單頻電磁輻射對雷達的干擾規律

趙 凱, 魏光輝, 潘曉東, 杜 雪, 任仕召

(陸軍工程大學石家莊校區電磁環境效應國家重點實驗室, 河北 石家莊 050003)

0 引 言

未來信息化條件下的一體化聯合作戰中,電子信息裝備廣泛應用,戰場電磁環境日趨惡化,突出表現為多種電磁信號在空域、時域和頻域下，分布密集、數量繁多、樣式復雜、動態交替,嚴重妨礙信息系統和電子設備正常工作，顯著影響武器裝備的作戰運用和效能發揮[1-4]。自20世紀60年代起,美軍就開始了裝備的電磁危害研究,并將研究內涵逐步擴展到了當前的“裝備電磁環境效應”上[5]。掌握效應規律是研究“裝備電磁環境效應”的重要環節,近年來,在世界范圍內已有諸多學者對典型武器裝備(如通信電臺、無人機、無線電引信等)在連續波電磁輻射、超寬帶電磁脈沖、高功率微波干擾下出現的效應規律進行研究[6-12],剖析了典型的電磁輻射耦合通道、損傷規律等,對提高武器裝備電磁防護性能起到重要作用。

雷達在現代戰爭中扮演著“千里眼”的角色。作為電子化程度較高的用頻裝備,雷達對電磁輻射比較敏感,若沒有足夠的電磁防護性能,就難以正常發揮其戰技性能[13]。近年來,對雷達電磁效應的研究主要以雷達電子對抗為背景,即信息干擾效應[14-17],而鮮有以非信息干擾為背景的文獻見諸報道。本文從一般雷達在單頻電磁輻射干擾下的工作狀態入手,對阻塞干擾、假目標干擾規律進行理論分析,而后通過試驗探究干擾規律,對提高雷達電磁防護能力及保證其作戰效能具有重要意義。

1 理論分析

一般來說,對雷達的干擾可分為阻塞干擾與假目標干擾[18-22]。以單頻電磁輻射為干擾源,基于雷達測距原理分析電路非線性失真,進而探究阻塞干擾與假目標干擾的規律。

1.1 一般雷達線性工作狀態

假設在單頻電磁輻射干擾下,雷達對單個靜止散射體進行探測,耦合至雷達接收機的信號具有如下形式：

ur(t)=Us(t)cos [ωs(t-τ)]+Ujcos (ωjt+φ)

(1)

式中,Us(t)表示耦合到接收機的有用信號電壓包絡；Uj為干擾信號耦合電壓幅值；ωs和ωj為有用信號和干擾信號的角頻率；τ為有用信號由發出至返回的時延；φ表示干擾信號的初相位。

接收機本振信號頻率與回波信號頻率相同,其形式可表示為

uL(t)=cos(ωst)

(2)

以接收機I通道為例進行說明,Q通道同理。當輸入信號ur(t)較小、接收機處于線性工作狀態時,回波信號與干擾信號同時通過混頻器,與本振信號uL(t)進行混頻,并經低通濾波后得到有用信號與干擾信號分量為

(3)

式中,as和aj為與頻率有關的非線性系數。

在后續的信號處理中,由I、Q通道混頻輸出的有用信號分量,可以無模糊地計算出時延τ的數值,進而得到目標的距離;由asUs(t)可得到真實目標回波的強度,回波信號被線性放大。而干擾信號分量可能導致系統誤判,在后續處理中會產生假目標,其距離與(ωj-ωs)t+φ有關,其強度由ajUj決定,干擾信號同樣被線性放大。由于t+φ是時變量,因此每次探測得到的假目標位置是隨機的。

1.2 持續非線性失真

當輸入信號ur(t)較大時,接收機開始出現持續非線性失真,這是一種較弱的非線性失真,利用冪級數分析法進行分析[6]。當系統輸入信號如式(1)所示時,保留冪級數的前4項,輸出信號可表示為

(4)

式中,bi(i=0,1,2,…)是與電路特性有關的非線性系數。式(4)中的輸出信號與本振信號uL(t)進行混頻,并通過低通濾波后,可得到有用信號與干擾信號的輸出分量為

(5)

由式(5)可知,有用信號與干擾信號的增益為

(6)

由式(5)和式(6)可得到以下結論。

(1) 由于b3<0,當較強的輸入信號使得系統產生持續非線性失真時,有用信號與干擾信號的增益均被壓制,隨著干擾信號強度的增大而降低,阻塞干擾是由非線性系數b3引起的。

(2) 當干擾強度持續增加時,雷達測得的真實目標電平持續降低,降幅逐漸增大;而假目標電平持續增高,增幅逐漸減小。

(3) 雷達依然可以通過計算時延τ得到目標的距離,持續非線性失真不會影響探測距離的準確度。

1.3 突變非線性失真

當干擾場強過大、系統直接工作在飽和甚至擊穿等特殊區域時,可將產生的強非線性失真稱為突變非線性失真。若繼續使用冪級數分析法,其展開式項數無法窮盡,此時應使用矢量法來進行分析。當輸入信號具有式(1)形式時,可繪制接收信號的矢量圖,如圖1所示。其中,ωdt=ωs(t-τ)-(ωjt+φ)。

圖1 輸入信號矢量疊加圖Fig.1 Vector overlay diagram of input signal

由圖1可知,混頻前非線性輸出信號中有用信號分量為

uos(t)=S(t)cos (ωjt+φ+θ)

(7)

假設系統截止電壓為Um,當突變非線性失真產生時,Uj+Us(t)≥Um。參考文獻[6]的推導過程,由式(7)可得到混頻前非線性輸出信號中有用信號分量為

(8)

一般來說,若系統產生突變非線性失真,干擾信號的幅度要遠大于有用信號的幅度,即Uj>>Us(t),此時有Uj≈S(t),θ≈0。結合圖1可知,混頻前非線性輸出信號中干擾信號分量為

uoj(t)=Ujcos(ωjt+φ)≈
S(t) cos(ωjt+φ)≈Umcos (ωjt+φ)

(9)

式(8)、式(9)疊加后經過混頻、濾波,得到有用信號與干擾信號的輸出分量為

(10)

由此可得到有用信號、干擾信號增益為

(11)

由式(10)、式(11)可得到以下結論。

(1) 出現突變非線性失真時,系統飽和,有用信號、干擾信號增益隨干擾信號電壓的增加而線性下降(對數坐標下,以下相同)。

(2) 隨著干擾信號強度的增加,雷達測得的真實目標電平線性下降;假目標電平保持穩定,不隨干擾信號強度變化而變化。

(3) 突變非線性失真同樣不會影響探測距離的準確度。

2 單頻電磁輻射效應試驗

開展系列試驗,進一步探究單頻電磁輻射對雷達的阻塞干擾、假目標干擾規律。

2.1 試驗準備

具體試驗布置如圖2所示。信號發生器產生單頻連續波作為干擾信號,經功率放大器放大后經由定向耦合器1向輻射天線饋電,使得覆蓋雷達收發天線的空間形成場強不均勻性小于3 dB的輻射區域,同時輻射天線充當雷達的探測目標。頻譜儀1通過定向耦合器監測干擾信號的輻射功率,頻譜儀2用于后續開展注入試驗時監測干擾信號的注入功率。

圖2 電磁輻射效應試驗配置圖Fig.2 Configuration diagram of electromagnetic radiation effect test

受試雷達為某型Ku波段步進頻連續波雷達,具備靜目標測距功能,工作頻率為f0±100 MHz(f0為中心頻率),發射信號幅值恒定。受試雷達在信號處理過程中,將采集到的I/Q路數據進行逆傅里葉變換,得到目標回波的一維距離像,不同目標的強弱由歸一化電平來表示,如圖3所示[23]。

圖3 距離窗100 m時一維圖像示意圖Fig.3 One dimensional image schematic diagram of 100 m distance window

歸一化電平所反映的實質是各位置電平與峰值電平的差值,而在研究過程中應以不同位置的絕對電平為對象。結合前文對非線性失真的分析,試驗中可將峰值電平與假目標電平分別作為研究阻塞干擾與假目標干擾的效應參數。

為避免試驗設備的金屬外殼等扭曲試驗點附近電場,采取位置替換法來測試場強[24]。另外,場強計對小于1 V/m的場強測量誤差較大,對此應使試驗點處場強達到10 V/m,讀取頻譜儀1的輻射功率,在后續試驗中采用線性內插法來計算實際輻射場強[25]。

2.2 阻塞干擾試驗規律

2.2.1 峰值電平隨干擾場強變化規律

為全面反映干擾規律,試驗中選擇的干擾信號頻率fi要顧及到帶內、帶外頻率。另外,根據經驗,干擾頻偏(fi-f0)取負值時,其試驗結果與取正值時相似。由于本文關心的是總體的干擾規律,故可只取干擾頻偏為正值的情況進行試驗。綜上考慮,結合受試雷達的工作頻率,分別使用頻偏為0 Hz、30 MHz、70 MHz、110 MHz和150 MHz的干擾信號進行試驗。選定干擾頻偏后,調整信號發生器與功率放大器,使頻譜儀1讀取的輻射功率逐漸增大,每次調整后進行探測,記錄目標回波峰值電平的變化。結合第2.1節輻射場強的測量方法,可得到峰值電平壓縮量隨干擾場強的變化,如圖4所示。

圖4 峰值電平壓縮量隨干擾場強變化Fig.4 Variation of peak level compression with interference field strength

由圖4可得到以下結論。

(1) 在不同頻偏的干擾下,峰值電平壓縮量隨干擾場強的總體變化趨勢基本一致:當干擾場強較小時,雷達工作在線性區,峰值電平幾乎保持穩定,說明有用信號增益恒定;隨著干擾場強的增大,系統出現持續非線性失真,峰值電平壓縮量隨著干擾場強的上升而增加,增幅持續變大,說明有用信號增益的下降;當干擾場強增大到一定程度后,系統飽和,壓縮量隨干擾場強增加而近似于線性增加。試驗結果與前文理論分析相符。

(2) 干擾頻偏小于30 MHz時,峰值電平隨干擾場強的變化幾乎一致;隨著干擾頻偏的擴大,相同干擾場強下峰值電平壓縮量逐漸降低,臨界阻塞干擾場強逐漸提高。靠近中心頻率的干擾信號似乎更容易對受試雷達造成有效干擾。

2.2.2 阻塞干擾單頻臨界干擾場強測試

本文中敏感判據主要用于探究干擾規律,要求其準確地反映出受試雷達是否受擾,不同于一般意義上的干擾效果評估。故可從效應參數對干擾場強較敏感的位置處選取。由圖4可知,當峰值電平壓縮量在10 dB以上時,其增幅相對穩定,此時系統對于干擾更為敏感。另外,由雷達方程可知,當峰值電平壓縮12 dB時,雷達最大探測距離下降一半[26]。為便于試驗,取峰值電平壓縮12 dB作為受試雷達阻塞干擾敏感判據。

通過變步長調節法對阻塞干擾單頻臨界干擾場強進行測試[25],試驗布置如圖2所示。值得注意的是,當頻偏超出一定范圍后,會出現干擾場強過小不足以對受試雷達造成有效干擾的情況,對此可開展電磁注入試驗來得到臨界干擾場強[27]。測試結果如圖5所示。

圖5 阻塞干擾單頻敏感度曲線Fig.5 Single frequency susceptibility curve of blocking interference

由圖5可得到如下結論。

(1) 受試雷達阻塞干擾敏感頻段約為(f0-180)～(f0+160)MHz,明顯寬于其標定的f0±100 MHz工作頻段;在敏感頻段內,臨界干擾場強由5.4 dBV/m提高至18.5 dBV/m左右。

(2) 當干擾頻偏處于-120～120 MHz時,臨界干擾場強總體緩慢上升約10 dB,且受試雷達對頻偏-120 MHz的干擾最敏感,明顯偏離中心頻率,這與接收機內濾波器性能有關。

(3) 當頻偏繼續向兩邊擴大時,臨界干擾場強分別迅速上升,這與射頻濾波器的通帶設定有關。

(4) 當頻偏超過±200 MHz后,臨界干擾場強增速放緩,最終趨于穩定,在兩側形成相對平坦區域。左右兩側的臨界干擾場強約為28 dBV/m、35 dBV/m,兩者相差7 dB,這與雷達接收機射頻前端放大器等元器件的選頻特性有關。

(5) 敏感頻段外兩側平臺區域的臨界干擾場強要比帶內最敏感處分別高出約23 dB、30 dB。

2.3 假目標干擾試驗規律

2.3.1 假目標電平隨干擾場強變化規律

試驗布置如圖2所示,具體試驗方法與第2.2.1節類似,不再贅述,結果如圖6所示。其中,當干擾頻偏為110 MHz、150 MHz時,未出現特征明顯的假目標;假目標電平抬升量是相對于無干擾時受試雷達一維距離像的下限電平計算而來的。

圖6 假目標電平抬升量隨干擾場強變化Fig.6 Change of absolute level rise of false target with interference field strength

由圖6可得到如下結論。

(1) 在不同的頻偏干擾下,假目標電平抬升量隨干擾場強的總體變化趨勢基本一致:當干擾場強較小時,雷達工作在線性區,假目標電平隨著干擾場強的增加而近似線性增長,說明干擾信號的增益恒定;當干擾場強增大到使系統出現持續非線性失真時,假目標電平抬升量仍隨干擾場強的上升而增長,但增速持續下降,說明了干擾信號增益的持續降低;隨著干擾場強繼續增大,干擾信號飽和,假目標電平基本保持平穩,不隨干擾場強的增大而發生變化。試驗結果與前文理論分析相符。

(2) 在相同干擾場強下,干擾頻偏為0 Hz、30 MHz、70 MHz時，假目標電平抬升量依次降低,頻偏較小的干擾信號似乎更容易對受試雷達造成假目標干擾。

(3) 受試雷達在頻偏為110 MHz和150 MHz的電磁輻射干擾下未產生假目標,帶外電磁輻射似乎不易對受試雷達造成有效的假目標干擾。

2.3.2 假目標干擾單頻臨界干擾場強測試

下面對受試雷達假目標干擾單頻臨界干擾場強進行測試,探究頻偏對假目標干擾的影響。由圖6可知,假目標電平抬升量小于6 dB時,其與干擾場強幾乎成線性關系;而高于6 dB后,某些頻偏下假目標電平增速放緩。另外,選擇較低的數值作為判據可便于試驗操作。綜上考慮,選擇假目標電平抬升6 dB作為假目標干擾敏感判據。據此開展試驗得到假目標干擾單頻臨界干擾場強,如圖7所示。

圖7 假目標干擾單頻敏感度曲線Fig.7 Single frequency susceptibility curve of false target interference

由圖7可得到如下結論。

(1) 受試雷達假目標干擾敏感頻段約為(f0-75)～(f0+70)MHz,該范圍明顯窄于其工作頻段;在敏感頻段內,臨界干擾場強由-25.0 dBV/m左右提高至-6.4 dBV/m左右。

(2) 受試雷達對頻偏為0 Hz的干擾信號最敏感,臨界干擾場強最小;隨著干擾頻偏的增加,臨界干擾場強迅速提高,且幾乎以0 Hz頻偏為軸左右對稱。

(3) 當干擾頻偏在兩端超過-75 MHz、70 MHz時,無法對受試雷達造成有效的假目標干擾,說明受試雷達在工作頻段外抗假目標干擾能力較好。

3 結 論

雷達的電磁防護能力成為制約其作戰效能發揮的關鍵因素,本文以單頻電磁輻射為干擾源,對雷達阻塞干擾、假目標干擾規律展開研究,得到的結論如下。

(1) 單頻電磁輻射既可對雷達造成阻塞干擾使探測目標回波減弱,也可產生假目標干擾使雷達出現虛警。無論是阻塞干擾還是假目標干擾,其臨界干擾場強都是與輻射頻偏緊密相關的。總體來看,隨輻射頻偏的增加,臨界干擾場強先緩慢增加、后急劇躍變,最終達到穩定狀態。

(2) 受試雷達的阻塞干擾敏感頻段約為(f0-180)～(f0+160)MHz,寬于其標定的(f0±100)MHz工作頻段;而假目標干擾敏感頻段約為(f0-75)～(f0+70)MHz,窄于其工作頻段。易于對受試雷達造成假目標干擾的頻率范圍明顯窄于阻塞干擾,兩者相差約50%。

(3) 總體上看,產生假目標干擾的電平明顯低于阻塞干擾電平。在阻塞干擾與假目標干擾各自的敏感頻段內,最敏感處臨界干擾場強分別約為5.4 dBV/m和-25.0 dBV/m,兩者差值可達30 dB。

(4) 假目標干擾出現的位置(距離)具有隨機性,隨著干擾場強的增加,當系統工作在線性狀態時,假目標電平線性增加;系統出現持續非線性失真時,假目標電平的增長被壓制,增幅逐漸降低;直至系統達到飽和,假目標電平為恒定值。

(5) 阻塞干擾雖然可以壓縮目標回波峰值電平,但不會影響目標測距的準確性。當干擾場強較低、系統出現非線性失真時,壓縮量隨干擾場強的上升而持續增加;當干擾場強較高、系統達到飽和時,壓縮量隨干擾場強線性增加。