丁 妮 李尚生 郝明軍 崔 寧

（1.海軍航空大學(xué) 煙臺(tái) 264001）（2.聯(lián)勤保障部隊(duì)第967醫(yī)院 大連 116000）

1 引言

毫米波雷達(dá)具有測量精度高、抗干擾能力強(qiáng)、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，非常適合在精確制導(dǎo)武器中應(yīng)用。但由于毫米波信號(hào)頻率高、波長短，在空間傳播時(shí)的損耗受自然環(huán)境特別是降雨的影響較大。本文在分析降雨對毫米波信號(hào)傳播衰減影響的基礎(chǔ)上，分析了降雨對毫米波雷達(dá)信號(hào)的偵察距離的影響，以及對有源壓制式干擾、有源欺騙式干擾效果的影響，并給出了定量仿真結(jié)論，為研究復(fù)雜氣象環(huán)境下毫米波雷達(dá)導(dǎo)引頭和有源干擾的作戰(zhàn)使用提供參考。

2 降雨對毫米波信號(hào)傳播衰減的影響分析

由于毫米波信號(hào)的波長短，空氣中的懸浮微粒會(huì)由于散射和吸收作用對毫米波信號(hào)產(chǎn)生衰減，衰減的大小取決于懸浮微粒的大小、液體的水容量、介電常數(shù)、溫度、濕度以及毫米波的頻率等［1～2］。在晴朗的天氣，主要取決于氧氣和水蒸氣的吸收。這是因?yàn)樗魵馐请姌O化分子，氧氣是磁極化分子，在毫米波波段，這些極化分子會(huì)與入射的電磁波相互作用產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸收。

一般用傳播損耗α來表示毫米波信號(hào)在介質(zhì)中的傳播衰減，它定義為毫米波傳播1km距離信號(hào)衰減的分貝數(shù)，單位dB/km。理論研究表明［3］，晴朗天氣時(shí)氧氣和水蒸氣在毫米波頻段兩個(gè)窗口頻率（35GHz和95GHz）上的傳播衰減αfair分別為0.12dB/km和0.4dB/km。

在惡劣氣象環(huán)境下，空氣中的雨、云、霧等還會(huì)引起附加衰減。除非能見度很低（如小于100m），一般霧引起的損耗相對于雨、云引起的損耗要小。因此，惡劣氣象環(huán)境下的附加衰減主要考慮雨、云引起的損耗。對掠海飛行的反艦導(dǎo)彈毫米波雷達(dá)導(dǎo)引頭而言，主要考慮降雨引起的附加衰減。

降雨引起的電磁波的衰減系數(shù)一般采用國際電信聯(lián)盟提供的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，該公式是基于Laws-Parsons雨滴尺寸分布模型構(gòu)建的［4～6］，為

式中：αrain為雷達(dá)波傳播的降雨附加衰減，單位為（dB/km）。r為降雨率，單位為（mm/h）。q 為雷達(dá)照射波與海平面的夾角。ξ為極化特征參數(shù)，當(dāng)雷達(dá)波為水平極化波時(shí)，取ξ=0°時(shí)；當(dāng)雷達(dá)波為垂直極化波時(shí)，取ξ=90°；當(dāng)雷達(dá)波為圓極化波時(shí)，取ξ=45°。kH、kV、γH、γV在35GHz 和95GHz 兩個(gè)典型窗口頻率上的取值如表1所示。

表1 頻率與kH、kV、γH、γV關(guān)系表

可見，降雨附加衰減αrain與工作頻率f、電磁波極化方式、降雨率r 等因素有關(guān)。假設(shè)雷達(dá)照射波與海平面的夾角q=5°，則35GHz、95GHz兩個(gè)典型窗口頻率上，不同極化方式時(shí)毫米波信號(hào)的降雨衰減αrain與降雨量r關(guān)系仿真結(jié)果分別如圖1、2所示［7］。

圖1 三種極化狀態(tài)下，f=35GHz時(shí)與αrain降雨率r的關(guān)系

圖2 三種極化狀態(tài)下，f=95GHz時(shí)與αrain降雨率r的關(guān)系

3 降雨對毫米波雷達(dá)偵察距離影響分析

要對毫米波雷達(dá)實(shí)施有源干擾，需要偵收毫米波雷達(dá)輻射信號(hào)并對其進(jìn)行識(shí)別。假設(shè)毫米波雷達(dá)的發(fā)射功率Pt；天線增益Gt；偵察系統(tǒng)接收天線增益Gj；雷達(dá)到偵察接收機(jī)的距離為R，則偵察系統(tǒng)接收到雷達(dá)輻射信號(hào)功率為

式中，λ為雷達(dá)工作波長；γj為極化因子，當(dāng)雷達(dá)極化方式與偵察天線一致時(shí)取值為1；Fj（q，j）為偵察系統(tǒng)天線在雷達(dá)方向上的歸一化方向函數(shù)；Ft（q，j）為雷達(dá)天線在偵察機(jī)方向上的歸一化方向函數(shù)；Latm為雷達(dá)波在空間傳輸時(shí)的衰減，與雷達(dá)到目標(biāo)的距離R（km）和空間衰減α（dB/km）的關(guān)系為

式中，空間衰減α為晴天時(shí)的空間衰減αfair與降雨附加衰減αrain之和，即α=αfair+αrain。

假設(shè)雷達(dá)天線與偵察系統(tǒng)天線極化匹配，即γj=1；Fj（q，j）=Ft（q，j）=1；偵察接收機(jī)的靈敏度為Prmin，則對毫米波雷達(dá)的偵察距離R應(yīng)滿足

假設(shè)毫米波雷達(dá)工作頻率f=35GHz，發(fā)射功率Pt=20kW，天線增益Gt=30dB，接收機(jī)天線增益Gj=20dB，則接收機(jī)靈敏度Prmin分別為-50dBm、-60dBm和-70dBm 時(shí)的偵察距離R 與降雨量r 的關(guān)系仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 f=35GHz，Pt=20kW時(shí)對雷達(dá)偵察距離與降雨率關(guān)系

對于采用低截獲技術(shù)的毫米波相參雷達(dá)，假設(shè)毫米波雷達(dá)工作頻率f=35GHz，發(fā)射功率Pt=20W，天線增益Gt=30dB，接收機(jī)天線增益Gj=20dB，則接收機(jī)靈敏度Prmin分別為-50dBm、-60dBm 和-70dBm時(shí)的偵察距離R 與降雨量r 的關(guān)系仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 f=95GHz，Pt=20W時(shí)對雷達(dá)偵察距離與降雨率關(guān)系

由仿真結(jié)果可以看出，降雨衰減嚴(yán)重影響對毫米波雷達(dá)輻射信號(hào)的偵察距離。對一般的非相參毫米波雷達(dá)，在小雨氣象環(huán)境下（r ＜2.6mm/h），對雷達(dá)的偵察距離在20km以上。但對相參毫米波雷達(dá)的偵察距離只有幾公里到十幾公里，低于雷達(dá)對目標(biāo)的探測距離，即當(dāng)偵察到毫米波雷達(dá)輻射信號(hào)時(shí)，雷達(dá)已經(jīng)捕捉目標(biāo)了，再釋放沖淡式有源假目標(biāo)干擾已經(jīng)沒有任何意義了，從這個(gè)意義上講，相參毫米波雷達(dá)導(dǎo)引頭是具有一定抗干擾優(yōu)勢的。

4 降雨對艦載有源壓制式干擾對毫米波雷達(dá)效果影響分析

艦載有源壓制式干擾通過大功率干擾信號(hào)壓制雷達(dá)接收機(jī)對目標(biāo)信號(hào)的檢測，當(dāng)雷達(dá)受到壓制時(shí)由于接收到的信噪比降低而無法捕捉目標(biāo)。當(dāng)雷達(dá)接收到的壓制式噪聲干擾信號(hào)足夠強(qiáng)（干擾信號(hào)大于雷達(dá)捕雜靈敏度Prjmin）時(shí)，雷達(dá)將工作在跟蹤干擾源狀態(tài)，類似于反輻射導(dǎo)彈中的被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭，只在角度上對干擾源進(jìn)行跟蹤，并引導(dǎo)導(dǎo)彈向干擾源方向飛行。隨著目標(biāo)距離的接近，目標(biāo)回波信號(hào)和信噪比逐漸增大，當(dāng)進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī)的信噪比滿足雷達(dá)正常檢測目標(biāo)條件時(shí)，則會(huì)對目標(biāo)進(jìn)行捕捉和跟蹤［8～10］。

根據(jù)雷達(dá)方程，雷達(dá)接收到目標(biāo)回波信號(hào)功率為

式中，s 為目標(biāo)RCS 數(shù)值；Rt為雷達(dá)與目標(biāo)的距離。雷達(dá)收到的干擾信號(hào)功率為

式中，PjGj為艦載有源干擾有效輻射功率；Rj為干擾源到雷達(dá)的距離；Δfj為干擾信號(hào)帶寬；Δfr為雷達(dá)接收機(jī)帶寬。

假設(shè)：Δfj=Δfr，γj=1，F(xiàn)j（q，j）=Ft（q，j）=1，上式簡化為

且由于是艦載有源干擾，滿足Rt=Rj=R，則進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī)的信干比為

假設(shè)：雷達(dá)天線增益Gt=30dB，工作頻率f=35GHz，雷達(dá)捕捉雜波靈敏度Prjmin=-60dBm，艦載干擾機(jī)等效輻射功率PjGj分別為50kW、100kW、200kW時(shí)，雷達(dá)轉(zhuǎn)入跟蹤干擾源狀態(tài)的距離與降雨量之間關(guān)系的仿真結(jié)果如圖5 所示。從仿真結(jié)果可以看出，在小雨或晴天環(huán)境下，只要毫米波雷達(dá)導(dǎo)引頭一開機(jī)，就工作在跟蹤干擾源狀態(tài)，無法對目標(biāo)進(jìn)行正常探測與跟蹤。

圖5 雷達(dá)轉(zhuǎn)入跟蹤干擾源狀態(tài)時(shí)距離與降雨率關(guān)系

隨著目標(biāo)距離的減小，進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī)的信雜比增大，當(dāng)距離為R0時(shí)，信雜比大于等于正常檢測目標(biāo)所需的最小信雜比（S/N）min，雷達(dá)將能夠正常捕捉和跟蹤目標(biāo)。由式（10）不難得出，（S/N）min與R0之間滿足

假設(shè)：雷達(dá)工作頻率f=35GHz，發(fā)射功率Pt=20kW，天線增益Gt=30dB，（S/N）min=13dB，艦船目標(biāo)的RCS數(shù)值為s=3000m2，艦載干擾機(jī)等效輻射功率PjGj分別為50kW、100kW、200kW 時(shí)，雷達(dá)轉(zhuǎn)入正常跟蹤目標(biāo)所對應(yīng)的距離R0與降雨率r 之間的關(guān)系仿真結(jié)果如圖6 所示。由仿真結(jié)果可以看出，在艦載大功率有源壓制干擾條件下，R0的數(shù)值為1km 以內(nèi)，已經(jīng)小于跟雜狀態(tài)下的捕捉下限，不可能再重新捕捉跟雜目標(biāo)了。

圖6 雷達(dá)轉(zhuǎn)入正常跟蹤目標(biāo)時(shí)距離R0與降雨率r關(guān)系

5 降雨對舷外有源壓制式干擾對毫米波雷達(dá)效果影響分析

艦載有源干擾雖然能夠憑借大功率的優(yōu)勢，壓制雷達(dá)使其無法捕捉目標(biāo)。但由于雷達(dá)在跟蹤干擾源狀態(tài)下實(shí)際上是在角度上對目標(biāo)進(jìn)行跟蹤的，照樣能引導(dǎo)導(dǎo)彈攻擊目標(biāo)［11～13］。但舷外有源干擾由于干擾平臺(tái)在舷外，有源壓制式干擾的破壞性更大。典型的舷外有源干擾有NULKA、“海妖”等［14］。但由于受到體積、供電等條件的約束，舷外有源干擾的有效輻射功率、開機(jī)干擾時(shí)間等指標(biāo)受到一定的限制。

假設(shè)：雷達(dá)天線增益Gt=30dB，工作頻率f=35GHz，雷達(dá)捕捉雜波靈敏度Prjmin=-60dBm，舷外有源干擾機(jī)等效輻射功率PjGj分別為1kW、5kW、10kW 時(shí)，雷達(dá)轉(zhuǎn)入跟蹤干擾源狀態(tài)的距離與降雨量之間關(guān)系的仿真結(jié)果如圖7 所示。從仿真結(jié)果可以看出，由于干擾源的壓制效果，雷達(dá)開機(jī)后無法捕捉到目標(biāo)，直至工作在跟蹤干擾源狀態(tài)。且由于降雨衰減的影響，只有在近距離上，才能跟蹤干擾源，并引導(dǎo)導(dǎo)彈向干擾源方向飛行。

圖7 雷達(dá)轉(zhuǎn)入跟蹤舷外干擾源狀態(tài)時(shí)距離與降雨率關(guān)系

隨著導(dǎo)彈距離的接近（ ≤R0時(shí)），雷達(dá)接收信號(hào)信雜比超過（S/N）min，雷達(dá)開始捕捉跟蹤目標(biāo)。但對舷外有源干擾而言，在跟蹤干擾源狀態(tài)時(shí)雷達(dá)天線波束是指向舷外有源誘餌的。若在距離R0上艦船目標(biāo)已經(jīng)偏離出雷達(dá)天線波束，雷達(dá)將不會(huì)重新捕捉目標(biāo)［15～16］。如圖8所示。

圖8 跟蹤干擾源態(tài)勢圖

假設(shè)：雷達(dá)工作頻率f=35GHz，發(fā)射功率Pt=20kW，天線增益Gt=30dB，（S/N）min=13dB，艦船目標(biāo)的RCS數(shù)值為s=3000m2，舷外有源干擾機(jī)等效輻射功率PjGj分別為1kW、5kW、10kW時(shí)，雷達(dá)轉(zhuǎn)入重新跟蹤目標(biāo)時(shí)的距離R0與降雨量之間關(guān)系的仿真結(jié)果如圖9所示。

圖9 雷達(dá)轉(zhuǎn)入正常跟蹤目標(biāo)時(shí)距離R0與降雨率r關(guān)系

由上述分析可見，在遠(yuǎn)距離上，由于舷外有源壓制式干擾的存在，使雷達(dá)導(dǎo)引頭無法捕捉目標(biāo)。當(dāng)距離較近雷達(dá)接收干擾信號(hào)超過雷達(dá)捕捉雜波靈敏度Prjmin時(shí)，雷達(dá)工作在跟蹤干擾源跟雜狀態(tài)，雷達(dá)在角度上對干擾源進(jìn)行跟蹤并引導(dǎo)導(dǎo)彈向干擾源方向飛行。隨著距離的接近（ ≤R0），進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī)的信雜比大于（S/N）min，雷達(dá)應(yīng)該能夠檢測到目標(biāo)。但若此時(shí)目標(biāo)距離已經(jīng)小于雷達(dá)導(dǎo)引頭捕捉下限，或目標(biāo)與舷外有源干擾的側(cè)向距離d滿足：

式中，2θ0.5為雷達(dá)導(dǎo)引頭天線波束寬度，則目標(biāo)位于雷達(dá)天線波束范圍以外，在跟蹤干擾源狀態(tài)下是無法發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的。這時(shí)雷達(dá)導(dǎo)引頭將無法捕捉和跟蹤目標(biāo)，也就無法對引導(dǎo)導(dǎo)彈對目標(biāo)進(jìn)行攻擊。

6 結(jié)語

論文分析了降雨衰減對毫米波雷達(dá)導(dǎo)引頭有源壓制式干擾效果的影響。降雨衰減不但影響毫米波雷達(dá)的作用距離，而且影響對毫米波雷達(dá)輻射信號(hào)的偵察距離、艦載有源和舷外有源壓制式干擾信號(hào)的干擾效果，以及毫米波雷達(dá)導(dǎo)引頭在干擾環(huán)境下的作戰(zhàn)效能。除此以外，降雨衰減還嚴(yán)重影響舷外和艦載有源欺騙式干擾的干擾效果。