机载侦察设备中超外差接收机带宽选择

舒鹏云(南京科瑞达电子装备有限责任公司，南京211100)



机载侦察设备中超外差接收机带宽选择

舒鹏云
(南京科瑞达电子装备有限责任公司，南京211100)

摘要:超外差接收机应用于宽带侦察设备时存在截获概率问题，当侦察设备和雷达之间存在相互靠近的运动时，其真正的截获距离是小于最大探测距离的不定值，分析表明平均截获距离与超外差接收机带宽具有很大关系，不同的带宽对应着不同的平均截获距离。结合侦察设备的使用需求，提出了根据平均截获距离选择合适的超外差接收机带宽的方法，仿真结果表明该方法可行。

关键词:接收机带宽;截获概率;平均截获距离

0　引言

雷达侦察设备的灵敏度越高，其探测距离越远，先敌发现的概率就越大。因此，具有高灵敏度特点的超外差接收机在雷达侦察设备中获得了广泛的应用。由于超外差接收机带宽较窄，应用于雷达侦察设备等宽带系统时通常采用频率扫描的方式来覆盖较宽的频率范围，并且接收机设置多个可调的带宽，在不同情况下选择使用［1］。在这种应用中需要权衡下述问题:侦察设备的超外差接收机带宽越窄，灵敏度越高，侦察距离越远;但是随着接收机带宽的减少，相同时间内对雷达信号的截获概率也随之降低，意味着截获信号所需的时间可能越长。在实际应用情况中，侦察设备和雷达之间都存在着相对运动，如果需要较长的时间来截获信号，侦察设备对雷达信号的实际截获距离就会缩短，先敌发现的可能性就降低。那么，在侦察时应如何选择超外差带宽呢?本文以机载应用为例，提供一种分析思路。

1　超外差接收机典型应用模型分析

考虑如下情况，我方电子侦察飞机飞向敌方阵地，对沿途及阵地进行侦察，敌方阵地的防空搜索及制导雷达、远程警戒雷达等是主要的威胁辐射源。建立模型如图1所示。

图1　模型示意图

该模型中侦察设备和雷达描述如下:

(a)雷达的地理位置固定不动;

(b)雷达天线进行360°圆周扫描，天线波束宽度为θ，扫描周期为Asp，重复周期为Pri;

(c)侦察设备随载机以较高速度v接近雷达;

(d)侦察设备测向采用360°实时全宽开接收方式;

(e)侦察设备测频采用带宽为B的超外差接收机，扫描频率范围为Fs，扫描驻留时间为Ts。

当侦察设备接收的雷达信号能量等于侦察设备的灵敏度时，侦察设备与雷达之间的距离称为侦察设备对该雷达的最大探测距离D。如果侦察设备在空域、频域和时域都能够实时截获雷达信号，则其截获信号时与雷达的实际距离R即为最大探测距离D。如果侦察设备或雷达在频域、空域或时域采用搜索工作方式，则侦察设备截获雷达信号的条件为:在侦察设备与雷达之间距离小于等于前述最大探测距离的前提下，雷达波束扫描到侦察设备的同时，侦察设备扫描频段必须覆盖雷达信号频率，并且雷达发射脉冲时侦察设备处于接收状态，即时域、频域、空域三维都同时对准。因此，如果侦察设备或雷达在时域、频域、空域工作于搜索状态时，则侦察设备对雷达信号的截获是非实时的，需要一定的截获时间。相对于最大探测距离D，在侦察设备截获信号时，飞机已经以速度v飞行了时间t(截获信号所需时间)，所以侦察设备的实际截获距离R小于最大探测距离D。在实际情况中，因为截获时间t是随机变量，所以距离R也是一个随机的不确定值。因此，通常是研究R的均值，本文称之为平均截获距离。在上述模型中，从侦察设备的角度来看，平均截获距离与超外差接收机的带宽密切相关。在实际应用中，可将“获得最大平均截获距离”作为重要参考因素，选择合适的接收机带宽。

1.1带宽与最大探测距离关系

在侦察设备中，接收机带宽是影响探测距离的重要因素。侦察设备对雷达的最大探测距离D由下式［1］决定:

其中，Pt为雷达发射机功率(dBm)，Gt为雷达天线增益(dB)，Gr为侦察设备天线增益(dB)，F为雷达射频频率(MHz)，S为侦察设备接收机灵敏度(dBm)，L为侦察设备系统损耗(dB)。接收机灵敏度S =－114 + 10lg(B)+ NF+ SNR［2－3］，其中，B为接收机带宽(MHz)，NF为接收机噪声系数(dB)，SNR为正常处理所需信噪比(dB)。将S代入式(1)得式(2)表明了侦察设备对不同雷达的最大探测距离与接收机带宽之间的数学关系。

1.2带宽与平均截获时间关系

侦察截获概率表现了在满足能量条件下侦察设备在多维空间中检测雷达信号的统计特性。侦察设备对雷达信号的截获时间t与截获概率Poi的关系满足下式［4］:

式中

其中，n为搜索窗个数，τi为第i个搜索窗的平均宽度，Ti为第i个搜索窗的平均搜索周期。通常搜索窗口为空域、频域和时域等3个窗口。

根据第1节设定的模型，雷达天线波束宽度为θ，并以Asp为周期进行360°圆周扫描，侦察设备在360°方位上实时全宽开。因此，空域搜索窗口τ1= Asp· θ/360，T1= Asp。侦察设备以接收机带宽B为增量、Ts为驻留时间，顺序扫描频率范围Fs，当侦察设备扫描频段覆盖雷达射频时，即满足频域截获条件。因此，频域搜索窗口τ2= Ts，T2= Ts·(Fs/B)。在时域搜索窗口，可知τ3= Pw，T3= Pri。如果分别将上述τi和Ti带入式(3)，得到的是一个脉冲的截获时间与截获概率的关系式。事实上侦察设备必须连续截获一定个数的脉冲才能正确分选出雷达信号，所以可换一个角度分析并推导所求关系式。

在空域和频域发生一次截获事件时，搜索窗个数n为2，截获时间t与截获概率Poi的关系由式(3)确定，τ1、τ2、T1、T2分别对应前述的空域和频域搜索窗的各值。设雷达的重复间隔为Pri，所需连续截获的脉冲个数为P，令τ= P·Pri。由T=∏2Ti/∑2

ndn0i =1(τ－τ)i =1

id 1和P=∏2(τi－τd)所确定的式(3)，即为连(τ－τ)0i =1T

id i续截获Pn个脉冲时的截获时间t和截获概率Poi之间的关系［5］。由前述可得

驻留时间Ts与侦察设备测量的重复间隔最大值PRImax相关［6］，不失一般性设侦察设备需要接收到至少4个脉冲时才能够正确处理雷达信号，则Ts至少为4倍PRImax。考虑到由于脉冲重叠或低信噪比造成的脉冲丢失或畸变的情况，Ts通常会增加数倍PRImax的时间，假设增加2倍PRImax的时间，则驻留时间Ts为6 倍PRImax。由于需要至少接收4个脉冲，即Pn=4，因此τd=4Pri。

当侦察设备的频率范围Fs、PRImax(决定Ts)以及主要的威胁雷达确定后(决定Asp、θ和Pri)，截获时间则取决于所要达到的截获概率和接收机的带宽，三者关系由式(3)、(4)、(5)确定。

1.3带宽与平均截获距离关系

搜索系统的截获概率与截获时间的关系由式(3)决定。如果侦察设备与雷达之间以径向速度v相互接近，当截获到雷达信号时花费的截获时间为t，则此时侦察设备与雷达之间距离缩短了vt，当t为上节讨论的平均截获时间时，平均截获距离R = D－vt，将式(2)和式(3)代入，整理得

式(6)表明了平均截获距离与超外差接收机带宽的关系，在实际应用中可以根据不同的任务需求，参考上式来选择超外差接收机的带宽。

2　超外差接收机带宽选择

执行侦察任务时可根据重点防范或关注的雷达选择超外差接收机带宽，如果能够依据积累的情报获知雷达参数是最理想的，如果不能则可根据雷达用途参考同类型雷达。设某雷达侦察设备在方位上采用全向接收体制，在频率上采用超外差接收机扫描的方式，其指标规定的频率覆盖范围为2～18 GHz、PRI测量范围为3 μs～10 ms，则频率覆盖范围Fs为16000 MHz，频率扫描驻留时间Ts为60 ms，天线增益Gr(根据实际使用的天线类型有所不同)、通道损耗L、接收机噪声系数NF、处理所需信噪比SNR等参数可由实际测量或工程经验获得，参数如表1所示。

假设某次任务以某地面防空雷达作为主要威胁，该雷达参数如表2所示，此模式下雷达的最大作用距离为40 km。

表1　侦察设备的有关参数天线增益

观察式(3)可知，随着截获时间的增加，截获概率Poi只能无限趋近于1。如果取Poi=1，式(6)的末项无意义，因此在分析中取Poi=99%。假设飞机飞行速度v =500 km/h，将Poi、v、表1、表2等数据带入式(4)、(5)和(6)，获得平均截获距离R与带宽B之间的关系曲线，如图2所示。从图中可以看出，带宽选择370 MHz时的平均截获距离最大，为50 km，大于雷达的最大作用距离。

假设某次任务以某一地面远程对空警戒雷达作为主要威胁，该雷达参数如表3所示，此模式下雷达最大作用距离为370 km。

图2　接收机带宽对此雷达的平均截获距离

表3　某地面远程对空警戒雷达的有关参数峰值功率

将Poi、v、表1、表3等数据带入式(4)、(5)和(6)，获得平均截获距离R与带宽B之间的关系曲线。为观察方便，将图按不同比例截成两幅，如图3所示。

图3　接收机带宽对此雷达平均截获距离

可以发现，图3曲线变化趋势与图2相同，只是平均截获距离最大值对应的带宽更小，并且图中任意带宽值所对应的平均截获距离都远远大于雷达的最大作用距离。进一步分析可以知道，这是由于远程对空警戒雷达的发射功率非常大、天线增益很高，侦察设备接收机带宽减小所增加的探测距离比带宽减小所增加的截获时间具有压倒性优势。在这种情况下，选择接收机带宽时就不必追求最大平均截获距离，需要兼顾考虑对其他雷达的截获或雷达射频捷变的情况，通常可选取400 MHz左右。

3　结束语

该方法将理论推导与工程经验相结合开展研究，仿真结果与实际使用情况是相吻合的。虽然本方法的分析研究是基于机载雷达侦察设备所建立的模型，但是仍具有较为广泛的使用价值。例如，在潜艇使用的雷达侦察设备中，超外差接收机带宽的选择也可以使用该方法，与本文所述模型不同之处仅仅是反潜飞机所载的雷达处于运动状态而侦察设备静止，但是其模型原理是相同的。

参考文献:

［1］David L Adamy.电子战建模与仿真导论［M］.北京:电子工业出版社，2004.

［2］向敬成，张明友.雷达系统［M］.北京:电子工业出版社，2001.

［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］赵国庆.雷达对抗原理［M］.西安:西安电子科技大学出版社，1999.

［5］Richard G Wiley.电子情报-雷达信号截获与分析［M］.北京:电子工业出版社，2008.

［6］唐永年.雷达对抗工程［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2012.

Bandwidth selection of a superheterodyne receiver in airborne reconnaissance equipment

SHU Peng-yun
(Nanjing CORAD Electronic Equipment Co.，Ltd.，Nanjing 211100)

Abstract:The problem of intercept probability may occur when a superheterodyne receiver is applied in the wideband reconnaissance equipment.If the reconnaissance equipment and the radar are approaching each other，the actual intercept range is a variable less than the maximum detection range.It is indicated that the average intercept range is closely associated with the bandwidth of the superheterodyne receiver.Different bandwidths correspond to different average intercept ranges.Based on the operation requirements of the reconnaissance equipment，a method of using the average intercept range to select the appropriate bandwidth of the superheterodyne receiver is presented.The results indicate that the method is feasible.

Keywords:receiver bandwidth; intercept probability; average intercept range

作者简介:舒鹏云(1970-)，男，高级工程师，硕士，研究方向:电子对抗装备研制。

收稿日期:2015-01-12;修回日期:2015-01-20

文章编号:1009－0401(2015)01－0046－04

文献标志码:A

中图分类号:TN957.5