远距离支援干扰条件下雷达探测范围研究

贾金伟,刘海亮

(解放军91404部队，秦皇岛 066001)



远距离支援干扰条件下雷达探测范围研究

贾金伟,刘海亮

(解放军91404部队，秦皇岛 066001)

摘要：从雷达基本原理和干扰方程出发，建立了远距离支援式干扰条件下的雷达探测距离模型，研究了不同抗干扰措施下的改善因子，并进一步演算出雷达探测范围方程，利用MATLAB软件对雷达探测威力进行了仿真，分析了不同抗干扰措施对雷达威力的影响，对雷达对抗训练评估具有重要意义。

关键词：雷达探测距离；改善因子；雷达对抗

0引言

雷达利用电磁波的反射特性发现并测定目标位置，而有源干扰则是通过发射噪声或欺骗干扰信号来扰乱雷达的正常工作，达到缩小雷达探测距离或降低雷达对目标发现概率的目的。探测距离是衡量雷达作战性能的一项重要指标，探测距离与接收到的回波信号信干比有直接关系，信干比与雷达有效辐射功率、目标反射截面积、空间衰减及干扰机有效辐射功率等多种因素有关，对雷达来说如何采取有效抗干扰措施来提高信干比以尽可能远距离发现目标、发挥雷达最大效能对于实际作战和对抗评估训练都有非常重要的意义。

1自由空间中雷达探测距离

由雷达探测理论可知，自由空间中雷达对特定目标的最大探测距离为：

(1)

式中:Pt为雷达发射信号的功率;Gt为发射天线增益;Gr为接收天线增益;σ为目标截面积;λ为波长;k=1.38×10-23,为波尔兹曼常数；Ts为输入噪声温度；Bn为接收机检波前的噪声带宽；Fn为接收机的噪声系数；(S/N)min为最小可检测信噪比(检测因子)；L为雷达系统总损耗。

从式(1)中可以看出，雷达对目标的探测距离与雷达性能、目标特性、电磁波的传输等密切相关。而雷达在某个距离上能否发现目标，归根到底还是由目标回波能量与噪声能量之比(信噪比)决定的。雷达有效辐射功率越大，目标雷达截面积越大，空间衰减越小，则进入雷达接收机的目标信号能量越大，随之信干比也越大，探测距离越远；相反，在干扰条件下干扰机的有效辐射功率越大，方向上和频率上瞄得越准，与雷达的距离越近，则进入雷达接收机的干扰能量越大，随之信干比越小，探测距离越近[1]。对雷达探测性能有影响的传播因素主要是大气衰减、表面反射、绕射、大气折射等。

2干扰条件下雷达探测距离

2.1远距离支援干扰(SOJ)条件下雷达探测距离

远距离支援干扰为干扰机远离敌方雷达和己方被保护目标，通过辐射强噪声干扰信号压缩雷达探测距离以掩护己方目标，干扰能量主要从雷达天线副瓣进入接收机。支援式干扰下干扰机在敌方雷达探测范围之外，利于自我保护，实际作战中应用较为广泛。远距离支援干扰如图1所示。

图1　远距离支援式干扰示意图

雷达接收到的目标反射回波信号功率为：

(2)

假定单部干扰机主瓣对准雷达实施压制噪声干扰，此时进入雷达接收机的干扰功率为：

(3)

式中：Pj为干扰发射机功率；Gj为干扰天线增益；Gr(θ)为雷达天线在干扰方向上的接收增益；θ为雷达主瓣方向与雷达到干扰机连线方向的夹角。

干扰机方向雷达天线增益Gr(θ)可由以下经验公式求得[2]：

(4)

式中：Gr为雷达接收天线增益；θ0.5为雷达主瓣宽度；K为与雷达天线特性有关的常数；Rj为干扰机与雷达的间距；Δfr为雷达接收带宽；γj为干扰信号相对雷达天线的极化损失，一般取γj=0.5；Δfj为干扰信号带宽。

进入雷达接收机的目标信号和干扰信号功率之比为：

(5)

无干扰条件下雷达作用距离的推导是基于接收机内部只有热噪声的情况下得出的，而干扰条件下雷达接收机内部不仅有热噪声，还有干扰，再由最小可检测信噪比(S/N)min来推导干扰条件下的雷达作用距离显然不合适。此时引入最小可检测信杂比(S/J)min来代替最小可检测信噪比(S/N)min[3]。干扰条件下，若雷达能够发现目标，必须使目标回波能量与干扰能量之比大于雷达检测目标所需的最小信杂比(S/J)min，则可以得到干扰条件下雷达最大作用距离为：

(6)

2.2抗干扰改善因子

干扰条件下雷达抗干扰效果主要取决于信干比的变化，这是效果评定的理论基础之所在。抗干扰改善因子正是基于这一理论提出的，它也是唯一被IEEE采用的度量模型。抗干扰改善因子定义为雷达采取某种抗干扰措施后与采取抗干扰措施前输出端信干比的比值，它反映了抗干扰措施改善输出端信干比的程度[4]：

(7)

式中：(S/J)0为采取抗干扰措施前雷达输出的信干比；(S/J)k为采取抗干扰措施后雷达输出的信干比。

若雷达采取多种抗干扰措施，且每种抗干扰措施的效果是不同的，则总的抗干扰改善因子为：

(8)

式中：F1、F2、…、Fn分别表示不同抗干扰措施的改善因子，如频率捷变、副瓣对消、脉冲积累、脉冲压缩、低副瓣天线、宽限窄、恒虚警率(CFAR)等。

抗干扰改善因子用于度量雷达采取某个或某几个抗干扰措施时雷达抗干扰性能的改善程度，可以比较不同抗干扰措施的效果，能从一定角度对雷达抗干扰性能进行定量评估。下面对几种常见抗干扰措施的改善因子进行简要分析[5]。

(1) 脉冲压缩抗干扰改善因子。脉冲压缩信号主要包括线性调频信号、非线性调频信号和相位编码信号。脉冲压缩信号的抗干扰改善因子为：

(9)

式中：D为脉冲压缩比；N为相位编码信号的码元数；L为脉冲压缩损耗，一般取值为-1.3 dB。

(2) 旁瓣对消抗干扰改善因子：

(10)

式中：Po为未采用旁瓣对消时系统输出功率；Poc为采用旁瓣对消后系统输出功率。

通常情况下旁瓣对消抗干扰改善因子Fjcr≥18 dB。

(3) 频率捷变抗干扰改善因子：

(11)

式中：Bjr为干扰信号与雷达捷变频重叠带宽；Bj为干扰信号带宽；Bri为雷达瞬时带宽；Bri为雷达捷变带宽。

(4) 脉冲积累抗干扰改善因子。脉冲积累分相干积累和非相干积累，相干积累改善因子为FM=n0.8;非相干积累改善因子为FM=nγ,γ为雷达波束驻留目标期间的脉冲个数，取0.7～0.9之间的值。

相参雷达抗干扰改善因子为FM=N0.8M0.7,N为相干积累数，M为非相干积累数。

(5) 宽限窄电路抗干扰改善因子。宽限窄电路是由宽带中放、宽带限幅和窄带中放级联形成的电路，在时域和频域多次滤除噪声干扰能量，同时保护目标回波信号能量不受损失，从而极大改善系统信干比。

2.3抗干扰改善因子与探测距离的关系

雷达采取抗干扰措施后的最大探测距离为[6]：

(12)

最大探测距离是雷达重要的战术技术指标，最大程度缩短雷达的探测距离是压制干扰所期望的干扰效果。因此，雷达抗干扰效果可由采取抗干扰措施前后最大探测距离的相对变化进行度量。

3雷达探测范围

雷达的探测范围是一个在方位、俯仰和距离三维空间的封闭区域，只要确定了以雷达为中心各个方向上的最大探测距离，雷达作用范围的边界也就确定了。作用范围边界点的距离R是俯仰角φ和方位角θ的函数R(θ,φ)。

雷达的探测范围函数可由天线的水平方向函数f(θ)和垂直方向函数f(φ)得到，即[7]：

(13)

当雷达天线在方位旋转对目标进行搜索扫描时，波束的覆盖区域即形成雷达的探测范围，探测范围公式为：

(14)

在某些情况下，雷达到作用范围边界的距离R(θ,φ)可以得到进一步简化。如单机干扰条件下的雷达作用范围，可用雷达天线垂直面方向图函数表示为：

R(θ,β)=Rmax·f(φ)=

(15)

假如干扰机从某一方位角α对雷达实施干扰，即可令：θ=α·180°/π-β。当方位角β从0°到360°变化时，利用公式(15)即可得到雷达在每个方向上的最大探测距离，任一方位上的雷达最大探测距离Rmax与雷达的性能、干扰机相对雷达的位置、干扰机主瓣方向以及干扰机的效能等因素有关。将雷达不同方位上的最大探测距离点依次连接，就得到干扰条件下雷达探测范围的边界。

4干扰条件下雷达探测距离仿真分析

假定一部警戒搜索雷达参数如下：雷达发射机功率Pt=80 kW，天线增益Gt=Gr=1 000，波长λ=0.1 m，雷达接收机带宽Δfr=5 MHz，目标雷达截面积σ=10 m2，最小可检测信噪比为(S/J)min=13，系统总损耗L=3 dB。利用公式(1)对该雷达作用范围进行计算，MATLAB软件仿真结果如图2所示。可以看出雷达最大作用距离为140 km，与雷达实际性能指标比较接近。

假定远距离干扰机参数如下：干扰发射机功率Pj=1 kW，天线增益Gj=100，噪声干扰带宽Δfj=300 MHz，干扰信号对雷达天线的极化损失γj=0.5；干扰机在距离雷达200 km处从45°方向主瓣对准雷达实施远距离支援干扰，利用MATLAB软件对该情况进行仿真，得到雷达二维作用距离和三维作用范围如图3所示。

可以看到雷达威力图在干扰机方向被撕开了一个缺口，探测距离被压制在42 km范围内，威力范围以外的区域雷达将探测不到特定威胁目标。

图2　无干扰条件下的雷达威力图

图3　单部干扰机干扰下的雷达威力图

雷达受到干扰后分别单独采取多种抗干扰措施，比较雷达在不同抗干扰措施下的探测距离，以此判断不同抗干扰措施的效果。假设每种抗干扰措施的改善因子分别为：旁瓣对消改善因子为F1=18 dB，脉冲压缩改善因子为F2=8 dB，频率捷变改善因子为F3=20 dB，脉冲积累改善因子为F4=14 dB，宽限窄改善因子为F5=6 dB，MATLAB软件仿真后的雷达探测距离如图4所示。

图4　雷达采取抗干扰措施后的探测距离对比图

从图4中可以看出，雷达采取抗干扰措施后的探测距离对比采取措施前的威力均有所增加，其中频率捷变效果最好，旁瓣对消、脉冲积累、脉冲压缩其次，宽限窄效果最差。

5结束语

本文从雷达探测距离的角度对不同抗干扰措施对抗远距离支援式干扰的效果进行了研究，对雷达对抗训练具有一定借鉴意义。雷达对目标的探测距离不仅与干扰强弱有关，更与目标特性、电磁波传输损耗及雷达自身性能等因素有关，本文只侧重于考虑目标与噪声的功率性因素，具有一定的局限性，但功率准则依然是目前广泛应用的一种抗干扰效果度量方法。

参考文献：

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[2]陈金涛,许稼，高效.有源压干扰下雷达探测距离分析与计算[J].雷达科学与技术,2011(1)：13-17.

[3]车志宇,关成斌，王国宏.压制干扰条件下雷达探测区域研究[J].扬州大学学报,2009,12(3):47-52.

[4]廖翔，杨龙坡.雷达综合抗干扰能力度量模型[J].信息技术，2010(4)：51-54.

[5]王国玉，汪连栋，王国良.雷达遮盖性干扰改善因子[J].飞航导弹，2000(12)：50-53.

[6]李建勋，刘卫东，廖桂生.干扰条件下常规雷达效能评估[J].西安电子科技大学学报，2000，27(4)：520- 523.

[7]白普易，任明秋，王学军.雷达抗干扰性能评估指标分析与测试平台设计[J].计算机与数字工程，2011，39(11)：25-29.

Research into Radar Detection Coverage under The Condition of Stand-off Jamming

JIA Jin-wei,LIU Hai-liang

(Unit 91404 of PLA,Qinhuangdao 066001,China)

Abstract:Starting from the basic principle and jamming equation of radar,this paper establishes the radar detection range model under the condition of stand-off jamming (SOJ),studies the improvement factors of different anti-jamming measures,further calculates the equation of radar detection coverage,simulates the radar detection power by using MATLAB software,analyzes the influence of different anti-jamming measures on the radar power,which has important significance for the training and evaluation of radar countermeasure.

Key words:radar detection range;improvement factor;radar countermeasure

DOI:10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.01.007

中图分类号：TN974

文献标识码：A

文章编号：CN32-1413(2016)01-0036-04

收稿日期:2015-09-17