實(shí)船條件下雷達(dá)對(duì)抗系統(tǒng)收發(fā)隔離度自動(dòng)測(cè)試方法研究

姚金垠，胡澤輝，楊愛平

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

雷達(dá)對(duì)抗系統(tǒng)一般包含雷達(dá)偵察設(shè)備和雷達(dá)干擾設(shè)備。雷達(dá)偵察設(shè)備實(shí)時(shí)截獲、測(cè)量和識(shí)別被干擾目標(biāo)雷達(dá)的信號(hào)，而雷達(dá)干擾設(shè)備根據(jù)雷達(dá)偵察設(shè)備分析出的目標(biāo)雷達(dá)信息，實(shí)時(shí)采取最佳干擾樣式和干擾信號(hào)形式[1]。即雷達(dá)偵察設(shè)備與雷達(dá)干擾設(shè)備同時(shí)在運(yùn)行，從而需要兩設(shè)備間有足夠的接收發(fā)射隔離度。當(dāng)雷達(dá)對(duì)抗系統(tǒng)安裝于水面艦艇時(shí)，由于受安裝空間限制、艦艇表面環(huán)境復(fù)雜性等因素影響，收發(fā)隔離的完全解決比較困難。在此條件下，雷達(dá)對(duì)抗系統(tǒng)采取多種措施進(jìn)行收發(fā)同時(shí)工作，而其中獲取雷達(dá)對(duì)抗系統(tǒng)實(shí)船安裝后的收發(fā)隔離度、對(duì)工作措施的可用性以及收發(fā)隔離改進(jìn)的方向都大有用處。本文根據(jù)某型雷達(dá)對(duì)抗系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并驗(yàn)證了一種實(shí)船條件下的收發(fā)隔離度自動(dòng)測(cè)試方法[2-3]。

1 對(duì)收發(fā)隔離度的需求

雷達(dá)對(duì)抗系統(tǒng)中偵察設(shè)備與干擾設(shè)備之間的電磁干擾主要傳輸途徑是天線間的耦合，常用隔離度來(lái)定量表征這種耦合的強(qiáng)弱程度，一般定義為一個(gè)天線發(fā)射功率與另一個(gè)天線所接收功率之比，用dB表示。根據(jù)上文所述，雷達(dá)對(duì)抗系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，理想條件下，需要雷達(dá)偵察設(shè)備與雷達(dá)干擾設(shè)備同時(shí)運(yùn)行且相互不影響，雷達(dá)干擾設(shè)備發(fā)射機(jī)發(fā)射功率漏到雷達(dá)偵察設(shè)備接收機(jī)輸入端的功率，應(yīng)小于接收機(jī)的靈敏度。假設(shè)發(fā)射機(jī)發(fā)射功率為Pt，而接收機(jī)的靈敏度為Pr，從而系統(tǒng)的理想收發(fā)隔離度為D，有：

D≥Pt-Pr

(1)

受收發(fā)隔離度的限制，當(dāng)偵察天線和干擾天線間距較近并同時(shí)工作時(shí)，從干擾天線發(fā)射的干擾信號(hào)會(huì)被偵察天線偵收到，被誤認(rèn)為是來(lái)自外部環(huán)境中的雷達(dá)信號(hào)，導(dǎo)致將該信號(hào)引導(dǎo)給干擾設(shè)備，再次產(chǎn)生干擾信息，系統(tǒng)進(jìn)而會(huì)產(chǎn)生“自發(fā)自收”(自激)現(xiàn)象，最終雷達(dá)對(duì)抗系統(tǒng)效能嚴(yán)重降低，甚至癱瘓[4]。

為避免系統(tǒng)的自激現(xiàn)象，實(shí)際工程中，對(duì)于自衛(wèi)式干擾機(jī)收發(fā)同時(shí)工作的需求，一般有如下3種解決方法：

(1) 時(shí)分隔離方法，一種最常用的收發(fā)通道隔離解決方法，即把偵察和干擾的工作時(shí)間進(jìn)行分隔。即：短時(shí)間內(nèi)關(guān)閉干擾發(fā)射機(jī)，并且在這短時(shí)間內(nèi)，對(duì)雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行偵察分析，此時(shí)只要考慮發(fā)射機(jī)靜態(tài)噪聲的影響。

(2) 靈敏度控制方法，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)同時(shí)工作。即：發(fā)射機(jī)產(chǎn)生干擾脈沖時(shí)，在發(fā)射脈沖包絡(luò)內(nèi)，降低接收機(jī)靈敏度工作；在發(fā)射機(jī)不發(fā)射時(shí)，接收機(jī)滿靈敏度工作。

(3) 發(fā)射功率控制方法，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)同時(shí)工作。即：發(fā)射機(jī)產(chǎn)生干擾脈沖時(shí)，根據(jù)系統(tǒng)收發(fā)隔離度，控制發(fā)射功率，以不影響接收機(jī)靈敏度為準(zhǔn)。

綜合上述實(shí)際工程中解決自衛(wèi)式干擾機(jī)收發(fā)隔離需求的總結(jié)如表1所示。

表1 收發(fā)隔離度測(cè)試需求分析表

綜上所述，雷達(dá)對(duì)抗系統(tǒng)安裝到實(shí)船后，系統(tǒng)收發(fā)隔離度的準(zhǔn)確測(cè)試標(biāo)定對(duì)系統(tǒng)作戰(zhàn)效能的發(fā)揮至關(guān)重要。

2 收發(fā)隔離度計(jì)算方法

系統(tǒng)的收發(fā)隔離度與發(fā)射天線和接收天線的輻射特性、收發(fā)天線的間距以及收發(fā)天線的指向等因素有關(guān)，同時(shí)在水面艦艇的復(fù)雜艦面環(huán)境下，艦艇表面各種金屬反射面以及其他收發(fā)天線等也是對(duì)收發(fā)隔離度的重要影響因素。

縱觀電磁兼容仿真中收發(fā)天線隔離度的計(jì)算方法，既包括依據(jù)遠(yuǎn)場(chǎng)方向性函數(shù)的近似算法，又包括較嚴(yán)格的方法：線天線中的互阻抗法，面天線的口面場(chǎng)法，拋物面天線的幾何繞射理論(GTD)法，存在電大導(dǎo)體的混合法(MM-GTD)以及處理任意形狀天線隔離度的復(fù)矢量方向性函數(shù)積分法等。

早期的計(jì)算機(jī)仿真預(yù)測(cè)軟件(IEMCAP、IVEM-CA)是在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)條件下，利用天線遠(yuǎn)區(qū)方向圖來(lái)計(jì)算天線隔離度。近年來(lái)的收發(fā)隔離計(jì)算預(yù)測(cè)軟件則采用了計(jì)算電磁學(xué)的最新成果，使用了矩量法(MM)、幾何繞射理論(GTD)等，近年來(lái)，基于上述理論的工程化軟件日趨成熟，例如可采用天線布局分析軟件(XGTD)對(duì)雷達(dá)對(duì)抗系統(tǒng)收發(fā)天線裝艦后的性能進(jìn)行評(píng)估，XGTD是一款天線布局通用分析軟件，軟件采用GTD、UTD、PO、SBR等高頻算法，適合計(jì)算電大尺寸問題，計(jì)算過(guò)程中考慮了鏡面反射、多次反射、邊緣繞射、尖頂繞射、表面繞射、爬行波等主要散射類型，將天線方向圖代入其中，可由軟件模擬計(jì)算出收發(fā)設(shè)備之間的隔離度[4]。

對(duì)于上述幾種收發(fā)隔離度的計(jì)算方法總結(jié)如下：

(1) 依據(jù)遠(yuǎn)場(chǎng)方向性函數(shù)估算隔離度，若收發(fā)天線間距為r，有：

(2)

式中：Dt和Dr分別為發(fā)射天線和接收天線的等效口徑；Gt(θ)為發(fā)射天線對(duì)應(yīng)的近區(qū)等效副瓣增益；Gr(φ)為接收天線對(duì)應(yīng)的近區(qū)等效副瓣增益。

如收發(fā)天線之間加隔離板和吸波材料后，Gr(φ)與Gt(φ)均有明顯減小，當(dāng)前工程上兩者的影響效果能達(dá)到30 dB左右。而受制于雷達(dá)對(duì)抗系統(tǒng)在艦艇上的布局限制，對(duì)于X波段的設(shè)備，這個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)條件常常不能滿足，從而根據(jù)上述公式只能近似估算收發(fā)天線隔離度[5]。

(2) 線天線互阻抗法主要在線天線陣工作時(shí)使用。在艦船上短波天線隔離度計(jì)算中常采用，但在面對(duì)雷達(dá)對(duì)抗系統(tǒng)中常用天線時(shí)，這種方法不再適用[5]。

(3) 拋物面天線的幾何繞射理論(GTD)法采取數(shù)值方法用于解決安裝于大導(dǎo)體上的短波天線隔離度問題，而對(duì)于載體尺寸遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)情況的艦載自衛(wèi)式雷達(dá)對(duì)抗系統(tǒng)，MM-GTD混合法是一種有效的計(jì)算工具。但這需要對(duì)導(dǎo)體載體進(jìn)行精確建模，通常載體(艦船)本身形狀很復(fù)雜，同時(shí)又安裝各種設(shè)備，形成巨大復(fù)雜的導(dǎo)體，使得精確建?；静豢赡?，從而使得計(jì)算得出收發(fā)隔離度只是更為近似的估算。例如對(duì)某型雷達(dá)對(duì)抗系統(tǒng)安裝后的位置進(jìn)行收發(fā)隔離度仿真計(jì)算，采用下面的安裝模型(如圖1所示)，使用天線布局分析軟件(XGTD)，仿真計(jì)算出的隔離度與實(shí)際測(cè)試得出的隔離度能差約20 dB。

圖1 某型雷達(dá)對(duì)抗系統(tǒng)收發(fā)天線安裝模型圖

實(shí)船條件下，通過(guò)上述仿真計(jì)算方法無(wú)法得到工程上可以使用的收發(fā)隔離數(shù)據(jù)，從而只能采取實(shí)船測(cè)試的方法。

3 收發(fā)隔離度當(dāng)前測(cè)試方法

某型雷達(dá)對(duì)抗系統(tǒng)具有發(fā)射機(jī)定向發(fā)射、接收機(jī)全向接收的特點(diǎn)，同時(shí)不同的頻率點(diǎn)具有不同的收發(fā)隔離特性。收發(fā)隔離測(cè)試時(shí)的測(cè)試框圖如圖2所示。測(cè)試流程圖如圖3所示。

圖2 系統(tǒng)收發(fā)隔離度測(cè)試框圖

圖3 系統(tǒng)收發(fā)隔離測(cè)試流程圖

測(cè)試完成后，二維數(shù)據(jù)表格形成，分別是特定頻率和特定方位發(fā)射時(shí)，雷達(dá)接收機(jī)接收到的信號(hào)幅度值(dB)。當(dāng)前收發(fā)隔離測(cè)試方法主要有如下的缺點(diǎn)：

(1) 測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，整個(gè)測(cè)試流程都在控制軟件的控制下進(jìn)行，控制軟件通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)雷達(dá)干擾設(shè)備與雷達(dá)偵察設(shè)備之間進(jìn)行通信，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)都需要雷達(dá)干擾設(shè)備發(fā)射信號(hào)，雷達(dá)偵察設(shè)備分選出信號(hào)的輻射源描述字(EDW)信息，待EDW信息穩(wěn)定后，再獲取EDW信息的幅度信息。在測(cè)試方位和測(cè)試頻率點(diǎn)較多時(shí)，測(cè)試速度不夠快。

(2) 測(cè)試得到的EDW信息幅度值不能直接用于收發(fā)同時(shí)靈敏度控制下的控制碼，需要根據(jù)偵察設(shè)備的校正表進(jìn)行EDW幅度值到靈敏度控制碼的轉(zhuǎn)換。同時(shí)需要考慮EDW幅度的測(cè)量精度、靈敏度控制的控制精度等因素，轉(zhuǎn)換較為繁瑣且準(zhǔn)確性不高。

(3) 當(dāng)前非同步控制的收發(fā)隔離測(cè)試方法的最大問題是無(wú)法排除測(cè)試環(huán)境周圍因素的影響。例如艦艇停泊在港口或是在繁忙航道航行時(shí)，收發(fā)隔離度無(wú)法進(jìn)行，主要原因是無(wú)法區(qū)別采集到的反射EDW信息是本艦艦面反射產(chǎn)生或其他非本艦因素產(chǎn)生。例如圖4是某艦港口停泊時(shí)的測(cè)試圖，其中除了主峰值時(shí)本艦產(chǎn)生外，距離艦船較遠(yuǎn)處的強(qiáng)反射點(diǎn)亦能產(chǎn)生反射信號(hào)，從而影響EDW幅度信息的準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響收發(fā)隔離度測(cè)試進(jìn)行，嚴(yán)重時(shí)，使得測(cè)試的收發(fā)隔離度數(shù)據(jù)完全失效。

圖4 近岸條件下的收發(fā)隔離測(cè)試波形圖

4 基于同步脈沖的收發(fā)隔離測(cè)試方法

針對(duì)當(dāng)前實(shí)船條件下收發(fā)隔離測(cè)試方法的諸多不足，利用當(dāng)前某型雷達(dá)對(duì)抗系統(tǒng)中的硬件控制總線，改進(jìn)測(cè)試方法，如圖5所示。主要改進(jìn)點(diǎn)是利用雷達(dá)干擾設(shè)備與雷達(dá)偵察設(shè)備之間的硬件控制總線，對(duì)雷達(dá)干擾設(shè)備發(fā)射的每個(gè)收發(fā)隔離測(cè)試脈沖使用同步觸發(fā)脈沖控制偵察設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，并將測(cè)量結(jié)果脈沖描述字(PDW)碼通過(guò)PDW碼傳輸總線返回到雷達(dá)干擾設(shè)備中，雷達(dá)干擾設(shè)備進(jìn)行頻率處理，并記錄相應(yīng)的幅度和方位。在此過(guò)程中，雷達(dá)干擾設(shè)備使用靈敏度控制總線逐次控制靈敏度碼，并逐個(gè)測(cè)量收發(fā)隔離發(fā)射脈沖，從而可以獲取不同頻率、不同方位的收發(fā)同時(shí)靈敏度控制碼。

此外，雷達(dá)干擾設(shè)備與雷達(dá)偵察設(shè)備之間使用同步觸發(fā)脈沖進(jìn)行同步發(fā)射與測(cè)量，測(cè)量的時(shí)間域可以選擇控制，從而可以消除收發(fā)隔離測(cè)試時(shí)外部環(huán)境的影響。

圖5 改進(jìn)后的基于同步脈沖的收發(fā)隔離測(cè)試框圖

基于同步脈沖的收發(fā)隔離測(cè)試流程圖如圖6所示。其中虛框中的流程為脈沖級(jí)執(zhí)行過(guò)程，從而大大減小整個(gè)收發(fā)隔離度測(cè)試過(guò)程的耗費(fèi)時(shí)間。

圖6 基于同步脈沖的收發(fā)隔離測(cè)試流程圖

根據(jù)上述改進(jìn)后的收發(fā)隔離度測(cè)試方法，對(duì)圖1的實(shí)裝某型雷達(dá)對(duì)抗系統(tǒng)的收發(fā)隔離度進(jìn)行測(cè)試，單頻點(diǎn)單波束測(cè)試時(shí)間在100 ms～500 ms之間，而使用第3章的測(cè)試方法單頻點(diǎn)、單波束測(cè)試時(shí)間在2 s～8 s之間，改進(jìn)后的測(cè)試方法單位時(shí)間內(nèi)的測(cè)試效率至少提升了4倍。將所有頻率點(diǎn)及方位進(jìn)行多次全面測(cè)試，改進(jìn)前測(cè)試時(shí)間90 min～100 min，改進(jìn)后測(cè)試時(shí)間12～15 min。改進(jìn)后測(cè)試時(shí)間最長(zhǎng)僅為原方法測(cè)試時(shí)間的1/6。分別在近岸區(qū)域和遠(yuǎn)海區(qū)域進(jìn)形測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)前同一頻率點(diǎn)同方位的近岸區(qū)域和遠(yuǎn)海區(qū)域收發(fā)隔離值相差為12～18 dB，而改進(jìn)后收發(fā)隔離相差為2～4 dB。從以上測(cè)試結(jié)果可知，基于同步脈沖的收發(fā)隔離測(cè)試方法較目前的收發(fā)隔離測(cè)試辦法測(cè)試效率、測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確率以及環(huán)境適應(yīng)能力都大大提高，具有更高的工程使用價(jià)值。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文首先分析了雷達(dá)對(duì)抗系統(tǒng)中收發(fā)隔離度不佳的幾種解決方法，從而說(shuō)明了收發(fā)隔離度的重要意義以及常用的收發(fā)隔離度仿真測(cè)試方法。在分析當(dāng)前各種收發(fā)隔離度仿真測(cè)試方法的缺點(diǎn)基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前某型雷達(dá)對(duì)抗系統(tǒng)的設(shè)備特點(diǎn)，提出了一種基于同步脈沖的脈沖級(jí)快速收發(fā)隔離測(cè)試方法，并在實(shí)船安裝條件下進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證，對(duì)比了新測(cè)試方法和老測(cè)試方法在速度和準(zhǔn)確度上的差異，從而為后續(xù)雷達(dá)對(duì)抗系統(tǒng)實(shí)船安裝后的收發(fā)隔離度測(cè)試標(biāo)定提供了解決方法。