低截获概率技术抗干扰研究

韩阳阳，苏五星，卢小勇，李建东

（空军预警学院，武汉430019）

0 引 言

现代电子战中，电子对抗环境对雷达的生存考验越来越严峻，在雷达对抗中，对抗雷达的一方需要首先侦察截获到雷达的信号，对信号进行分析、识别，然后才能有针对性地对雷达信号进行干扰[1]。在不进行“硬碰硬”的对抗中，人们采取了“躲避”的新战法，低截获概率（LPI）技术正是抗干扰、抗侦察、抗摧毁的综合体现。

低截获概率技术是提高雷达作战能力和生存能力的根本途径。雷达的低截获特性是雷达生命力的关键，LPI技术可降低雷达发射信号被侦察截获接收机截获跟踪的概率，并且有效地避免敌方的电磁干扰，是雷达反电子侦察阶段应采用的关键技术[2]。低截获概率技术对于抗干扰具有现实意义。本文重点研究LPI技术抗干扰。

1 低截获概率原理

1.1 低截获概率雷达的定义

施里海尔首先给出了截获概率因子这一概念的表达式，即：

式中：Rj为侦察截获接收机对雷达的最大作用距离；Rt为雷达对侦察截获接收机的最大作用距离。

图1示出了雷达、目标和侦察截获设备的关系。

1.2 截获因子的表达式

由式（1）和雷达方程可以得出[3]：

图1 目标侦察机和雷达关系图

式中：Gt为雷达发射机的天线增益；Et为雷达的发射机能量；Gr为雷达接收机的天线增益；σ为目标的雷达截面积；λ为雷达波长；Dt为雷达回波经信号处理后的增益；τ为雷达的脉冲宽度；Tt为雷达噪声温度；St为雷达所需要满足的信噪比；Sj为侦察接收机所需要满足的信噪比；Lt为雷达的损耗；G′t为雷达在截获接收机方向上的天线增益；Gj为截获接收机的天线增益；γ为极化匹配系数；Dj为截获接收机获得的信号处理增益；Tj为雷达噪声温度；Bj为侦察接收机信号带宽；Lj为侦察接收机的损耗。

文献[6]提出在考虑以上参数的同时，也要考虑雷达发射信号被截获后在截获接收机中的处理增益。定义低利用概率（LPE）：雷达信号在侦察接收机内经过信号处理被利用的概率最小。可以得出新的截获因子的表达式为：

式（3）反映了截获因子和雷达参数及截获接收机参数之间的约束关系，再将式（3）进一步整理可得雷达最大作用距离为：

1.3 低截获概率改善因子

为简化方程，假设极化系数γi＝1，噪声系数时，临界距离R满足：

由上面的简化公式可以看出，雷达改善因子At对于雷达的最大作用距离Rmax影响很大。

表1 雷达横截面积

假设取3种类型目标的典型雷达反射截面积分别为0.05m2、2m2、500m2，给出Ar和Rmax的关系仿真图，如图2所示。

图2 改善因子随作用距离变化图

由图2可以看出，目标的截面积越大，则需要的改善因子的改善程度就越小。由此也可再次印证低截获雷达只是一个相对的概念[4]。

2 影响低截获性能改善的讨论

由对低截获因子的分析可以得到，低截获因子的改善可由图3列出。

由图3可以看出8项影响低截获性能的因素，很多文献都已经进行了详细的讨论，本文总结如下：目标探测的横截面积大、降低副瓣天线增益、采用扩谱技术增大接收机带宽、使用功率管理技术或使用连续波／准连续复杂波形降低发射信号功率、增加雷达信号处理增益、降低截获利用因子、较高的雷达灵敏度和较低的侦察截获接收机灵敏度、调整极化匹配系数、降低雷达损耗，有利于低截获性能的改善。

图3 影响低截获性能的因素

雷达信号设计是低截获概率技术中的核心内容，下面只对发射信号形式做分析。从改善雷达LPI性能的角度来考虑，信号应采用大时宽带宽积信号[5]，目前低截获概率技术常用的大时宽脉冲信号主要有：线性调频信号、相参脉冲信号、相位编码信号等。本文给出了一种脉间GOLD序列脉内线性调频（LFM）的复合信号形式[6]。此复合信号具有LFM和GOLD序列的双重优点、大的时宽带宽积以及很强的低截获性能。

假设某部雷达的发射信号为31位GOLD码序列和线性调频混合调制信号，其中心频率为20MHz，调频带宽为2MHz，每一位码宽为8μs，发射信号的帧周期为1ms。图4示出了线性调频信号和混合信号的频谱图。

图4 三维模糊函数图

从图4中可以看出，信号的模糊函数图为图钉型，可以提供高距离分辨率和速度分辨率。

[7]知：对一般信号来说α∝，τ为雷达信号的时宽，B为信号的调制带宽；

当雷达信号为LFM－GOLD复合信号时，α ∝，P为GOLD码的序列长度。按以上给出的假设可计算出3种信号的低截获性能的数值关系：

代入数据得：αL－G＝0.18×αL＝0.25×αG＝0.045×αn。可以看出采用复合信号的雷达截获因子是LFM信号的0.18倍，是GOLD信号的0.25倍，是普通雷达的0.045倍，具有比单纯的LFM信号和GOLD信号更加优良的低截获性能。

3 LPI技术抗干扰性能分析

雷达采用LPI技术，处于寂静状态，降低了侦察设备发现雷达的概率。当侦察截获设备不能发现雷达的存在或不能破解雷达信号时，只能采取宽带干扰方式，降低了干扰功率，使其干扰效果变差。LPI各项技术也是积极对抗干扰的措施。

3.1 雷达寂静

3.1.1 低副瓣／超低副瓣天线

假设雷达采用数字波束形成技术，很容易获得低副瓣、高主瓣增益和接收天线增益。假设雷达主瓣增益为36dB，副瓣增益为1dB（相对副瓣电平－35dB），雷达接收天线增益为40dB，侦察接收机天线增益为10dB。假设侦察接收机截获雷达副瓣信号，计算，可以得出天线副瓣对改善因子的贡献η＝65dB。

3.1.2 雷达信号处理和截获利用因子

雷达接收大时宽带宽的回波信号时，由于拥有先验知识，可以采用脉冲压缩、相干积累、宽波束发射、多波束接收以及动目标显示（MTI）技术、动目标检测（MTD）技术、脉冲多普勒（PD）技术甚至是空时二维信号处理（STAP）等技术，获得Dt的增益大约为40dB[7]，然而侦察接收机获得的雷达信号是不能匹配接收的，再者雷达发射的信号为伪随机码与LFM的复合信号，信号形式复杂，难于分析[8]。假设其经过处理后获得了一定的处理增益，为10dB，则综合起来可以获得增益为κ＝30dB。

3.1.3 大时宽带宽信号

雷达发射信号采用脉间伪随机GOLD序列码和脉内线性调频的混合调制信号，这是一种大的时宽带宽积信号，假设带宽为1MHz。侦察接收机截获信号，设其有效带宽为150MHz。雷达接收采用匹配滤波器进行匹配接收，对大时宽带宽信号进行脉冲压缩，由可知Bi／Br一项对At的贡献为α＝21.76dB。3.1.4 天线极化损失

侦察接收机一般都采用圆极化天线，在对抗侦察接收机时雷达可以采用变极化措施，则γi一项对At的贡献为β＝1.5dB左右。

3.1.5 雷达和侦察接收机灵敏度

假设某截获接收平台的灵敏度为－70dBmW，雷达选择高增益、低噪声等性能优良的器件来提高雷达的灵敏度，假定为－100dBmW，那么灵敏度一项对At的贡献为30dB左右。又Pmin＝KTBF（S／N），常规雷达信号带宽一般在2MHz左右，而侦察接收机有效带宽一般在100～200MHz左右，假设其为150MHz。由pmin＝10×可知带宽一项对At的贡献为18.75dB。避免重复，减去这一项，所以灵敏度一项对At的贡献约为γ＝11.25dB。

3.1.6 雷达和侦察接收机损耗

损耗不易控制，雷达发射、传播和接收等因素的影响损耗要大些，假设为10dB，侦察接收机的损耗为6dB，则损耗对At的贡献约为χ＝－4dB。

综合以上各个因素，改善因子的改善程度为：A＝η＋κ＋α＋β＋γ＋χ＝127.01dB

假设侦察截获接收平台的雷达目标横截面积为2m2，由计算公式可得雷达相对此平台的寂静距离由此可以得到低

截获雷达相对于具有相当此类截面积的侦察截获接收设备的寂静距离接近于900km，在此范围以外，侦察设备不能发现雷达的存在，进而敌方在不知道雷达的情况下不会施放干扰，也就保证了雷达免受电子干扰的威胁。

在以上讨论的改善因子情况下，如果侦察接收机的横截面积再有变化，则雷达相对的寂静距离也会发生相应调整，如表2所示。

表2 雷达截面积与LPI寂静距离的关系

表2中列出了当目标的雷达截面积为2.5m2时，雷达对其相对寂静距离可达到1 000km。在这个距离之外敌方侦察设备不能发现雷达，而雷达却可以发现侦察设备，雷达就处于有利地位。

3.2 宽带干扰

在未能侦察到确切信号的情况下对雷达实施干扰，由于没有先验知识，无法使用有针对性的干扰，必须采取宽带干扰，降低了干扰的功率谱密度，其干扰信号也因与雷达信号不匹配而使得干扰的效果很差。干扰机采用宽带干扰措施，使得干扰信号的功率谱降低，其表达式为：

式中：P′j为干扰机对雷达的有效功率；Bt和B′j分别为接收机带宽和干扰信号带宽。

由雷达对抗知识可得雷达接收机输入端的干扰信号和目标回波信号的功率比值为[9]：

将式（9）代入式（10）得：

设雷达参数：雷达发射天线主瓣增益为36dB，副瓣增益为1dB（相对副瓣－35dB），雷达综合损耗（包括发射、接收、大气、极化）为10dB，波长为0.1m，目标的雷达横截面积为2m2，雷达带宽为2MHz。设干扰机参数：干扰机有效辐射功率100kW，带宽变化为100～1 000MHz，干扰机与雷达天线距离为300km，干扰天线增益为13dB，干扰功率综合损耗（包括发射、接收、大气、极化）为6dB，则雷达在远距离支援干扰条件下的自卫距离为：

由图5可知，在远距离支援干扰中，干扰机实施宽带干扰时，干扰的带宽越大，雷达的自卫距离越大，雷达越处于有利地位。干扰机带宽可以使雷达自卫距离变化接近20km。同时也可以说明，雷达的压制系数越大，雷达自卫距离越远，并且在干扰机功率一定的情况下，干扰机带宽越宽，雷达压制系数对于自卫距离的影响越是明显。

图5 远距离干扰雷达自卫距离变化图

当为自卫干扰形式时，式（11）可变为：

干扰从雷达主瓣和信号同时进入接收机，从而雷达的自卫距离表达式变为：

设自卫干扰时其干扰机的发射功率为1kW，带宽变化为10～100MHz，其他参数不变，其仿真结果如图6所示。

图6 自卫干扰雷达自卫距离变化图

分析图6可知，自卫干扰时自卫距离也呈现出同样的变化趋势。综上所述，干扰机带宽增加，功率谱密度下降，雷达的自卫距离增加，干扰效果下降。

3.3 积极对抗

低截获概率技术只是综合利用各种技术措施尽可能将雷达的被侦察截获概率降到最低，但也只能说是一个概率事件，一旦雷达被敌方侦察截获，雷达采取LPI的多种技术手段，也可积极对抗。

波形：雷达LFM－GOLD复合波形信号是具有大时宽带宽积并且具有复杂脉内结构的信号，具有优良的模糊图，不易被侦察设备破解。

空间：数字波束形成技术可以在干扰的方向上自适应地形成零点；低副瓣／超低副瓣使得从副瓣进入的干扰尽可能低；旁瓣对消、旁瓣消隐技术也可以起到重要的抗干扰作用。

极化：雷达采用极化分集、变极化等技术，使得干扰信号与雷达接收机失配，将干扰信号尽可能地抑制。

频率：还可以采用频率捷变、频率分集、自适应频率捷变等技术使得雷达发射的频率跳到干扰信号的频谱的空隙或者弱区[10]。

4 结束语

本文研究了低截获概率技术的定义及影响因素，定义了低截获改善因子和低利用因子，重点分析了低截获概率技术对抗干扰的原理，并从雷达寂静、宽带干扰、积极对抗3个层面对其进行了仿真分析，量化分析了雷达各个改善因子的改善效果、雷达寂静距离，仿真分析了在宽带干扰中自卫干扰和远距离干扰2种形式的干扰机带宽、雷达抗压制系数和雷达自卫距离的关系，分析了雷达积极对抗的技术，说明了低截获概率技术具有良好的抗干扰性能。

参考文献

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