典型雷達電磁輻射阻塞效應(yīng)敏感判據(jù)

趙 凱，魏光輝，任仕召, 王琛哲

(1.中國人民解放軍63870部隊，陜西 華陰 714200；2.陸軍工程大學(xué) 石家莊校區(qū) 電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點實驗室，河北 石家莊 050003；3.中國人民解放軍61969部隊，河北 保定 071000)

雷達在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中扮演著“千里眼”的角色，在戰(zhàn)場信息獲取、構(gòu)建精確打擊武器系統(tǒng)等方面發(fā)揮著重要作用.由于交戰(zhàn)各方大量使用電子信息裝備，戰(zhàn)場上電磁信號密集，強度動態(tài)交疊，對抗特征突出，電磁環(huán)境日趨復(fù)雜，對電子信息系統(tǒng)、信息化裝備和信息化作戰(zhàn)產(chǎn)生嚴重影響[1].雷達作為用頻裝備，其戰(zhàn)技性能的正常發(fā)揮強烈依賴于戰(zhàn)場電磁環(huán)境，研究雷達裝備電磁輻射效應(yīng)規(guī)律是提升其電磁防護性能的基礎(chǔ)工作，具有重大的軍事應(yīng)用價值.

電磁敏感度通常用來表示受試設(shè)備在電磁信號作用下產(chǎn)生的不希望的響應(yīng)或降級的量度[2].電磁敏感判據(jù)是電磁敏感度研究的基礎(chǔ)，與一般意義上的干擾效果評估存在差異.干擾效果評估側(cè)重于裝備的技術(shù)性能，在此方面已有大量成果報道，國家也制定了相應(yīng)的軍標[3-6].而在武器裝備電磁輻射效應(yīng)預(yù)測的背景下，筆者研究的電磁敏感判據(jù)旨在最大程度地降低驗?zāi)Ｕ`差、提高重復(fù)性，保證后續(xù)研究的順利進行.前期已針對無線電引信、通信電臺等用頻裝備的電磁輻射效應(yīng)預(yù)測進行了研究，其思路是從效應(yīng)機理出發(fā)，對復(fù)雜電磁環(huán)境下武器裝備電磁輻射效應(yīng)進行建模，而后基于恰當?shù)拿舾信袚?jù)對電磁輻射效應(yīng)規(guī)律及臨界干擾特性等進行試驗研究[7-13].由此可見，合適的敏感判據(jù)是進行上述試驗研究的基礎(chǔ)，對于有關(guān)雷達的研究而言，結(jié)合理論與試驗確定電磁輻射效應(yīng)敏感判據(jù)，為科學(xué)預(yù)測雷達在復(fù)雜電磁環(huán)境中的受擾狀態(tài)提供依據(jù).

本文中，筆者在分析雷達阻塞干擾機理的基礎(chǔ)上，以某型X波段脈沖雷達為受試設(shè)備，開展了雷達電磁輻射阻塞效應(yīng)試驗，將有效干擾概率作為阻塞效應(yīng)敏感參數(shù)并對其規(guī)律進行研究，進一步給出了相應(yīng)的敏感判據(jù)及其測試誤差.

1 雷達電磁輻射阻塞效應(yīng)機理分析

阻塞效應(yīng)屬于電磁輻射場作用之一，是指當強干擾信號與有用信號同時加入射頻前端時，接收機增益下降、靈敏度降低，甚至無法接收.下面以單頻正弦波為干擾信號進行分析.選擇單頻正弦波的原因在于，根據(jù)傅里葉級數(shù)的原理，任何滿足狄里赫利條件的信號都可以分解為直流和許多三角函數(shù)的分量，正弦波是組成復(fù)雜電磁環(huán)境的基本信號，將其作為干擾信號更易于分析效應(yīng)規(guī)律，以實現(xiàn)研究目的.

假設(shè)空間電磁波進入接收機的信號為

ur(t)=AsEscosωst+AjEjcosωjt，

(1)

其中：ωs與ωj分別為有用信號與單頻干擾信號的角頻率；Es與Ej為空間中有用信號與干擾信號的場強；As與Aj為有用信號與干擾信號場路耦合及到達非線性電路前的選擇系數(shù).

非線性電路的輸入輸出關(guān)系常用精確至三階的冪級數(shù)來表示[10]，即

(2)

其中ai(i=0,1,2,3)為非線性系數(shù)，與電路特性有關(guān).

將(1)作為輸入信號代入(2)，得到輸出有用信號基波分量

(3)

故有用信號增益為

(4)

干擾信號強度較小時，系統(tǒng)工作在線性區(qū)，有用信號增益K≈a1；隨著干擾信號增強，非線性失真不可忽略，出現(xiàn)增益壓縮現(xiàn)象，有用信號輸出電平減小直至0，非線性系數(shù)a3<0.

2 雷達電磁輻射阻塞效應(yīng)試驗

由上述電磁輻射阻塞效應(yīng)機理分析可以推測，若用單頻正弦波信號對雷達進行輻照，隨著信號強度增大，接收機輸出的有用信號電平逐漸降低，雷達對目標的檢測能力下降，目標依照回波由弱到強依次消失.據(jù)此設(shè)計試驗，觀察雷達在干擾下產(chǎn)生的具體現(xiàn)象，選擇合適的雷達電磁輻射阻塞效應(yīng)敏感參數(shù).

2.1 試驗配置

受試雷達為某型X波段脈沖雷達，具有測量目標距離與方位角的功能.其工作帶寬為±40 MHz，測距范圍為15～15 000 m，方位掃描角為0 °～360 °，采用波導(dǎo)縫隙陣天線，極化方向為水平極化.圖1所示為受試雷達主機界面與收發(fā)天線.

圖1 雷達主機界面與收發(fā)天線Fig.1 Radar Host Interface and Transceiver Antenna

試驗的具體布置如圖2所示.干擾端由信號發(fā)生器、頻譜分析儀、輻射天線、定向耦合器組成.試驗中，信號發(fā)生器將干擾信號通過定向耦合器注入輻射天線，頻譜分析儀監(jiān)測干擾功率.輻射天線指向受試雷達，且與雷達天線、測試目標成三點一線.為保證試驗結(jié)果的準確性，試驗在開闊場地進行，場強不均勻性小于3 dB[14].

圖2 試驗配置圖Fig.2 Test Configuration Diagram

2.2 電磁輻射阻塞效應(yīng)敏感參數(shù)

利用正弦波輻照受試雷達觀察產(chǎn)生的實際效應(yīng)，以此來選擇阻塞效應(yīng)敏感參數(shù).具體的試驗步驟如下：1) 開啟雷達確保其正常工作，可在顯示器上觀察到目標回波成像；2) 設(shè)置信號發(fā)生器輸出與受試雷達中心頻率相同的正弦波，緩慢增加干擾功率，觀察雷達單個掃描周期顯示器目標成像并記錄干擾功率p.

目標成像如圖3所示.其中，圖3a為無干擾時測試目標在雷達顯示器上的成像，紅色環(huán)形區(qū)域有較強回波，這是由地面反射造成的.在施加正弦波后，雷達環(huán)形回波區(qū)域出現(xiàn)由干擾源指向圓心的扇形空白區(qū)域，且扇形向外延伸至區(qū)域內(nèi)測試目標回波面積大幅減小，將扇形空白區(qū)域稱為干擾扇面[15]，如圖3b所示.其機理可解釋為，在施加正弦波干擾后，干擾信號由受試雷達天線進入接收機，由(4)可知，此時有用信號增益下降、輸出電平降低.雷達天線在一維轉(zhuǎn)臺的帶動下保持勻速旋轉(zhuǎn)，其主瓣與輻射天線主瓣方向逐漸相向，進入接收機的干擾電平增大，有用信號輸出電平逐漸降低，直至低于系統(tǒng)自動檢測門限，系統(tǒng)判斷為“無目標”，顯示器原目標成像處出現(xiàn)空白；隨著角度的逐漸偏離，雷達受擾程度降低，有用信號增益上升，目標成像繼續(xù)出現(xiàn)，因此空白區(qū)域呈“扇形”.另外，隨著干擾功率的增加，原干擾扇面角度增加，測試目標的成像繼續(xù)變小，時有時無，直至完全消失，且在不同方向上出現(xiàn)新的干擾扇面，如圖3c～f所示.其機理為，干擾功率增加后，相同天線角度下進入接收機的干擾電平增加，導(dǎo)致干擾扇面角度增加；同時，從副瓣耦合進入接收機內(nèi)部的干擾信號也可造成阻塞，形成新的干擾扇面.綜上所述，可將正弦波輻照下受試雷達隨干擾功率的變化總結(jié)如下：1) 雷達環(huán)形回波區(qū)域出現(xiàn)角度逐漸增加的由干擾源指向圓心的干擾扇面；2) 在不同方向出現(xiàn)新的干擾扇面；3) 目標成像逐漸變小，時有時無，直至完全消失.

圖3 不同強度干擾時目標成像Fig.3 Target Imaging Under Different Intensity Interference

基于上述第1種變化，可將是否出現(xiàn)特定角度指向圓心的干擾扇面作為阻塞效應(yīng)敏感參數(shù).然而，在屏幕上不易準確地判斷干擾扇面是否出現(xiàn)，且其角度同樣無法準確測量.以此為阻塞效應(yīng)敏感參數(shù)，對于受試雷達而言可操作性不強，會引入較大的主觀誤差，難以滿足需求.

基于上述第2種變化選擇阻塞效應(yīng)敏感參數(shù)，則每個新出現(xiàn)的干擾扇面都會面臨前述問題，干擾扇面的數(shù)量也無法準確測定，同樣不符合需求.

基于上述第3種變化做選擇，可定義雷達單個掃描周期內(nèi)目標成像完全消失為一次有效干擾，有效干擾概率為若干個掃描周期內(nèi)有效干擾次數(shù)與總次數(shù)的比值.對于受試雷達的有效干擾可以通過目標成像準確地判定，有效干擾概率可以通過試驗估測.有效干擾概率變化的實質(zhì)是有用信號增益的變化，通過前述分析可知，決定有用信號增益的因素首先是雷達天線與輻射天線的相對位置，然后是干擾信號強度.選擇有效干擾概率作為阻塞效應(yīng)敏感判據(jù)，可有效避免位置因素的影響，直接建立其與干擾信號強度的關(guān)系，較客觀地描述不同強度的干擾信號對雷達性能造成的影響.

2.3 電磁輻射阻塞效應(yīng)敏感判據(jù)

已選定有效干擾概率作為阻塞效應(yīng)敏感參數(shù)，通過試驗研究其在不同功率、不同頻率正弦波輻照下的變化規(guī)律，找出合適的敏感判據(jù).具體試驗布置如圖2所示，方法如下：1) 開啟雷達確保其正常工作，可在顯示器上觀察到目標回波成像；2) 設(shè)置信號發(fā)生器輸出正弦波干擾信號，其輸出功率不應(yīng)對受試雷達造成影響；3) 調(diào)整信號發(fā)生器輸出功率，每次調(diào)整后進行一定周期數(shù)的探測并統(tǒng)計其中未成像的次數(shù)，計算有效干擾概率，記錄此時的干擾功率.

對于試驗中探測周期數(shù)的設(shè)定，需要兼顧試驗可操作性與減小誤差的要求.掃描周期數(shù)取值過小時，結(jié)果偶然性太大；取值太大則會增加不必要的工作量.通過可重復(fù)性試驗可知，掃描周期數(shù)選擇20次時，試驗結(jié)果可重復(fù)性較高，且不會大幅增加試驗工作量，滿足試驗需求.結(jié)合受試雷達工作帶寬為±40 MHz，選定干擾頻偏Δfj=fj-f0(f0為受試雷達中心頻率)為0，15，25,…，55 MHz，測得有效干擾概率隨干擾功率的變化曲線如圖4所示.

圖4 有效干擾概率變化曲線Fig.4 Variation Curve of Effective Interference Probability

由圖4可知，在不同的干擾頻偏下，有效干擾概率與輻射功率的變化規(guī)律基本一致，即隨著輻射功率的增強，有效干擾概率由0逐漸增大；其增長速率先升高后降低，直至雷達被完全阻塞.另外，當干擾功率相同時，在一定范圍內(nèi)，隨著干擾頻偏的增大，有效干擾概率呈明顯降低趨勢，符合一般認為的用頻裝備對帶內(nèi)干擾更為敏感的特性.

選擇敏感判據(jù)側(cè)重于試驗的準確性與重復(fù)性，故對其要求為，在一定區(qū)域內(nèi)，干擾強度的微小改變會引起受試設(shè)備工作性能的較大變化，即以“有效干擾概率/干擾功率”曲線斜率最大的點作為雷達阻塞效應(yīng)敏感判據(jù)時誤差最小.對擬合曲線進行插值，得到干擾源數(shù)組及對應(yīng)的有效干擾概率數(shù)組，各點導(dǎo)數(shù)為

(5)

其中m=(xn-x1)/n.

通過計算所得有效干擾概率曲線最大斜率對應(yīng)的有效干擾概率如表1所示，主要集中在47 %～62 %，平均值為54 %.由此可說明，在不同頻偏干擾下，最敏感處的有效干擾概率較為接近，在54 %附近波動.為便于工程應(yīng)用，可取有效干擾概率50 %作為電磁輻射阻塞效應(yīng)敏感判據(jù)的理論值.另外，對于受試雷達而言，實際試驗中很難出現(xiàn)恰好等于50 %的結(jié)果，可結(jié)合表1中數(shù)據(jù)提前設(shè)定控制誤差，當試驗步長小于控制誤差時，若有效干擾概率處于40 %～60 %，即可將電磁干擾輻射電平作為雷達電磁輻射阻塞效應(yīng)敏感電平；若此時試驗結(jié)果未落入該區(qū)間，則取最接近區(qū)間兩端的有效干擾概率對應(yīng)電平均值作為雷達電磁輻射阻塞效應(yīng)敏感電平.基于圖4有效干擾概率曲線計算可知，若有效干擾概率達到40 %～60 %的任意值就判定為雷達受到有效干擾，其測試誤差可控制在1 dB以內(nèi)，具體數(shù)值如表2所示.

表1 斜率最大處的有效干擾概率Tab.1 Effective Interference Probability at the Maximum Slope

表2 有效干擾概率取40 %～60 %時的測試誤差Tab.2 Test Error When the Effective Interference Probability Is 40 %～60 %

3 結(jié) 論

結(jié)合雷達電磁輻射阻塞效應(yīng)的機理分析，從提高測試數(shù)據(jù)準確性、重復(fù)性出發(fā)，提出了受試雷達阻塞效應(yīng)敏感判據(jù)，用于后續(xù)電磁輻射效應(yīng)預(yù)測研究，具體結(jié)論如下.

1) 使用正弦波對雷達進行輻照，隨著干擾功率的增大，雷達顯示器上會出現(xiàn)干擾扇面，角度逐漸增加，數(shù)量變多；目標成像逐漸變小，時有時無，直至完全消失.

2) 將有效干擾概率作為受試雷達阻塞效應(yīng)敏感參數(shù)，其在不同頻率電磁輻射作用下的變化規(guī)律基本一致，具有普適性.

3) 分析試驗結(jié)果，選定有效干擾概率50 %作為雷達電磁輻射阻塞效應(yīng)敏感判據(jù)，當試驗步長小于控制誤差時，有效干擾概率處于40 %～60 %的電磁輻射干擾電平即可作為受試雷達的電磁輻射敏感電平(場強)，以增強敏感判據(jù)的可操作性.

4) 所使用的對于敏感判據(jù)的研究方法可適用于其他型號雷達，所提出的敏感判據(jù)也可為研究其他型號雷達提供參考.