艦載電子對抗系統電磁兼容性預設計技術＊

顏東升 王一飛 朱宜生

（中國船舶重工集團公司第七二三研究所 揚州 225001）

1 引言

隨著技術的發展，艦載電子武器裝備越來越復雜，具有大量的有源探測、無源探測、通信、數據鏈、電子干擾等通信、導航、雷達、電子對抗、敵我識別等功能的電子裝備。全艦武器裝備數量多，各電子系統工作頻帶嚴重重疊、交叉，相互干擾嚴重，使水面艦船的電磁兼容的管理和控制異常復雜［1］。如果按傳統的水面艦船的設計要求，只按水面艦船的任務使命和作戰能力對各電子武器裝備提出設計要求，不提出電磁兼容的要求，或對電子武器裝備之間的電磁兼容的關聯性考慮不周全、不充分，或對電子武器裝備的電磁兼容指標要求過低，會導致在全艦武器系統聯合作戰演練時暴露出大量問題。因此，必須臨時采取“加固”措施，對電子裝備進行復雜電磁兼容控制管理，使全武器系統能正常工作。但是由于電磁兼容的復雜控制管理，使全艦武器系統作戰效能大大降低，所以水面艦船電磁兼容預設計必需在水面艦船總體設計時一并完成［2］。

2 水面艦船面臨的最大威脅［3～4］

對水面艦船而言，其運動速度慢，上層建筑復雜，雷達反射面積（RCS）大等諸多的因素都成為反艦導彈容易擊中的靶子。

2.1 水面艦船面臨的威脅

1）掠海飛行的反艦導彈攻擊；

2）空中反艦導彈的攻擊；

3）魚雷的攻擊；

4）其他反艦制導武器的攻擊。

2.2 反艦導彈的攻擊方式

1）超音速攻擊

導彈速度快，盲飛時間短，減小中繼制導時間，甚至可以不用中繼制導，在慣導到達末制導區域時，末制導開機自動有效捕獲、跟蹤目標，并且這種導彈具有超視距攻擊能力。導彈接近艦船時，足以使艦船來不及反應，即使電子防御系統有效偵察、告警威脅，并進行ECM和無源／光電干擾，由于其反應時間已經來不及，只能靠近程攔截火炮擊落如此小的目標。

2）超低空攻擊

導彈超低空飛行使艦船雷達探測不到和使預警時間太晚，達到突襲的目的。

3）復合制導攻擊

使艦船的電子戰系統失去告警能力，例如：雷達主／被動結合、雷達／光電復合制導。

4）隱身攻擊

在導彈表面涂敷吸收材料減小艦載雷達的探測范圍來達到突防攻擊目的，其RCS在0.1m2以下。

5）飽和攻擊

前蘇聯提出的對付大型艦船，包括航母的殺手锏攻擊戰術，即在同一方向或不同方向同時以多批反艦導彈對艦船的攻擊。

6）導彈突防攻擊

在導彈上攜帶數個有源或無源假目標，在導彈接近攻擊艦船時拋出，模擬多批導彈攻擊，實施有效的突防攻擊。

3 水面艦船優化電磁兼容的管理控制的總體設計技術

3.1 先進封閉式桅桿設計技術

反艦導彈采用多種攻擊方式對水面艦船實施攻擊。水面艦船必須針對反艦導彈的攻擊方式采取一系列攻防手段對抗反艦導彈：

1）艦載綜合電子戰系統對抗反艦導彈：早期預警、有源干擾、無源／光電干擾、煙幕干擾；

2）艦載武器系統摧毀反艦導彈：導彈打擊、密集陣火炮打擊；

3）艦載綜合武器系統的對抗：軟、硬武器聯合打擊。

但是反艦導彈和水面艦船平臺的對抗本身是一對矛盾的統一體，每一艘艦船裝備了反艦導彈對敵艦進行攻擊，同時，每一艘艦船也裝備了電子戰系統、武器系統等對反艦導彈進行防御。這樣的攻防系統使水面艦船裝備越來越復雜，設備越來越多。例如美國“伯克”級驅逐艦的各種天線多達108部。各種天線本身是電磁波的發射器，又是電磁波的反射體，大大增加了水面艦船的雷達有效反射面積RCS，而且這種離散型的武器系統大大增加了作戰反應時間，延誤戰機，使水面艦船容易遭到反艦導彈的攻擊。

設計一種新的完全一體化的武器系統以滿足水面艦船的攻防要求：

1）快速反應。以對付快速低空威脅目標；

2）綜合攻防。能對付導彈的飽和攻擊，還能繼續生存；

3）電子對抗和反對抗。既有電子綜合對抗（電子防御／電子進攻）的能力，又有電子抗干擾的能力。

另一方面要求武器系統的傳感器具有隱身能力，不容易被搜索雷達和火控雷達探測、捕捉或被反艦導彈尋的頭鎖定，以提高水面艦船自身生存力。

美國對水面艦船的隱身性設計特別重視，例如，美國海軍提出“圣安東尼奧”級兩棲攻擊艦（滿載排水量為25296噸）（LPD－17）的雷達反射面積設計指標為“惠得具島”級船塢登陸艦（滿載排水量為15745噸）（LSD－41）的1%。而“惠得具島”級船塢登陸艦在9375MHz時RCS為31.5×104m2，則前者的RCS要求為3000m2左右。相當于現在一艘730噸左右的小艇。

水面艦船在對艦體上層建筑采用隱身設計的情況下，桅桿及其上面的天線對隱身的影響變得突出。因此，僅對桅桿進行隱身設計還不夠，必須要將桅桿的隱身設計和天線的隱身設計統一起來。美國海軍提出了隱身桅桿設計的思想—“先進封閉式桅桿／傳感器系統”（AEM／SS，Advanced Enclosed Mast／Senor System）。

AEM／SS的設計師追求“幾乎零散射”的聲、熱、電磁等信號特征，在桅桿上將各種探測器、通信系統天線從獨立走到聯合，實現不同用途天線的整合，即多探測功能的“孔徑集成”。

一個比較理想的設計是整合在隱身桅桿中的雷達、電子戰、導航、敵我識別、通信天線分別用于對空、對海搜索及引導區域防空導彈；監視、快速告警區域內的電磁環境和威脅信號；引導ECM對威脅信號實施有效干擾；對艦船進行導航；對敵、我、友目標能進行識別；通信聯絡和數據傳輸。

3.2 多功能傳感器集成設計技術［5］

3.2.1 對多功能傳感器的設計要求

開發一種低成本、單口徑、多波段、多模式、寬頻帶、大功率的相控陣系統以滿足艦船自衛、探測、監視、引導、目標、導航、通信等所有傳感器的要求：

1）在沿海區域或開闊海域的各種復雜環境下，能夠迅速探測、偵察和發現所有艦船目標、空中、掠海目標的潛在威脅。

2）在密集電磁環境中能正確截獲、分選、識別各種雷達信號，并能進行細微特征分析，對威脅信號實時告警。

3）對威脅目標快速告警，引導ECM／武器系統／導彈系統對威脅目標實施干擾／火控打擊／導彈攔截／導彈打擊。

3.2.2 多功能相控陣天線技術［6］

隨著技術的發展，具有綜合功能的相控陣天線成為該系統的關鍵技術。這種天線替代傳統機械旋轉口徑天線，減少對目標探測的駐留時間，提高雜波改善因子和數據更新率；天線多功能的實現使系統反應時間大大縮短，提高水面艦船作戰系統性能。

相控陣天線的設計成功使AEM／SS成為一個光滑的“外罩”，在這個“外罩”上布置特定的頻率窗口，既能使雷達、電子戰、通信、敵我識別的天線電磁信號通過，保證探測、通信、偵察能力；又能使敵方雷達信號入射以后被“外罩”吸收或散射，保證隱身性能。

目前相控陣雷達天線已研制成功，裝備水面艦船；多波束陣列天線亦裝備水面艦船，但是相控陣ESM／ECM天線正在研制，離裝艦還有距離。要求相控陣雷達天線的工作頻帶擴展到ESM／ECM的工作頻帶，再加上發射、接收、處理技術的研究，使相控陣系統滿足雷達、電子戰、通信、導航、敵我識別等功能的要求。

3.2.3 等離子體天線技術

根據等離子體在特定電磁場環境中能象金屬反射鏡一樣具有反射電磁波能力的特性，研究一種可電控等離子體天線，就可以快捷地對空間目標探測。這種等離子體天線安裝在隱身桅桿上，在必要時形成瞬間等離子天線，平時，可以長時間不形成等離子天線，使隱身桅桿處于“靜默”狀態，RCS很小，這樣就提高了隱身水面艦船作戰功能。

4 電子對抗系統的電磁兼容優化設計［2］

電子對抗裝備的特點是工作頻帶寬，接收機靈敏度高，干擾機的有效輻射功率大，其ESM的工作頻帶為0.5GHz～40GHz，并向下擴展到通信頻段，向上擴展到3mm波段，其靈敏度可達到－60dBm～－70dBm以上，甚至高達－90dBm，告警時間小于1s。雷達干擾機工作頻帶達到倍頻程，有效輻射功率達數百千瓦，甚至兆瓦級。如此高的接收機靈敏度和極強的輻射功率安裝在一個平臺上要解決收發隔離，必須要加強電磁兼容的設計，尋找和研究新技術、新方法，使電子對抗系統性能最佳發揮。

4.1 水面艦船平臺電子對抗裝備的安裝情況

水面艦船是海上作戰的主要平臺，一般而言，在水面艦船上有十幾個大系統，例如：通信系統、導彈系統、雷達系統、火控系統等都有本身的傳感器，首先要滿足武器裝備的威力范圍和射界，同時要滿足各系統的傳感器的兼容性設計。電子對抗設備在水面艦船平臺的安裝位置一般情況是，ESM接收天線都是安裝在主桅的上部，或主桅上部兩側。ECM發射天線安裝在主桅下部的兩側，要求ESM發射天線和ECM的接收天線垂直安裝。

ESM和Elint的工作頻率范圍包括了安裝在艦船平臺上的雷達、通信、導航等全部設備的工作頻率范圍，當這些設備的傳感器發射電磁波時ESM和Elint必定能接收到這些信號。ECM的干擾頻率范圍達到倍頻程以上，當干擾輻射時，上述設備的傳感器也必定能接收到ECM的干擾信號。所以，ESM／Elint／ECMZ在艦船平臺上的安裝將有特殊的要求：

1）電子對抗系統本身ESM／Elint和ECM之間的安裝問題，優化安裝設計提高系統本身的收發隔離度。

2）電子對抗系統與艦船其他系統之間的安裝問題，ESM／Elint受其他設備輻射的電磁干擾，而ECM輻射的電磁波將干擾其他系統，優化安裝設計，使互相的干擾達到最小或沒有。

4.2 艦載電子戰系統優化電磁兼容設計需要解決的幾個問題

4.2.1 高靈敏度偵收和大功率干擾發射的矛盾［7～8］

雷達偵察設備是高靈敏度ESM和Elint設備，一般而言，其靈敏度可達－60dBm以上，Elint的靈敏度為－70dBm～－75dBm以上，雷達有源干擾設備ECM的有效輻射的CW噪聲干擾功率（EPR）高達100kW～300kW以上，脈沖波欺騙干擾功率高達150kW～300kW以上，ESM、Elint設備的接收功率和ECM設備的發射功率兩者相差143dB～153dB，如此之高的差值，ESM和Elint設備的天線座和ECM設備的天線座都要求安裝在主桅上，而且兩者的安裝距離受梔桿高度限制，所以，必須要盡可能拉開ESM和ECM安裝距離；在Elint／ESM天線的下方、ECM天線的上方加裝隔離板，保證電子戰系統能正常的工作。

4.2.2 接收天線的副瓣和發射天線副瓣的問題

對于天線設計工程師都是盡最大可能使天線的副瓣電平達到最小值，但是根據戰術使用的要求，要選擇不同型式的天線其副瓣電平是有一定的限制。目前雷達偵察設備和雷達干擾設備均要求采用多波束天線技術設計，而多波束接收天線，其副瓣電平在－15dB（俯仰面、典型值），多波束發射陣列天線，其副瓣電平最好為－30dB（俯仰面、典型值），所以ECM干擾發射時對ESM、Elint設備的影響是非常明顯的，若ESM設備采用全向天線，其俯仰面上的波束寬度很寬，干擾發射對其影響更大，降低接收天線的副瓣和發射天線副瓣將直接優化了電磁兼容的管理。

4.2.3 同方位同頻率同時收發工作的矛盾

根據電子戰的戰術需求，要求在偵察和干擾的相同頻段內對同一載頻同收同發工作。所謂“同頻同收同發”工作，即ESM偵收雷達輻射源的載波頻率和ECM對該輻射源進行干擾的頻率相同。在這種工作狀態下，就要求ESM高靈敏度工作和ECM滿功率干擾發射時，電子戰系統正常工作的收發隔離度最小值要達到143dB～153dB，必須采取綜合性措施，提高收發隔離度。目前大部分裝備都采用時分工作方式。

4.2.4 艦船上層建筑對電磁波反射、散射和繞射的問題

電磁波碰到金屬物體必將產生反射，這樣就有一定的RCS（雷達反射面積），同時還產生散射和繞射，艦載電子戰系統的偵察設備在接收雷達輻射源信號來波的同時亦接收雷達照射艦船上層建筑物的散射和繞射信號，同樣的道理，ECM在對雷達輻射源進行干擾時，干擾電磁波在其天線主瓣和副瓣輻射路徑上的能量碰到障礙物時必須產生反射、散射和繞射，這樣，ESM在其靈敏度范圍內肯定能接收到ECM的干擾信號，而這種干擾信號對ESM是極其有害的，在嚴重時，破壞了電子戰系統的正常工作狀態，艦船總體隱身桅桿、多功能傳感器集成設計技術都是減少艦船上層建筑對電磁波反射、散射和繞射的技術。

4.2.5 海洋環境對電子戰系統工作穩定性的影響

我們知道，海洋環境不僅對聲納系統產生直接的影響，而對電子戰系統等電磁輻射接收系統亦將有直接的影響，對艦載電子戰系統根據戰術使用特點，工作頻帶寬、干擾功率大、靈敏度高、全空域、100%截獲概率、實時性，且系統設計中的天線座一般不采用穩定平臺，所以海洋環境對系統穩定工作影響是很明顯的，而惡劣的海洋環境中，電磁波在海面上的反射是很強的，其反射的電磁波直接影響了ESM的工作穩定性，采用穩定平臺和優化信號處理軟件是解決的好辦法。

綜上所述，ESM和ECM兩個設備之間的電磁兼容問題直接影響了電磁戰系統的工作穩定性。首先對ESM和ECM兩個設備的安裝等問題進行優化設計，使電子戰系統的工作穩定性有很大的提高：

1）ESM和ECM兩個設備天線座的安裝優化設計；

2）ESM和ECM兩個設備的收發隔離板的優化設計；

3）電子戰系統同頻同收同發工作狀態的優化設計；

4）ESM多波束接收天線降低天線副瓣電平的優化設計；

5）ECM多波束發射天線降低天線副瓣電平的優化設計；

6）ESM優化信號分選降低海雜波干擾影響的設計等等。

5 電子對抗系統電磁兼容優化設計技術措施［2］

5.1 能適應高密度電磁環境工作

在水面艦船上安裝的電子設備，其頻率復蓋范圍從短波、超短波、米波、微波直到紅外和激光，這些設備和系統的探測器在工作時均輻射電磁波，電磁波在艦船上的反射、繞射和在水面上的反射引起的虛假信號和雜散波使ESM的信號分選帶來困難，需在信號分選的軟硬件上下功夫。

5.2 收發隔離優化設計［7］

所謂收發隔離指ESM接收機和它所引導的干擾機之間同頻率同方位同時工作所需要的隔離度。以雷達電子對抗系統為例來說明，雷達ESM接收機不僅要偵收周圍的電磁信號，并對威脅信號進行告警，實時引導雷達ECM干擾機對威脅目標實施各種干擾。則ESM和ECM之間存在著同頻率同方位同時偵收和干擾的工作狀態，ESM和ECM之間的收發隔離度為

其中：PC為干擾機的發射功率；Prmin為偵察接收機的靈敏度。我們根據雷達方程：

其中：Pr為接收功率；Pc為發射功率；GC（α）為在α發射角的天線增益；Gr（β）為在β發射角的天線增益；λ為工作波長；R為發射天線和接收天線之間距離。

在水面艦船的主桅上部安裝接收天線，在主桅下部安裝發射天線，其安裝距離直接影響收發隔離度值。由式（2）可以看出，R越大則收發隔離度值就越大。所以，在艦船總體設計時必需要充分考慮。但是，往往靠拉開R值提高I值是不夠的，必須還要安裝隔離板提高收發隔離度。

5.3 雷達偵察和雷達干擾的匹配設計［11］

雷達偵察設備和雷達干擾設備組合在一起統一設計、統一控制、統一管理則組成一個雷達電子對抗系統。雷達偵察對周圍的電磁環境進行態勢顯示，對周圍的雷達信號進行分選，識別并對威脅目標告警，引導雷達干擾機對威脅目標實施噪聲、欺騙或噪聲＋欺騙的組合式干擾。在水面艦船平臺上，雷達電子對抗系統的偵察和干擾兩個組成部分在同一平臺上的匹配設計是很重要的研究課題。

雷達偵察機為了正確引導雷達干擾機對威脅目標實施干擾，并得到好的干擾效果，則首先研究雷達偵察機不受本艦雷達干擾機的同頻干擾。

1）雷達偵察機微波前端設置前置預選器，保證雷達偵察機在干擾頻帶之外的寬頻帶工作，預選器頻帶的選擇應根據干擾機干擾頻帶自適應調整。

2）在盡可能提高雷達偵察機和雷達干擾機的收發隔離度的情況下，適當降低雷達偵察機在雷達干擾機干擾頻帶內的靈敏度，使雷達偵察機在雷達干擾機發射干擾時的干擾電平不影響雷達偵察機的工作。

3）雷達偵察機天線和雷達干擾機天線的低副瓣平的設計技術。

6 艦載電子系統電磁兼容性預設計技術［1］

6.1 水面艦船總體的頂層設計

水面艦船總體頂層設計不僅要考慮使命任務和艦體隱身等各重大技術設計，而且必須要考慮電子武器裝備的電磁兼容的預設計，包括：

1）電子武器裝備的安裝布置，建立電子裝備武器的安裝數學模型，進行仿真設計，評估作戰效能。

2）電子武器裝備傳感器的頻率和頻段的選擇、發射功率、發射頻譜、天線特性、接收機特性、信號處理特性等建立數學模型進行仿真設計。

尤其水面艦船的頻率和頻段的分配和選擇對電磁兼容的影響很大，盡可能分頻段工作，避免同頻率和同頻段重復。

3）根據安裝布置的仿真結果，提出對電子武器裝備的傳感器的電磁兼容的技術指標要求。

4）根據水面艦船的使命任命、總體技術和電磁兼容的頂層設計選取電子武器裝備。

6.2 水面艦船電子武器裝備的電磁兼容設計

1）水面艦船電子武器裝備各系統之間由于安裝位置、武器裝備的技術狀態等，在使用中必然存在著矛盾，例如：電子戰系統ESM設備與雷達、通信與通信對抗、電子干擾與雷達和電子偵察與衛通等等。在裝備研制中就要考慮電磁兼容的硬件和軟件設計。例如：當雷達設備之間、通信設備之間；雷達、通信設備與雷達對抗、通信對抗設備之間；電子干擾、電子偵察設備與衛通設備之間等等，在工作頻帶上相互之間有重疊時，應在微波前端設計前置濾波器，其帶外隔離應滿足工作頻率上功率電平的隔離要求。

2）電子武器裝備本身的電磁兼容設計［12］。

6.3 電子對抗系統的電磁兼容設計

1）電子偵察和電子干擾的電磁兼容設計，包括收發隔離技術等。

2）電子偵察的電磁兼容設計，包括頻域管理、時域管理等。

3）電子干擾的電磁兼容設計，包括頻譜管理、干擾技術管理以及功率管理等。

7 結語

隨著當今世界發展的不平衡，地區沖突越來越多，局部戰爭越來越頻繁，新一輪武器裝備競賽越演越烈，為了使艦載武器系統作戰效能有效發揮，就必須進行電磁兼容性預設計。

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