低截獲概率技術抗干擾研究

韓陽陽，蘇五星，盧小勇，李建東

（空軍預警學院，武漢430019）

0 引 言

現代電子戰中，電子對抗環境對雷達的生存考驗越來越嚴峻，在雷達對抗中，對抗雷達的一方需要首先偵察截獲到雷達的信號，對信號進行分析、識別，然后才能有針對性地對雷達信號進行干擾[1]。在不進行“硬碰硬”的對抗中，人們采取了“躲避”的新戰法，低截獲概率（LPI）技術正是抗干擾、抗偵察、抗摧毀的綜合體現。

低截獲概率技術是提高雷達作戰能力和生存能力的根本途徑。雷達的低截獲特性是雷達生命力的關鍵，LPI技術可降低雷達發射信號被偵察截獲接收機截獲跟蹤的概率，并且有效地避免敵方的電磁干擾，是雷達反電子偵察階段應采用的關鍵技術[2]。低截獲概率技術對于抗干擾具有現實意義。本文重點研究LPI技術抗干擾。

1 低截獲概率原理

1.1 低截獲概率雷達的定義

施里海爾首先給出了截獲概率因子這一概念的表達式，即：

式中：Rj為偵察截獲接收機對雷達的最大作用距離；Rt為雷達對偵察截獲接收機的最大作用距離。

圖1示出了雷達、目標和偵察截獲設備的關系。

1.2 截獲因子的表達式

由式（1）和雷達方程可以得出[3]：

圖1 目標偵察機和雷達關系圖

式中：Gt為雷達發射機的天線增益；Et為雷達的發射機能量；Gr為雷達接收機的天線增益；σ為目標的雷達截面積；λ為雷達波長；Dt為雷達回波經信號處理后的增益；τ為雷達的脈沖寬度；Tt為雷達噪聲溫度；St為雷達所需要滿足的信噪比；Sj為偵察接收機所需要滿足的信噪比；Lt為雷達的損耗；G′t為雷達在截獲接收機方向上的天線增益；Gj為截獲接收機的天線增益；γ為極化匹配系數；Dj為截獲接收機獲得的信號處理增益；Tj為雷達噪聲溫度；Bj為偵察接收機信號帶寬；Lj為偵察接收機的損耗。

文獻[6]提出在考慮以上參數的同時，也要考慮雷達發射信號被截獲后在截獲接收機中的處理增益。定義低利用概率（LPE）：雷達信號在偵察接收機內經過信號處理被利用的概率最小。可以得出新的截獲因子的表達式為：

式（3）反映了截獲因子和雷達參數及截獲接收機參數之間的約束關系，再將式（3）進一步整理可得雷達最大作用距離為：

1.3 低截獲概率改善因子

為簡化方程，假設極化系數γi＝1，噪聲系數時，臨界距離R滿足：

由上面的簡化公式可以看出，雷達改善因子At對于雷達的最大作用距離Rmax影響很大。

表1 雷達橫截面積

假設取3種類型目標的典型雷達反射截面積分別為0.05m2、2m2、500m2，給出Ar和Rmax的關系仿真圖，如圖2所示。

圖2 改善因子隨作用距離變化圖

由圖2可以看出，目標的截面積越大，則需要的改善因子的改善程度就越小。由此也可再次印證低截獲雷達只是一個相對的概念[4]。

2 影響低截獲性能改善的討論

由對低截獲因子的分析可以得到，低截獲因子的改善可由圖3列出。

由圖3可以看出8項影響低截獲性能的因素，很多文獻都已經進行了詳細的討論，本文總結如下：目標探測的橫截面積大、降低副瓣天線增益、采用擴譜技術增大接收機帶寬、使用功率管理技術或使用連續波／準連續復雜波形降低發射信號功率、增加雷達信號處理增益、降低截獲利用因子、較高的雷達靈敏度和較低的偵察截獲接收機靈敏度、調整極化匹配系數、降低雷達損耗，有利于低截獲性能的改善。

圖3 影響低截獲性能的因素

雷達信號設計是低截獲概率技術中的核心內容，下面只對發射信號形式做分析。從改善雷達LPI性能的角度來考慮，信號應采用大時寬帶寬積信號[5]，目前低截獲概率技術常用的大時寬脈沖信號主要有：線性調頻信號、相參脈沖信號、相位編碼信號等。本文給出了一種脈間GOLD序列脈內線性調頻（LFM）的復合信號形式[6]。此復合信號具有LFM和GOLD序列的雙重優點、大的時寬帶寬積以及很強的低截獲性能。

假設某部雷達的發射信號為31位GOLD碼序列和線性調頻混合調制信號，其中心頻率為20MHz，調頻帶寬為2MHz，每一位碼寬為8μs，發射信號的幀周期為1ms。圖4示出了線性調頻信號和混合信號的頻譜圖。

圖4 三維模糊函數圖

從圖4中可以看出，信號的模糊函數圖為圖釘型，可以提供高距離分辨率和速度分辨率。

[7]知：對一般信號來說α∝，τ為雷達信號的時寬，B為信號的調制帶寬；

當雷達信號為LFM－GOLD復合信號時，α ∝，P為GOLD碼的序列長度。按以上給出的假設可計算出3種信號的低截獲性能的數值關系：

代入數據得：αL－G＝0.18×αL＝0.25×αG＝0.045×αn。可以看出采用復合信號的雷達截獲因子是LFM信號的0.18倍，是GOLD信號的0.25倍，是普通雷達的0.045倍，具有比單純的LFM信號和GOLD信號更加優良的低截獲性能。

3 LPI技術抗干擾性能分析

雷達采用LPI技術，處于寂靜狀態，降低了偵察設備發現雷達的概率。當偵察截獲設備不能發現雷達的存在或不能破解雷達信號時，只能采取寬帶干擾方式，降低了干擾功率，使其干擾效果變差。LPI各項技術也是積極對抗干擾的措施。

3.1 雷達寂靜

3.1.1 低副瓣／超低副瓣天線

假設雷達采用數字波束形成技術，很容易獲得低副瓣、高主瓣增益和接收天線增益。假設雷達主瓣增益為36dB，副瓣增益為1dB（相對副瓣電平－35dB），雷達接收天線增益為40dB，偵察接收機天線增益為10dB。假設偵察接收機截獲雷達副瓣信號，計算，可以得出天線副瓣對改善因子的貢獻η＝65dB。

3.1.2 雷達信號處理和截獲利用因子

雷達接收大時寬帶寬的回波信號時，由于擁有先驗知識，可以采用脈沖壓縮、相干積累、寬波束發射、多波束接收以及動目標顯示（MTI）技術、動目標檢測（MTD）技術、脈沖多普勒（PD）技術甚至是空時二維信號處理（STAP）等技術，獲得Dt的增益大約為40dB[7]，然而偵察接收機獲得的雷達信號是不能匹配接收的，再者雷達發射的信號為偽隨機碼與LFM的復合信號，信號形式復雜，難于分析[8]。假設其經過處理后獲得了一定的處理增益，為10dB，則綜合起來可以獲得增益為κ＝30dB。

3.1.3 大時寬帶寬信號

雷達發射信號采用脈間偽隨機GOLD序列碼和脈內線性調頻的混合調制信號，這是一種大的時寬帶寬積信號，假設帶寬為1MHz。偵察接收機截獲信號，設其有效帶寬為150MHz。雷達接收采用匹配濾波器進行匹配接收，對大時寬帶寬信號進行脈沖壓縮，由可知Bi／Br一項對At的貢獻為α＝21.76dB。3.1.4 天線極化損失

偵察接收機一般都采用圓極化天線，在對抗偵察接收機時雷達可以采用變極化措施，則γi一項對At的貢獻為β＝1.5dB左右。

3.1.5 雷達和偵察接收機靈敏度

假設某截獲接收平臺的靈敏度為－70dBmW，雷達選擇高增益、低噪聲等性能優良的器件來提高雷達的靈敏度，假定為－100dBmW，那么靈敏度一項對At的貢獻為30dB左右。又Pmin＝KTBF（S／N），常規雷達信號帶寬一般在2MHz左右，而偵察接收機有效帶寬一般在100～200MHz左右，假設其為150MHz。由pmin＝10×可知帶寬一項對At的貢獻為18.75dB。避免重復，減去這一項，所以靈敏度一項對At的貢獻約為γ＝11.25dB。

3.1.6 雷達和偵察接收機損耗

損耗不易控制，雷達發射、傳播和接收等因素的影響損耗要大些，假設為10dB，偵察接收機的損耗為6dB，則損耗對At的貢獻約為χ＝－4dB。

綜合以上各個因素，改善因子的改善程度為：A＝η＋κ＋α＋β＋γ＋χ＝127.01dB

假設偵察截獲接收平臺的雷達目標橫截面積為2m2，由計算公式可得雷達相對此平臺的寂靜距離由此可以得到低

截獲雷達相對于具有相當此類截面積的偵察截獲接收設備的寂靜距離接近于900km，在此范圍以外，偵察設備不能發現雷達的存在，進而敵方在不知道雷達的情況下不會施放干擾，也就保證了雷達免受電子干擾的威脅。

在以上討論的改善因子情況下，如果偵察接收機的橫截面積再有變化，則雷達相對的寂靜距離也會發生相應調整，如表2所示。

表2 雷達截面積與LPI寂靜距離的關系

表2中列出了當目標的雷達截面積為2.5m2時，雷達對其相對寂靜距離可達到1 000km。在這個距離之外敵方偵察設備不能發現雷達，而雷達卻可以發現偵察設備，雷達就處于有利地位。

3.2 寬帶干擾

在未能偵察到確切信號的情況下對雷達實施干擾，由于沒有先驗知識，無法使用有針對性的干擾，必須采取寬帶干擾，降低了干擾的功率譜密度，其干擾信號也因與雷達信號不匹配而使得干擾的效果很差。干擾機采用寬帶干擾措施，使得干擾信號的功率譜降低，其表達式為：

式中：P′j為干擾機對雷達的有效功率；Bt和B′j分別為接收機帶寬和干擾信號帶寬。

由雷達對抗知識可得雷達接收機輸入端的干擾信號和目標回波信號的功率比值為[9]：

將式（9）代入式（10）得：

設雷達參數：雷達發射天線主瓣增益為36dB，副瓣增益為1dB（相對副瓣－35dB），雷達綜合損耗（包括發射、接收、大氣、極化）為10dB，波長為0.1m，目標的雷達橫截面積為2m2，雷達帶寬為2MHz。設干擾機參數：干擾機有效輻射功率100kW，帶寬變化為100～1 000MHz，干擾機與雷達天線距離為300km，干擾天線增益為13dB，干擾功率綜合損耗（包括發射、接收、大氣、極化）為6dB，則雷達在遠距離支援干擾條件下的自衛距離為：

由圖5可知，在遠距離支援干擾中，干擾機實施寬帶干擾時，干擾的帶寬越大，雷達的自衛距離越大，雷達越處于有利地位。干擾機帶寬可以使雷達自衛距離變化接近20km。同時也可以說明，雷達的壓制系數越大，雷達自衛距離越遠，并且在干擾機功率一定的情況下，干擾機帶寬越寬，雷達壓制系數對于自衛距離的影響越是明顯。

圖5 遠距離干擾雷達自衛距離變化圖

當為自衛干擾形式時，式（11）可變為：

干擾從雷達主瓣和信號同時進入接收機，從而雷達的自衛距離表達式變為：

設自衛干擾時其干擾機的發射功率為1kW，帶寬變化為10～100MHz，其他參數不變，其仿真結果如圖6所示。

圖6 自衛干擾雷達自衛距離變化圖

分析圖6可知，自衛干擾時自衛距離也呈現出同樣的變化趨勢。綜上所述，干擾機帶寬增加，功率譜密度下降，雷達的自衛距離增加，干擾效果下降。

3.3 積極對抗

低截獲概率技術只是綜合利用各種技術措施盡可能將雷達的被偵察截獲概率降到最低，但也只能說是一個概率事件，一旦雷達被敵方偵察截獲，雷達采取LPI的多種技術手段，也可積極對抗。

波形：雷達LFM－GOLD復合波形信號是具有大時寬帶寬積并且具有復雜脈內結構的信號，具有優良的模糊圖，不易被偵察設備破解。

空間：數字波束形成技術可以在干擾的方向上自適應地形成零點；低副瓣／超低副瓣使得從副瓣進入的干擾盡可能低；旁瓣對消、旁瓣消隱技術也可以起到重要的抗干擾作用。

極化：雷達采用極化分集、變極化等技術，使得干擾信號與雷達接收機失配，將干擾信號盡可能地抑制。

頻率：還可以采用頻率捷變、頻率分集、自適應頻率捷變等技術使得雷達發射的頻率跳到干擾信號的頻譜的空隙或者弱區[10]。

4 結束語

本文研究了低截獲概率技術的定義及影響因素，定義了低截獲改善因子和低利用因子，重點分析了低截獲概率技術對抗干擾的原理，并從雷達寂靜、寬帶干擾、積極對抗3個層面對其進行了仿真分析，量化分析了雷達各個改善因子的改善效果、雷達寂靜距離，仿真分析了在寬帶干擾中自衛干擾和遠距離干擾2種形式的干擾機帶寬、雷達抗壓制系數和雷達自衛距離的關系，分析了雷達積極對抗的技術，說明了低截獲概率技術具有良好的抗干擾性能。

參考文獻

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