有源壓制性干擾的干擾模糊區建模與仿真?

羅金亮,金家才,朱 霖

(1.解放軍電子工程學院302教研室,安徽合肥230037;2.安徽四創電子股份有限公司,安徽合肥230088)

0 引言

有源壓制性干擾是一種通過發射噪聲或類似噪聲的強干擾信號,使雷達系統接收端信噪比嚴重降低,目標回波信號模糊不清或完全淹沒在干擾信號之中而難以或無法判別的電子干擾。其只需要獲取敵雷達信號少量的信息(雷達信號的頻率及頻率變化范圍信息)便可以釋放有效干擾,是一種易于實現的干擾方式,也是較為常用的一種干擾方式。

然而就如何對該類干擾效能進行高效、準確地評估,一直是界內不斷探索且爭論不休的難題,且目前也暫無統一定論。文獻[1]總結了雷達干擾效果的評估準則,主要包括信息準則、功率準則、概率準則和時間準則;文獻[2]與文獻[1]相比又增加了戰役-戰術準則,其方法是通過戰役或戰術行動的整體作戰效能的變化來反映雷達干擾效果;綜合分析所查閱的所有文獻,目前針對雷達有源壓制性干擾的評估準則絕大多數采用功率準則,文獻[3]利用干擾壓制區的概念分析了掩護固定目標時的干擾波束內的壓制區模型;文獻[4]利用干擾扇面的概念進行了機載雷達有源干擾的扇面分析及模型建立。

上述研究成果極大程度地豐富了有源壓制性干擾效果評估的方法,在一定程度上為有源壓制性干擾的作戰使用提供了參考,但綜合分析上述研究成果,不難發現其評估結果均過于絕對,均采用“非此即彼”的描述,在實際中是否真的超過“干擾壓制區”、“干擾扇面”或“干擾掩護區”的區域外邊線就會立即暴露在敵雷達的探測威脅下呢?答案是否定的,因為干擾功率隨距離的變化是一個漸進的過程,同時現代雷達的信號檢測也是一個動態可調的過程,因此,當在實戰或實測中不難發現,當被保衛目標的位置超越所估算的“干擾壓制區”、“干擾扇面”或“干擾掩護區”的區域外邊線時也不會立即被發現,而是要經過一個逐步被暴露的過渡區域即為干擾模糊區,在該區域內被保衛目標在雷達顯示器中呈現“時現時隱”的模糊狀態,無法被準確、連續地測定。

1 干擾模糊區的形成機理及模型構建

干擾模糊區是有效干擾區與暴露區之間的干擾效果逐步衰減,被保護目標逐漸被暴露的模糊過渡區域,它是干信比JSR與目標距離Rt之間呈連續反比關系的重要體現,其在現實中也是真實存在的。

1.1 干擾模糊區的形成機理

目前較為先進的雷達對目標回波信號的檢測均是在基于一定發現概率Pd和虛警概率Pfa的條件下(恒虛警率CFAR),設定一個檢測門限,如圖1所示,當被檢測信號電平大于或等于檢測門限電平時,如圖1中A點所示,雷達則認為此點有目標存在;當被檢測信號電平小于檢測門限電平時,如圖1中B點所示,雷達則認為此點為噪聲并在通過檢波器時直接被濾除。然而通過檢波器所被成功檢錄的信號中并非全為真實目標回波信號,若噪聲信號超過檢測門限并被判定為“目標”,則該“目標”便稱為“虛警”。

圖1 雷達回波信號

有源壓制性干擾通過向雷達發射噪聲或類似噪聲的干擾信號,以增大進入雷達接收機內信號中的噪聲。當雷達接收機內噪聲過大則將導致“虛警”過多時,雷達會相應地提高檢測門限,以減少“虛警”,但隨著檢測門限的提高,相應一些能量較弱的真實目標回波信號也會被濾除,同時,由于雷達需要保證一定的發現概率,所以雷達也不可能過高地提高檢測門限,因此,當對雷達施放較大功率的有源壓制性干擾時,其將直接影響雷達信號檢測,導致雷達檢測門限相應提高,致使部分真實目標信號丟失,同時存在部分較大能量的噪聲信號被雷達成功檢錄,致使在雷達屏幕上形成一定程度的“亮斑”,其“亮斑”的大小取決于進入到雷達接收機內的干信比JSR小。

在大多數文獻中,將使雷達剛好失去正常工作能力的干擾信號功率與目標回波信號功率比值JSR定義為干擾壓制系數Kj[5],針對雷達來說Kj通常為一個定值,其主要與雷達對信號檢測性能相關,與外部干擾無關。為使干擾保持有效則必須使JSR≥Kj,經測試表明,常規脈沖雷達的干擾壓制系數Kj通常為3～5 dB[6]。

根據干擾方程可得

式中：JSR為進入到雷達接收機內的干信比;PtGt為雷達等效輻射功率;σ為被掩護目標的有效反射面;Rj為干擾機與雷達之間的距離;Lt為雷達信號在空中的傳播損耗因子;PjGj為干擾機等效輻射功率;kf為雷達接收機有效通帶寬度與干擾信號頻譜寬度之比;Lj為干擾信號在空中的傳播損耗因子;Gt為雷達天線主瓣增益;Gt(θ,φ)為偏離雷達主瓣方位角為θ,俯仰角為φ的副瓣增益。

從式(1)可以看出,在其他參數確定后,JSR與R4成正比,也就是說在作戰過程中,當其他狀態均保持不變的狀態,隨著被保衛目標與雷達之間的距離減小,雷達接收機內的干信比JSR也將逐漸減小,其關系如圖2所示,從圖中可以看出JSR與R之間的關系呈一條連續遞增的曲線。

圖2 JSR與R的關系

現假設雷達干擾壓制系數為3 dB,根據圖2可知,當被保衛目標與雷達之間的距離R≥21.2 km時,雷達將被有效壓制,現需要解決下述兩個問題：

1)需要論證是否R一旦小于21.2 km即為被保衛目標進入了“暴露區”呢?答案是否定的,因為根據圖2的仿真結論,我們知道干信比JSR與R之間的關系呈一條連續遞增的曲線,并不存在陡變的現象,因此,其干擾效果也應該是逐漸遞減的過程。

2)干信比JSR要減小到什么程度才能徹底使雷達不受到干擾影響?根據圖1我們知道在同一時刻t(即同一位置),當干擾信號與目標回波信號功率相等時,干擾信號依然能有效掩蓋目標回波信號,反之則無效,由此可知,只要干信比JSR≥0,有源壓制性干擾便具備有效掩護目標的可能。

綜上所述,當干信比JSR逐步減小時,有源壓制性干擾的干擾效果并非從“有效壓制”直接跳入至“目標暴露”,其中間存在一定的過渡區域。在該過渡區域中,目標回波信號并非被干擾信號絕對掩蓋,而是存在被掩蓋的可能,目標時隱時現,其干擾效果是模糊的,因此,我們將該區域定義為干擾模糊區。

1.2 干擾模糊區的模型構建

1)干擾模糊距離Rm

根據上述對干擾模糊區的定義及其形成機理的描述,可得有源壓制性干擾的干擾模糊區的數學模型為

式中,Rm為雷達的干擾模糊距離。其余項與式(1)相同。

2)干擾壓制系數Kj

雷達接收機的干擾壓制系數是指接收機輸入端線性分量的傳輸頻帶內使用壓制干擾信號下的必需的最小干信比。其數學模型[7]為

式中：τs為脈沖寬度;Δfs為頻帶寬度;Pd為雷達檢測概率;Pfa為雷達虛警概率。

對于不同體制的雷達及其采用相應的抗干擾方法,其干擾壓制系數均有所不同,具體情況詳見表1[5]。

表1 各典型體制雷達或雷達抗干擾方法的干擾壓制系數計算

3)天線副瓣增益Gt(θ,φ)

在雷達干擾效果評估過程中,雷達天線的方向性增益對準確評估的影響較大,然而雷達真實的雷達天線增益方向圖只能通過實測獲得,為實現對雷達干擾效果的有效評估,通常采用建立替代模型的方法進行雷達天線方向性增益進行估算。

由于有源壓制性干擾可用于對任何類型的雷達實施干擾,既可以是預警雷達也可以是制導(火控)雷達,由于本文主要探討有源壓制干擾的干擾模糊區,而預警雷達與制導(火控)雷達相比,其探測距離及受到相同干擾時所呈現的干擾區域范圍都要略大,因此,為更顯著地展示干擾模糊區的效果,選定對預警雷達進行干擾評估建模。由于現有主戰預警雷達大多采用余割平方天線。

其在方位平面上天線波束的主瓣方向圖一般為高斯型,而主瓣以外的方向圖為辛格函數形式,其方向圖函數為

式中：f(θ)為雷達方向圖函數;θ0.5為雷達在方位平面上的半功率波瓣寬度。

設θ0.5=3.8°,根據式(4)對雷達天線方向圖進行仿真,得到余割平方天線方位平面的方向圖如圖3所示。

圖3 θ0.5=3.8°雷達天線方位平面的方向圖

其在俯仰平面上天線波束的主瓣方向圖一般為余割平方形,其方向圖函數為

式中：φ0.5為雷達在俯仰平面上的半功率波瓣寬度;φtill為主瓣相對于水平面上仰的角度。

設φ0.5=8°,φtill=7°,根據式(5)對雷達天線方向圖進行仿真,得到余割平方天線俯仰平面的方向圖如圖4所示。

圖4 θ0.5=8°雷達天線俯仰平面的方向圖

綜上所述,天線副瓣增益Gt(θ,φ)應為

Gt(θ,φ)=f(θ)·g(φ) (6)

根據式(6)對雷達天線方向圖進行仿真,得到余割平方天線立體方向圖如圖5所示。

圖5 θ0.5=3.8°,φ0.5=8°雷達天線方向圖

2 干擾模糊區的仿真分析

現以航空電子對抗力量采取遠程支援干擾方式,對敵地面遠程預警雷達實施有源壓制性干擾,以掩護我航空兵實施突防為背景,進行干擾模糊區的仿真分析。

2.1 單部雷達干擾模糊區仿真分析

以干擾美AN/TPS-44預警雷達為例,設其Pt=1.12 k W,Gt=29 dB,θ0.5=3.8°,φ0.5=8°,Kj=3 d B;設干擾機Pj=1 k W,Gj=27 d B,R′j=1.5×105m,Hj=6000 m,kf=10;突防飛機σ=10 m2,Ht=150 m;信號在空氣中的傳播衰減不計。

通過Matlab仿真,結果如圖6所示。

圖6 單部雷達干擾模糊區仿真結果圖

圖6(a)顯示的是未考慮干擾模糊區時的干擾效果圖,“心”形線內所圍成的區域為“干擾暴露區”,“心”形線外的其他區域均為“有效壓制區”;圖6(b)顯示的是加入干擾模糊區時的干擾效果圖,小“心”形線內所圍成的區域為“干擾暴露區”,小“心”形線外與大“心”形線內所夾的區域為“干擾模糊區”,大“心”形線外的其他區域為“有效壓制區”。

根據仿真結果可以看出,若未考慮“干擾模糊區”的實際存在,則在估算干擾暴露區時,其范圍將明顯增大,在絕大部分方向上擴大縱深約達5 km,在該區域內預警雷達并不能準確、連續地探測目標,在雷達顯示屏上會因干擾產生大量的“點跡”,從而有效掩蓋了真實目標回波信號。在實戰中若舍棄“干擾模糊區”這一概念,在作戰籌劃階段,籌劃兵力數量及裝備性能時,將會提出過高需求(干擾機功率需求將高出1倍),這將是對兵力運用的極大浪費。

下面對干擾機處于不同距離位置,對干擾模糊區進行仿真,設Rj分別為200,150,100和50 km,結果如圖7所示。

從仿真結果可以看出,隨著干擾機與雷達之間的距離不斷縮小,干擾掩護區的范圍也在逐漸縮小,根據式(2)可以知道,這是由于Rm∝Rj所造成的。

圖7 干擾機處于不同距離時的干擾模糊區仿真結果圖

2.2 組網雷達干擾模糊區仿真分析

在實際作戰過程中,干擾機所面對并不是單一的某部雷達,而是相互交織的雷達網,下面針對兩種典型配置形式的雷達網進行干擾模糊區的仿真分析。

1)“一線”配置

根據超短波的最大通信距離,設雷達站站距為20 km,各雷達站的坐標分別為A1：(0,0)、A2：(0,2×104)、A3：(0,-2×104),并不斷減少干擾機與雷達陣地間的間距,仿真結果如圖8所示。

圖8 呈“一線”配置雷達網干擾模糊區仿真結果圖

從仿真結果可知,隨著干擾機與雷達陣地之間的距離不斷減小,雷達網的有效探測區域逐漸減小,當Rj≤45 km時,雷達網的“干擾暴露區”已不存在交叉重疊區,但“干擾模糊區”仍存在交叉重疊區,突防飛機可以選擇該區域作為“通道”進行突防。

2)“倒三角”配置

設雷達站站距為20 km,各雷達站的坐標分別為A1：(0,1×104)、A2：(0,-1×104)、A3：(-2×104×sin60°,0),仿真結果如圖9所示。

從仿真結果可知,當Rj≤40 km時,呈“倒三角”配置的雷達網才出現具備實施突防條件的“突防通道”,這是由于干擾機對雷達網中的前兩部雷達均是從副瓣實施干擾,其比主瓣干擾需要更大的能量,所以其要求的干擾機距離需更近,因此,面對敵“倒三角”雷達網不應選擇“三角”的一邊中線作為突防方向,而應選擇威脅較弱的“一角”實施干擾并突防。

圖9 呈“倒三角”配置雷達網干擾模糊區仿真結果圖

3 結束語

本文在分析當前對有源壓制性干擾評估方法不足的基礎上,提出了“干擾模糊區”的概念,并對其進行了數學建模及仿真分析,在后續的實裝測試中也驗證了該區域的真實存在,進行“干擾模糊區”的計算可為實戰中更為精準的使用兵力及作戰態勢的評估提供參考。由于在本文建模過程中,沒有對被保衛目標的各狀態的RCS及信號在環境傳播中的損耗進行分析,因此,根據該模型計算的結果與實際情況略有出入。目前,“干擾模糊區”還處于初步探討階段,如何選擇更為有效的干擾信號調制方式及干擾樣式以提高干擾機在“干擾模糊區”內的干擾掩護效果,將是下一步需要繼續深入研究的問題。

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