電子干擾設(shè)備對(duì)被動(dòng)導(dǎo)引頭的干擾效能分析*

艾 盼 錢(qián) 歡 何 緩 王廣學(xué)

（空軍預(yù)警學(xué)院 武漢 430019）

1 引言

近些年面對(duì)錯(cuò)綜復(fù)雜的國(guó)際局勢(shì)，各國(guó)都在不斷研發(fā)軍事裝備，提高軍事能力。裝備發(fā)展已經(jīng)從上世紀(jì)的區(qū)域火力覆蓋向著精確制導(dǎo)打擊的新時(shí)代邁進(jìn)，其中以反輻射武器為典型代表，從美國(guó)最早研制的“百舌鳥(niǎo)”反輻射導(dǎo)彈，到“標(biāo)準(zhǔn)”反輻射導(dǎo)彈，再到如今的“哈姆”反輻射導(dǎo)彈［1］，以及以色列研制的“哈比”、“哈洛普”反輻射無(wú)人機(jī)［2］，都在歷次局部戰(zhàn)爭(zhēng)中取得了良好效果。例如：1986年3月24日至25日，美國(guó)對(duì)利比亞發(fā)動(dòng)的“草原烈火”行動(dòng)初期階段，美軍利用“哈姆”反輻射導(dǎo)彈創(chuàng)造了摧毀利比亞2座防空導(dǎo)彈發(fā)射陣地，5艘導(dǎo)彈巡邏艇，殺傷150余人，而美軍無(wú)一傷亡的戰(zhàn)績(jī)［3］。各國(guó)軍事專(zhuān)家公認(rèn)反輻射武器是雷達(dá)的“克星”［4］，因此研究如何抗反輻射打擊就顯得十分必要。

目前，雷達(dá)對(duì)抗反輻射武器攻擊大致包含發(fā)現(xiàn)告警、誘偏規(guī)避和干擾摧毀三種技術(shù)，其中發(fā)現(xiàn)告警、誘偏規(guī)避屬于被動(dòng)措施，包括雷達(dá)告警技術(shù)、紅外告警技術(shù)、相干誘偏技術(shù)、非相干誘偏技術(shù)、閃爍誘偏技術(shù)等；干擾摧毀屬于主動(dòng)措施，包括低空/超低空防空導(dǎo)彈系統(tǒng)、激光武器、強(qiáng)電子干擾等［5］。為保證抗反輻射打擊技術(shù)能在戰(zhàn)爭(zhēng)中充分發(fā)揮作戰(zhàn)效能，本文從電子干擾設(shè)備發(fā)射高重頻脈沖的角度分析其對(duì)反輻射武器導(dǎo)引頭的壓制性干擾效果，研究結(jié)論對(duì)強(qiáng)電子干擾技術(shù)的應(yīng)用具有參考意義。

2 干擾效能評(píng)估指標(biāo)

反輻射武器的設(shè)備系統(tǒng)包括導(dǎo)引頭和引戰(zhàn)系統(tǒng)，導(dǎo)引頭作為一種自動(dòng)尋的的被動(dòng)偵察裝置，能夠在引戰(zhàn)系統(tǒng)與目標(biāo)之間建立相互運(yùn)動(dòng)關(guān)系。在反輻射武器執(zhí)行任務(wù)的過(guò)程中，導(dǎo)引頭的職責(zé)主要是捕捉目標(biāo)、產(chǎn)生角誤差信號(hào)、實(shí)現(xiàn)角度跟蹤，并根據(jù)所選用的導(dǎo)引規(guī)律引導(dǎo)反輻射攻擊完成任務(wù)。從當(dāng)前世界已經(jīng)公開(kāi)使用的反輻射武器以及未來(lái)反輻射武器發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，被動(dòng)導(dǎo)引頭的接收機(jī)體制多采用數(shù)字式寬帶接收機(jī)或模擬寬帶接收機(jī)，接下來(lái)簡(jiǎn)要分析這兩種接收機(jī)的干擾效能評(píng)估指標(biāo)。

圖1為典型數(shù)字式寬帶接收機(jī)的組成框圖，天線接收到的輻射源信號(hào)經(jīng)限幅器、射頻帶通濾波器和低噪聲放大器后送至混頻器變換為中頻信號(hào)，再由中頻放大器放大后進(jìn)行A/D變換，然后通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理提取信號(hào)的各種信息［6］。模擬寬帶接收機(jī)結(jié)構(gòu)與之類(lèi)似，不同的是中頻信號(hào)不需要進(jìn)行A/D變換，直接由檢波器檢波送信號(hào)處理器，如圖2所示。對(duì)于寬帶中頻體制的接收機(jī)，當(dāng)導(dǎo)引頭截獲的信號(hào)來(lái)自于電子干擾設(shè)備發(fā)射的高重頻脈沖時(shí)，導(dǎo)引頭“存儲(chǔ)器”很快被干擾信號(hào)充滿，使得導(dǎo)引頭無(wú)法識(shí)別分選出目標(biāo)雷達(dá)信號(hào)［7］，因此寬帶接收機(jī)對(duì)脈沖信號(hào)的脈沖截獲數(shù)能夠一定程度上體現(xiàn)出干擾效果［8］。

圖1 數(shù)字式寬帶接收機(jī)組成框圖

圖2 模擬寬帶接收機(jī)組成框圖

被動(dòng)導(dǎo)引頭能夠截獲到脈沖信號(hào)，那么該信號(hào)就必須滿足兩個(gè)條件：一是脈沖必須落入偵察窗口；二是落入偵察窗口的脈沖功率電平不能小于導(dǎo)引頭的工作靈敏度或預(yù)先設(shè)置的檢測(cè)門(mén)限，其它參數(shù)處于其工作范圍內(nèi)。

2.1 脈沖與偵察窗口的重合概率

文獻(xiàn)［9］給出了實(shí)際影響被動(dòng)導(dǎo)引頭脈沖截獲數(shù)的偵察窗口只有三個(gè)，發(fā)射天線搜索窗口、導(dǎo)引頭的角度和頻率搜索窗口。設(shè)Δθa、θa和Ta為發(fā)射天線波束寬度、掃描范圍和掃描周期，導(dǎo)引頭接收天線波束寬度、角度搜索范圍和角度搜索周期分別為Δθr、θr和Trφ，接收機(jī)的瞬時(shí)帶寬、頻率搜索范圍和頻率搜索周期分別為Δf、fr和Trf，可得三個(gè)窗口的平均重合周期為［9］

當(dāng)導(dǎo)引頭在頻域和空域內(nèi)寬開(kāi)接收信號(hào)，且發(fā)射天線連續(xù)照射導(dǎo)引頭，處于單目標(biāo)跟蹤狀態(tài)，此時(shí)Ta/τa=1［10］，由式（1）得T0=Ta=∞，代入式（2）得：

2.2 脈沖檢測(cè)概率

脈沖信號(hào)和偵察窗口重合時(shí)，僅表示該脈沖能進(jìn)入導(dǎo)引頭接收機(jī)，并不能夠說(shuō)明導(dǎo)引頭一定能夠截獲它，能夠發(fā)現(xiàn)此脈沖的可能性由檢測(cè)概率Pds確定。導(dǎo)引頭接收直射波，相當(dāng)于雷達(dá)接收穩(wěn)定的目標(biāo)回波，可忽略目標(biāo)起伏對(duì)檢測(cè)概率的影響，其檢測(cè)單個(gè)脈沖的概率為［11］

式中Pfa為虛警概率，導(dǎo)引頭采用恒虛警檢測(cè)時(shí)，Pfa為固定值；φ(*)的定義如下：

x為檢測(cè)門(mén)限，φ(x)的值可以從概略積分表查到；Sn為接收機(jī)輸入端的信噪比。

由偵察方程可計(jì)算接收機(jī)接收的雷達(dá)信號(hào)功率Ps和干擾信號(hào)功率Pj分別為

式中，Pts、Ptj、Gts、Gtj分別為雷達(dá)和干擾源的發(fā)射功率及增益，Rs、Rj分別為雷達(dá)、干擾源與接收機(jī)（看作質(zhì)點(diǎn)）的距離，Gr為寬帶接收機(jī)天線增益，λs、λj分別為雷達(dá)信號(hào)和干擾信號(hào)波長(zhǎng)，ds、dj分別為雷達(dá)和干擾脈沖占空比，Ls、Lj為信號(hào)傳輸過(guò)程中的路徑總損耗，通常為15dB～17dB。導(dǎo)引頭接收機(jī)噪聲功率大小為

式中，k為玻爾茲曼常數(shù)，T0為接收機(jī)溫度，F(xiàn)為噪聲系數(shù)，B為接收機(jī)帶寬。由式（6）和式（7）得信噪比Sn為

2.3 脈沖截獲數(shù)

脈沖信號(hào)落入偵察窗口、能夠被檢測(cè)到，導(dǎo)引頭才會(huì)截獲它。基于以上分析可得脈沖截獲概率為

對(duì)于脈沖截獲數(shù)的計(jì)算，分為兩種情況：一種是干擾信號(hào)與雷達(dá)信號(hào)進(jìn)入導(dǎo)引頭接收機(jī)時(shí)沒(méi)有出現(xiàn)重疊現(xiàn)象；另一種是出現(xiàn)重疊現(xiàn)象。設(shè)導(dǎo)引頭對(duì)雷達(dá)信號(hào)和干擾信號(hào)的脈沖截獲概率分別為Pintms和Pintmj，雷達(dá)信號(hào)和干擾信號(hào)的脈沖重復(fù)頻率分別為PRFs和PRFj，則沒(méi)有出現(xiàn)重疊現(xiàn)象時(shí)，脈沖截獲數(shù)n為

出現(xiàn)重疊現(xiàn)象時(shí)，脈沖截獲數(shù)n為

式中ds為雷達(dá)信號(hào)占空比。

數(shù)字式寬帶接收機(jī)具備對(duì)同時(shí)到達(dá)信號(hào)的檢查能力，因此其脈沖截獲數(shù)的計(jì)算有式（10）和式（11）兩種情況，而模擬寬帶接收機(jī)沒(méi)有對(duì)同時(shí)到達(dá)信號(hào)的處理能力，其脈沖截獲數(shù)的計(jì)算只與式（11）的方法相同。

3 干擾效能仿真及分析

在分析電子干擾設(shè)備對(duì)導(dǎo)引頭的干擾效能之前，必須先確定干擾機(jī)的部署位置，而布陣的首要前提就是不能影響己方雷達(dá)的正常工作，此外，還要保證干擾機(jī)處于導(dǎo)引頭視場(chǎng)范圍，干擾脈沖能始終被導(dǎo)引頭接收［12］。導(dǎo)引頭、雷達(dá)和干擾機(jī)三者的空間位置關(guān)系如圖3所示。

圖3 導(dǎo)引頭、雷達(dá)和干擾機(jī)空間位置圖

3.1 數(shù)字式寬帶接收機(jī)

由式（4）仿真得虛警概率Pfa=10-6時(shí)，單個(gè)脈沖檢測(cè)概率Pds與信噪比Sn之間的關(guān)系曲線如圖4所示。可以看出，當(dāng)虛警概率一定時(shí)，接收機(jī)的檢測(cè)概率隨著信噪比的增加而增大；在虛警概率Pfa=10-6的情況下，導(dǎo)引頭若想達(dá)到0.9以上的檢測(cè)概率，要求接收機(jī)輸入端的信噪比達(dá)到16.3dB以上。

圖4 單個(gè)脈沖檢測(cè)概率隨信噪比變化關(guān)系圖

設(shè)雷達(dá)信號(hào)發(fā)射功率為55kW，副瓣增益-10dB，信號(hào)頻率為1215MHz，重復(fù)頻率為1kHz；干擾信號(hào)發(fā)射功率為100kW，天線增益35 dB，信號(hào)頻率為1220MHz，重復(fù)頻率為10MHz；導(dǎo)引頭接收天線增益為3 dB，接收機(jī)帶寬為10MHz，T0=290K，F(xiàn)=12dB，ds=0.1，dj=0.3，k=1.38×10-23J/K，Ls=Lj=15dB。根據(jù)式（8）可得導(dǎo)引頭輸入端雷達(dá)信號(hào)信噪比與雷達(dá)和導(dǎo)引頭之間距離的關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 數(shù)字寬帶接收機(jī)雷達(dá)信號(hào)信噪比隨距離變化情況

由圖5可以看出，雷達(dá)信號(hào)信噪比隨著雷達(dá)距離的增加而逐漸降低，當(dāng)兩者的距離＞20km時(shí)，雷達(dá)信號(hào)信噪比在-52.39dB上下微小浮動(dòng)。結(jié)合圖4可得，在虛警概率Pfa=10-6時(shí)，接收機(jī)對(duì)雷達(dá)信號(hào)檢測(cè)概率約等于0。

同理可仿真出導(dǎo)引頭輸入端干擾信號(hào)信噪比與干擾機(jī)和導(dǎo)引頭之間距離的關(guān)系曲線如圖6所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)干擾機(jī)和導(dǎo)引頭之間距離在160km內(nèi)變化時(shí)，信噪比＞20dB，結(jié)合圖4可以判定此時(shí)導(dǎo)引頭對(duì)于干擾信號(hào)的檢測(cè)概率基本等于1。

圖6 數(shù)字寬帶接收機(jī)干擾信號(hào)信噪比隨距離變化情況

當(dāng)導(dǎo)引頭在頻域和空域內(nèi)寬開(kāi)接收信號(hào)，且干擾機(jī)連續(xù)照射導(dǎo)引頭時(shí)，結(jié)合式（9）、（10）、（11）可得干擾信號(hào)與回波信號(hào)不重疊時(shí)，每秒脈沖截獲數(shù)為n=PRFs×Pintms+PRFj×Pintmj=1×107；干擾信號(hào)與回波信號(hào)重疊時(shí)，每秒脈沖截獲數(shù)為n=PRFs×Pintms+PRFj×Pintmj×(1-ds)=9×106。

3.2 模擬寬帶接收機(jī)

此時(shí)仿真中雷達(dá)和干擾機(jī)參數(shù)不變，導(dǎo)引頭參數(shù)除了F=15dB變化以外，其余也不變。根據(jù)式（8）可得導(dǎo)引頭輸入端雷達(dá)信號(hào)信噪比與雷達(dá)和導(dǎo)引頭之間距離的關(guān)系曲線如圖7所示。當(dāng)兩者的距離＞20km時(shí)，雷達(dá)信號(hào)信噪比在-52.4dB上下微小浮動(dòng)。結(jié)合圖4可得，在虛警概率Pfa=10-6時(shí)，接收機(jī)對(duì)雷達(dá)信號(hào)檢測(cè)概率約等于0。

圖7 模擬寬帶接收機(jī)雷達(dá)信號(hào)信噪比隨距離變化情況

同樣可仿真出導(dǎo)引頭輸入端干擾信號(hào)信噪比與干擾機(jī)和導(dǎo)引頭之間距離的關(guān)系曲線如圖8所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)干擾機(jī)和導(dǎo)引頭之間距離在170.6km內(nèi)變化時(shí)，信噪比＞16.3dB，結(jié)合圖4可以判定此時(shí)導(dǎo)引頭對(duì)干擾信號(hào)的檢測(cè)概率 ≥0.9。

圖8 模擬寬帶接收機(jī)干擾信號(hào)信噪比隨距離變化情況

所以導(dǎo)引頭在頻域和空域內(nèi)寬開(kāi)接收信號(hào)，且干擾機(jī)連續(xù)照射導(dǎo)引頭時(shí)，結(jié)合式（9）、（10）、（11），可得該仿真模型下模擬寬帶接收機(jī)每秒脈沖截獲數(shù)為n=PRFs×Pintms+PRFj×Pintmj×(1-ds)≥8.1×106。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從電子干擾設(shè)備發(fā)射高重頻脈沖的角度出發(fā)，研究了對(duì)被動(dòng)導(dǎo)引頭的干擾效果。通過(guò)選取接收機(jī)對(duì)脈沖信號(hào)的截獲數(shù)這個(gè)評(píng)估指標(biāo)，分析了數(shù)字式寬帶接收機(jī)和模擬寬帶接收機(jī)在同時(shí)接收雷達(dá)信號(hào)和干擾信號(hào)時(shí)不同的脈沖截獲概率。結(jié)果表明，雷達(dá)與導(dǎo)引頭之間距離＞20km時(shí)，兩種寬帶接收機(jī)對(duì)雷達(dá)信號(hào)的檢測(cè)概率約等于0，而數(shù)字式寬帶接收機(jī)與干擾機(jī)距離在160km內(nèi)變化時(shí)，導(dǎo)引頭對(duì)干擾信號(hào)的檢測(cè)概率基本等于1；模擬寬帶接收機(jī)與干擾機(jī)距離在170.6km內(nèi)變化時(shí)，導(dǎo)引頭對(duì)干擾信號(hào)的檢測(cè)概率 ≥0.9，進(jìn)而得出導(dǎo)引頭對(duì)脈沖信號(hào)的截獲數(shù)，驗(yàn)證了高重頻脈沖是對(duì)抗被動(dòng)導(dǎo)引頭的有效手段，為后續(xù)研究打下了基礎(chǔ)。