跟蹤制導雷達抗干擾性能評估指標體系研究

馬冬冬,郭新民

(92785部隊，河北 秦皇島 066000)

0 引 言

在現代復雜多變的戰場環境下，電磁環境日趨復雜，跟蹤制導雷達的環境適應性已成為制約地空導彈武器系統性能的關鍵。基于武器系統的需求，跟蹤制導雷達抗干擾及雜波的技術也在不斷進步。本文主要分析地空導彈武器系統跟蹤制導雷達(以下簡稱“跟蹤制導雷達”)的抗有源干擾性能，僅考慮單部雷達的抗干擾性能，不考慮通過紅外測向及激光測距配合使用改善雷達性能的因素。構建跟蹤制導雷達抗干擾性能指標體系(以下簡稱“指標體系”)是評估雷達抗干擾性能的基礎。文獻[1-3]基于不同的角度分別構建了評估指標體系，進一步推動了雷達抗干擾評估工作。然而，在典型戰場態勢下，不同功能的雷達將對抗不同樣式的電子干擾，因此有必要進一步細化評估指標體系。本文針對跟蹤制導雷達將對抗的噪聲、距離-速度拖引、距離拖引-角度欺騙等多種干擾，基于系統設計指標、工作體制、抗干擾技術、及外場測試，分別構建不同的評估指標體系。

1 系統設計指標

跟蹤制導雷達在噪聲干擾環境下的探測距離[4]、測距精度及測角精度[5]的公式為

(1)

(2)

(3)

T′s=Ts+Tj

(4)

式中，Rj為雷達在噪聲干擾環境下的探測距離，tf為雷達的相干處理間隔，Gr為雷達接收天線的增益，Pav為雷達的平均功率，Gt為雷達發射天線的增益，σ為目標的雷達截面積，λ為雷達波長，Ft為發射路徑的方向圖傳播因子，Fp為雷達天線的極化因子，Flens為透鏡因子，Fr為接收路徑的方向圖傳播因子，T′s為噪聲干擾下的雷達輸入端噪聲溫度，k為玻爾茲曼常數，Lt為發射饋線損耗，La(Rmj)為雷達天線到干擾機的大氣吸收損耗，Dx(n′)為有效檢測因子，k1、k2均是大約為1的常數，tr為脈沖上升時間，δTR為雷達的回波信號時延精度，J為干擾信號的功率譜密度，δθ為目標的角度精度，E為雷達回波信號的能量，N0為噪聲的功率譜密度，θB為雷達的波束寬度，Ts為無干擾時的雷達輸入端噪聲溫度，Tj為外界噪聲干擾下的雷達輸入端等價噪聲溫度。當噪聲干擾信號強度遠遠大于接收機內部噪聲時，Tj?Ts，可忽略雷達波長對雷達探測距離的影響。

由公式(1)可知，在噪聲干擾環境下的雷達發現距離Rj與雷達平均發射功率Pav、天線發射增益Gt及系統相干處理間隔tf3個參數乘積的四次方根成正比。因此，增大雷達的平均發射功率Pav、天線的發射增益Gt及系統的相干處理間隔tf對提高雷達探測距離的貢獻相對較小。另一方面，限于功耗、散熱、體積、質量、成本等因素，跟蹤制導雷達的發射功率和天線增益不會設計得很高。因此，為提高跟蹤制導雷達的抗干擾性能，通常采取多種有效的抗干擾措施以抑制干擾，提高雷達信干比。

2 抗干擾技術

在復雜電磁環境下，當跟蹤制導雷達對抗敵方干擾時，雷達系統首先對干擾信號進行分析、識別，然后系統自動啟用或通過人工方式啟用相應的抗干擾策略。跟蹤制導雷達的抗干擾技術主要有以下4方面。

2.1 反偵察

跟蹤制導雷達實現反偵察的途徑主要有兩點：一是控制雷達開機時機，在不影響完成作戰任務的前提下盡量減少雷達信號對外輻射的時間；二是采用復雜波形、波形捷變、頻率捷變、重頻捷變等方式降低雷達設備被敵方偵察設備截獲的概率或者增加敵方干擾機引導干擾的時間。然而，遺憾的是，雷達個別工作方式與有些反偵察措施不能同時使用，如脈沖多普勒工作方式與脈間頻率捷變無法同時使用，只能與脈組頻率捷變同時使用。這在一定程度上降低了雷達反偵察的能力。

2.2 干擾分析與識別

跟蹤制導雷達通過在時域、頻域等方面分析雷達感興趣的目標回波信號與干擾信號的特性差異，以識別干擾信號。[6]在多數情況下，干擾信號與目標回波信號的頻譜特性存在差異。當目標受距離拖引或速度拖引時，雷達距離波門或速度波門被干擾信號捕獲，雷達收到的信號幅度會突然增大，進而影響、控制雷達接收機內部的自動增益控制電路，基于上述特性信息可識別干擾信號。

2.3 抗壓制干擾

跟蹤制導雷達跟蹤干擾源主要有3種方式。第1種為“燒穿”工作方式。雷達采用降低天線旋轉速率(機械掃描)、增大脈沖掃描速率等方式增大脈沖駐留時間以提高雷達發射信號能量，進而提高雷達接收機輸出信干比，增大目標檢測概率，提高雷達測距、測角精度。第2種為被動跟蹤方式。跟蹤制導雷達將自衛干擾機的干擾信號作為目標信號，對目標實施角度跟蹤，然而除角度信息外雷達無法獲取目標其他信息。第3種為交替跟蹤方式。在強干擾時跟蹤制導雷達采用被動跟蹤方式，在干擾強度較弱時切換為主動跟蹤模式，雷達在這兩種工作模式下交替工作，直至自衛干擾機無法掩護目標。

2.4 抗欺騙干擾

針對跟蹤制導雷達的欺騙干擾主要是基于轉發式干擾技術或者基于數字射頻存儲技術通過跟蹤波門拖引的方式來破壞、擾亂雷達對目標的跟蹤。跟蹤制導雷達通常會采用以下兩種方法來對抗有源欺騙干擾：(1)通過采取脈間頻率捷變、脈間重頻抖動等方式，增大敵方干擾系統偵察、分析跟蹤制導雷達信號的難度；(2)當跟蹤制導雷達采用特定的技術、手段檢測到已受干擾時，通過采取記憶跟蹤、脈沖前沿跟蹤等方式對抗干擾，防止跟蹤制導雷達被誘騙。

2.4.1 抗距離拖引干擾

抗距離拖引干擾的主要技術為脈沖前沿跟蹤、記憶跟蹤的跟蹤方式，以及重頻捷變、頻率捷變、波形捷變等變換雷達信號參數的方法。脈沖前沿跟蹤是對目標的脈沖回波信號前沿進行檢測和跟蹤，對前波門信號優先加權，由此可以獲得10 dB左右的增益，以檢測真實目標。然而，另一方面，脈沖前沿跟蹤所要求的帶寬比雷達通常的跟蹤距離波門要寬，這就增大了雷達受噪聲干擾的概率。當雷達目標跟蹤速率發生突變時，雷達根據需要可轉入記憶跟蹤狀態，待距離拖引干擾信號離開距離波門時，雷達再轉入正常跟蹤狀態，該技術也稱為取樣-保持-平滑技術。快速改變雷達工作參數，可降低雷達信號被截獲的概率，使欺騙干擾信號總是滯后于目標回波信號，使干擾機只能實現距離波門后向拖引或者無法有效實施干擾。

2.4.2 抗速度拖引干擾

抗速度拖引干擾的主要技術是將目標多普勒頻率對應的速度與目標距離變化率求取的速度值進行比較，若兩者不一致，則判定為速度拖引干擾。另一種技術是雙頻發射，通過同時發射兩個不同頻率信號，使得雷達接收機能完成對真正目標回波信號頻率和速度波門拖引信號的鑒別。速度拖引干擾主要是針對脈沖多普勒雷達，或雷達采用脈沖多普勒工作模式，此時雷達才可能受到速度拖引干擾。

2.4.3 抗角度欺騙干擾

重頻抖動、頻率捷變等技術可使干擾機難以對準雷達信號，使干擾信號的變換總是滯后于雷達信號，降低角度欺騙干擾概率。在對抗由交叉極化引起的角度欺騙干擾時，因平板陣列天線對交叉極化反應不敏感，雷達可采用平板陣列天線等技術在一定程度上抑制交叉極化干擾，也可采用交叉極化對消器等方式抑制干擾。

3 工作體制

3.1 圓錐掃描

圓錐掃描雷達易被自衛式調幅干擾所影響。例如，逆增益干擾，它通過對干擾信號的幅度進行調制，使其調制速率等于圓錐掃描雷達的波束掃描速率，且使干擾信號相位與雷達回波信號形成180°的相位差，從而對雷達系統產生測角偏差。隱蔽圓錐掃描雷達在對抗這種類型的干擾時存在一定的優勢。但是，這種類型的雷達也容易受到干擾。通過在逆增益干擾機的基礎上增加一個低頻掃描電路，當偵收到雷達信號時即可對其實施干擾。由于圓錐掃描雷達和隱蔽圓錐掃描雷達很容易受到干擾，且目標跟蹤精度相對較低，現代跟蹤制導雷達很少采用這兩種體制。因此，本文對上述兩種體制不作考慮。

3.2 單脈沖

與圓錐掃描雷達相比，單脈沖雷達對目標信息的測量更加精確，而且不易受到諸如逆增益干擾及調幅干擾的影響。單脈沖雷達基于同時產生的多波束計算出目標角度誤差信號，因此不會受到因目標回波信號幅度不穩帶來的測角偏差。單脈沖雷達采用多信道接收對回波進行處理，就可計算出目標的角跟蹤誤差信息，抗單點源干擾能力較強，且單脈沖雷達的這一特性可使其有效跟蹤敵方的噪聲干擾信號。

3.3 相控陣

相控陣雷達在反偵察方面可以無慣性地快速波束掃描，即采用隨機掃描而不是周期掃描。電磁情報偵察設備不能與相控陣天線的掃描同步，這就使得敵方的電子偵察飛機難以獲取足夠數據以分析雷達特征信息以攻擊其弱點。另一方面，相控陣雷達的接收方向圖與發射方向圖很可能不同，這就使相控陣天線方向圖進一步難以獲取或測量。因此，干擾機對相控陣雷達形成有效干擾的難度進一步增大。

在主動抗干擾方面，相控陣雷達可利用很多同類的陣元放大器在給定的方向上形成單個波束，產生很高的平均功率，提高雷達的搜索、截獲及跟蹤性能。相控陣天線可根據外部的干擾信號進行自適應處理，以在天線方向圖中將對應于外部噪聲源的方向置于零點，可在很大程度上抑制從旁瓣進入的干擾信號。

4 外場測試

外場測試是通過組織跟蹤制導雷達對抗特定的干擾，以檢驗其實際的戰術性能。將雷達受干擾時的戰術性能與無干擾時的戰術性能相比較以衡量雷達的抗干擾性能。為評估跟蹤制導雷達分別對抗噪聲干擾、距離-速度拖引干擾、距離-角度欺騙干擾的性能，本文定義下列指標：相對探測距離是雷達在噪聲干擾環境下的最大探測距離與無干擾時雷達作用距離的比值；相對角度/距離分辨力是雷達在無干擾環境下角度/距離分辨力與雷達在干擾環境下測得的角度/距離分辨力的比值；相對角度/距離精度是指雷達在無干擾環境下的角度/距離精度與雷達在干擾環境下測得的角度/距離精度的比值；抗距離/速度/角度欺騙成功概率是指在一定的干擾試驗次數前提下跟蹤制導雷達仍能穩定跟蹤真實目標的次數與總的欺騙干擾試驗次數的比值。

5 評估指標體系的構建

跟蹤制導雷達在面臨不同樣式的干擾時將采取不同的抗干擾技術，因此需要根據雷達的使命任務以及作戰場景選取評估指標，同時必須充分把握獨立性、完備性、可用性3個原則。距離拖引干擾實現方式較為簡單，適用于任何脈沖體制的跟蹤制導雷達。本文充分考慮跟蹤制導雷達可能對抗的干擾樣式，對其抗干擾性能評估指標體系進行細化。針對跟蹤制導雷達將面臨的噪聲干擾、距離-速度拖引、距離拖引-角度欺騙干擾，分別選取最有效的抗干擾技術與戰術指標構建評估指標體系。

5.1 跟蹤制導雷達抗噪聲干擾性能評估指標體系

跟蹤制導雷達抗噪聲干擾主要是通過采取多種方式增強雷達發射信號能量或者抑制干擾信號能量，進而增強雷達信干比，提高雷達目標檢測能力與跟蹤精度。可通過采取自適應變頻方式尋找雷達工作帶寬內干擾功率譜密度最小的頻點，使雷達接收干擾能量最小。通過旁瓣對消、旁瓣匿隱等方式，抑制從雷達天線副瓣進入的干擾信號。通過采用燒穿模式、動目標顯示、動目標檢測等方式增大回波信干比，增強雷達目標探測能力。主動探測無法探測目標的情況下可采用被動跟蹤的方式獲取威脅目標的角度信息。跟蹤制導雷達抗噪聲干擾性能評估指標體系如圖1所示。

圖1 跟蹤制導雷達抗噪聲干擾性能評估指標體系

5.2 跟蹤制導雷達抗距離-速度拖引干擾性能評估指標體系

跟蹤制導雷達抗距離拖引干擾的方式主要是通過采取重頻抖動、頻率捷變等方式快速改變雷達參數，使干擾信號總是滯后于目標回波，進而雷達可采取脈沖前沿跟蹤的方式提取目標距離信息。跟蹤制導雷達抗速度拖引干擾的方式主要是通過將目標多普勒頻率求取的速度與目標距離變化率求取的速度值比較，或者通過雙頻發射方式及記憶跟蹤方式，使雷達完成對真正目標回波信號和速度波門拖引信號的鑒別。跟蹤制導雷達抗距離-速度拖引干擾性能評估指標體系如圖2所示。

圖2 跟蹤制導雷達抗距離-速度拖引干擾性能評估指標體系

5.3 跟蹤制導雷達抗距離拖引-角度欺騙干擾性能評估指標體系

單脈沖跟蹤雷達基于同時產生的多波束計算出目標角度誤差信號，對逆增益干擾等幅度調制的干擾信號不敏感，對抗單干擾源角度欺騙干擾具有較好的性能。針對交叉極化干擾引起的角度欺騙，可以采用交叉極化對消器、平板陣列天線、極化屏蔽等技術抑制交叉極化分量進入雷達天線。跟蹤制導雷達抗距離-速度拖引干擾性能評估指標體系如圖3所示。

圖3 跟蹤制導雷達抗距離-角度欺騙干擾性能評估指標體系

6 結束語

本文提出了跟蹤制導雷達抗干擾性能評估指標體系。基于戰術應用準則與概率準則，針對噪聲干擾、距離-速度拖引、距離拖引-角度欺騙干擾分別提出了跟蹤制導雷達抗干擾性能評估指標體系。該方法對跟蹤制導雷達抗干擾性能評估進行細化，針對3種典型的干擾樣式分別進行評估，選取合適的戰技指標分別構建了評估指標體系，具有更強的操作性。