基于探測性能的艦載雷達電磁兼容分析

方小星，朱志宇，張　冰，李　陽2

(江蘇科技大學 電子信息學院，　江蘇 鎮江 212003)

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基于探測性能的艦載雷達電磁兼容分析

方小星，朱志宇，張冰，李陽2

(江蘇科技大學 電子信息學院，江蘇 鎮江 212003)

摘要：針對艦船編隊時同種雷達較多，相互之間存在電磁兼容影響的問題,利用描述雷達探測性能的最大作用距離的衰減來描述雷達系統中同頻段間的電磁兼容程度。首先，分別建立相同工作頻段、不同頻率雷達間的電磁兼容模型；得到整雷達系統的電磁兼容模型。然后，通過仿真定量分析了模型的雷達間距、壓制系數、靈敏度等重要參數對電磁兼容的影響，對發揮協同作戰雷達的最大效益提供了數字化分析依據。

關鍵詞：電磁兼容；艦載雷達；最大作用距離；相同工作頻段

0引言

艦船編隊時，由于同型號軍艦的雷達配置上很多都是同種雷達。當同頻或者相近頻率的雷達同時工作時，就不能忽略雷達間的電磁兼容。電磁兼容性的好壞將直接影響雷達的工作性能，甚至左右一場海戰的勝負。所以，需要對雷達間的電磁兼容程度進行預測。國內外研究學者對此作了很多研究，有基于干擾三要素所提出的電磁兼容模型[1-3]，一般都是用輻射源的有效干擾功率與敏感設備的靈敏度門限值的差值得到干擾裕量來預測電磁兼容程度；也有基于雷達的信干比的電磁兼容模型，文獻[4]通過分析了雷達檢測因子與虛警概率、檢測概率的關系，利用綜合信干比與檢測因子之間的關系來建立電磁兼容模型；文獻[5]利用雷達耦合時的干噪比大于檢測門限的概率來建立電磁兼容模型。本文利用雷達在受到干擾的情況下，探測能力會降低，其最大作用距離衰減的特性，對整個編隊的同頻段的艦載雷達建立電磁兼容模型。

1雷達系統電磁兼容模型

1.1相同工作頻段非同頻時電磁兼容模型

通過雷達方程[6]知道，無干擾時，雷達的最大作用距離為

(1)

式中：P為雷達的發射功率；G為雷達天線增益；λ為雷達發射電磁波波長；σ為目標散射截面積；Smin為雷達最小可檢測信號；L為雷達發射并接收電磁波過程中的能量損耗。

L的dB單位表達式為

(2)

式中：L′為大氣吸收損耗、雨雪損耗、兩部雷達的天線罩損耗、饋線傳輸損耗等各種損耗的和；LP為極化損耗, 即兩部雷達極化方式的差異引入的損耗, 現代雷達大多采用線極化, 如果兩部雷達極化方式相同, 極化損失取0 dB, 否則極化損失較大, 一般取20 dB；Lr=(32.5+20lgf+20lgR)為電磁波空間傳播損耗, 其中，f為頻率(單位為MHz)，R為傳播距離(單位為km)。

假設有N部雷達同時工作，且存在同頻干擾。一般的情況下，雷達多在同頻段非同頻狀態下工作，此時雷達n收到其他雷達的干擾會受到接收機的選擇性曲線產生的對無用發射機發射頻譜抑制的影響。此系數(FDR)可由ITU-R SM.337-6建議書得出。

(3)

式中：P(f)為干擾信號等效中頻的功率譜密度；H(f)為接收機的頻率響應；Δf=ft-fr，ft為干擾源的即時頻率，fr為接收機的調諧頻率。

FDR可以分為兩項，調諧抑制(OTR)和頻率失諧抑制(OFR)，后者是由干擾源和接收機失諧產生的額外抑制。

FDR(Δf)=OTR+OFR(Δf)dB

(4)

其中

(5)

第n個雷達收到的其他雷達的干擾Pm可表示為

(6)

式中：Pi為相鄰干擾雷達i的發射功率；Gi為相鄰干擾雷達i的天線增益；Gn為受干擾雷達n的天線接收增益；γn為雷達i干擾信號對雷達n接收天線的極化系數；Rin為雷達i與受干擾雷達n之間距離；Lin為雷達i發射的電磁波被雷達n接收過程中的能量損耗；FDRni為第i個雷達干擾對雷達n的頻率相關抑制系數，這里為一般值，不為dB值；λti為第i個干擾雷達的波長。

雷達n收到的目標信號功率Prs為

(7)

式中：Rn為雷達n與目標的距離；λrn為雷達n的波長。

在受干擾條件下，雷達若要發現目標，收到的目標信號功率Prs和接收的干擾功率Prj(Prj=Prn)必須滿足以下條件

(8)

式中：Kn為第n個雷達的壓制系數。

(9)

(10)

1.2可能出現空間對準時電磁兼容模型

1.2.1被干擾雷達可被對準

當被雷達天線對準，接收機前端會出現過載現象，電磁兼容程度很差，可認為電磁兼容程度μ=0。

如果被干擾雷達2和干擾雷達1兩個雷達的掃描范圍內，就要考慮雷達1對雷達2對準時的情況。假設雷達1、2的距離為R12，以雷達1為球心，R12為半徑作一個球面，使得雷達2落在球面上，用雷達1的水平掃描角度?1和俯仰掃描角度θ1將其掃描面積表示出來。同樣的方法將對準雷達2的極限面積表示出來，如圖1所示。

圖1　對準范圍模擬圖

圖1中最小的圓是某個時刻的波束的極限對準面積W，將W沿著黑點平移一圈，得到的所有范圍為V；U是雷達掃描范圍。干擾概率p21為

(11)

(12)

故p21的最終值與雷達1、2之間的距離無關。

假設有M個雷達對雷達n可對準。雷達i對雷達n的對準概率為

(13)

(14)

(15)

1.2.2干擾雷達與被干擾雷達可相互對準

當兩個雷達的主瓣波束可以相互對準的時候，既需要避免對其他天線的對準，也需要避免對準其他天線。

首先，由文獻[9]知道兩個雷達相互對準需要水平方位和俯仰方位都對準，其概率為

(16)

式中：Ph為水平方位對準概率；α1、α2為雷達1和雷達2的天線波束寬度；?1、?2為雷達1、2天線水平掃描區域的角度(?1、?2在文獻中默認為360°)；Pv為俯仰方位對準概率；β1、β2雷達1和雷達2俯仰波束寬度；θ1、θ2為雷達1和雷達2俯仰角的掃描范圍。

(17)

(18)

那么其電磁兼容程度μ″m為

μ″m=

(19)

1.3艦載相同頻段雷達組成的系統間電磁兼容模型

將所有相同頻段的雷達組成一個系統，預測整個艦載雷達系統的電磁兼容程度。假設總共有N部雷達，K個雷達可以對準其他雷達，其中有M個雷達可以兩兩對準，則總電磁兼容程度為

(20)

式中：ηi為第i個雷達的重要系數。

在建立了雷達系統的電磁兼容模型后可以看出，雷達的各種技術參數對電磁兼容程度都有一定的影響。

2算例分析

通過算例分析雷達參數對于電磁兼容程度的影響。為方便計算，將所有雷達放在同一水平面考慮。表1給出了四部同頻段(9 000 MHz～9 100 MHz)雷達的主要技術參數。

表1雷達的主要技術參數

假設雷達A～D功率偏移譜密度ΔP(Δf)與接收機的頻率響應H(f)為

ΔP(Δf)dB=

(21)

(22)

式中：Δf為與工作頻率的偏移。

經計算可得：1/FDRnA≈0.858 2；1/FDRnB≈0.866 8；1/FDRnC≈0.866 8；1/FDRnD≈0.429 3。

2.1雷達間距對電磁兼容程度μ的影響

圖2給出了兩兩雷達之間的電磁兼容性與雷達間距關系圖。

圖2　雷達電磁兼容性與雷達間距關系

圖2中，μ是電磁兼容程度，R是兩雷達相距的距離。由圖中雷達B對雷達A曲線、雷達D對雷達A曲線和雷達C對雷達A曲線可以明顯看出，雷達C對雷達A的干擾最大，雷達D最小。而且此五部雷達中，雷達A對雷達D的干擾最大，電磁兼容性最差。

2.2雷達重要系數對總電磁兼容的影響

通過雷達間距對電磁兼容程度影響的仿真可以看出兩雷達之間距離越遠電磁兼容程度越高。現在做如下假設：雷達C與雷達D相距21.2132km、雷達A與雷達C相距22.1044km、雷達D與雷達A相距22.104 4 km；雷達A完全在雷達D的掃描范圍內。雷達C、D的重要系數相同，雷達A、C、D三個雷達組成一個雷達協同系統，三個雷達的重要系數總和為1。下面是雷達A重要度系數與整個雷達系統電磁兼容程度的關系。

圖3中，η是雷達A的重要系數，Φ是整個雷達系統的電磁兼容程度。從圖中可以看出：雷達重要度越大整個雷達系統的Φ越小，說明雷達A對整個雷達系統的干擾程度高。

圖3　雷達A重要度系數與總電磁兼容程度關系

2.3雷達靈敏度對總電磁兼容 的影響

假設雷達A、C、D重要度系數分別為0.20、0.35、0.45；分別對雷達A、C、D中的一個雷達靈敏度進行變化仿真時，其他雷達采用表1中的參數。靈敏度越高，最小可檢測信號最小。圖4是雷達最小可檢測信號大小對總電磁兼容的影響圖。

圖4　雷達靈敏度與總電磁兼容的關系

圖4中Smin是雷達的最小可檢測信號大小；Φ是整個雷達系統的電磁兼容程度。從圖中可以看出：最小可檢測信號越小，靈敏度越高，而整個雷達系統的電磁兼容程度越小，所以雷達靈敏度越高越容易干擾，在雷達A、C、D組成的系統實際工作情況下中，雷達D的靈敏度的增大對Φ影響最大，雷達C次之，雷達A最小。

2.4雷達壓制系數對總電磁兼容Φ的影響

下面對雷達的壓制系數進行分析，假設雷達A、C、D重要度系數分別為0.20、0.35、0.45；分別對雷達A、C、D中的一個雷達壓制系數進行變化仿真時，其他雷達采用表1中的參數。仿真圖如圖5所示。

圖5　雷達壓制系數與總電磁兼容的關系

圖5中，K是雷達壓制系數，Φ是整個雷達系統的電磁兼容程度。圖中可以看出：壓制系數越大，雷達電磁兼容程度越大，而且雷達A的壓制系數的增大對Φ影響最小，雷達C次之，雷達D最大。

3結束語

利用雷達的最大作用距離的損耗大小分析雷達間的電磁兼容程度，建立了整個雷達系統的總電磁兼容程度模型，應用本文提出的分析方法，可以在海戰場上進行雷達任務調度時對總電磁兼容程度的影響數字化，對發揮協同作戰雷達的最大效益提供分析依據。

參 考 文 獻

[1]胡皓全, 楊顯清, 趙家升. 雷達之間電磁干擾預測模型研究[J]. 電子科技大學學報, 2001,30(1): 37-40.

HU Haoquan,YANG Xianqing, ZHAO Jiasheng. Research on electromagnetic interference prediction model in radar system[J]. Journal of Electronic Technology University, 2001, 30(1): 37-40.

[2]趙欣楠, 程光偉. 雷達系統間電磁兼容性的計算與預測[J]. 火控雷達技術, 2007, 36(4): 48-51.

ZHAO Xinnan, CHENG Guangwei. Prediction and evaluation of EMC in radar system[J]. Firepower Control Radar Technology, 2007, 36(4): 48-51.

[3]DANIEL W, TAM S, AZU C. A computer-aided design technique for EMC analysis[C]//1995 IEEE Electromagnetic Compatibility Symposium. Atlanta: IEEE Press,1995: 234-235.

[4]王先超, 栗飛. 海戰場電子干擾環境下雷達作用距離建模與仿真[J]. 海軍航空工程學院學報, 2014, 29(1): 43-46.

WANG Xianchao, LI Fei. Under the sea battlefield electronic interference environment radar distance modeling and simulation[J]. Naval Aviation Engineering College, 2014, 29(1): 43-46.

[5]TERRY F. Antenna coupling model for radar electromagnetic compatibility analysis[J]. IEEE Transactions on EMC,1989, 31(1): 85-87.

[6]馬哈夫扎. 雷達系統分析與設計[M]. 劉永堅, 倪嘉驪, 譯. 北京：電子工業出版社, 2008.

MAHAFZA. Radar system analysis and design[M]. LIU Yongjian, LI Jiali, translate. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2008.

[7]李圭源, 張厚, 殷雄, 等. 基于作用距離衰減的雷達間電磁兼容模型[J]. 電訊技術, 2010, 50(3): 49-53.

LI Kuiyuan, ZHANG Hou, YIN Xiong, et al. Radar EMC model based on the role of distance attenuation[J].Telecommunications Technology, 2010,50(3): 49-53.

[8]史豪杰, 邢清華, 劉付顯. 基于最大作用距離損耗的雷達間電磁兼容度量新方法[J]. 現代防御技術, 2010, 38(6): 138-140.

SHI Haojie, XING Qinghua, LIU Fuxian. New methods of radar EMC based on the loss of maximum range[J]. Modern Defense Technology, 2010, 38(6): 138-140.

[9]侯民勝. 雷達之間的干擾及概率計算[J]. 雷達與對抗, 2006(2): 16-18.

HOU Minsheng. The interference and probability calculation between the radar[J]. Radar and ECM, 2006 (2): 16-18.

方小星男，1991年生，碩士研究生。研究方向為電磁兼容分析。

朱志宇男，1971年生，教授，碩士生導師。研究方向為電力系統自動化、智能控制、信號與信息處理、電磁兼容等。

張冰女，1967年生，教授，碩士生導師。研究方向為雷達信號處理、電磁兼容。

李陽男，1978年生，博士，講師。研究方向為電磁兼容。

Electromagnetic Compatibility Analysis of Ship-borne Radar Based on Radar Detection Performance

FANG Xiaoxing，ZHU Zhiyu，ZHANG Bing，LI Yang

(Department of Electronics and Information,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212003, China)

Abstract：Aimed at the electromagnetic compatibility(EMC) problems between same working band radars on fleet battle ships, radar detection performance such as maximum radar range is used to describe the EMC degree between the radars in radar system. The EMC degree model of entire radar system can be gotten by establishing EMC model of every two radars.Through the simulation, the relationship is analysed between the degree of EMC and several important parameters in the model such as the distance between the radar and so on which provides a digital basis for analyzing maximum benefit of the radar in coordinating combat.

Key words：EMC; ship-borne radar; maximum operating range; same working band

中圖分類號：TN959.7

文獻標志碼：A

文章編號：1004-7859(2016)02-0006-05

收稿日期：2015-10-19

修訂日期：2015-12-16

通信作者：方小星Email：fang_xiaoxing@126.com

基金項目：船舶預研支撐技術基金資助項目(13J3.3.5)；江蘇省普通高校研究生科研創新計劃資助項目(KYLX15_1109)

DOI：·總體工程· 10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.02.002