(中國飛行試驗研究院,陜西西安710089)

機載警戒雷達抗壓制性干擾能力評估

王軍東

(中國飛行試驗研究院,陜西西安710089)

現(xiàn)代戰(zhàn)爭對雷達抗干擾能力的要求越來越高,如何客觀檢驗雷達的抗干擾能力已成為雷達研制方和雷達使用方所共同關心的問題,急需利用有效手段分析和評估雷達的實際抗干擾性能。復雜電磁環(huán)境下噪聲壓制干擾直接影響機載警戒雷達對目標的探測能力。針對復雜電磁環(huán)境下警戒雷達受到壓制性干擾的特性,分析了壓制性干擾對警戒雷達發(fā)現(xiàn)概率和探測距離兩個主要性能指標的影響,同時,通過飛行試驗驗證了機載警戒雷達抗壓制干擾探測性能,并給出了試飛評估方法。

警戒雷達;壓制性干擾;探測概率;探測距離

0 引言

在戰(zhàn)場環(huán)境下,有源壓制性干擾是作戰(zhàn)對方對機載警戒雷達最為常用的干擾類型。因此,研究機載警戒雷達抗壓制干擾能力評估具有十分重要的意義。國內(nèi)雷達領域的相關學者和工程技術人員,對雷達抗干擾能力評估方面作了大量的研究,并取得了很好的成果。文獻[1]對干擾區(qū)域目標的雷達檢測特性進行了分析和仿真,文獻[2]對火控雷達受到壓制干擾后的能力評估進行了分析,文獻[3]對復雜電磁環(huán)境下雷達探測效能進行了分析,文獻[4]和[5]分別對檢測概率進行了仿真,文獻[6]對壓制干擾下探測距離進行了計算。

上述研究成果對雷達抗壓制性干擾能力評估提供了豐富的參考。但是,雷達抗干擾能力為雷達的一項重要戰(zhàn)術指標。對雷達抗干擾性能的檢測評估應按戰(zhàn)術要求進行,即在雷達與干擾機的實際對抗中進行。雷達抗有源壓制性干擾的能力理論上應為雷達在受到有源干擾時工作在抗干擾方式下的戰(zhàn)技術性能與雷達工作在無干擾方式下的戰(zhàn)技術性能之差。因此,基于單獨的計算機仿真來模擬戰(zhàn)場環(huán)境,得出的結果在實踐中利用率并不高。對雷達抗干擾能力進行評估時,必須將雷達置于一個特定的復雜電磁環(huán)境中,只有這樣才能充分反映雷達的抗干擾性能,有效地考核雷達在貼近實戰(zhàn)的復雜電磁環(huán)境下的作戰(zhàn)效能。

1 復雜電磁環(huán)境下警戒雷達受到壓制性干擾特性

警戒雷達受到敵方的電子干擾時,警戒雷達的效能就會受到削弱。警戒雷達由于工作方式為多目標的探測跟蹤,因此受到的干擾一般為有源壓制性干擾,直接影響其發(fā)現(xiàn)概率和探測距離,最終縮短其預警時間,受到的威脅等級提高。

雷達有源壓制性干擾的主要目的是造成對雷達的目標信號的壓制,當雷達受到有源壓制干擾時,隨著干擾強度的增加,將會使雷達主瓣和副瓣扇面內(nèi)背景增強,使得無法觀測和發(fā)現(xiàn)干擾區(qū)域內(nèi)的目標,在雷達目標檢測中將會出現(xiàn)點跡混亂、航跡錯誤,以致無法探測到或跟蹤目標。各種干擾方式都是為了使雷達在規(guī)定發(fā)現(xiàn)概率和虛警概率條件下的發(fā)現(xiàn)距離下降。雷達抗有源壓制干擾就是與同時域、同頻域和同空域情況下力求減小干擾影響,即降低雷達發(fā)現(xiàn)距離的下降程度。

壓制性干擾是用噪聲或類似噪聲的干擾信號遮蓋或淹沒有用信號,阻止雷達檢測目標信號。雷達對目標的檢測是在外部噪聲和內(nèi)部噪聲中進行的,其檢測又是基于一定的概率準則的。如果目標信號能量與噪聲能量相比,超過檢測門限,則可以保證在一定虛警概率的條件下達到一定的檢測概率,壓制干擾就是使強干擾功率進入雷達接收機,盡可能降低信噪比,造成雷達對目標檢測的困難。壓制性干擾效果表現(xiàn)為雷達或含有雷達的作戰(zhàn)系統(tǒng)由于受到干擾而造成的作戰(zhàn)性能的下降[7-8]。

2 壓制性干擾對警戒雷達發(fā)現(xiàn)概率的影響

雷達信號的檢測性能由其發(fā)現(xiàn)概率和虛警概率來描述,發(fā)現(xiàn)概率越大,說明發(fā)現(xiàn)目標的可能性越大,與此同時希望虛警概率的值不能超過允許值。

在雷達性能參數(shù)確定的情況下,發(fā)現(xiàn)概率主要取決于雷達環(huán)境特性。對警戒雷達的壓制性干擾就是用噪聲或類似于噪聲的干擾信號壓制或淹沒有用信號,阻止雷達檢測到目標信息,造成雷達對目標檢測的困難。當信噪比降低到一定程度,雷達就將無法發(fā)現(xiàn)或者無法正確發(fā)現(xiàn)目標。因此在虛警概率確定的情況下,雷達的發(fā)現(xiàn)概率是以信噪比為自變量的增函數(shù),隨著信噪比的變化而變化。

通常雷達接收機的干擾噪聲為寬帶高斯噪聲,接收機輸入端接收到干擾的概率密度函數(shù)由下式給出:

式中,P(v)為寬帶高斯噪聲電壓的概率,σ2為其方差,噪聲干擾的均值為零。噪聲包絡的電壓幅度服從瑞利分布,概率密度函數(shù)為

此處r表示噪聲包絡的振幅值。設置門限電平為VT,噪聲包絡電壓超過門限電平的概率就是虛警概率Pfa,可以得出虛警概率與門限電平VT的關系為

即

由上式可得,當噪聲分布函數(shù)P(r)一定時,虛警概率Pfa的大小完全取決于門限電平VT。

信號加噪聲通過接收機的電壓超過門限的概率就是發(fā)現(xiàn)概率Pd,因此要得到發(fā)現(xiàn)概率,須研究信號加噪聲通過接收機的情況。

設信號頻率是中頻濾波器的中心頻率,包絡檢波器的輸出包絡的概率密度函數(shù)為

式中,x為信號加噪聲的包絡,A為信號振幅,I0(z)為變量為z的零階修正Bessel函數(shù),定義為

信號被發(fā)現(xiàn)的概率就是x超過預定門限VT的概率,因此發(fā)現(xiàn)概率Pd為

該式反映了發(fā)現(xiàn)概率Pd與門限電平VT及正弦波振幅A的關系,接收機信號電壓與功率的關系式如下:

以信噪比為變量,以虛警概率為參變量分析檢測概率與信噪比的關系?？梢缘玫嚼走_發(fā)現(xiàn)概率與信噪比、虛警概率(門限電平)之間的關系:當虛警概率一定時,信噪比越大,發(fā)現(xiàn)概率越大,也就是說,當門限電平一定時,發(fā)現(xiàn)概率隨信噪比的增大而增大。從另一方面來說,如果信噪比一定,則虛警概率越小(門限電平越高),發(fā)現(xiàn)概率越小;虛警概率越大,發(fā)現(xiàn)概率越大。當相對門限(VT/σ)提高時虛警概率降低,但發(fā)現(xiàn)概率也會降低,通?？偸窍Ｍ摼怕室欢〞r提高發(fā)現(xiàn)概率,只有提高信噪比才能辦到,因為門限電平對發(fā)現(xiàn)概率和虛警概率的作用是一致的。警戒雷達在作戰(zhàn)時受到的壓制性干擾,就是減少了雷達接收機的信噪比,從而降低了警戒雷達的發(fā)現(xiàn)概率。

3 復雜電磁環(huán)境下壓制性干擾對警戒雷達探測距離的影響

雷達探測距離是基于一定發(fā)現(xiàn)概率的,隨著雷達與目標間距離的變化,雷達接收機內(nèi)的信噪比也隨之變化,所以在不同距離上雷達對目標的發(fā)現(xiàn)概率是不同的,一般警戒雷達對目標的發(fā)現(xiàn)概率Pd≥50%的距離,可認為雷達能正常發(fā)現(xiàn)目標的距離,即為雷達的探測距離。

在無干擾情況下,到達雷達接收機的目標回波信號功率為

式中,Pt為雷達發(fā)射功率,Gt為雷達天線的主瓣增益,λ為雷達發(fā)射電磁波的波長,R為雷達與目標之間的距離,σ為目標等效反射面積,L為雷達系統(tǒng)功率損耗因子。

在無壓制性干擾時,雷達接收機輸出噪聲包括外部天線噪聲和接收機工作時產(chǎn)生的內(nèi)部噪聲。外部天線噪聲包括地球表面反射的無線電噪聲、地球大氣輻射無線電噪聲以及宇宙背景輻射噪聲。

若接收機輸入噪聲功率為Pin,則無壓制性干擾信噪比可表示為

當雷達遭受有源壓制性干擾時,雷達接收機輸入端噪聲為熱噪聲和電子干擾機發(fā)射的干擾信號,根據(jù)干擾方程,可得到到達雷達接收機的干擾信號功率為

式中,Pj為干擾機發(fā)射功率,Gj為干擾機的增益,Gt(θ)表示與雷達方向夾角為θ處的增益(雷達天線在干擾機方向上的增益),Br為雷達接收機帶寬,Bj為干擾信號帶寬,Rj為干擾機與雷達的距離。

對于自衛(wèi)式干擾形式,Rj=R,Gt(θ)=Gt(0)=Gt。干擾信號與目標信號同時進入雷達接收機,因此壓制干擾條件下,接收機線性輸出端的信噪比(信干比)可近似表示為

此時雷達天線的主瓣對準干擾機,為了在這種情況下發(fā)現(xiàn)目標,要求Ps/PJ足夠大,并達到檢測所需要的信雜比(Ps/PJ)S,此時相應的作用距離為

RSJ即為雷達抗壓制干擾的自衛(wèi)距離,當目標大于這個距離時雷達不能發(fā)現(xiàn)目標,小于這個距離時雷達具有相應防衛(wèi)能力。

4 某警戒雷達抗壓制性干擾試驗

雷達抗干擾性能應針對干擾機的某一確定技術狀態(tài),由無干擾時的雷達性能和施加干擾時的雷達最大發(fā)現(xiàn)距離的差值來表征。雷達抗干擾能力強,則該值小;反之,該值就大。

鑒于雷達探測性能試驗的目標機不具有干擾功能,因此,為便于比對干擾對警戒雷達的影響,試驗雷達目標機不變,利用干擾機和目標機緊密編隊的方式來完成警戒雷達抗壓制性干擾試驗。

在進行復雜電磁環(huán)境下警戒雷達抗干擾試驗時,已經(jīng)完成該警戒雷達對特定目標機的對空探測性能試驗。同時,抗干擾試驗的雷達工作參數(shù)和工作剖面與特定目標機的對空探測性能試驗保持一致,只在抗干擾試驗中增加了干擾機,檢查警戒雷達受到壓制干擾后,警戒雷達對目標機的探測距離和探測概率變化情況。試驗中目標機緊隨干擾機,雙機編隊距離小于5 km,以隨隊自衛(wèi)式對雷達主瓣實施噪聲壓制干擾,警戒雷達載機相對目標機和干擾機以迎頭方式進入,干擾機干擾方式為窄帶壓制式干擾,設定等效干擾功率譜密度保持不變,按以下公式設置等效干擾功率譜密度:

式中,Pj為干擾機的發(fā)射機輸出功率,Gj為干擾機天線增益,Bj為干擾機輸出信號帶寬,L為干擾機系統(tǒng)損耗。雷達載機、干擾機和目標機位置示意圖,如圖1所示。

圖1 雷達載機、干擾機和目標機相對位置

試驗結果發(fā)現(xiàn),無壓制干擾和有壓制干擾兩種情況下,由發(fā)現(xiàn)概率隨探測距離變化的擬合曲線可得,該警戒雷達受到壓制性干擾后,探測距離有明顯下降。圖2給出在虛警概率恒定時,警戒雷達在無壓制干擾和有壓制干擾兩種情況下發(fā)現(xiàn)概率與探測距離變化曲線,圖中距離使用了歸一化處理。

圖2 雷達發(fā)現(xiàn)距離與發(fā)現(xiàn)概率曲線

假設,雷達與目標機進入距離為R0,則在某干擾功率譜密度情況下,發(fā)現(xiàn)概率為50%時,無干擾狀態(tài)警戒雷達對該目標機的探測距離為0.86R0,實施壓制干擾后警戒雷達對該目標機的探測距離為0.67R0,探測距離下降約20%。

5 結束語

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中,戰(zhàn)場電磁環(huán)境非常復雜,既有來自敵方的電磁干擾,又有我方電磁信號的干擾,所以抗干擾能力應是警戒雷達必不可缺的能力要求,抗干擾能力的強弱直接影響到作戰(zhàn)效能。本文分析了壓制性干擾對機載警戒雷達效能的影響。其研究結果對機載警戒雷達在復雜電磁環(huán)境下的使用和評估抗干擾能力有一定參考借鑒意義。

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Evaluation of Anti-Suppressive Jamming Ability of Airborne Warning Radar

WANG Jundong
(Chinese Flight Test Establishment,Xi’an710089,China)

Greater demands are imposed on the radar anti-jamming ability by the modern warfare.How to objectively test this ability has been an important problem of common concern by both the radar developer and the user.It is urgent to propose effective method to analyze and evaluate the real performance of radar anti-jamming.The noise suppressive jamming influences the airborne warning radar detection performances directly in complex electromagnetic environment.For the characteristic of the noise suppressive jamming to the airborne warning radar in complex electromagnetic environment,the influence of suppressive jamming to the detection probability and detection range of the warning radar are analyzed in this paper.Meanwhile the detection performance of the airborne warning radar anti-suppressive jamming is tested through flight test,and the flight test evaluation method is given.

warning radar;suppressive jamming;detection probability;detection range

TN974

A

1672-2337(2017)01-0035-04

10.3969/j.issn.1672-2337.2017.01.006

2016-06-30;

2016-08-22

王軍東男,1971年10月出生,甘肅白銀人,碩士,高級工程師,主要研究方向為機載雷達、電子戰(zhàn)試飛技術。E-mail:jefferyjundong@126.com