舰艇电磁兼容管控效果分析

黄清云，夏惠诚，徐亚光

（海军大连舰艇学院，辽宁 大连 116018）

随着水面舰艇的发展，舰艇装备的电子设备种类、数量和功率不断增加，天线数量越来越多，实现空间隔离越来越困难。即使经过一番严格的设计论证，进行了全面的电磁兼容设计，但仍然存在不少电磁兼容问题，严重影响了舰艇战斗力的发挥。例如:短波通信某些频点大功率发射时在对海导弹发射架位置的电场强度超过武器安全场强；雷达、通信和电子战系统之间的电磁干扰问题等。目前，水面舰艇采取的电磁兼容管控措施主要是从空域、能域、时域和频域四方面入手，一定程度上较好地解决了舰上存在的电磁兼容问题，然而实现管理控制后对单个系统作战效能的损失有多大，是得大于失，还是失大于得，这是共同关心的重要问题。本文将具体分析各域管控措施的原理、使用时机以及各管控措施对受管控电子设备作战效能的影响。

1 能域管控

1.1 能域管控的基本原理

能域管理主要是保证舰载武器弹药（电引爆火工品）的安全，针对导弹空架、上架、存贮、准备发射等工况，限制对其构成威胁的电磁发射功率分别处于不同限值。功率管理可以用来管理功率可调的无线电通信发射机和电子战干扰设备。如果某些设备具有功率控制能力，那么就要分析其在功控条件下的电磁干扰概率，优先使用具有功率控制的设备。

两部设备之间存在相互干扰，一个重要原因就是干扰信号的强度超过了敏感设备的最低门限值，使得干扰信号影响了设备的正常工作状态，如果在相互之间存在干扰时，能够合理控制干扰源的信号强度，降低其辐射功率，那么就能够合理地解决电磁兼容问题。这种从能域角度解决装备间的电磁兼容问题的方法，目前也得到了一定程度的应用，取得了一定的效果。但是，降低设备的功率，在其它条件不变的情况下，势必作用距离就要随之降低，从而影响装备的探测、通信效能，与目前雷达、通信装备功率加大、作用距离要求增加的趋势相矛盾。

1.2 能域管控对设备作战效能的影响分析

能域管控方法简便，能有效地保证舰载武器、弹药的安全，但在限制电子设备使用的同时也会造成电子设备作战效能的下降，下面以影响雷达和通信干扰设备的干扰距离为例来分析。

1）功率下降对通信干扰作用距离的影响[1][2]

干信比就是指目标接收机处的干扰功率与信号功率之比，即

由压制系数ky的定义可知，当干扰有效时，目标接收机输入端的干信比应满足

此时，干扰能有效压制目标信号的通信。再由路径损耗差的一般表达式[5]，即可知道干扰作用距离和干扰机发射功率的关系。

式中，PTS为发射机输出的信号功率；GTS为通信发射机到接收机方向的天线增益；GRS为接收机到通信发射机方向的天线增益； LS为通信发射机到接收机的路径损耗；PTj为干扰机输出的干扰功率；GTj为干扰机到接收机方向的天线增益；GRj为接收机到干扰机方向的天线增益；Lj为干扰机到接收机的路径损耗；Fb为滤波损耗；p为极化损耗。

2）功率下降对雷达干扰机作用距离的影响[3]

雷达接收机输入端干扰和信号的功率比为

当公式（4）中的干扰与信号功率比大于压制雷达对信号正常接收所必须的干扰与信号的最小功率比（即压制系数）Kj时，便可得到干扰方程的一般表达式，而且由上式可知 Pj与Rj成反比关系。

式中，Pt,Gt为雷达的发射功率和天线主瓣方向上的增益；σ为目标的有效反射面积；λ为雷达工作波长；Rt为目标至雷达的距离；Pj,Gj为干扰机发射功率和干扰机天线主瓣方向上的增益；Rj为干扰机至雷达的距离；γj为干扰信号对雷达天线的极化损失。

2 空域管控

2.1 空域管控的基本原理

对连续波或高重频的设备同频干扰时，通常不能采用时域管理.当设备的工作频带较窄，无法实施频域管理，特别是无线电或卫星通信设备，其工作频率不能自主变换，此时可采用空域管理。即当跟踪设备天线处于某个对其它设备产生干扰的方位和仰角时，有伺服系统将天线方位和仰角信息通过控制设备发送到电磁兼容管控设备，有管控设备进行自动判断，当天线角度进入方位θΔ或仰角βΔ时，管控设备自动向受干扰设备发送管理命令或提示，由管控设备自动采取规避措施，例如:由管理设备自动接通可瞬时控制的高频滤波器等。管理过程需以下信息作为判断的判据:

a）设备工作信息；

b）设备天线方位和仰角信息。

若被管理设备是需要全方位作战设备，则空间管理对设备有一定影响。

2.2 空域管控对设备作战效能的影响分析

空域管理的原理简单且实施方法简便，可结合舰总体布置顺势利用，但由于舰总体尺度不大，空间有限一般难以完全奏效。特别地，当管理设备是需要全方位作战的设备，则空间管理对设备作战效能有一定影响。比如令某一雷达在某一水平方位角度a内不发波，那么这一雷达的空域损失可表示为W:W=(a/b).100%，其中a为受限的角度，b为雷达扫描的范围。但是，如果不采取空域管理措施，那么受干扰的设备作战效能损失率可能为50%，甚至于100%。

3 频域管控

3.1 频域管控的基本原理

当能确定本舰电磁收/发设备之间的干扰仅存在于某些频段或频点，或工作于宽频带的发射设备对电引爆武器的威胁突出表现在某些频段时，可根据电磁收/发设备的受控特点，错开相互干扰设备工作载频，使设备相互干扰消失或减弱，频率管控能保证相关设备作战同时使用。如果设备有多个工作频段或可自适应变频，则要详细分析出现干扰可能的频率点的实际使用情况及技术特点，统一规划电磁设备使用频段，尽量使用具有宽跳频和抗同频异步能力的设备。频域的主要管控措施有:

1）滤波 滤波是指从混有噪声或干扰的信号中提取有用信号分量，实现选择信号和抑制干扰的技术。滤波主要是为了避免雷达和微波段通信设备发射的连续波、高重频脉冲对雷达侦察设备的干扰，以及由设备带外杂散对其它设备引起的干扰。一般通过在雷达侦察设备接收通道上增加可控滤波器，或在被干扰设备端增加带通滤波器。滤波器按工作方式分为三种:第一种是将无用信号反射回信号源，即反射式滤波器；第二种是把无用信号在滤波器里吸收掉，即吸收式滤波器；第三种是将无用信号对消掉，即有源对消滤波器。

2）错开工作频率或关闭某个频段 对于水面舰艇装备的可用频点数多、发射机带外抑制高、接收机性能好的设备，可通过错开干扰载频来避免或减弱干扰，如:跟踪雷达与搜索雷达的干扰、警戒雷达多次谐波对其它设备的干扰。有时候也可以通过关闭某个频段来来避免或减弱干扰，如:电子战干扰设备对搜索雷达的干扰。

3）跳频和抗同频干扰 跳频技术是用扩频码序列去进行频移键控，使载波频率不断跳变而扩展频谱的一种方法。跳频系统的关键部件是跳频器，更具体地，是能产生频谱纯度好、切换速度快的频率合成器和伪随机性好的跳频指令发生器。

抗同频干扰的基本原理是:如果是同频同步干扰，则采用增加雷达重复频率点数的方法，将同频同步干扰变为同频异步干扰，再采用多脉冲相关的处理方法来抑制同频异步干扰。

3.2 频域管控对设备作战效能的影响分析

1）滤波 滤波技术虽然能解决一些干扰问题，但在滤掉干扰信号的同时也可能把有用信号给滤掉，造成频谱损失，从而加大了漏警概率。滤波后的漏警概率为

式中，p漏为漏警概率，f1为滤掉的频率点数(或频段)，f0为设备固有的频率点数或频段，p发为设备的发现概率。

2）错开工作频率或关闭某个频段 错开工作频率会使得可用的工作频点变少，造成的负面影响就是使设备的频率资源有所损失，同时对设备的性能会产生一定的影响。例如:XX远程警戒雷达规避XX对空超短波电台工作频率，若通信预案的制定使XX远程警戒雷达受限制的频点较多时，XX远程警戒雷达的跳频抗干扰能力将减弱；若限制严重时，XX远程警戒雷达将无法采用跳频工作方式，使补盲措施失效和降低漏警率的功能减弱。而关闭某个频段，则会使受管控设备的作战效能遭到较大的损失，但对总体作战效能可能是有利的。以干扰机对搜索雷达的干扰为例，当干扰机在搜索雷达的工作范围内进行扫频干扰时，为了保证搜索雷达对目标的稳定跟踪，此时应该停止干扰机在搜索雷达某一工作频段内的扫频干扰，虽然干扰机失去了一定的干扰频段，但是舰艇总体作战效能达到最大化。

3）跳频和抗同频异步干扰[4][5]跳频技术是一种有效的抗干扰措施，当设备受干扰时采用跳频技术来抗干扰，个别频点受干扰会使噪声电平有少量上升，对设备的性能影响较小。

根据文献[5]仿真测试及实际应用结果分析，实际上，同频干扰的时间宽度非常大。对于线性调频信号，当两部雷达的工作周期相差约三倍脉宽时，反异步才能取得较好的效果。雷达重复周期变化将影响雷达的平均功率，重复频率变高，发射机平均功率增大；反之重复频率变低，发射机平均功率减小。所以，改变雷达的重复周期将会影响雷达的探测距离，具体影响可由公式(7)和(8)表示。

式中，Rmax为雷达最大作用距离，Pt为雷达发射功率，G为天线增益，σ为目标反射面积，Smin为接收机灵敏度，λ为雷达波长；P0为平均功率；P1为峰值功率；τ为脉冲宽度；fr为脉冲重复频率。

4 时域管控

4.1 时域管控的基本原理

时间分隔法的实质是使各部雷达的发射信号和视频显示（或是接收机）从时域上分开，不显示干扰信号，从而达到抑制相互干扰的目的。干扰脉冲（发射脉冲）和抑制脉冲在时间上重合是抗干扰的基本条件，干扰脉冲从发射天线到接收天线在空中传播的时间，小于信号沿“干扰源-中心转接盒-受干扰设备”电缆的传输时间，那么这种重合就需要所有连接在一起的雷达设备提前于发射脉冲向电磁兼容保证系统发送信号，这个信号就是提前脉冲（启动脉冲），提前脉冲的提前时间就是电磁波沿电缆和经过空中传播所用时间不同而产生的时间差。这样，当某部雷达将要发射脉冲时，先向电磁兼容保证系统送出一个提前脉冲，这个提前脉冲在电磁兼容保证系统的中心转接盒里分压，形成抑制脉冲再送到同一保护组的其它雷达，保证在这个抑制脉冲到达各部雷达的同时，本雷达的发射脉冲也正好到达，从而实现发射脉冲和抑制脉冲在时间上的重合。时域管理主要有三种方式:

1）“脉冲匿影”方式:两相互干扰的设备需同时工作时干扰源设备送出干扰信号脉冲，由管理控制设备根据管理要求定义，在干扰信号发射时间段内停止受干扰设备工作。这种分时方式往往是us级或ms级的，对设备使用影响不大，当干扰源占空比较大时，对受干扰设备具有一定的影响。

2）统一触发:该方式主要为了减少电子战侦察设备、被动雷达“匿影”时间的损失，要求同频段雷达在作战时选择“统一触发”工作方式，使相关雷达在一个大周期内的发射起始点一致有效地减少了叠加后的“匿影脉冲”或“匿影波门”宽度，但可能会导致部分雷达出现同频同步干扰。

3）大分时工作:两相互干扰的设备同时工作时，设备送出工作状态信息由电磁兼容管理控制设备根据管理要求，在干扰源工作时，停止干扰源或受干扰设备工作。大分时工作对舰总体作战效能有一定的影响，这也是管理方式中最不推荐的一种方法。

4.2 时域管控对设备作战效能的影响分析[6]

1）匿影脉冲对设备作战效能的影响分析 考虑到每部雷达都有多种发射脉宽和脉冲重频，为研究方便起见，都统一采用其发射脉冲占空比最大的工作方式作为研究对象，因为这种方式对其它雷达的闭锁时间最长。

某个舰艇编队由多艘舰艇组成，假设共装备各型雷达n部，如果所有雷达统一采用脉冲匿影，那么总的匿影时间为

式中，τi为第i部雷达的发射脉宽，单位秒；Fi为第i部雷达的脉冲重频。

如果T大于等于1，那么所有的雷达都没有可供接收信号的时间，匿影脉冲的方法就是不适用的。如果T小于 1，那么雷达受匿影脉冲的影响，但是还有可以接收的时间。此时，所有雷达的占空比都变为T。

目前在编队范围内，由于各部雷达没有时间的同步基准，它们之间的相互闭锁没有周期关系，当某个目标的回波在一个周期内被屏蔽时，它不可能在连续的几个周期内也被屏蔽，也就是说这种方法不会导致雷达对某个目标的连续漏警，从时域分析雷达单个脉冲的探测概率不会小于原有概率的T倍。

假设第i部雷达的天线周期为Ti，波束宽度为Bi，单个脉冲对目标的发现概率为Pi，则此雷达对一个点状目标扫描时发射的脉冲数量为

在T小于1的情况下，第i部雷达对此点状目标探测时的累计发现概率为

在匿影脉冲的作用下，此雷达对目前探测的影响为探测概率的下降，总的下降幅度为

根据上述情况，假设某个编队所有雷达设备采用脉冲匿影的电磁兼容管控方法后 T=0.6，某部雷达的Ni＝10，单个脉冲对点状目标的发现概率 Pi=0.8，那么可以计算出管控后此雷达对某个目标的总计探测概率 P=0.97886，而在没有管控时，此雷达对这个目标的累计发现概率为0.99999，可以看出，采用脉冲匿影后总的探测概率下降幅度为2.1%。

2）统一触发对设备作战效能的影响分析 统一触发工作方式对电子设备的性能影响分析可参照匿影脉冲对设备性能的影响分析方法来分析，不同的是统一触发对设备的总匿影时间 'T的计算公式为

式中，Tmax为采取统一触工作的设备在一个脉冲周期内发射时间最长的时间；T统一为统一触发的周期。

3）大分时对设备作战效能的影响分析 采用大分时工作方式是以牺牲电子设备的全部作战效能来保全另一个电子设备的作战效能，该工作方式是在迫不得已的情况下采用的。所以，采用大分时工作方式会使受管控设备的效能损失达 100%，但可能对整体作战效能是有利的。

从上述雷达探测概率的下降幅度数值来看，时域管理的影响程度与关闭雷达相比可以说是微不足道的，再结合前面的各种假设条件都是以最差的情况考虑的，因此，在实际工作中这种影响只会更小。时域管理如果能在频域管理的基础上进行，减少时域管控的装备数量，那么，时域管控对雷达性能的影响程度会更小，这说明时域管控方法实现雷达装备之间的电磁兼容是可行的。

5 结束语

本文较为全面地对水面舰艇电磁兼容管控措施的原理、使用时机和管控效果进行分析，尤其重点对实施电磁兼容管控措施后产生的负面影响进行了较为详细的分析。研究成果对舰艇电磁兼容设计和舰艇电磁兼容管控研究有一定的借鉴意义。但由于时间紧迫和篇幅所限，本文没有对管控效果进行试验分析和仿真验证，有待于下一步的深入研究。

[1]郭黎利,孙志国. 通信对抗技术[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社, 2004.

[2]杨曦,任重. 通信对抗中短波最大有效通信距离的计算方法[J].海军大连舰艇学院学报, 2008, 31(4):70-72.

[3]丁鹭飞,耿富录. 雷达原理[M]. 西安:西安电子科技大学出版社, 2002.

[4]姚景顺,饶世兴. 海上编队舰载雷达之间同频干扰的消除方法[J].现代雷达, 2007,29(6):13-16.

[5]薛春祥等. 舰船雷达同频干扰来源分析及抗同频干扰的方法[J].雷达与对抗, 2008(1):1-4.

[6]王强,黄暄. 舰船电磁环境对电子对抗系统作战性能的影响[J].舰船科学技术, 2007, 29(3):87-90.