線增益GJ=20dB，中心頻率wj=60×106πrad/s(30MHz)，間斷周期Tr=0.5ms，占空比D=50%，噪聲帶寬B=20MHz，R=5000m，La=1，仿真圖如圖1～2所示。

可以看出在間斷噪聲干擾條件下，天線口面測得的電磁功率密度譜s在時(shí)域上會(huì)有不同程度的間斷，根據(jù)建立的數(shù)學(xué)模型可得到理論上每一時(shí)刻的s值。

2.1.2 雜亂脈沖干擾s模型

同理通過推導(dǎo)計(jì)算，也可以得到雜亂脈沖干擾下電磁功率密度譜s的時(shí)域波形。雜亂脈沖干擾是指將連續(xù)的噪聲調(diào)幅、噪聲調(diào)頻信號(hào)切割成寬度、空度隨機(jī)變化的脈沖信號(hào)，使其在雷達(dá)終端產(chǎn)生雜亂的干擾脈沖，從而對(duì)雷達(dá)形成干擾。其信號(hào)解析式可表示為：

(9)

首先從時(shí)域上計(jì)算第m個(gè)雜亂脈沖的瞬時(shí)功率：

PJ(t)=|Ajun(t-mTrmcos(wj(t-mTrm)+

φ(t-mTrm)|2

(10)

這樣，可以得到雜亂脈沖干擾條件下的電磁功率密度譜s在時(shí)域上的動(dòng)態(tài)變化模型：

s(t)=

(11)

仿真參數(shù)設(shè)置與間斷噪聲相同，但是脈沖重復(fù)周期和脈寬隨機(jī)變化，仿真圖如圖3～4所示。

2.2 時(shí)域?yàn)V波器

上節(jié)通過推導(dǎo)計(jì)算和仿真確立了間斷噪聲和雜亂脈沖干擾條件下天線口面可測得的電磁功率密度譜s的時(shí)域模型，這一模型的意義在于將電磁功率密度譜s在時(shí)域上的分布特性和動(dòng)態(tài)變化定量的描述出來，但僅有這一模型是不夠的，原因是實(shí)際對(duì)雷達(dá)或者導(dǎo)引頭有影響的干擾信號(hào)并不是該模型描述的全部干擾信號(hào)。這一點(diǎn)可以在下面針對(duì)某型防空導(dǎo)引頭進(jìn)行的干擾內(nèi)場試驗(yàn)中得到驗(yàn)證。

從圖5～6中可以看出，鋸齒掃頻和正弦掃頻干擾對(duì)信噪比的影響極小，施加干擾與未施加干擾時(shí)的信噪比變化曲線幾乎一致。這是因?yàn)閽哳l干擾在時(shí)域上可以等效為間斷噪聲干擾，由于干擾時(shí)間不夠長，間斷的干擾信號(hào)在信號(hào)處理中積累不起來，所以對(duì)導(dǎo)引頭信噪比的影響較小。

這就需要引入“時(shí)域?yàn)V波器”的概念，即根據(jù)干擾的持續(xù)時(shí)間和干擾信號(hào)的數(shù)學(xué)模型濾除無用信號(hào)，保留在時(shí)域上對(duì)雷達(dá)或?qū)б^真正有效的部分信號(hào)，如圖7所示。針對(duì)同一時(shí)間段的作戰(zhàn)對(duì)抗過程，在確定了有用信號(hào)部分的s波形后，可以對(duì)這一部分信號(hào)的s值在時(shí)域上做積分，積分值越大代表干擾信號(hào)對(duì)雷達(dá)或?qū)б^的影響越強(qiáng)。

3 電磁功率密度譜s的頻域細(xì)化研究

3.1 頻域模型

這里以梳狀譜干擾為例給出s的頻域模型。梳狀譜干擾信號(hào)是指由多個(gè)窄帶干擾譜構(gòu)成的干擾信號(hào)。在雷達(dá)工作頻段內(nèi)加入具有梳狀頻譜的干擾信號(hào)，集中干擾信號(hào)功率，對(duì)頻域內(nèi)的幾個(gè)頻率點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)干擾，使得雷達(dá)速度波門無法跟蹤。通?？刹捎肗個(gè)正弦波信號(hào)的和表示梳狀譜干擾信號(hào)：

(12)

式中，Ajn為信號(hào)幅度，fn∈[fj-B/2,fj+B/2]，B為干擾信號(hào)帶寬，t∈[0,T]。

先對(duì)信號(hào)的表達(dá)式作傅里葉變換：

2πfn))

(13)

(14)

這樣，在梳狀譜干擾條件下，電磁功率密度譜s在頻域上的分布可表示為：

(15)

根據(jù)這一數(shù)學(xué)模型選取仿真參數(shù)做出仿真圖形，峰值功率取100W，天線增益GJ=20dB，干擾帶寬30MHz，R=5000m，La=1，干擾頻點(diǎn)在30MHz內(nèi)隨機(jī)跳變。仿真圖如圖8～9所示。

可以看出，梳狀譜干擾條件下電磁功率密度譜s在頻域上集中分布在幾個(gè)頻點(diǎn)，與梳狀譜自身的干擾特點(diǎn)相符合。

3.2 頻域?yàn)V波器

前面提到過，不管是寬帶阻塞干擾還是窄帶瞄準(zhǔn)干擾，真正能對(duì)雷達(dá)或者導(dǎo)引頭產(chǎn)生干擾效果的是進(jìn)入其接收帶寬的那部分干擾信號(hào)，并非全部的干擾信號(hào)。

在仿真中，選取的干擾帶寬是30MHz，如果被干擾對(duì)象的接收帶寬小于30MHz，或者干擾帶寬不完全在接收帶寬范圍內(nèi)，就需要結(jié)合具體的被干擾對(duì)象確定實(shí)際進(jìn)入其接收帶寬的干擾信號(hào)。頻域上本身就有濾波器的概念，這里就不再贅述了。通過頻域?yàn)V波器可以濾除在頻域上對(duì)被干擾對(duì)象無用的信號(hào)，只保留有影響的信號(hào)部分。進(jìn)入接收頻段內(nèi)的干擾功率為：

式中，s為電磁功率密度譜，Ar為有效面積，Bs為接收帶寬與干擾帶寬重合的部分。

J越大，進(jìn)入接收頻帶內(nèi)的干擾功率就越大，干擾信號(hào)對(duì)雷達(dá)或?qū)б^的影響便越強(qiáng)。

4 電磁功率密度譜s的測量方法

電磁功率密度譜的測量設(shè)備包括監(jiān)測天線、實(shí)時(shí)頻譜分析儀、數(shù)據(jù)分析處理計(jì)算機(jī)等，測量設(shè)備原理框圖如圖10所示。在測試過程中，測量設(shè)備連續(xù)采集并記錄時(shí)域、頻域信號(hào)，試驗(yàn)結(jié)束后根據(jù)需求，選擇相應(yīng)頻段、時(shí)間段內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行分析處理。

通過圖10所示的設(shè)備測量得到干擾功率為P′，根據(jù)下式計(jì)算得到導(dǎo)彈武器天線口面處的電磁功率密度譜s：

s=(P′+L-G)/(λ2G/(4π)BJ)

(16)

式中，s單位為W/(Hz·m2)；P′為頻譜分析儀輸入端口處的干擾功率，單位為W；L為監(jiān)測天線輸出端到實(shí)時(shí)信號(hào)分析儀輸入端的損耗，單位為dB；G為監(jiān)測天線增益，單位為dB；λ為導(dǎo)引頭工作波長，單位為m；BJ為干擾帶寬，單位為Hz。

通過該套測量設(shè)備，可以得到監(jiān)測天線口面電磁功率密度譜s在時(shí)域和頻域上的分布。在給出被干擾對(duì)象(雷達(dá)或?qū)б^)的相關(guān)參數(shù)后，就相當(dāng)于在時(shí)域和頻域上分別增加一個(gè)“濾波器”，這樣就可以確定對(duì)被干擾對(duì)象實(shí)際有影響的干擾信號(hào)部分，將“天線口面的電磁功率密度譜”細(xì)化到“對(duì)雷達(dá)或?qū)б^有干擾效果的電磁功率密度譜s”。

此外，由于針對(duì)每種干擾樣式都可以建立相應(yīng)的電磁功率密度譜數(shù)學(xué)模型，如果將這一模型與實(shí)際測得的s波形做比較，就可以反推出干擾樣式種類及設(shè)置參數(shù)。這樣在某些“背靠背”的對(duì)抗或者演習(xí)中，通過測得的s值可以確定對(duì)方所施放干擾樣式的種類及參數(shù)，有了這些數(shù)據(jù)，可以幫助我們將外場的電磁干擾環(huán)境逼真構(gòu)建到內(nèi)場進(jìn)行武器裝備的抗干擾試驗(yàn)，對(duì)提高武器裝備的電磁干擾環(huán)境適應(yīng)性具有很高的參考價(jià)值。

5 結(jié)束語

本文對(duì)已有的壓制干擾環(huán)境定量描述方法做進(jìn)一步的深化研究：一是從典型壓制干擾樣式的角度出發(fā)，對(duì)電磁功率密度譜s做了進(jìn)一步的細(xì)化，在具體干擾樣式下從時(shí)域、頻域上給出了s的數(shù)學(xué)及仿真模型，將s指標(biāo)在時(shí)間和頻域上的動(dòng)態(tài)變化和分布特性，進(jìn)行了定量、完整的描述；二是引入“濾波器”概念，將“天線口面的電磁功率密度譜”轉(zhuǎn)變到“對(duì)雷達(dá)或?qū)б^有干擾效果的電磁功率密度譜”；三是介紹了s的測量方法。本文的研究還存在一些待改進(jìn)的問題：電磁功率密度譜s的數(shù)學(xué)模型目前只是一個(gè)理論模型，還需要進(jìn)一步細(xì)化；受器材限制，目前的測量設(shè)備還不能給出電磁功率密度譜在時(shí)域和頻域上的精準(zhǔn)分布，在日后的研究工作中會(huì)進(jìn)行改進(jìn)?！?/p>

[1] 路延.復(fù)雜電磁環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].安全與電磁兼容,2016(3):83-85.

[2] 汪連棟，董俊，曾勇虎，等.復(fù)雜電磁環(huán)境模擬技術(shù)體系研究[J].現(xiàn)代防御技術(shù),2015,43(4):196-203.

[3] 支朋飛，高穎，葛飛.戰(zhàn)場電磁環(huán)境復(fù)雜度定量評(píng)估算法研究[J].微處理機(jī),2014,6(3):40-44.

[4] 王月清，王建，王凡，等.一種電磁環(huán)境量化分析方法[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2013，28(4)：744-748.

[5] 劉麗明，黃文梁，孫璐璐.海戰(zhàn)場復(fù)雜電磁環(huán)境構(gòu)建方法[J].船舶電子對(duì)抗，2010,33(4):15-17.

[6] 戎建剛,張衡,肖凱寧.復(fù)雜電磁環(huán)境的指標(biāo)體系[J].航天電子對(duì)抗, 2013,29(3): 54-57.

[7] 戎建剛,黃和國,王鑫.威脅電磁環(huán)境的定量描述方法[J].航天電子對(duì)抗, 2013,29(4): 18-21.

[8] 戎建剛,王鑫,魏建寧.威脅電磁環(huán)境的分級(jí)方法[J].航天電子對(duì)抗, 2013,29(6):33-36.

[9] 高曉冬，鄭鑫.防空導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭對(duì)抗美軍機(jī)載典型干擾措施探討[J].制導(dǎo)與引信, 2013,34(3):6-13.

[10]陳飛，戎建剛，王鑫.復(fù)雜電磁環(huán)境量化分級(jí)研究綜述[C]∥2015年中國宇航學(xué)會(huì)電磁信息專業(yè)委員會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集,2015.

[11]陳飛，戎建剛，王鑫.威脅電磁環(huán)境的量化表征方法分析[C]∥2015年中國宇航學(xué)會(huì)探測與導(dǎo)引技術(shù)專業(yè)委員會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集,2015.

[12]趙國慶.雷達(dá)對(duì)抗原理[M].2版.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2012.

Quantitative description and indicators measurement method of suppressive interference environment

Wang Chao, Chen Fei, Rong Jiangang

(No.8511 Research Institute of CASIC, Nanjing 210007, Jiangsu, China)

From typical jamming modes point of view, the electromagnetic power density spectrum is detailed researched, the mathematical model of electromagnetic power density spectrum is constructed, and the measurement method of electromagnetic power density spectrum is introduced. They are theoretical basis for the test and evaluation of missle weapons.

suppressive interference； electromagnetic power density spectrum；electromagnetic interference environment； complex electromagnetic environment

2016-12-13；2017-01-05修回。

王超(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡娮訉?duì)抗。

TN97

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