等效模擬壓制下雷達探測區(qū)域計算與調(diào)整

胡曉偉,余云智,顧 浩

(江蘇自動化研究所,江蘇 連云港 222006)

雷達探測區(qū)域是雷達探測能力的全面表征,它是可檢測到目標(biāo)的區(qū)域[1]。通過理論模型計算雷達探測區(qū)域是一種可行方法[2-4]。其基本原理是推導(dǎo)出壓制干擾下雷達檢測端輸出信噪比計算公式,并根據(jù)雷達發(fā)現(xiàn)目標(biāo)最小信噪比計算出雷達在各方向的燒穿距離,雷達探測區(qū)域就是各方向燒穿距離的綜合。該方法能夠快速計算雷達探測區(qū)域,然而,理論計算結(jié)果與實際情況有較大出入,主要是因為雷達在信號接收和信號處理等環(huán)節(jié)采取了一系列抗干擾措施,這些措施對雷達檢測端輸出信噪比影響很大,而且這些影響較為復(fù)雜,因而難以通過理論模型準(zhǔn)確計算雷達檢測端輸出的真實信噪比?？梢酝ㄟ^外場飛行試驗測試壓制干擾下雷達探測目標(biāo)的能力[2,5],但是,根據(jù)外場飛行試驗獲得雷達探測區(qū)域存在困難：一是構(gòu)建復(fù)雜壓制干擾電磁環(huán)境比較困難繁瑣;二是測試雷達在各方向的燒穿距離需要進行大量外場飛行試驗。

因此,本文提出在等效模擬壓制電磁環(huán)境下通過較少架次的外場飛行試驗獲得雷達探測區(qū)域調(diào)整因子,并依據(jù)調(diào)整因子對理論探測區(qū)域進行調(diào)整。

1 壓制干擾等效模擬

1.1 基本原理

雷達壓制干擾可分為有源壓制干擾和無源壓制干擾,而有源壓制干擾又可分為瞄準(zhǔn)式壓制干擾、阻塞式壓制干擾和掃頻式壓制干擾[6]。為簡化情況,這里針對最為常見的阻塞式有源壓制干擾。雷達壓制干擾源眾多,其數(shù)目可達數(shù)十個乃至上百個,再者壓制干擾源空間分布范圍廣,可分布在雷達各方位各距離上。因此,在試驗中采用眾多真實干擾裝備構(gòu)建復(fù)雜壓制干擾電磁環(huán)境是一件困難的工作。

等效模擬壓制技術(shù)能夠很好地解決上述問題。在試驗外場中,雷達位置固定,在滿足遠場條件的情況下放置模擬器,并在雷達附近放置一個可測量雷達天線轉(zhuǎn)角的光學(xué)測量器。模擬器根據(jù)轉(zhuǎn)角測量器提供的雷達天線轉(zhuǎn)角信息,并根據(jù)雷達天線方向圖和假想的有源壓制干擾情況,對準(zhǔn)雷達天線輻射模擬壓制干擾,使得任意時刻雷達接收到的模擬壓制噪聲平均功率等于假想壓制噪聲平均功率,如圖1所示。

圖1 等效模擬壓制示意圖

壓制干擾模擬器原理框圖如圖2所示。通過人-機交互模塊向模擬器輸入雷達天線方向圖、假想壓制干擾情況以及噪聲頻率中心和帶寬(要求覆蓋雷達接收機頻帶)等,微處理器根據(jù)這些輸入和雷達天線轉(zhuǎn)角信息實時計算出所需發(fā)射噪聲平均功率,噪聲生成模塊根據(jù)噪聲平均功率實時生成高斯噪聲,高斯噪聲經(jīng)過變頻器變換為射頻高斯噪聲,并經(jīng)由輸出裝置和天線輻射出去。

圖2 壓制干擾模擬器原理框圖

1.2 模擬器發(fā)射功率

若雷達接收機頻帶被干擾機頻帶完全覆蓋,根據(jù)干擾方程,雷達接收機所接收干擾噪聲的平均功率為[2]

式中,jP為干擾噪聲平均發(fā)射功率,jG為干擾機天線功率增益,rjG為雷達天線在壓制干擾機方向的功率增益,λ為雷達工作波長,jR為雷達與干擾機之間距離,jtL為干擾機發(fā)射綜合損耗,jatmL 為壓制干擾大氣傳輸損耗,jpolL 為壓制干擾進入雷達極化損耗,rrL 為雷達接收綜合損耗,rB為雷達接收機帶寬,jB為干擾機帶寬。

模擬器在雷達附近對準(zhǔn)雷達天線并輻射干擾噪聲,若雷達接收頻帶被模擬器發(fā)射頻帶完全覆蓋,則雷達接收機內(nèi)干擾噪聲的平均功率為

式中,Pm為模擬器發(fā)射噪聲的平均功率,Gm為模擬器天線功率增益,Grm為雷達天線在模擬器方向的功率增益,Rm為模擬器與雷達之間距離,Lmt為模擬器發(fā)射綜合損耗,Lmatm為模擬壓制干擾大氣傳輸損耗,Lmpol為模擬壓制干擾極化損耗,Bm為模擬器發(fā)射機帶寬。模擬器一般距離雷達數(shù)十米到數(shù)百米,因此可忽略大氣傳輸損耗,即認為 Lmatm= 1 。

由此推導(dǎo)出模擬器發(fā)射干擾噪聲的平均功率為

式中,NP定義為壓制干擾強度

2 雷達探測區(qū)域計算與調(diào)整

2.1 雷達探測區(qū)域計算

根據(jù)雷達基本方程,對于收發(fā)天線共用雷達,雷達接收機內(nèi)目標(biāo)回波功率為[2]

式中,rP為雷達發(fā)射功率,rsG為雷達天線在目標(biāo)方向的功率增益,σ為目標(biāo)的雷達橫截面積(RCS),R為雷達與目標(biāo)之間距離,rtL為雷達發(fā)射綜合損耗,satmL 為雷達信號往返過程中大氣傳輸損耗。

雷達接收機輸出內(nèi)噪聲平均功率為[7]

式中,k為波爾茲曼常數(shù),其值為1.38× 1 0-23J K;T為標(biāo)準(zhǔn)室溫,其值常取為 290K;oFn為噪聲系數(shù),取值范圍一般為0-15dB。

在存在N個干擾機的環(huán)境中,雷達檢測端輸出信噪比[8]：

式中,rcP為進入雷達接收機的雜波凈剩功率,nP為雷達接收機輸出內(nèi)噪聲平均功率。若雷達所處環(huán)境雜波非常少,則可認為雜波功率遠小于壓制干擾功率和接收機內(nèi)噪聲功率,此時

1)無干擾時

2)存在壓制干擾時

3)采用模擬壓制干擾替代時

一般認為SNR大于或等于發(fā)現(xiàn)目標(biāo)最小綜合信噪比Kε時,雷達能夠發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。式(10)、(11)、(12)中 Lsatm是與目標(biāo)距離R相關(guān)的函數(shù),因而難以推導(dǎo)出R的顯式表達式。考慮到 Lsatm隨距離變化起伏不大(標(biāo)準(zhǔn)氣候下約為 1.2至 1.6之間)[2],為簡化,設(shè)定Lsatm為常量。雷達理論探測區(qū)域如下計算：

1)無干擾時

2)存在壓制干擾時

3) 采用模擬壓制干擾替代時

2.2 雷達探測區(qū)域調(diào)整

在雷達接收信號和信號處理等環(huán)節(jié),一般會采取一些抗干擾措施,譬如旁瓣對消、脈沖壓縮、脈沖積累、頻率捷變、寬-限-窄抗干擾和恒虛警處理等,這些措施會對雷達檢測端輸出信噪比產(chǎn)生影響。此時真實信噪比應(yīng)當(dāng)為

式中,rjD為雷達抗壓制干擾改善因子。rjD的真實值與雷達內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作機制密切相關(guān),難以通過相關(guān)理論模型準(zhǔn)確計算,即使計算出rjD也可能與實際情況有較大出入[2]。因此,需要在外場試驗的基礎(chǔ)上對雷達理論探測區(qū)域進行調(diào)整。步驟如下：

Setp1：根據(jù)式(14)計算雷達理論探測區(qū)域;

Setp2：根據(jù)假想有源壓制干擾情形,由式(4)-(5)計算出模擬器發(fā)射噪聲的平均功率,使用模擬器對準(zhǔn)雷達天線輻射壓制干擾;

Setp3：在輻射式模擬壓制干擾下,通過外場飛行試驗獲得雷達在某方向?qū)ζ骄鵕CS為tσ的飛行器的實際燒穿距離jamtR ,并根據(jù)此方向的理論燒穿距

3 仿真示例

由于外場試驗準(zhǔn)備周期較長,因此在進行外場試驗之前,通過 MATLAB對相關(guān)方法進行初步仿真研究。

3.1 仿真參數(shù)設(shè)定

1)雷達參數(shù)

以二坐標(biāo)搜索雷達為例,其天線功率方向圖由式(17)近似描述[9]：

式中θ為偏離雷達主瓣方向的角度,Gmax為主瓣中心功率增益, Kr常取 0.04到 0.1(仿真中取0.04),θ0.5為主瓣半功率寬度。

雷達發(fā)射功率為 1000kW,主瓣中心功率增益為40dB,主瓣半功率寬度為 2°,工作頻率中心為 3GHz,帶寬為150MHz,發(fā)射和接收綜合損耗因子均為2.5,脈沖重復(fù)頻率為 250Hz,天線掃描周期為 4s,雷達接收機熱噪聲系數(shù)為 2dB,發(fā)現(xiàn)目標(biāo)最小綜合信噪比Kε= 5 ,雷達抗壓制干擾改善因子為 20,取大氣傳輸雙程損耗為1.5。

2)壓制干擾機參數(shù)

輻射功率為100W,主瓣功率增益為20dB,發(fā)射綜合損耗為 2.5,壓制干擾進入雷達的極化損耗為 2,發(fā)射機頻率中心為 3GHz,發(fā)射機帶寬為 1000MHz并且完全覆蓋雷達接收機頻帶。

3)模擬器參數(shù)

模擬器發(fā)射天線主瓣功率增益為 20dB,發(fā)射綜合損耗為 2.5,極化損耗為2,發(fā)射頻率中心為 3GHz,發(fā)射帶寬為 300MHz,并且完全覆蓋雷達接收機頻帶。

3.2 實例仿真

1)理論探測區(qū)域仿真

假設(shè)共有兩部干擾機,一部位于雷達正東方位(0°)150km 處,另一部位于雷達正北(90°)300km 處,兩部干擾機均對準(zhǔn)雷達天線。由文獻[2]仿真結(jié)果知其單程大氣傳輸損耗因子分別約為1.21和1.29。若目標(biāo)平均 RCS為 5m2,根據(jù)式(13)、(14)計算雷達理論探測區(qū)域,可發(fā)現(xiàn)無壓制干擾時,雷達探測區(qū)域為圓狀,雷達位于圓心;存在壓制干擾時,雷達探測區(qū)域形狀發(fā)生變化,離壓制干擾方向越近,雷達燒穿距離越小。如圖3所示。

圖3 壓制干擾下雷達理論探測區(qū)域

2)等效模擬壓制仿真

設(shè)定模擬器位于雷達西南方向(225°)且距雷達100m,模擬器發(fā)射天線對準(zhǔn)雷達天線。采用模擬器產(chǎn)生壓制干擾以替代假想壓制干擾,根據(jù)式(4)、(5)可計算出雷達天線主瓣中心指向各方位時對應(yīng)的模擬器噪聲平均發(fā)射功率,對其采用以10為底的對數(shù)值,如圖4所示。

由圖4知當(dāng)雷達天線主瓣中心指向壓制干擾源方位時,模擬器平均發(fā)射功率達到極大,主瓣中心指向模擬器所在方位時,模擬器平均發(fā)射功率達到極小。采用模擬器產(chǎn)生壓制干擾以替代假想壓制干擾,根據(jù)式(15)計算理論探測區(qū)域如圖5所示。

圖4 模擬器平均發(fā)射功率對數(shù)值

圖5 模擬壓制下雷達理論探測區(qū)域

圖5 效果與圖3幾乎一致,初步驗證了等效模擬壓制干擾的可行性。不過在實際外場試驗中,由于存在模擬器發(fā)射誤差、雷達天線方向圖誤差、天線轉(zhuǎn)角測量誤差等,無法做到完全替代等效,到時需適當(dāng)?shù)卣{(diào)整模擬器發(fā)射功率以盡量減少誤差帶來的影響。

3)基于仿真飛行試驗的探測區(qū)域調(diào)整

設(shè)定壓制干擾情形如前文所述,以模擬器替代壓制干擾機,模擬器發(fā)射噪聲的平均功率隨雷達天線主瓣指向變化如圖4所示。平均RCS為5m2的某目標(biāo)以100m/s的速度從起始點(雷達以東300km以北 20km 處)勻速往西飛行,直到雷達發(fā)現(xiàn)目標(biāo),并計算仿真發(fā)現(xiàn)距離jamtR 與理論燒穿距離jamR 之比r。仿真時設(shè)定該目標(biāo) RCS服從 Swelling-Ⅰ型分布,對

表1 雷達探測區(qū)域調(diào)整因子

當(dāng)仿真飛行試驗次數(shù)足夠多(如 10000次)時可認為α就是實際調(diào)整因子,將理論探測區(qū)域各方向燒穿距離乘以該值后就可認為是該雷達的“實際”探測區(qū)域。然而在實際外場試驗中不可能進行大量飛行,只允許一定誤差下進行適量飛行試驗。分別以10次和10000次仿真飛行試驗為例對理論探測區(qū)域進行調(diào)整,如圖6所示。

圖6 雷達探測區(qū)域調(diào)整

由圖6知,通過10次仿真試驗調(diào)整后的雷達探測區(qū)域與“實際”探測區(qū)域幾乎重合,這初步驗證了通過少量外場飛行試驗對雷達理論探測區(qū)域進行調(diào)整的可行性。

圖7 調(diào)整后不同RCS目標(biāo)的雷達探測區(qū)域

4 結(jié)束語

本文提出通過等效模擬壓制下的外場飛行試驗獲得雷達探測區(qū)域調(diào)整因子,并依據(jù)調(diào)整因子對理論探測區(qū)域進行調(diào)整。本文研究了雷達等效模擬壓制技術(shù),并給出了壓制干擾模擬器原理框圖,建立了雷達探測區(qū)域理論計算模型,并給出了試驗調(diào)整方法。通過數(shù)字仿真初步驗證了等效模擬壓制的可行性,并通過數(shù)字仿真飛行試驗初步驗證了雷達探測區(qū)域調(diào)整方法的可行性。然而,在實際外場試驗中會遇到更多復(fù)雜問題,相關(guān)問題有待更深入的研究。

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