艦艇編隊協(xié)同抗壓制干擾效能分析

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(西安導航技術(shù)研究所， 陜西西安 710068)

0 引言

在現(xiàn)代空襲作戰(zhàn)中，艦載電子戰(zhàn)飛機通過對雷達系統(tǒng)實施干擾，使對方防空系統(tǒng)難以發(fā)揮作用。隨著EA-6B電子戰(zhàn)飛機的退役，EA-18G“咆哮者”成為當下最先進、最具代表性的電子戰(zhàn)飛機。通過搜集現(xiàn)有資料，噪聲壓制干擾是EA-18G的首要干擾方式，主要是通過輻射大功率雜波或噪聲調(diào)制類信號抬高雷達的基底噪聲，提高檢測門限并阻礙雷達對目標的正常檢測和錄取，如寬帶阻塞、窄帶瞄準和掃頻干擾等[1-3]。

單雷達通過降低副瓣電平，采取副瓣對消和副瓣匿影等措施可以在一定程度上能夠?qū)箯睦走_副瓣進入的噪聲信號，但對從主瓣進入的干擾噪聲仍無能為力；海上編隊所轄多部雷達，各成員艦艇通過領(lǐng)受任務、情報共享、數(shù)據(jù)融合等方式，實現(xiàn)雷達組網(wǎng)探測，在對抗“單平臺式作戰(zhàn)理念”的干擾方式具有一定優(yōu)勢。文獻[4]以組網(wǎng)雷達預警距離作為雷達網(wǎng)抗干擾效能評估指標，給出較好的雷達網(wǎng)布局方案，計算得到組網(wǎng)后雷達的預警距離比各單部雷達明顯增大，但該技術(shù)需要預先知道被掩護飛機的來襲方向。文獻[5]從連續(xù)性和嚴密性兩個方面考慮，提高了對警戒責任區(qū)的覆蓋率。文獻[6]基于遺傳算法，通過合理管控雷達資源完成對責任區(qū)的保障任務，但仍然是以保證雷達網(wǎng)對責任區(qū)空域探測覆蓋的連續(xù)性和嚴密性等為目標。文獻[7]通過建立有源與無源雷達組網(wǎng)協(xié)同抗干擾部署優(yōu)化模型，有效減小了雷達網(wǎng)探測區(qū)域的盲區(qū)，但這些方法仍屬于靜態(tài)戰(zhàn)前籌劃評估范疇。本文考慮到戰(zhàn)時敵方飛機來襲方向未知的特點，提出平均自衛(wèi)距離的概念，以此為指標動態(tài)實時融合最佳雷達指定空域的探測數(shù)據(jù)信息，最大程度地改善編隊受干擾雷達在噪聲壓制干擾環(huán)境下的作用距離，同時也可為戰(zhàn)前編隊隊形提供指導和建議。

1 數(shù)學模型

1.1 干擾對抗過程

依據(jù)雷達方程，雷達在未受干擾時的最大作用距離為

(1)

式中，Pt為發(fā)射功率，Gt為發(fā)射天線增益，Ae為天線有效孔徑，σ為目標RCS，Ls為雷達系統(tǒng)損耗，Lf為目標起伏損耗，N=kT0BFn為雷達接收機內(nèi)部熱噪聲功率，k=1.38×10-23為玻耳茲曼常數(shù)，T0一般取290 K，B為接收機噪聲帶寬，F(xiàn)n為接收機噪聲系數(shù)，(SNR)m為積累m個脈沖時雷達檢測目標所需最小信噪比。

雷達對抗是一個二元競爭動態(tài)過程，這個過程可以用圖1描述。

圖1 雷達對抗二元競爭動態(tài)過程

1) 狀態(tài)1

此時，影響雷達的是接收機噪聲功率N=kT0BFn。

2) 狀態(tài)2

雷達未采用捷變頻技術(shù)，在固定的發(fā)射頻率下工作，干擾方只需要瞄準式干擾，干擾功率Pj，干擾帶寬Bj略大于雷達接收機帶寬Br。通常雷達接收到的干擾功率遠大于接收機內(nèi)部熱噪聲，故噪聲影響可忽略。進入雷達的干擾功率為

(2)

式中，Pj為干擾機功率，Gj為干擾機天線最大增益，θ為干擾機方向與雷達主波束中心之間的夾角，Rj為雷達與干擾機之間的距離，G(θ)為雷達在干擾機方向的增益，經(jīng)驗公式如下：

(3)

式中，θ0.5為雷達波束半功率點寬度，k取[0.04,0.1]，高增益天線k取值[0.07,0.1]。

3) 狀態(tài)3

若雷達采取自適應捷變頻技術(shù)，則雷達總工作在干擾區(qū)外，干擾完全失效，雷達恢復到無干擾下的狀態(tài)；若雷達采取一般捷變頻技術(shù)，雷達受到干擾的概率為

(4)

式中，f1，f2為干擾所能覆蓋的最低、最高頻率，p(ft)為雷達發(fā)射頻率的概率密度分布函數(shù)。

4) 狀態(tài)4

干擾方通過偵察判斷雷達的捷變頻頻帶，采取阻塞式干擾。

由于干擾帶寬覆蓋整個頻域，雷達將受到干擾。設(shè)此時干擾的帶寬為B1j，干擾帶寬Bj遠大于雷達接收機帶寬Br，進入雷達接收機的干擾功率為

(5)

1.2 效能評估指標

自衛(wèi)距離定義：遠距離支援式干擾戰(zhàn)術(shù)下，干擾機與雷達的距離通常固定不變，隨著目標與雷達間距離的減少，雷達接收機端的干信比逐漸減小。當干信比等于雷達在干擾中的可見度(壓制系數(shù))時，雷達能夠以一定的檢測概率(Pd=0.1,Pf=10-6)發(fā)現(xiàn)目標。此時，目標與雷達之間的距離稱自衛(wèi)距離。

干擾暴露區(qū)定義：雷達受到干擾時仍能發(fā)現(xiàn)被保護目標的區(qū)域，即雷達在各個方向上自衛(wèi)距離構(gòu)成包絡線的內(nèi)部區(qū)域。

文獻[2]指出，壓制系數(shù)與雷達信號處理方法(脈沖積累個數(shù)、是否進行MTI，MTD等)有關(guān)，實際計算過程中較難獲取，這里采取與雷達正常工作距離類比的方式進行計算[3]。

假設(shè)進入雷達接收機的干擾噪聲功率為內(nèi)部熱噪聲功率N的Q倍，在與計算雷達最大作用距離同樣的檢測概率和虛警概率，雷達對處于干擾環(huán)境下目標的作用距離(假設(shè)雷達完成恒虛警處理，檢測所需的信噪比與干擾前相同)可等效為

(6)

因此，由干擾方程

(7)

可知

(8)

可得雷達在θ方向上的自衛(wèi)距離為

(9)

式中，c為光速，f為雷達工作頻率，Rmax為無干擾情況下雷達的最大作用距離。

由式(9)可知，噪聲干擾環(huán)境下，雷達在各方向上的自衛(wèi)距離并不相同，而目標可能從任意方向來襲，因此，將θ角度離散化{θ1,θ2,…,θN}，這里定義雷達平均自衛(wèi)距離：

(10)

2 編隊雷達網(wǎng)協(xié)同抗干擾

2.1 編隊受干擾情形分析

對雷達有效實施干擾需滿足3個對準條件：時間對準、頻率對準和空間對準。時間對準即干擾信號與雷達信號在同一時間段內(nèi)向外輻射；頻率對準即干擾帶寬需要覆蓋雷達的信號帶寬；空間對準即干擾波束能在方位/俯仰上覆蓋雷達所處空間位置。干擾機在執(zhí)行任務時會不間斷地向外輻射干擾信號，時間對準滿足，雷達是否受到干擾主要取決于空間對準和頻率對準兩個條件。

1) 瞄準式干擾的影響

空間上，干擾波束對編隊覆蓋范圍Wh的計算公式：

Wh=θaz·Dj

(11)

式中，θaz為方位波束寬度，Dj為干擾機距編隊中心的距離。以公開文獻報道EA-18G所攜吊艙干擾波束寬度30°為例，由于海上編隊艦艦通信距離的約束，艦艦間距最大不超過40 km，根據(jù)表1干擾波束在不同距離上對編隊覆蓋范圍的分析計算，同一個干擾波束在空間上能夠全部覆蓋呈單縱隊、兩艦方位隊、三角隊、菱形隊等基本隊形的編隊。

表1 壓制干擾波束覆蓋寬度

頻域上，瞄準式干擾帶寬較窄，在雷達信號頻帶內(nèi)的干擾功率強，但對頻率引導要求較高。以兩艦編隊為例，如圖2所示。

圖2 同一波束干擾兩艦編隊示意圖

① 當編隊兩雷達發(fā)射信號的中心頻率相近時，兩雷達會受到同一波束的瞄準式干擾，如圖2(a)所示，編隊整體受干擾。

② 當編隊兩雷達發(fā)射信號的中心頻率差異較大，或者雷達自身采取自適應捷變頻、隨機跳頻等措施時，兩雷達不會遭受同一波束的瞄準式干擾，如圖2(b)所示，編隊部分受干擾。

當EA-18G提前獲取我方雷達工作頻段后，通過合理搭配吊艙組合，可利用多個干擾波束對多部雷達同時進行瞄準式干擾，并不僅僅對編隊施放單一干擾波束。根據(jù)EA-18G載荷能力來看，1架EA-18G一般攜帶3個干擾吊艙，考慮兼顧對通信設(shè)備的干擾，一般攜帶2個雷達干擾吊艙，當編隊雷達數(shù)量超過2個，1架EA-18G無法對編隊所轄各雷達實施瞄準式干擾；當有多架EA-18G時，編隊所轄各雷達均會受到瞄準式干擾。

當艦載雷達采取隨機跳頻，干擾偵察機無法同時獲取編隊所有雷達的工作頻率，往往擴展干擾帶寬，實施寬帶阻塞式干擾。

2) 阻塞式干擾的影響

由于艦載主戰(zhàn)雷達通常工作在S，C波段，通過合理搭配吊艙組合，1架EA-18G完全能夠同時覆蓋雷達的工作頻帶，編隊整體受干擾。

2.2 效能分析

與單雷達設(shè)備抗干擾不同，雷達網(wǎng)通過相互協(xié)同不僅具有單設(shè)備的抗干擾能力，還獲得了“體系、融合和控制”的協(xié)同抗干擾優(yōu)勢?！绑w系”就是通過組網(wǎng)雷達頻率分集、空間分集，實現(xiàn)組網(wǎng)雷達群整體抗干擾；“融合”就是通過數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)收集編隊各平臺雷達探測信息，進行點跡/航跡融合，在復雜的干擾環(huán)境下發(fā)現(xiàn)并提取有用信息，實現(xiàn)目標的連續(xù)跟蹤；“控制”就是根據(jù)融合反饋信息，以抗干擾效能最佳為原則，選擇最優(yōu)的探測雷達組合，并對其搜索扇區(qū)、工作/掃描方式、工作時間進行控制。

圖3 雷達組網(wǎng)抗干擾效能示意圖

如圖3所示，電子戰(zhàn)飛機對兩艦編隊實施噪聲壓制干擾，雷達A和雷達B通過采取副瓣對抗措施可以在一定程度上能夠?qū)箯睦走_副瓣進入的噪聲信號，但對從主瓣進入的干擾噪聲手段有限，表現(xiàn)在雷達干擾方向上的自衛(wèi)距離大幅減小，非干擾方向上的自衛(wèi)距離減小并不明顯。不妨設(shè)兩部雷達的自衛(wèi)距離分別為RjmaxA和RjmaxB，利用雷達A與雷達B空間分集特點，其非干擾方向上的探測RjmaxA(θj)可以有效改善雷達B在干擾方向上的自衛(wèi)距離，將其協(xié)同前在該方向自衛(wèi)距離OE=RjmaxB(θi)延長到OF=RjmaxB_gain(θi)，那么通過協(xié)同，雷達B平均自衛(wèi)距離提升率表示為k_gain=(RjmaxB_gain-RjmaxB)/RjmaxB。

因此，根據(jù)編隊內(nèi)各艦主戰(zhàn)雷達性能及所處位置，以受干擾雷達平均自衛(wèi)距離最大化為原則，選擇并控制最佳協(xié)同平臺雷達搜索扇區(qū)，通過收集協(xié)同平臺雷達指定空域的探測數(shù)據(jù)，采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)，實現(xiàn)對目標提早建航跟蹤(與單雷達設(shè)備相比)。

3 仿真分析

假設(shè)我方編隊所轄主戰(zhàn)雷達分別為雷達1和雷達2，干擾機為1架EA-18G，具體參數(shù)如表2所示。不同場景下，通過協(xié)同選擇最佳平臺雷達，編隊雷達網(wǎng)抗干擾效能分析結(jié)果如表3～表6所示。

由于雷達的自衛(wèi)距離是以檢測概率Pd=0.1定義的，對比起見，這里雷達無干擾時的最大作用距離同樣以檢測概率Pd=0.1給出。

表2 仿真參數(shù)

場景1：典型編隊呈菱形隊形向正北方向航行，平臺A/C所轄雷達1，平臺B/D所轄雷達2，艦艦間距20 km，干擾機位于編隊正北方位，如圖4所示。簡化起見，編隊中心設(shè)為坐標原點(0，0)，干擾功率譜密度-30 dBW/Hz，其他參數(shù)設(shè)置均如表2所示，編隊各受干擾雷達的平均自衛(wèi)距離提升率如表3、表4所示。

圖4 典型編隊形式示意圖

受干擾平臺號自衛(wèi)距離/km協(xié)同前協(xié)同后最佳協(xié)同平臺號自衛(wèi)距離提升率/%A79.4237.6B199.0B256.1263.3D2.8C90.5247.9B173.8D256.1263.4B2.8

表4 編隊雷達平均自衛(wèi)距離匯總(干擾機距編隊中心100 km)

場景2：編隊呈菱形隊形向正北方向航行，平臺A/C所轄雷達2，平臺B/D所轄雷達1，艦艦間距20 km，簡化起見，編隊中心設(shè)為坐標原點(0，0)，干擾功率譜密度-30 dBW/Hz，其他參數(shù)設(shè)置均如表2所示，編隊各受干擾雷達的平均自衛(wèi)距離提升率如表5、表6所示。

表5 編隊雷達平均自衛(wèi)距離匯總(干擾機距編隊中心200 km)

表6 編隊雷達平均自衛(wèi)距離匯總(干擾機距編隊中心100 km)

從表5、表6可以得到以下結(jié)論：

1) 編隊在受到噪聲壓制干擾的情形下，通過合理選擇編隊內(nèi)協(xié)同平臺，對自身受干擾雷達的自衛(wèi)距離均有不同程度上的提升；

2) 由于雷達2比雷達1正常作用距離遠，且具有副瓣對消措施，對雷達1自衛(wèi)距離的提升有明顯的改善效果；

3) 干擾機距編隊越近，通過協(xié)同方式得到的平均自衛(wèi)距離增益越明顯。

4 結(jié)束語

為了提高現(xiàn)代海戰(zhàn)場條件下編隊雷達網(wǎng)系統(tǒng)的防御能力，本文立足海上艦艇編隊抗干擾效能，研究了典型單雷達電子對抗過程和模型，給出了編隊實時協(xié)同抗干擾雷達選擇指標和依據(jù)，對噪聲壓制干擾情形下的編隊抗干擾增益進行了量化分析，仿真表明，本文提出的效能評估指標科學、合理。但是，在實際的海上編隊抗干擾過程中，還需要綜合考慮海戰(zhàn)場環(huán)境因素、編隊作戰(zhàn)雷達使用規(guī)則、單雷達設(shè)備抗干擾能力等一系列限制因素，這方面有待進一步研究。