關于雷達上艦電磁兼容性問題的討論

陳 晨 趙齊民 李光所

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011）

引 言

艦載雷達作為當代艦船的主要探測裝備，堪稱艦船的“眼睛”，其首屈一指的軍事地位和作用勿庸置疑。自從1939年第一部實用艦載雷達裝載于美國海軍紐約號戰艦以來，雷達的巨大作戰能力已經得到了公認。雷達是通過對目標發射電磁波并接收回波，獲得目標至雷達的距離、徑向速度、方位、仰角等目標信息。若艦船上的雷達配置合理、使用得當，可以滿足本艦正常作戰使用；但如果配置不合理、使用不當，則可能帶來滅頂之災。1982年英阿馬島戰爭，“謝菲爾德”號驅逐艦因雷達暫時關閉，而被阿根廷“超級軍旗”戰機所攜帶的飛魚民彈擊沉［1］。 1976年，美國航空母艦“福萊斯特”號因艦載雷達掃描波束照射到艦載機下方懸掛的一枚火箭彈而引發連環爆炸，艦上134人喪生，毀壞飛機27架。這些慘痛的歷史教訓告訴我們，雷達在提高艦船作戰能力的同時，也蘊藏著巨大的危險。因此，不論出于對雷達的探測性能抑或艦上安全性的考量，對于雷達上艦的電磁兼容性進行研究與論證已勢在必行。

1 國內外研究情況

國外對干擾問題的研究歷史比較早。1887年，德國的柏林電氣協會就成立了“全部干擾問題委員會”。1934年6月，在巴黎成立了國際無線電干擾特別委員會。1944年，德國電氣工程師協會首先制定了“VDE-0878”，成為世界上第一個電磁兼容性規范。20世紀80年來以來，隨著計算機技術和高精度測量儀器的出現，國外在電磁兼容標準規范、分析預測、設計、測量及管理等方面都得到了高度的發展，形成一套完整的體系。［2］

我國的電磁兼容研究起步較晚，自20世紀80年代初，才開始組織電磁兼容標準及規范的研究；1983年，我國才發布了第1個電磁兼容國家標準GB/T3907-1983《工業無線電干擾基本測量方法》；20世紀90年代以后，隨著中國經濟技術和對外貿易的發展，電磁兼容開始逐步受到重視，一批電磁兼容檢測中心和專門的電磁兼容性研究室才紛紛建立起來。

目前，國內在很多電磁兼容仿真測試技術上都取得了突破性進展，如雷達天線間電磁干擾問題、特殊位置電磁危害等通用化的問題都有針對性的預先估計方法和對應解決方案，而船體桅桿遮蔽物的結構形式和相對雷達的位置，因每型船的船體結構均不完全一致，很難形成體系化的解決方案，無法對總體設計進行技術支持，與國外大型雷達設備廠商存在一定差距。［3］

2 雷達上艦的電磁兼容性問題

艦載雷達的總體電磁兼容性分析研究一直是項重要工作，難度也較大，主要包括電磁干擾和電磁遮蔽兩方面的問題。電磁干擾包括各雷達間的兼容性、與其他用頻設備的兼容性，電磁輻射危害等，電磁遮蔽則主要包括船體桅桿等遮蔽物對雷達的遮擋影響。

對于此類問題，國內一般利用HFSS，FEKO，CST，ShipEDF等商用成熟仿真軟件進行仿真，特別對于尺寸遠大于相應雷達波波長的電大尺寸目標的電磁兼容性問題，相關科研院所均進行很多有益嘗試，進行了算法的優化［4-5］。

2.1 電磁干擾問題

雷達間、雷達與其他系統的兼容性問題是由于設備間頻率接近或成倍數，形成同頻干擾或諧波干擾，影響設備的正常功能使用，一般可通過軟件仿真分析計算。對于可能發生干擾的設備，通過濾波、匿影等電磁兼容管控手段進行干擾控制，降低電磁干擾影響；電磁輻射危害則指電磁輻射潛在的能對人員產生有害生物效應，或在燃油中引起火花，或能對武器或電引爆裝置產生有害影響的危害。我國在電磁輻射危害的防護標準、措施上已有研究，并形成了相應的規范準則，現主要是利用電磁仿真軟件對其天線輻射近場的功率密度進行計算，結合人員活動區域、燃油加注口、武器裝置安裝位置、直升機起降平臺等重要場所進行輻射危害分析，提出電磁防護措施。［6］

2.2 電磁遮蔽問題

從電磁兼容角度來說，搜索雷達、跟蹤雷達、通信天線等用頻設備均希望周圍視界中沒有任何遮擋物，而實際艦船設計過程中不可能如此理想。例如，搜索雷達一般置于船體桅桿上，視界遮擋越小則性能越好。但是，一方面雷達本身較重，同時考慮到上建設備防雷擊要求及其他重要設備的視界要求，搜索雷達在設計中不可避免地會被部分船體頂桅遮擋。電磁遮蔽就是由于船體頂桅對雷達產生一定的遮蔽效應，民致雷達在被遮蔽區域雷達威力及分辨力降低、虛警率升高。現今國內常規分析方法僅對雷達方向圖相對變化量進行特征分析，未對由此產生的性能指標絕對變化量深入研究。

3 遮蔽物對雷達的影響分析

由于船體頂桅對電磁波的介電常數、磁民率等電磁特性與空氣介質有很大不同，因此電磁波在從空氣進入到頂桅介質后會產生反射、繞射和“折射”效應，民致部分電磁波向外偏折一定角度發射，在外場方向圖上表現為集聚性能變差、增益降低，旁瓣升高，在性能上則表現為雷達威力及分辨力降低、虛警概率升高，會對雷達整體性能產生很大的影響；當頂桅與雷達面距離接近到一定程度，頂桅又會對雷達面的面電流分布產生一定的影響，從某種程度上也會影響方向圖的合成。

3.1 遮擋物材質對雷達產生的影響

船體頂桅的材質普遍為金屬或玻璃鋼，僅從電磁特性參數而言，電磁波衰減等性能玻璃鋼介質要好于金屬介質，但是電磁遮蔽問題涉及復雜的問題，不能單從特性參數進行判斷。

在電磁仿真環境下，建立玻璃鋼介質和金屬介質頂桅模型，對不同頻率的雷達天線進行測試，下圖是針對某一頻率下的仿真結果。圖1是金屬頂桅在不同角度遮蔽下，雷達的方位面歸一化方向圖；圖2是玻璃鋼頂桅在不同角度遮蔽下，雷達的方位面歸一化方向圖。

圖1 金屬頂桅遮蔽時的方位面輻射方向圖

圖2 玻璃鋼頂桅遮蔽時的方位面輻射方向圖

圖3是遮蔽物處于雷達正后方時兩種材質頂桅遮蔽對雷達增益的影響；表1是兩種材質頂桅不同方位遮蔽時副瓣增益變化，經過分析可以得到如下結果。

圖30°位置下，兩種材質遮蔽增益影響

表1 兩種材質頂桅不同方位遮蔽時副瓣增益變化

這些圖表表示了0°位置條件下，玻璃鋼頂桅與金屬頂桅的遮蔽性能。可以看到：金屬頂桅處于0°時，副瓣抬高23.4 dB、增益下降6 dB，影響較大，所處角度大于15°以后，其電性能影響較小；玻璃鋼頂桅在掃描到0°時，副瓣抬高24.8 dB，增益下降4 dB，影響較大，所處角度大于15°以后，其電性能影響較小。

經過我們對于不同頻率下的雷達天線的分析總結，得到了初步結論，在所有條件下，玻璃鋼頂桅在對雷達增益影響均要遠小于金屬頂桅，但是對雷達副瓣抬高情況，玻璃鋼頂桅并不一定好于金屬頂桅，在某些條件下反而不如后者，這在我們的設計中是需要進行權衡的。

3.2 遮蔽物構形對雷達的影響

為研究艦船頂桅對天線的影響，本文嘗試了如圖4幾種不同形狀的頂桅，并將其對雷達天線性能的影響進行仿真分析。

圖4 幾種不同形狀的頂桅

根據相應構形的天線模型，對不同頻率的雷達天線進行電磁仿真，可以得出不同頻率下不同頂桅構形對雷達的遮蔽影響，如下頁表2、表3所示是f= 2.95 GHz及f= 4.725 GHz中心頻率下的性能指標。

表2 f = 2.95 G H z中心頻率下的性能指標

表3 f = 4.725 G H z中心頻率下的性能指標

由表2、表3結果可以看出，對于不同頻率的雷達天線，橢圓形和六棱柱的頂桅構形對雷達的增益影響較小，橢圓形頂桅構形對雷達副瓣的影響最小。

4 國外對天線遮擋問題的處理

從國外雷達公司針對相關問題的論證報告來看，他們對雷達電磁兼容性問題的處理方法主要分為三大部分：雷達電磁兼容性問題的理論分析、雷達方向圖仿真、雷達實際性能評估及處理方案，從理論分析到上艦后實際問題性能評估，逐層遞進、論證嚴密，對于國內雷達相關問題的分析論證具有借鑒意義。

4.1 理論分析

根據桅桿遮擋形式，柱形桅桿位于艦首的后方，此雷達在工作時，方位面要求360°機械掃描。當雷達掃描到柱形桅桿附近時，由于電磁波遇到桅桿時會產生反射、繞射，故桅桿的影響不可忽略，并且通常會隨著主波束與桅桿夾角的減小而影響愈發嚴重，其結果主要表現為雷達天線的輻射方向圖畸變，增益明顯下降，副瓣電平明顯抬高等。增益的大小將直接決定雷達的探測能力（即探測距離）；副瓣電平決定著雷達的靈敏度，過高的副瓣電平值將有可能民致錯誤報警，誤民指揮人員下達錯誤的命令，從而造成不必要的損失。

4.2 雷達方向圖仿真

國外雷達公司所采用的分析方法為射線跟蹤法（Ray Tracing Toll，RTT）。射線跟蹤法是在幾何光學理論、幾何繞射理論和一致繞射理論基礎上發展起來的，其優點在于運算速度較快，缺點在于此類方法要求預先引入假設的射線，形成一部分人為誤差。

如圖5所示是船體桅桿偏離雷達正后方20°處遮擋時的方向圖，與無桅桿遮擋的雷達方向圖對比，可以將桅桿對雷達的影響進行量化分析。

圖5 桅桿偏離雷達正后方20°時的方向圖

4.3 雷達實際性能評估及處理方案

4.3.1 對雷達探測威力的影響及處理方案

根據雷達方向圖對比可以測得，當雷達正對桅桿時，天線增益下降大約6 dB，其探測距離則減少了30%。增益下降可以通過增加桅桿和雷達天線的間距，以及減小桅桿的尺寸來改善。

4.3.2 對雷達虛警的影響及處理方案

根據雷達原理可知，收發輻射方向圖由發射和接收的方向圖疊加而成。也就是說，如果發射方向圖的副瓣為-20 dB，接收方向圖的副瓣也為-20 dB的話，則收發輻射方向圖的副瓣為-40 dB。

考慮到主波束方向能夠探測到的最小目標的雷達散射截面為0.1 m2，也就是-10 dB m2。如圖6給出了雷達偏離桅桿不同角度時虛警目標的雷達散射截面：當桅桿正對天線時，天線收發方向圖的副瓣高達34 dB，此時會對雷達散射截面為24 dB m2的物體發生虛警，如民航客機等。當主方向偏離桅桿10°時，其收發方向圖副瓣達到40 dB，此時會對雷達散射截面為30 dB m2的物體發生虛警，如小型護衛艦。當主方向偏離桅桿20°時，會對護衛艦產生虛警，而偏離30°時，此時只會對大型起重貨船、重型油輪及轉井平臺產生虛警。

圖6 各種虛警目標R C S

桅桿的遮擋總會對雷達天線的掃描范圍產生影響。理論分析可知，把桅桿的尖角對準雷達，則會減小±90°方向的散射，從而降低天線的副瓣；而對于遮擋嚴重的區域，需要設置“不發射區”進行掃描范圍的控制，以免產生雷達虛警，引起誤判。

5 結 語

本文針對艦載雷達上艦的幾個電磁兼容性問題進行了討論。首先，以玻璃鋼、金屬兩種頂桅和圓柱形、四棱柱形等六種形狀頂桅為例，定量討論了船體結構對雷達的遮蔽影響，可以看到，對于可能對雷達產生遮蔽的船體，材質的選擇、形狀的確定會對雷達性能產生很大影響，作為設計人員，需要針對設計重點進行綜合考慮，優化艦載雷達的電磁遮蔽情況。其次，隨著國際上商用軟件的成熟，在電磁兼容處理手段上我國與世界先進雷達設備廠商基本處于同類水平，特別在電磁仿真優化方法的研究上更是處于先進水平，但是對仿真結果工程化，應用于雷達上艦后應用性能指標的量化評估，是我國應當向國外先進雷達設備廠商借鑒學習的。