王军东
(中国飞行试验研究院,陕西西安710089)
摘 要:现代战争对雷达抗干扰能力的要求越来越高,如何客观检验雷达的抗干扰能力已成为雷达研制方和雷达使用方所共同关心的问题,急需利用有效手段分析和评估雷达的实际抗干扰性能。复杂电磁环境下噪声压制干扰直接影响机载警戒雷达对目标的探测能力。针对复杂电磁环境下警戒雷达受到压制性干扰的特性,分析了压制性干扰对警戒雷达发现概率和探测距离两个主要性能指标的影响,同时,通过飞行试验验证了机载警戒雷达抗压制干扰探测性能,并给出了试飞评估方法。
关键词:警戒雷达;压制性干扰;探测概率;探测距离
在战场环境下,有源压制性干扰是作战对方对机载警戒雷达最为常用的干扰类型。因此,研究机载警戒雷达抗压制干扰能力评估具有十分重要的意义。国内雷达领域的相关学者和工程技术人员,对雷达抗干扰能力评估方面作了大量的研究,并取得了很好的成果。文献[1]对干扰区域目标的雷达检测特性进行了分析和仿真,文献[2]对火控雷达受到压制干扰后的能力评估进行了分析,文献[3]对复杂电磁环境下雷达探测效能进行了分析,文献[4]和[5]分别对检测概率进行了仿真,文献[6]对压制干扰下探测距离进行了计算。
上述研究成果对雷达抗压制性干扰能力评估提供了丰富的参考。但是,雷达抗干扰能力为雷达的一项重要战术指标。对雷达抗干扰性能的检测评估应按战术要求进行,即在雷达与干扰机的实际对抗中进行。雷达抗有源压制性干扰的能力理论上应为雷达在受到有源干扰时工作在抗干扰方式下的战技术性能与雷达工作在无干扰方式下的战技术性能之差。因此,基于单独的计算机仿真来模拟战场环境,得出的结果在实践中利用率并不高。对雷达抗干扰能力进行评估时,必须将雷达置于一个特定的复杂电磁环境中,只有这样才能充分反映雷达的抗干扰性能,有效地考核雷达在贴近实战的复杂电磁环境下的作战效能。
警戒雷达受到敌方的电子干扰时,警戒雷达的效能就会受到削弱。警戒雷达由于工作方式为多目标的探测跟踪,因此受到的干扰一般为有源压制性干扰,直接影响其发现概率和探测距离,最终缩短其预警时间,受到的威胁等级提高。
雷达有源压制性干扰的主要目的是造成对雷达的目标信号的压制,当雷达受到有源压制干扰时,随着干扰强度的增加,将会使雷达主瓣和副瓣扇面内背景增强,使得无法观测和发现干扰区域内的目标,在雷达目标检测中将会出现点迹混乱、航迹错误,以致无法探测到或跟踪目标。各种干扰方式都是为了使雷达在规定发现概率和虚警概率条件下的发现距离下降。雷达抗有源压制干扰就是与同时域、同频域和同空域情况下力求减小干扰影响,即降低雷达发现距离的下降程度。
压制性干扰是用噪声或类似噪声的干扰信号遮盖或淹没有用信号,阻止雷达检测目标信号。雷达对目标的检测是在外部噪声和内部噪声中进行的,其检测又是基于一定的概率准则的。如果目标信号能量与噪声能量相比,超过检测门限,则可以保证在一定虚警概率的条件下达到一定的检测概率,压制干扰就是使强干扰功率进入雷达接收机,尽可能降低信噪比,造成雷达对目标检测的困难。压制性干扰效果表现为雷达或含有雷达的作战系统由于受到干扰而造成的作战性能的下降[7-8]。
雷达信号的检测性能由其发现概率和虚警概率来描述,发现概率越大,说明发现目标的可能性越大,与此同时希望虚警概率的值不能超过允许值。
在雷达性能参数确定的情况下,发现概率主要取决于雷达环境特性。对警戒雷达的压制性干扰就是用噪声或类似于噪声的干扰信号压制或淹没有用信号,阻止雷达检测到目标信息,造成雷达对目标检测的困难。当信噪比降低到一定程度,雷达就将无法发现或者无法正确发现目标。因此在虚警概率确定的情况下,雷达的发现概率是以信噪比为自变量的增函数,随着信噪比的变化而变化。
通常雷达接收机的干扰噪声为宽带高斯噪声,接收机输入端接收到干扰的概率密度函数由下式给出:
式中,P(v)为宽带高斯噪声电压的概率,σ2为其方差,噪声干扰的均值为零。噪声包络的电压幅度服从瑞利分布,概率密度函数为
此处r表示噪声包络的振幅值。设置门限电平为VT,噪声包络电压超过门限电平的概率就是虚警概率Pfa,可以得出虚警概率与门限电平VT的关系为
即
由上式可得,当噪声分布函数P(r)一定时,虚警概率Pfa的大小完全取决于门限电平VT。
信号加噪声通过接收机的电压超过门限的概率就是发现概率Pd,因此要得到发现概率,须研究信号加噪声通过接收机的情况。
设信号频率是中频滤波器的中心频率,包络检波器的输出包络的概率密度函数为
式中,x为信号加噪声的包络,A为信号振幅,I0(z)为变量为z的零阶修正Bessel函数,定义为
信号被发现的概率就是x超过预定门限VT的概率,因此发现概率Pd为
该式反映了发现概率Pd与门限电平VT及正弦波振幅A的关系,接收机信号电压与功率的关系式如下:
由上式可以看出,信噪比
,由式(4)可得出
以信噪比为变量,以虚警概率为参变量分析检测概率与信噪比的关系。可以得到雷达发现概率与信噪比、虚警概率(门限电平)之间的关系:当虚警概率一定时,信噪比越大,发现概率越大,也就是说,当门限电平一定时,发现概率随信噪比的增大而增大。从另一方面来说,如果信噪比一定,则虚警概率越小(门限电平越高),发现概率越小;虚警概率越大,发现概率越大。当相对门限(VT/σ)提高时虚警概率降低,但发现概率也会降低,通常总是希望虚警概率一定时提高发现概率,只有提高信噪比才能办到,因为门限电平对发现概率和虚警概率的作用是一致的。警戒雷达在作战时受到的压制性干扰,就是减少了雷达接收机的信噪比,从而降低了警戒雷达的发现概率。
雷达探测距离是基于一定发现概率的,随着雷达与目标间距离的变化,雷达接收机内的信噪比也随之变化,所以在不同距离上雷达对目标的发现概率是不同的,一般警戒雷达对目标的发现概率Pd≥50%的距离,可认为雷达能正常发现目标的距离,即为雷达的探测距离。
在无干扰情况下,到达雷达接收机的目标回波信号功率为
式中,Pt为雷达发射功率,Gt为雷达天线的主瓣增益,λ为雷达发射电磁波的波长,R为雷达与目标之间的距离,σ为目标等效反射面积,L为雷达系统功率损耗因子。
在无压制性干扰时,雷达接收机输出噪声包括外部天线噪声和接收机工作时产生的内部噪声。外部天线噪声包括地球表面反射的无线电噪声、地球大气辐射无线电噪声以及宇宙背景辐射噪声。
若接收机输入噪声功率为Pin,则无压制性干扰信噪比可表示为
当雷达遭受有源压制性干扰时,雷达接收机输入端噪声为热噪声和电子干扰机发射的干扰信号,根据干扰方程,可得到到达雷达接收机的干扰信号功率为
式中,Pj为干扰机发射功率,Gj为干扰机的增益,Gt(θ)表示与雷达方向夹角为θ处的增益(雷达天线在干扰机方向上的增益),Br为雷达接收机带宽,Bj为干扰信号带宽,Rj为干扰机与雷达的距离。
对于自卫式干扰形式,Rj=R,Gt(θ)=Gt(0)=Gt。干扰信号与目标信号同时进入雷达接收机,因此压制干扰条件下,接收机线性输出端的信噪比(信干比)可近似表示为
此时雷达天线的主瓣对准干扰机,为了在这种情况下发现目标,要求Ps/PJ足够大,并达到检测所需要的信杂比(Ps/PJ)S,此时相应的作用距离为
RSJ即为雷达抗压制干扰的自卫距离,当目标大于这个距离时雷达不能发现目标,小于这个距离时雷达具有相应防卫能力。
雷达抗干扰性能应针对干扰机的某一确定技术状态,由无干扰时的雷达性能和施加干扰时的雷达最大发现距离的差值来表征。雷达抗干扰能力强,则该值小;反之,该值就大。
鉴于雷达探测性能试验的目标机不具有干扰功能,因此,为便于比对干扰对警戒雷达的影响,试验雷达目标机不变,利用干扰机和目标机紧密编队的方式来完成警戒雷达抗压制性干扰试验。
在进行复杂电磁环境下警戒雷达抗干扰试验时,已经完成该警戒雷达对特定目标机的对空探测性能试验。同时,抗干扰试验的雷达工作参数和工作剖面与特定目标机的对空探测性能试验保持一致,只在抗干扰试验中增加了干扰机,检查警戒雷达受到压制干扰后,警戒雷达对目标机的探测距离和探测概率变化情况。试验中目标机紧随干扰机,双机编队距离小于5 km,以随队自卫式对雷达主瓣实施噪声压制干扰,警戒雷达载机相对目标机和干扰机以迎头方式进入,干扰机干扰方式为窄带压制式干扰,设定等效干扰功率谱密度保持不变,按以下公式设置等效干扰功率谱密度:
式中,Pj为干扰机的发射机输出功率,Gj为干扰机天线增益,Bj为干扰机输出信号带宽,L为干扰机系统损耗。雷达载机、干扰机和目标机位置示意图,如图1所示。
图1 雷达载机、干扰机和目标机相对位置
试验结果发现,无压制干扰和有压制干扰两种情况下,由发现概率随探测距离变化的拟合曲线可得,该警戒雷达受到压制性干扰后,探测距离有明显下降。图2给出在虚警概率恒定时,警戒雷达在无压制干扰和有压制干扰两种情况下发现概率与探测距离变化曲线,图中距离使用了归一化处理。
图2 雷达发现距离与发现概率曲线
假设,雷达与目标机进入距离为R0,则在某干扰功率谱密度情况下,发现概率为50%时,无干扰状态警戒雷达对该目标机的探测距离为0.86R0,实施压制干扰后警戒雷达对该目标机的探测距离为0.67R0,探测距离下降约20%。
现代战争中,战场电磁环境非常复杂,既有来自敌方的电磁干扰,又有我方电磁信号的干扰,所以抗干扰能力应是警戒雷达必不可缺的能力要求,抗干扰能力的强弱直接影响到作战效能。本文分析了压制性干扰对机载警戒雷达效能的影响。其研究结果对机载警戒雷达在复杂电磁环境下的使用和评估抗干扰能力有一定参考借鉴意义。
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Evaluation of Anti-Suppressive Jamming Ability of Airborne Warning Radar
WANG Jundong
(Chinese Flight Test Establishment,Xi’an710089,China)
Abstract:Greater demands are imposed on the radar anti-jamming ability by the modern warfare.How to objectively test this ability has been an important problem of common concern by both the radar developer and the user.It is urgent to propose effective method to analyze and evaluate the real performance of radar anti-jamming.The noise suppressive jamming influences the airborne warning radar detection performances directly in complex electromagnetic environment.For the characteristic of the noise suppressive jamming to the airborne warning radar in complex electromagnetic environment,the influence of suppressive jamming to the detection probability and detection range of the warning radar are analyzed in this paper.Meanwhile the detection performance of the airborne warning radar anti-suppressive jamming is tested through flight test,and the flight test evaluation method is given.
Key words:warning radar;suppressive jamming;detection probability;detection range
中图分类号:TN974
文献标志码:A
文章编号:1672-2337(2017)01-0035-04
DOI:10.3969/j.issn.1672-2337.2017.01.006
收稿日期:2016-06-30;
修回日期:2016-08-22
作者简介:
王军东男,1971年10月出生,甘肃白银人,硕士,高级工程师,主要研究方向为机载雷达、电子战试飞技术。E-mail:jefferyjundong@126.com