基于脈壓處理和脈沖積累的壓制干擾效果評估

孫劍英，郝繼剛，劉 昂，夏 棟

(1.解放軍92664部隊，山東 青島 266031；2.海軍航空大學青島校區，山東 青島 266041)

0 引 言

采用大功率寬帶信號的壓制干擾是對雷達系統進行干擾的一種有效方式。對雷達系統進行壓制干擾的效果可以通過干信比(即進入雷達接收機的干擾信號功率和有用目標回波信號功率的比值)來評估。但是，干擾信號和有用的目標回波信號進入雷達系統后在接收機和信號處理機中會進行匹配濾波、脈沖積累等信號處理，2種信號的處理結果存在較大的差別。有用的目標回波信號經過匹配濾波、脈沖積累等處理后，信噪比會有顯著的提升；而干擾信號經過信號處理后，功率也會發生變化。從理論上分析干擾信號功率增加的倍數一定小于有用的目標回波信號增加的倍數，相當于經過信號處理后干信比下降了，這使得干擾機保護目標的暴露區增加了。因此,有必要從干信比和干擾暴露區的角度，定量分析匹配濾波、脈沖積累等信號處理對壓制干擾效果的影響。

1 壓制干擾下雷達威力評估模型

對雷達施加有源壓制干擾時，干擾機、雷達和掩護目標的相對位置如圖1所示。干擾機距離被干擾雷達的距離為，被掩護目標與被干擾雷達的距離為，對于雷達而言掩護目標所在方向與干擾機所在方向的夾角為。當=0并且=時，雷達受到的干擾為自衛式干擾。多數情況下≠，此時為志愿干擾或者伴隨干擾。無論是哪種情況，到達雷達接收機的有用目標信號的功率計算公式為：

圖1 干擾機、雷達、掩護目標位置示意圖

(1)

式中：為雷達發射功率；為雷達天線發射增益；為雷達天線接收增益；為雷達發射電磁波波長；為目標反射截面積；為被掩護目標距離雷達的距離；為雷達系統損耗。

進入雷達接收機干擾信號功率計算方法為：

(2)

式中：為干擾機發射功率；為干擾天線增益；()為干擾機方向上雷達天線接收增益；為干擾機相對于雷達所在方向；為電磁波波長；為干擾機距離雷達的距離；為干擾信號在干擾機和進入雷達后的系統內部損耗；為干擾信號與雷達系統極化失配引起的損耗；Δ為雷達接收機帶寬；Δ為干擾信號帶寬。

根據式(1)和式(2)，得到的干信比為：

式中：為壓制系數，通常情況下認為=2時，目標信號被干擾信號淹沒，壓制干擾有效。

當取=2時，根據式(3)，當存在壓制干擾時，雷達對方位上雷達截面積(RCS)為的目標的壓制距離為：

(4)

需要注意的是()為干擾機方向上雷達天線接收增益。當=0 時，說明干擾機跟被掩護目標在雷達的同一方向時，()為雷達天線的接收主瓣增益。多數情況下≠0，此時根據主瓣增益和天線方向圖獲得()為：

()=()

(5)

式中：為主瓣增益；()為天線方向圖函數。

雷達天線一般采用面天線，()為近似sinc函數，如圖2所示。

圖2 極坐標下雷達天線方向圖函數

天線方向圖函數非常復雜，為了簡化計算，()可以按照式(6)近似計算得到:

(6)

其函數曲線如圖3所示。

由圖2和圖3可以看出，從形狀上看()的近似公式是將天線方向圖函數進行了近似，只取了天線方向圖函數極大值的的包絡。為雷達天線波束主瓣寬度。的取值范圍為0.04～0.1，對于針形波束，則的取值范圍為0.06～0.1，而對于波束較寬、增益較低的扇形波束，取值范圍為0.04～0.06。

圖3 Gr(θ)近似計算結果

2 脈沖壓縮和脈沖積累對干信比的影響

2.1 脈沖壓縮處理對干信比的影響

為提高距離分辨力，現代雷達幾乎全部采用了脈沖壓縮體制。脈沖壓縮處理是一種典型的頻域匹配濾波，它可以得到頻域上最優的信噪比。同時由于脈壓濾波器對干擾信號不匹配，干擾/信號功率比也會下降。脈沖壓縮信號采用的波形包括線性調頻和相位編碼信號，以線性調頻信號為例。線性調頻信號的回波數據經過壓縮處理后在距離門上的分布為sinc函數的形式。當采用線性調頻脈沖壓縮時，壓縮后的信號輸出為：

(7)

式中：為信號帶寬；為脈沖寬度；為回波相對于發射脈沖時刻的時延。

當取=10 MHz、=100 μs、=750 μs時，回波在距離(也就是時間)上的分布如圖4所示。

圖4 信號脈沖壓縮處理后的距離分布

脈沖壓縮的效果可以用脈沖壓縮比表示:

(8)

式中：為壓縮前的脈沖寬度；為壓縮處理后的脈沖寬度。

根據脈沖壓縮處理后的表達式(7)可以得到脈沖壓縮比跟帶寬和脈沖寬度的關系式：

=

(9)

由于回波脈沖信號被壓縮，壓縮后的脈沖幅度也變大了。同樣根據式(7)可以得到脈沖壓縮后信號強度為原來的倍。即經過脈沖壓縮處理，有用的目標回波信號的功率增強為：

=

(10)

脈沖壓縮處理提高了回波信號的功率，而脈壓濾波器與干擾信號不匹配，干擾信號不會被放大，那么干信比會下降為原來的1。同樣，相位編碼信號的脈壓處理使信號功率增加倍數與線性調頻信號一致，相位編碼脈壓處理也會使干信比下降為原來的1。

2.2 脈沖積累對干信比的影響

脈沖積累通過對單個天線掃描周期里面多個脈沖積累提高信號的功率。當雷達系統采用非相參積累時，干擾信號也會被積累，干信比不會變化。但是雷達系統采用相參積累時，由于積累后的回波信號功率正比于積累脈沖個數，但是干擾信號不能在雷達系統內部實現相參積累，干擾積累功率增加倍數小于信號增加倍數。設雷達系統單個天線掃描周期內的脈沖積累個數為，那么積累后的干擾信號功率為：

(11)

積累后的回波信號功率為：

=

(12)

2.3 脈壓處理和脈沖積累修正下的干擾方程

脈沖壓縮處理和脈沖積累不同程度地改變了有用的目標回波信號和干擾信號的功率。根據式(10)和式(12)綜合考慮脈沖壓縮和相參后脈沖積累后的回波信號功率為：

=

(13)

而經過脈沖壓縮處理和脈沖積累后的干擾信號功率如式(11)所示。那么經過2種信號處理后的干信比應該為：

(14)

根據式(14)可以得到考慮脈壓處理和脈沖積累影響的壓制距離為：

(15)

3 仿真分析

根據上一節得到的雷達壓制距離方程，對壓制干擾效果進行仿真，仿真參數取值如表1所示。

表1 雷達和干擾機工作參數

被掩護目標的雷達反射截面積為10 m，式(6)中近似因子取0.8，壓制系數取=2，極化失配因子=05。根據上述參數、式(4)和式(6)，得到目標最大探測距離隨目標進入角度的關系如圖5所示，角度單位為°，距離單位為km。

圖5 進入接收機的干信比對應的目標暴露區

在圖5中，心形包線是在不同方向上雷達對被保護目標的最大探測距離，即探測威力。包線以內的區域為雷達暴露區，被掩護目標進入該區域后將會被雷達探測到；包線以外的區域為干擾壓制區，被掩護目標在該區域時雷達被干擾壓制，目標不會被發現。從圖5可以看出，掩護目標所在方向與干擾方向的夾角小于30°時，壓制效果較好。當超過30°后干擾壓制區域只能在20 km以外。

干擾信號和目標有用信號進入接收機后，雷達系統對兩類信號進行脈沖壓縮匹配濾波和脈沖積累處理。設雷達采用相參積累體制，積累脈沖個數=25，而脈沖壓縮比=100。那么根據式(6)和式(15)，經過脈壓處理和脈沖積累修正后的雷達對掩護目標的威力范圍如圖6所示。

圖6 脈壓處理與脈沖積累對目標暴露區的影響

由圖6可以得到以下結論：

(1) 脈壓壓縮和脈沖積累都會增加雷達暴露區，減小干擾抑制區，也就是說脈沖壓縮和脈沖積累處理削弱了壓制干擾的效果。

(2) 相對于脈沖積累來講，脈沖壓縮對干擾抑制區減小的影響程度更大。

(3) 脈沖壓縮和脈沖積累2種處理方式疊加后，干擾抑制區被劇烈削減，此時除了進入方向30°范圍以內有較好的壓制效果，30°以外進入方向的壓制距離都超過了100 km。

4 結束語

對雷達施加壓制干擾時，由于雷達系統對目標回波信號進行了脈沖壓縮和脈沖積累處理，信號功率得到了提升，使得壓制效果得到削減。其中，脈沖壓縮處理對干擾壓制效果的影響要大于脈沖積累。當2種處理的影響疊加后，干擾壓制效果被劇烈衰減，此時只有從干擾機所在方向30°范圍以內進入的目標能夠得到較好的干擾掩護。