突防飞机雷达告警设备接收电磁信号建模

毛 玮，刘 璘，王 岩，罗振明

(1.空军航空大学学员1队，吉林长春 130022;2.中国人民解放军93132部队，黑龙江齐齐哈尔 161000;3.中国人民解放军94909部队，贵州贵阳 550000)

飞机突防是指飞机或飞机编队突破敌方防空领域，深入敌方纵深区域、战略腹地执行领略或战术任务时，消灭其重要的政治、经济和军事目标的作战行为，是现代战争中的一种重要斗争手段。从近期高技术局部战争来看，信息战武器已成为高技术武器的主导部分，这些武器在战场上的大量使用，使“突防—防空”对抗具有明显的信息对抗特征。机载雷达告警设备作为现代飞机不可或缺的电子信息对抗装备之一。其利用接收机接收所处战场中的电磁信号，并通过分选、识别和引导干扰设备对敌威胁辐射源进行干扰以保护飞机平台。

文中根据雷达告警设备工作原理提出了以雷达向空间辐射的电磁信号为基础，以机载雷达告警设备工作条件为依据的告警设备接收电磁信号建模方法。该模型考虑了突防战场环境中雷达辐射源较多的特点，存在同时到达电磁信号的可能，提出了脉冲丢失处理模型。

1 飞机突防作战雷达电磁环境特点

实施空中突防作战时，防御方的防空预警系统、地空导弹防御系统、高射炮防御系统、战斗机拦截系统等防空体系下的各种武器系统将会根据作战需要启动。同时为保证突防飞机能够顺利实施作战行动，突防方的支援干扰系统也会采取措施进行配合，从而导致战场环境中充斥着各种雷达、干扰信号，使得突防区域在空域、时域、频域上分布的电磁信号数量繁多、样式复杂、密集重叠、动态多变，形成了复杂的电磁环境。

2 雷达告警设备电磁信号接收模型

文中采用信号描述字的方法，根据雷达工作方式与信号的特点、飞机突防战术运用和电磁波传播特性，通过构造雷达信号辐射模块、突防飞机雷达告警设备接收模块，建立突防飞机雷达告警设备电磁信号接收模型。其中雷达信号辐射模块包括雷达运动模型、雷达工作状态模型、雷达辐射参数模型;突防飞机雷达告警接收模块包括突防飞机运动模型、告警设备截获信号模型、PDW流模型。

图1 突防飞机雷达告警设备电磁信号接收模型

该模型工作流程如图1所示，是通过突防飞机模型和雷达运动模型计算不同时刻下飞机与雷达的距离，根据距离判断战场上各雷达的工作状态，形成各雷达状态时刻表，依据不同时刻各雷达工作状态下雷达参数，建立突防战场中各雷达向空间辐射脉冲信号列表，该列表通过告警设备截获信号模型，形成符合其接收要求的信号列表，经过PDW流模型后形成PDW流列表即飞机突防过程中雷达告警设备接收到的所有雷达信号。

3 雷达信号辐射模块

该模块实现战场环境中各雷达工作状态控制和辐射信号的描述。

3.1 雷达工作状态判断模型

该模型实现判断战场环境下不同类型的雷达开机、工作状态判断的功能。规则是当突防飞机进入目标雷达探测范围后，制导雷达开机并跟踪目标或该雷达从搜索状态进入跟踪状态，雷达参数将根据需要进行改变。根据上述规则得到雷达工作状态时刻列表，如图2所示。

图2 雷达状态时刻表

因此，在模型中重点解决雷达最大探测距离和雷达告警设备最大探测距离。

3.1.1 雷达最大探测距离

雷达通过向空间发射电磁波和接收目标回波信号，以实现对远距离目标的探测和定位。雷达对目标的最大探测距离模型可由雷达方程计算得到

式中，Rtmax为雷达最大探测距离;Pt为雷达发射的峰值功率;Gt为雷达天线增益;λ为雷达辐射电磁波的波长;σ为目标有效反射面积;L为电磁波传播损耗;Stmin为雷达接收机灵敏度。

3.1.2 地球曲率对探测距离的影响

因电磁波传播方向为直线以及地球曲率的影响，雷达及其告警设备的最大探测距离将受到直视距离的限制

式中，Rtr为直视距离，单位为km;R为地球半径，单位为km;Hr为突防飞机距离地面距离，单位为m;Ht为雷达距离地面高度，单位为m。

因此，雷达和雷达告警设备最大探测距离模型为Rtmax'=min(Rtmax，Rtr)，Rtmax'=min(Rrmax，Rtr)。

3.2 雷达辐射参数模型

雷达电磁环境是指进入雷达向战场空间辐射雷达脉冲信号的集合，该环境是由战场中的各种雷达构成的，战场环境中的雷达辐射信号通过雷达辐射脉冲描述字表示，该描述字包括雷达位置坐标、脉冲前沿发射时间、脉冲载频、脉冲宽度、峰值功率、天线指向和天线半功率波束宽度。

雷达辐射参数模型是根据雷达工作方式形成单部雷达的雷达辐射脉冲描述字列表。在该模型中重点解决雷达辐射脉冲描述字与雷达工作参数的关系。其中雷达位置坐标根据雷达运动模型得到，峰值功率、天线半功率波束宽度根据雷达性能参数可直接得到。

3.2.1 脉冲前沿发射时间

脉冲前沿发射时间到达时间主要和该脉冲发射时间、威胁雷达辐射源脉冲重复周期以及信号在大气中的传播距离有关。

现代新体制雷达的脉冲重复周期(PRI)经典的有重频固定、重频抖动、脉间参差、脉组参差等。

3.2.2 脉冲载频

目前雷达信号工作频率的主要变化类型有:固定频率、频率捷变、频率跳变等。

3.2.3 脉冲宽度

雷达信号脉冲宽度有固定脉宽和变脉宽两类。目前采用的脉宽变化形式大致有:固定脉宽、脉组捷变、脉宽抖动等。现代雷达中脉冲宽度比较稳定，数值分布比较集中，具有较好的平稳性和聚敛性，因此该模型采用固定脉冲宽度。

3.2.4 天线指向

雷达天线指向由天线在雷达坐标系中水平角θ和俯仰角φ共同组成，表示天线的瞬时指向方向，由天线扫描方式与雷达工作状态有关，常见的天线扫描方式有圆周扫描、扇形扫描、栅形扫描等。为方便计算，跟踪状态下的圆锥扫描与单脉冲跟踪相同。

图3中PT初表示天线在该扫描方式下的起始时间;Δt=PTi－PTi－1表示相邻两个脉冲的间隔时间;ω表示天线旋转时的角速度;γ表示扇扫范围;N表示栅形扫描的行数。

4 突防飞机雷达告警接收模块

该模块完成突防战场环境下雷达信号的截获，已按时间顺序形成突防过程中脉冲信号描述字列表，显示飞机在突发过程中接收到的雷达信号，是告警设备信号分选、识别的基础。

图3 天线指向模型

4.1 告警设备截获信号模型

雷达告警设备接受空间中的电磁脉冲信号需满足以下4个条件:(1)方向上对准;(2)频率上对准。(3)必要的接收机灵敏度。(4)天线极化对准。因此在本模型中只需要满足以下条件的信号将能够进入接收机:一是突防飞机距雷达辐射源小于告警设备最大接收距离;二是突防飞机在雷达照射天线半功率波束宽度内;三是雷达信号频率落在告警设备接受频率范围内。

4.2 雷达告警设备最大接收距离

告警设备对雷达的最大探测距离为

式中，Rrmax为雷达告警设备最大探测距离;Gr为雷达告警设备接收天线增益;γ为雷达告警设备天线极化损耗;Srmin为雷达告警设备接收机灵敏度。

4.3 PDW流模型

脉冲参数描述字(PDW)包括5个参数:脉冲前沿到达时间、脉冲载频、脉冲宽度、脉冲到达角、脉冲幅度。该模型对能够进入雷达告警设备的雷达信号进行处理，形成各部雷达信号进入告警设备的脉冲参数描述字，并描述字进行融合形成PDW流列表。在该模块中，脉冲载频、脉冲宽度的形成等于雷达辐射脉冲描述字对应参数加上噪声产生，因此在该模块中需解决脉冲前沿到达时间、脉冲到达角、脉冲幅度以及信号融合。

4.3.1 脉冲前沿到达时间

脉冲前沿到达时间与其发射时间和脉冲信号在空间中的传播时间相关，因此脉冲前沿到达时间可以表示为

式中，R表示雷达与突防飞机相距的距离;c表示光速。

4.3.2 脉冲到达角

到达角是雷达所发射的电磁波到突防飞机处的方位。因电磁波是直线传播，DOA是该脉冲发射时刻雷达平台相对飞机的方位。在地球坐标系下，突防飞机坐标 U(XU，YU，ZU)，威胁雷达辐射源坐标 V(XV，YV，ZV)，运动方向分别为θU，θV。将地球坐标系转换到飞机坐标系下

4.3.3 脉冲幅度

脉冲幅度与威胁雷达辐射源距离、雷达工作状态、天线波束形状、天线扫描方式等因素有关

式中，Pt为雷达信号功率;Gt天线增益;γ为雷达告警设备天线极化损耗;γ为雷达工作波长;L大气传播损耗;R为飞机与辐射源距离。

F(ξ)为天线方向函数，在天线方向函数中k为参数;ξ0.5为天线半功率宽度;ξ可以通过向量的方法求解出来，雷达天线指向用向量可以表示为Ra=(1，tanθ，tanφ)，雷达与突防飞机用向量表示为 RtoF=(XU－XV，YU－YV，ZU－ZV)，因此

4.3.4 多部雷达脉冲全脉冲数据融合

假定雷达之间的脉冲发射是独立过程，机载雷达告警设备按时间顺序接收脉冲信号。因此，突防过程中告警设备接收电磁信号形成的PDW流，就是将在战场中单部雷达信号的脉冲信号中对到达时间进行排列。

然而，在机载雷达告警设备接收电磁信号中，引起雷达脉冲信号丢失的情况主要有以下两种:

(1)同时到达信号引起的丢失。从公布的雷达告警设备资料来看，告警设备测频方法是采用瞬时测频体制，由于该体制的固有缺陷，因此对同时到达的信号会引起测频出错。根据文献可知，当两路信号幅度相差6 dB以上时，可以测量出幅度大的信号频率，丢失幅度小的脉冲信号将被丢失。当两路幅度相当时，两个脉冲都被丢失。

(2)接收机恢复时间内丢失。当对频率完成编码后，存在一段与接收机有关的寂静时间，在此期间，不能处理新的型号，在无输入能量条件下，此时间较短，如果在此期间有信号到达必然丢失。

根据上述原因，在突防条件的雷达电磁环境下要考虑到发生同时到达信号和在接收机恢复时间内到达信号的情况，可以得到脉冲丢失处理模型，如图4所示。

图4 脉冲丢失处理模型

5 结束语

模型以雷达辐射电磁波信号为基础，根据告警设备工作特点为依据，建立飞机突发过程中告警设备接收到的各种雷达信号的模型。该模型考虑了雷达、突防飞机的空间位置，对雷达工作状态的影响，以及减少仿真过程中的计算量，提出了构建雷达状态时刻表。在多部雷达信号处理方面，模型使用依据时间顺序进行排列，提出了对同时到达的信号处理方法。

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