艦艇電磁兼容管控效果分析

黃清云，夏惠誠，徐亞光

（海軍大連艦艇學院，遼寧 大連 116018）

隨著水面艦艇的發(fā)展，艦艇裝備的電子設(shè)備種類、數(shù)量和功率不斷增加，天線數(shù)量越來越多，實現(xiàn)空間隔離越來越困難。即使經(jīng)過一番嚴格的設(shè)計論證，進行了全面的電磁兼容設(shè)計，但仍然存在不少電磁兼容問題，嚴重影響了艦艇戰(zhàn)斗力的發(fā)揮。例如:短波通信某些頻點大功率發(fā)射時在對海導彈發(fā)射架位置的電場強度超過武器安全場強；雷達、通信和電子戰(zhàn)系統(tǒng)之間的電磁干擾問題等。目前，水面艦艇采取的電磁兼容管控措施主要是從空域、能域、時域和頻域四方面入手，一定程度上較好地解決了艦上存在的電磁兼容問題，然而實現(xiàn)管理控制后對單個系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的損失有多大，是得大于失，還是失大于得，這是共同關(guān)心的重要問題。本文將具體分析各域管控措施的原理、使用時機以及各管控措施對受管控電子設(shè)備作戰(zhàn)效能的影響。

1 能域管控

1.1 能域管控的基本原理

能域管理主要是保證艦載武器彈藥（電引爆火工品）的安全，針對導彈空架、上架、存貯、準備發(fā)射等工況，限制對其構(gòu)成威脅的電磁發(fā)射功率分別處于不同限值。功率管理可以用來管理功率可調(diào)的無線電通信發(fā)射機和電子戰(zhàn)干擾設(shè)備。如果某些設(shè)備具有功率控制能力，那么就要分析其在功控條件下的電磁干擾概率，優(yōu)先使用具有功率控制的設(shè)備。

兩部設(shè)備之間存在相互干擾，一個重要原因就是干擾信號的強度超過了敏感設(shè)備的最低門限值，使得干擾信號影響了設(shè)備的正常工作狀態(tài)，如果在相互之間存在干擾時，能夠合理控制干擾源的信號強度，降低其輻射功率，那么就能夠合理地解決電磁兼容問題。這種從能域角度解決裝備間的電磁兼容問題的方法，目前也得到了一定程度的應(yīng)用，取得了一定的效果。但是，降低設(shè)備的功率，在其它條件不變的情況下，勢必作用距離就要隨之降低，從而影響裝備的探測、通信效能，與目前雷達、通信裝備功率加大、作用距離要求增加的趨勢相矛盾。

1.2 能域管控對設(shè)備作戰(zhàn)效能的影響分析

能域管控方法簡便，能有效地保證艦載武器、彈藥的安全，但在限制電子設(shè)備使用的同時也會造成電子設(shè)備作戰(zhàn)效能的下降，下面以影響雷達和通信干擾設(shè)備的干擾距離為例來分析。

1）功率下降對通信干擾作用距離的影響[1][2]

干信比就是指目標接收機處的干擾功率與信號功率之比，即

由壓制系數(shù)ky的定義可知，當干擾有效時，目標接收機輸入端的干信比應(yīng)滿足

此時，干擾能有效壓制目標信號的通信。再由路徑損耗差的一般表達式[5]，即可知道干擾作用距離和干擾機發(fā)射功率的關(guān)系。

式中，PTS為發(fā)射機輸出的信號功率；GTS為通信發(fā)射機到接收機方向的天線增益；GRS為接收機到通信發(fā)射機方向的天線增益； LS為通信發(fā)射機到接收機的路徑損耗；PTj為干擾機輸出的干擾功率；GTj為干擾機到接收機方向的天線增益；GRj為接收機到干擾機方向的天線增益；Lj為干擾機到接收機的路徑損耗；Fb為濾波損耗；p為極化損耗。

2）功率下降對雷達干擾機作用距離的影響[3]

雷達接收機輸入端干擾和信號的功率比為

當公式（4）中的干擾與信號功率比大于壓制雷達對信號正常接收所必須的干擾與信號的最小功率比（即壓制系數(shù)）Kj時，便可得到干擾方程的一般表達式，而且由上式可知 Pj與Rj成反比關(guān)系。

式中，Pt,Gt為雷達的發(fā)射功率和天線主瓣方向上的增益；σ為目標的有效反射面積；λ為雷達工作波長；Rt為目標至雷達的距離；Pj,Gj為干擾機發(fā)射功率和干擾機天線主瓣方向上的增益；Rj為干擾機至雷達的距離；γj為干擾信號對雷達天線的極化損失。

2 空域管控

2.1 空域管控的基本原理

對連續(xù)波或高重頻的設(shè)備同頻干擾時，通常不能采用時域管理.當設(shè)備的工作頻帶較窄，無法實施頻域管理，特別是無線電或衛(wèi)星通信設(shè)備，其工作頻率不能自主變換，此時可采用空域管理。即當跟蹤設(shè)備天線處于某個對其它設(shè)備產(chǎn)生干擾的方位和仰角時，有伺服系統(tǒng)將天線方位和仰角信息通過控制設(shè)備發(fā)送到電磁兼容管控設(shè)備，有管控設(shè)備進行自動判斷，當天線角度進入方位θΔ或仰角βΔ時，管控設(shè)備自動向受干擾設(shè)備發(fā)送管理命令或提示，由管控設(shè)備自動采取規(guī)避措施，例如:由管理設(shè)備自動接通可瞬時控制的高頻濾波器等。管理過程需以下信息作為判斷的判據(jù):

a）設(shè)備工作信息；

b）設(shè)備天線方位和仰角信息。

若被管理設(shè)備是需要全方位作戰(zhàn)設(shè)備，則空間管理對設(shè)備有一定影響。

2.2 空域管控對設(shè)備作戰(zhàn)效能的影響分析

空域管理的原理簡單且實施方法簡便，可結(jié)合艦總體布置順勢利用，但由于艦總體尺度不大，空間有限一般難以完全奏效。特別地，當管理設(shè)備是需要全方位作戰(zhàn)的設(shè)備，則空間管理對設(shè)備作戰(zhàn)效能有一定影響。比如令某一雷達在某一水平方位角度a內(nèi)不發(fā)波，那么這一雷達的空域損失可表示為W:W=(a/b).100%，其中a為受限的角度，b為雷達掃描的范圍。但是，如果不采取空域管理措施，那么受干擾的設(shè)備作戰(zhàn)效能損失率可能為50%，甚至于100%。

3 頻域管控

3.1 頻域管控的基本原理

當能確定本艦電磁收/發(fā)設(shè)備之間的干擾僅存在于某些頻段或頻點，或工作于寬頻帶的發(fā)射設(shè)備對電引爆武器的威脅突出表現(xiàn)在某些頻段時，可根據(jù)電磁收/發(fā)設(shè)備的受控特點，錯開相互干擾設(shè)備工作載頻，使設(shè)備相互干擾消失或減弱，頻率管控能保證相關(guān)設(shè)備作戰(zhàn)同時使用。如果設(shè)備有多個工作頻段或可自適應(yīng)變頻，則要詳細分析出現(xiàn)干擾可能的頻率點的實際使用情況及技術(shù)特點，統(tǒng)一規(guī)劃電磁設(shè)備使用頻段，盡量使用具有寬跳頻和抗同頻異步能力的設(shè)備。頻域的主要管控措施有:

1）濾波 濾波是指從混有噪聲或干擾的信號中提取有用信號分量，實現(xiàn)選擇信號和抑制干擾的技術(shù)。濾波主要是為了避免雷達和微波段通信設(shè)備發(fā)射的連續(xù)波、高重頻脈沖對雷達偵察設(shè)備的干擾，以及由設(shè)備帶外雜散對其它設(shè)備引起的干擾。一般通過在雷達偵察設(shè)備接收通道上增加可控濾波器，或在被干擾設(shè)備端增加帶通濾波器。濾波器按工作方式分為三種:第一種是將無用信號反射回信號源，即反射式濾波器；第二種是把無用信號在濾波器里吸收掉，即吸收式濾波器；第三種是將無用信號對消掉，即有源對消濾波器。

2）錯開工作頻率或關(guān)閉某個頻段 對于水面艦艇裝備的可用頻點數(shù)多、發(fā)射機帶外抑制高、接收機性能好的設(shè)備，可通過錯開干擾載頻來避免或減弱干擾，如:跟蹤雷達與搜索雷達的干擾、警戒雷達多次諧波對其它設(shè)備的干擾。有時候也可以通過關(guān)閉某個頻段來來避免或減弱干擾，如:電子戰(zhàn)干擾設(shè)備對搜索雷達的干擾。

3）跳頻和抗同頻干擾 跳頻技術(shù)是用擴頻碼序列去進行頻移鍵控，使載波頻率不斷跳變而擴展頻譜的一種方法。跳頻系統(tǒng)的關(guān)鍵部件是跳頻器，更具體地，是能產(chǎn)生頻譜純度好、切換速度快的頻率合成器和偽隨機性好的跳頻指令發(fā)生器。

抗同頻干擾的基本原理是:如果是同頻同步干擾，則采用增加雷達重復頻率點數(shù)的方法，將同頻同步干擾變?yōu)橥l異步干擾，再采用多脈沖相關(guān)的處理方法來抑制同頻異步干擾。

3.2 頻域管控對設(shè)備作戰(zhàn)效能的影響分析

1）濾波 濾波技術(shù)雖然能解決一些干擾問題，但在濾掉干擾信號的同時也可能把有用信號給濾掉，造成頻譜損失，從而加大了漏警概率。濾波后的漏警概率為

式中，p漏為漏警概率，f1為濾掉的頻率點數(shù)(或頻段)，f0為設(shè)備固有的頻率點數(shù)或頻段，p發(fā)為設(shè)備的發(fā)現(xiàn)概率。

2）錯開工作頻率或關(guān)閉某個頻段 錯開工作頻率會使得可用的工作頻點變少，造成的負面影響就是使設(shè)備的頻率資源有所損失，同時對設(shè)備的性能會產(chǎn)生一定的影響。例如:XX遠程警戒雷達規(guī)避XX對空超短波電臺工作頻率，若通信預案的制定使XX遠程警戒雷達受限制的頻點較多時，XX遠程警戒雷達的跳頻抗干擾能力將減弱；若限制嚴重時，XX遠程警戒雷達將無法采用跳頻工作方式，使補盲措施失效和降低漏警率的功能減弱。而關(guān)閉某個頻段，則會使受管控設(shè)備的作戰(zhàn)效能遭到較大的損失，但對總體作戰(zhàn)效能可能是有利的。以干擾機對搜索雷達的干擾為例，當干擾機在搜索雷達的工作范圍內(nèi)進行掃頻干擾時，為了保證搜索雷達對目標的穩(wěn)定跟蹤，此時應(yīng)該停止干擾機在搜索雷達某一工作頻段內(nèi)的掃頻干擾，雖然干擾機失去了一定的干擾頻段，但是艦艇總體作戰(zhàn)效能達到最大化。

3）跳頻和抗同頻異步干擾[4][5]跳頻技術(shù)是一種有效的抗干擾措施，當設(shè)備受干擾時采用跳頻技術(shù)來抗干擾，個別頻點受干擾會使噪聲電平有少量上升，對設(shè)備的性能影響較小。

根據(jù)文獻[5]仿真測試及實際應(yīng)用結(jié)果分析，實際上，同頻干擾的時間寬度非常大。對于線性調(diào)頻信號，當兩部雷達的工作周期相差約三倍脈寬時，反異步才能取得較好的效果。雷達重復周期變化將影響雷達的平均功率，重復頻率變高，發(fā)射機平均功率增大；反之重復頻率變低，發(fā)射機平均功率減小。所以，改變雷達的重復周期將會影響雷達的探測距離，具體影響可由公式(7)和(8)表示。

式中，Rmax為雷達最大作用距離，Pt為雷達發(fā)射功率，G為天線增益，σ為目標反射面積，Smin為接收機靈敏度，λ為雷達波長；P0為平均功率；P1為峰值功率；τ為脈沖寬度；fr為脈沖重復頻率。

4 時域管控

4.1 時域管控的基本原理

時間分隔法的實質(zhì)是使各部雷達的發(fā)射信號和視頻顯示（或是接收機）從時域上分開，不顯示干擾信號，從而達到抑制相互干擾的目的。干擾脈沖（發(fā)射脈沖）和抑制脈沖在時間上重合是抗干擾的基本條件，干擾脈沖從發(fā)射天線到接收天線在空中傳播的時間，小于信號沿“干擾源-中心轉(zhuǎn)接盒-受干擾設(shè)備”電纜的傳輸時間，那么這種重合就需要所有連接在一起的雷達設(shè)備提前于發(fā)射脈沖向電磁兼容保證系統(tǒng)發(fā)送信號，這個信號就是提前脈沖（啟動脈沖），提前脈沖的提前時間就是電磁波沿電纜和經(jīng)過空中傳播所用時間不同而產(chǎn)生的時間差。這樣，當某部雷達將要發(fā)射脈沖時，先向電磁兼容保證系統(tǒng)送出一個提前脈沖，這個提前脈沖在電磁兼容保證系統(tǒng)的中心轉(zhuǎn)接盒里分壓，形成抑制脈沖再送到同一保護組的其它雷達，保證在這個抑制脈沖到達各部雷達的同時，本雷達的發(fā)射脈沖也正好到達，從而實現(xiàn)發(fā)射脈沖和抑制脈沖在時間上的重合。時域管理主要有三種方式:

1）“脈沖匿影”方式:兩相互干擾的設(shè)備需同時工作時干擾源設(shè)備送出干擾信號脈沖，由管理控制設(shè)備根據(jù)管理要求定義，在干擾信號發(fā)射時間段內(nèi)停止受干擾設(shè)備工作。這種分時方式往往是us級或ms級的，對設(shè)備使用影響不大，當干擾源占空比較大時，對受干擾設(shè)備具有一定的影響。

2）統(tǒng)一觸發(fā):該方式主要為了減少電子戰(zhàn)偵察設(shè)備、被動雷達“匿影”時間的損失，要求同頻段雷達在作戰(zhàn)時選擇“統(tǒng)一觸發(fā)”工作方式，使相關(guān)雷達在一個大周期內(nèi)的發(fā)射起始點一致有效地減少了疊加后的“匿影脈沖”或“匿影波門”寬度，但可能會導致部分雷達出現(xiàn)同頻同步干擾。

3）大分時工作:兩相互干擾的設(shè)備同時工作時，設(shè)備送出工作狀態(tài)信息由電磁兼容管理控制設(shè)備根據(jù)管理要求，在干擾源工作時，停止干擾源或受干擾設(shè)備工作。大分時工作對艦總體作戰(zhàn)效能有一定的影響，這也是管理方式中最不推薦的一種方法。

4.2 時域管控對設(shè)備作戰(zhàn)效能的影響分析[6]

1）匿影脈沖對設(shè)備作戰(zhàn)效能的影響分析 考慮到每部雷達都有多種發(fā)射脈寬和脈沖重頻，為研究方便起見，都統(tǒng)一采用其發(fā)射脈沖占空比最大的工作方式作為研究對象，因為這種方式對其它雷達的閉鎖時間最長。

某個艦艇編隊由多艘艦艇組成，假設(shè)共裝備各型雷達n部，如果所有雷達統(tǒng)一采用脈沖匿影，那么總的匿影時間為

式中，τi為第i部雷達的發(fā)射脈寬，單位秒；Fi為第i部雷達的脈沖重頻。

如果T大于等于1，那么所有的雷達都沒有可供接收信號的時間，匿影脈沖的方法就是不適用的。如果T小于 1，那么雷達受匿影脈沖的影響，但是還有可以接收的時間。此時，所有雷達的占空比都變?yōu)門。

目前在編隊范圍內(nèi)，由于各部雷達沒有時間的同步基準，它們之間的相互閉鎖沒有周期關(guān)系，當某個目標的回波在一個周期內(nèi)被屏蔽時，它不可能在連續(xù)的幾個周期內(nèi)也被屏蔽，也就是說這種方法不會導致雷達對某個目標的連續(xù)漏警，從時域分析雷達單個脈沖的探測概率不會小于原有概率的T倍。

假設(shè)第i部雷達的天線周期為Ti，波束寬度為Bi，單個脈沖對目標的發(fā)現(xiàn)概率為Pi，則此雷達對一個點狀目標掃描時發(fā)射的脈沖數(shù)量為

在T小于1的情況下，第i部雷達對此點狀目標探測時的累計發(fā)現(xiàn)概率為

在匿影脈沖的作用下，此雷達對目前探測的影響為探測概率的下降，總的下降幅度為

根據(jù)上述情況，假設(shè)某個編隊所有雷達設(shè)備采用脈沖匿影的電磁兼容管控方法后 T=0.6，某部雷達的Ni＝10，單個脈沖對點狀目標的發(fā)現(xiàn)概率 Pi=0.8，那么可以計算出管控后此雷達對某個目標的總計探測概率 P=0.97886，而在沒有管控時，此雷達對這個目標的累計發(fā)現(xiàn)概率為0.99999，可以看出，采用脈沖匿影后總的探測概率下降幅度為2.1%。

2）統(tǒng)一觸發(fā)對設(shè)備作戰(zhàn)效能的影響分析 統(tǒng)一觸發(fā)工作方式對電子設(shè)備的性能影響分析可參照匿影脈沖對設(shè)備性能的影響分析方法來分析，不同的是統(tǒng)一觸發(fā)對設(shè)備的總匿影時間 'T的計算公式為

式中，Tmax為采取統(tǒng)一觸工作的設(shè)備在一個脈沖周期內(nèi)發(fā)射時間最長的時間；T統(tǒng)一為統(tǒng)一觸發(fā)的周期。

3）大分時對設(shè)備作戰(zhàn)效能的影響分析 采用大分時工作方式是以犧牲電子設(shè)備的全部作戰(zhàn)效能來保全另一個電子設(shè)備的作戰(zhàn)效能，該工作方式是在迫不得已的情況下采用的。所以，采用大分時工作方式會使受管控設(shè)備的效能損失達 100%，但可能對整體作戰(zhàn)效能是有利的。

從上述雷達探測概率的下降幅度數(shù)值來看，時域管理的影響程度與關(guān)閉雷達相比可以說是微不足道的，再結(jié)合前面的各種假設(shè)條件都是以最差的情況考慮的，因此，在實際工作中這種影響只會更小。時域管理如果能在頻域管理的基礎(chǔ)上進行，減少時域管控的裝備數(shù)量，那么，時域管控對雷達性能的影響程度會更小，這說明時域管控方法實現(xiàn)雷達裝備之間的電磁兼容是可行的。

5 結(jié)束語

本文較為全面地對水面艦艇電磁兼容管控措施的原理、使用時機和管控效果進行分析，尤其重點對實施電磁兼容管控措施后產(chǎn)生的負面影響進行了較為詳細的分析。研究成果對艦艇電磁兼容設(shè)計和艦艇電磁兼容管控研究有一定的借鑒意義。但由于時間緊迫和篇幅所限，本文沒有對管控效果進行試驗分析和仿真驗證，有待于下一步的深入研究。

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