靶彈突防中的有源干擾信號監測系統實現與使用研究

張偉軍，洪 闖，葉衛勇，李海路，關寶財，王志春

（1.中國人民解放軍95821 部隊，甘肅 酒泉 732750；2.中國人民解放軍93145 部隊，廣東 深圳 518000；3.中國航天科工集團8511 研究所，江蘇 南京 210007）

0 引言

彈道導彈（TBM）在助推段、自由飛行段和再入段面臨多種電子威脅，為了提高突防效果，TBM 采用無源、有源等多種電子對抗手段，對反導系統中的雷達或導引頭進行干擾，使反導系統的作戰效能下降。有源電子對抗手段主要是采用伴隨式干擾機，其安裝于TBM 彈上的干擾艙內，可根據工作時序拋出，開機高度可調，靠慣性與導彈伴飛，在起飛段主要對天干擾預警衛星，在中段和末端主要干擾搜索雷達、制導雷達和導引頭。干擾模式主要是根據偵察結果進行選擇，可根據戰前搜集的情報進行設置，也可根據干擾機的偵察結果進行自適應干擾，從而達到突防的目的。

為了給靶場反導武器系統抗干擾能力評估提供一定的數據支撐，需要對彈道靶彈伴隨有源干擾機輻射的信號進行監測。為此，本文首先研究伴隨式干擾機工作過程與主要特點，提出伴隨有源干擾信號監測系統（以下簡稱監測系統）的要求與實現途徑，然后分析監測系統與常規監測系統的差異，在此基礎上，設計滿足試驗要求的監測系統，最后通過STK 仿真，驗證監測系統主要指標以及使用方法的合理性，為反導試驗監測裝備的研制和使用提供技術支撐。

1 有源干擾機工作過程與主要特點

監測系統的設計與其作用對象（彈道靶彈有源干擾機）息息相關，需要對有源干擾機的典型工作過程和主要特點進行研究。

有源干擾機的典型工作過程為：在彈上指令控制下，干擾機電池被激活，干擾機與靶彈艙體分離，經過一定延時，干擾機開機工作，當偵收到雷達信號后，進行信號分選并與干擾機上的雷達數據庫比對：當判定為已有雷達信號類型時，選擇對應的干擾樣式和參數，釋放干擾信號；當判定為未知雷達信號時，存貯雷達信號特征參數并根據干擾決策算法施放干擾信號。干擾機工作到預定時間后，進行電自毀。

伴隨有源干擾機的主要特點為：1）使用方式靈活。一枚彈道靶彈可攜帶多個不同工作頻段的有源干擾機；干擾機釋放時機靈活，可在過彈道最高點后釋放，也可在升弧段釋放；單個干擾機在不同彈道飛行段可施放不同樣式、不同強度的干擾；多個干擾機之間可具備協同偵察、協同干擾的功能。2）有效輻射功率ERP 有限，信號持續時間短。由于彈上干擾機的體積和質量受限，電池容量也有限，ERP 一般不超過百瓦量級，干擾持續時間為幾百秒量級。3）干擾波束覆蓋區域大。為了使干擾機動態飛行過程中，方便形成對雷達的干擾，干擾機天線波束很寬，一股可達120°×120°，干擾波束覆蓋區域很大，能對處于干擾頻段的一個或多個雷達進行干擾。4）干擾樣式多。干擾樣式包括寬帶阻塞噪聲干擾、窄帶瞄準噪聲干擾、轉發干擾、多假目標干擾和間斷干擾等。

2 監測系統應具備的特點與使用要求

通過分析彈道靶彈有源干擾機的工作過程和主要特點，可知要監測其干擾信號，對監測系統和其使用有較高要求。

2.1 監測系統應具備的特點

2.1.1 應具備很高的系統靈敏度

在反導試驗中，有源干擾機距離制導雷達的開機距離一般不小于彈道靶彈射程的一半，而有源干擾機ERP 較小，一般為2～50 W，要實現對遠距離小功率干擾信號的監測，對系統監測靈敏度提出了很高的要求。

下面以ERP 為10 W 為例，計算不同頻率和監測距離對監測系統靈敏度的要求，結果如表1 所示。

表1 不同頻率、不同監測距離對系統靈敏度要求

從表1 可以得出以下結論：當干擾機ERP 為10 W、開機距離為250 km、工作頻率為6 GHz 時，系統的靈敏度要達到-116 dBm。當開機距離更遠、干擾信號頻率更高時，對監測系統的靈敏度要求更高。

為此可采取的相關措施主要有：1）采用大尺寸拋物面天線，以提高天線的增益；2）采用信道化接收機，以提高接收機靈敏度；3）通過外部數據源引導伺服機構，使天線主波束實時對準有源干擾機所在位置；4）充分利用試驗先驗信息，包括彈道仿真數據、干擾機干擾參數、釋放時刻、干擾延時開機時間、干擾機釋放數量等信息，對監測系統參數進行最優化設置。

2.1.2 應盡可能減小雷達旁瓣輻射信號的影響

如果將監測系統部署在制導雷達站附近，監測系統接收的雷達旁瓣輻射信號將大于有源干擾機釋放的干擾信號，在強信號存在時對弱小信號的檢測與提取十分困難，因此監測系統需要盡可能減小雷達旁瓣輻射信號的影響。

為此可采取的措施主要有：1）優化監測系統的布站，使雷達旁瓣對監測系統的影響減小到最低程度；2）專門設計一個輔助通道，對主接收通道進行開關調制，保證主通道在地面雷達旁瓣信號高電平時停止接收、低電平時開始接收，最大程度減小雷達旁瓣對監測系統的影響；3）通過信號處理算法一定程度上抑制雷達輻射信號的影響。

2.1.3 應具備外引導功能

監測系統的高增益天線波束寬度窄，典型值為1.5°×1.5°，為對干擾信號進行有效監測，監測系統應當具備外引導功能，獲取靶彈遙測設備實時下傳到試驗網的位置數據，使監測系統實時指向干擾源所在位置。

為此可采取的措施主要有：1）通過試驗網實時獲取靶彈的遙測位置數據；2）根據靶彈的彈道仿真數據和發射0 時刻，來推算對應時刻的靶彈位置信息，當網絡異常時也能獲取靶彈位置數據；3）根據干擾機釋放角度、釋放速度等參數，以及靶彈彈道仿真數據和發射0 時刻，計算干擾機飛行軌跡數據，作為獲取干擾機對應時刻的位置數據的一種手段。

2.2 監測系統使用要求

為使監測系統能監測到遠距離的干擾信號，對其使用也提出了較高要求，除了按操作流程對監測系統進行操作使用外，最主要的要求是合理布站。布站的主要原則是：1）監測系統應當在盡可能遠的距離、在盡可能長的時間監測到干擾機釋放的有源干擾；2）監測系統需要避開靶彈一子級落點區域、航區安全控制區、再入體落點區域、攔截器落點區域、攔截試驗中碎片散布區域、導彈助推級落點區域、未碰撞時導彈攔截器落點區域，以保證人員和設備安全；3）監測系統要便于機動到部署位置，也要方便接入試驗網進行外引導；4）監測系統受雷達旁瓣輻射信號的影響最小。為此，可利用監測系統雙通道設計帶來的優勢，可也利用非通視條件電磁波傳播受阻這一特點。通過計算，可得到某制導雷達與監測系統之間的通視距離為16 km，考慮到地面起伏等因素，通視距離可取為20 km，即當監測系統與制導雷達相距20 km 時，可認為監測系統基本不受制導雷達的影響。

綜合考慮以上布站原則，監測系統需要布置在干擾機干擾方向的側前方，且與靶彈落點相距若干千米；監測系統距離反導制導雷達20 km 左右，也可根據監測系統雙通道抑制雷達旁瓣的效果，調整間距。監測系統布局示意圖如圖1 所示。

圖1 監測系統布局示意圖

3 監測系統的設計及工作過程

監測系統與常規電磁環境監測系統的組成基本相同，但也存在不同之處，需要分析這些差異并進行針對性設計。

3.1 監測系統與常規監測系統差異分析

監測系統與常規電磁環境監測系統的不同之處主要體現在：

1）天線的形式不同。監測系統須采用拋物面天線或傘狀天線，以提高天線增益，而常規電磁環境監測系統，一般采用對數周期或喇叭天線，增益較小。

2）監測通道的數量不同。為減少雷達旁瓣信號對監測系統的影響，需要增加一個輔助通道，根據輔助通道偵收到的雷達信號，對主通道的接收通道進行開關調制，保證主通道在雷達旁瓣信號高電平內停止接收，有效解決地面雷達旁瓣信號對主接收通道造成的干擾。而常規電磁環境監測系統，一般只設計了一個主接收通道。

3）測量接收分系統的要求不同。監測系統，對信號的實時采集與分析能力要求高，因此需要采用實時頻譜分析儀和高速采樣示波器，來快速獲得信號的時頻域特征，而常規監測系統可不需要測量接收分系統，或采用常規的頻譜分析儀和示波器即可。

4）信號采集與存儲分系統的要求不同。監測系統，由于干擾信號持續時間短，難以對信號進行實時快速分析，需要采用高速AD 來對信號進行快速采集，并對采集的信號進行高速存儲，事后對保存的數據再進行詳細分析，而常規監測系統一般是對信號進行采集并進行實時處理，可不采用高速存儲設備。

5）載車和伺服的要求不同。監測系統由于天線波束寬度窄，而使用時要求天線波束對準伴隨干擾機所在位置，故要求載車能自動調平、伺服機構能快速響應外部引導數據并動作、天線指向精度要求高，而常規電磁監測系統的要求無需很高。

3.2 監測系統設計

根據以上的差異性分析，設計的監測系統主要由天伺饋分系統、信號接收分系統、信號處理分系統、測量接收分系統、信號采集與存儲分系統、主控分系統和配套保障設備組成，系統組成框圖如圖2 所示。

圖2 監測系統組成框圖

1）天伺饋分系統：用于接收干擾信號，主要由旋轉平臺、拋物面天線、輔助天線組成，其中旋轉平臺由旋轉機構、轉臺控制器和雙GPS/“北斗”定位儀組成。由雙GPS/“北斗”定位儀測量系統的位置和真北角，轉臺控制器接收外引導數據，經過角度計算，控制旋轉機構的旋轉實現天線的指向，實時跟蹤監測目標的輻射信號；拋物面天線具有高增益，具備對遠距離干擾輻射源/弱信號進行接收的功能；輔助天線具備接收雷達旁瓣信號功能。

2）信號接收分系統：用于對2 個通道的射頻信號分別進行混頻、放大、濾波、下變頻等處理，主要由前端模塊、變頻模塊、頻綜和自檢源模塊組成。接收前端由微波限幅、濾波、放大、衰減器、功分器等組成，變頻模塊完成對射頻信的變頻、濾波、放大等功能。

3）信號處理分系統：用于頻域寬開信號的檢測、雷達信號脈內細微特征的分析、壓制干擾信號的參數測量、系統工作流程的實時控制，主要由信道化模塊、信號分選模塊和系統控制模塊組成。

4）信號測量分系統：用于信號的分析、信號頻譜的測量，脈沖信號時間、頻率、相位、幅度的聯合分析，主要由實時頻譜儀和高速采樣數字示波器組成。

5）信號采集與存儲分系統：用于中頻信號的數據采集、存儲與回放，由A/D 采集模塊、數據存儲模塊、D/A 轉換模塊以及控制系統組成。

6）主控分系統：用于設置監測系統的工作模式，控制設備完成對雷達信號、壓制干擾信號偵收，以表格、圖形等形式顯示雷達、干擾信號參數及圖形，主要由主控計算機和軟件組成。

7）配套保障設備：用于提供安裝平臺、運行環境、定位定向、指揮與通信等功能，主要由定位定向設備、時統及指揮調度設備、載車、方艙、油機和配套設備等組成。

3.3 工作流程

整個系統工作流程如下：

1）主控分系統根據試驗方案完成相應參數裝訂，并控制系統設備完成狀態自檢。系統實時控制計算機接收測控網的靶彈外引導信息，并結合自身定位定向設備提供的設備指向信息，綜合解算出轉臺的指向角度，控制主天線實時指向空中干擾機。

2）天線偵收的信號經限幅后進入微波接收機，信號經低噪聲放大后功分為2 路，其中一路信號進入信號測量分系統的頻譜儀進行實時頻譜顯示；另一路射頻信號在微波接收機內經過變頻單元后形成中頻信號。中頻信號功分為2 路，其中一路直接進入信號采集與存儲分系統的采集單元，另一路進入信號測量分系統的示波器。

3）微波接收機輔助通道采用寬波束天線偵收地面雷達旁瓣信號，偵收信號通過輔助通道高頻前端和變頻單元后變為中頻信號。中頻信號功分為2 路，其中一路進行入信號測量分系統的示波器，實時進行中頻信號波形顯示；另一路信號進入信號處理的采集單元，對信號進行數字檢波后生成干擾調制脈沖，輸出至主通道的接收調制開關，對主通道的接收通道進行開關調制，保證主通道在雷達旁瓣信號高電平時關閉接收、在低電平時主通道正常接收。

4）信號處理分系統的采集單元對微波接收機主通道和輔助通道輸出的中頻信號進行高速采樣，采樣原始信號進入中頻信號處理單元內進行信號參數實時測量，中頻信號處理單元采用數字信道化接收技術，對采集信號進行數字信道化輸出的每一路信號進行檢波、鑒相、測幅等數字信號處理，形成原始信號流參數測量值，由信號處理分系統進行信號分選、識別和處理，形成最終的輻射源參數描述字（RDW）。

5）信號測量分系統接收微波接收機輸出的射頻信號和中頻信號，完成主通道射頻信號的頻譜顯示和主接收通道及輔助通道的中頻信號時域信息顯示。頻譜儀能夠對主通道射頻信號進行實時頻譜分析、信號脈內特征分析。示波器能夠對主通道和輔助通道中頻信號的時域波形進行顯示。

6）事后數據處理和分析軟件能對指定時間段的采集存儲信號進行提取、分析和處理，處理內容包括時域分析、頻域分析等，并提取干擾信號出現時間、中心頻率和干擾帶寬等特征參數，生成監測報告。

4 仿真驗證

為了對監測系統主要性能、監測系統布站合理性、監測狀態等方面的情況進行了解與驗證，采用衛星工具包STK來進行仿真分析。

4.1 場景構建

利用STK 構建典型的反導試驗場景，包括制導雷達陣地、監測系統陣地、靶彈發射陣地、靶彈彈道、干擾機飛行軌跡、監測系統波束寬度、作用距離等。其中靶彈彈道和干擾機飛行軌跡，可通過創建外部星歷數據文件來確定，本文采用的數據格式為經緯度和高程，參考坐標系為固連坐標系；作用距離根據監測系統靈敏度、天線增益、干擾機ERP 等參數來計算獲得。

根據試驗方案數據以及靶彈仿真彈道等數據，建立的反導試驗場景如圖3 所示。

圖3 反導試驗場景構建(3D、2D)

4.2 仿真流程

首先依據反導試驗方案，編輯與設置反導區域場景，并對參與試驗的雷達部署位置及參數進行設置，導入靶彈彈道數據和干擾機飛行軌跡數據；然后導入監測系統布站和監測距離等數據，執行推演，演示監測過程，判斷分析監測布站的合理性、監測相關參數是否滿足要求，是則結束，否則修參數、重推演，直至滿足試驗要求。

4.3 仿真結果

通過仿真，能獲得以下結果：1)干擾機與靶彈動態分離情況。通過賦予不同時刻靶彈與2 個干擾機的大地坐標，隨著仿真時間的推進，能方便觀察干擾機與靶彈動態分離的情況。2)干擾機的波束覆蓋范圍。通過賦予干擾機一定的波束寬度，當干擾機與靶彈分離后，隨著仿真時間的推進，能方便觀察2 個干擾機波束覆蓋區域，以及是否覆蓋制導雷達和監測系統，如圖4所示。3）監測到干擾機的開始與結束時刻，以及干擾機對應位置。通過賦予監測系統的作用距離與波束寬度，隨著仿真時間的推進，能方便獲得當監測系統的波束與干擾機作用時，以及干擾機波束將不能覆蓋監測系統時，對應的監測時刻以及相對于靶彈的位置與方位，如圖4—5 所示。

圖4 首次監測到干擾信號的空間相對位置

通過仿真，能直觀地分析驗證監測系統主要性能參數、監測系統布站合理性、監測到干擾信號的時間段以及相對于干擾機的空間位置信息等情況，從而為反導試驗監測任務的完成奠定基礎。

圖5 不能監測到干擾信號時空間相對位置

5 結束語

評估防空反導武器的抗干擾性能是防空反導武器系統性能鑒定的重要內容，需要獲得伴隨有源干擾信號的監測數據。本文結合實際工作需要，在研究彈道靶彈突防中的伴隨有源干擾機工作過程與使用特點的基礎上，有針對性分析了伴隨有源干擾信號的監測系統應具備的特點與使用要求，并創新性地設計了伴隨有源干擾信號監測系統，通過STK 仿真開展了驗證工作，為反導試驗中的彈道靶彈有源干擾信號監測系統的實現與使用提供了技術支撐。■