电磁波遮挡对舰艇雷达对抗侦察影响分析

张鸿喜,　韩　伟

(91404部队)

电磁波遮挡对舰艇雷达对抗侦察影响分析

张鸿喜,韩伟

(91404部队)

摘要舰载雷达对抗装备天线受舰艇上层建筑物遮挡造成的侦察能力下降问题，长期以来停留于定性分析层面，难以做出符合实际的准确判断。采用基于单刃峰绕射模型的仿真计算方法，对遮挡效应进行分析研究并对实际尺寸舰艇的遮挡效应进行估算，可为外场和海上试验提供先验信息。对雷达对抗侦察装备在遮挡区灵敏度变化情况设计并开展了静态测量和海上动态验证试验相结合的一系列专题研究。通过仿真数据与实际测量试验的数据比对，证明了利用单刃峰绕射模型对遮挡效应分析和估算的可行性，分析了舰艇上层建筑物的遮挡效应对舰载雷达对抗侦察装备使用效果的影响。

关键词雷达对抗侦察装备；电磁波遮挡效应；单刃峰绕射；雷达侦察距离

舰艇电子信息装备密集，上层建筑多，如美军的“尼米兹”级航母，大型岛形上层建筑位于舰舯部后方，高大细长的柱状综合主桅位于舰桥顶部中心位置，装有阵列雷达、火控雷达和电子战天线等。日军的“金刚”级驱逐舰，高大的前上层建筑顶部装有框架式桅杆，桅杆上装有雷达及电子战侦察天线[1]。对于舰艇这个高度集成的平台，舰载雷达对抗侦察装备在安装时，侦察天线有时会受到上层建筑物，如桅杆、烟囱以及其他天线等的遮挡，会造成在一定方位范围内到达舰载雷达对抗侦察装备天线口面的雷达电磁波能量衰减，也可等效为在遮挡的方位范围内，侦察机系统灵敏度下降，因而导致对低功率雷达侦察距离变近，侦察能力下降。

当前研究较多的是电磁波遮挡效应在雷达模拟器回波信号仿真中的应用[2-3]，也有的文献通过仿真手段分析了典型地理环境下绕射对雷达对抗侦察接收机检测概率的影响[4-5]。但有关舰艇上电磁波遮挡效应对舰载雷达对抗侦察装备影响分析的文献很少,这一海战场电子对抗特有问题长期以来没有得到应有的重视，相关研究一直停留于定性分析层面，易使电子战指挥员对其所属雷达对抗侦察装备作战效能的估计趋于乐观。

在分析归纳业界研究成果的基础上，提出采用基于单刃峰绕射模型的简化计算方法，对遮挡效应进行预测分析，并对实尺寸舰艇的遮挡效应进行了估算。设计并实施的静态测量和海上动态验证试验从不同侧面初步证明了基于单刃峰绕射模型的电磁波遮挡效应分析估算方法的可行性，在此基础上分析了舰艇上层建筑物遮挡效应对舰载雷达对抗侦察装备作战效能的影响。

图1　国外某型舰载雷达对抗侦察装备天线安装位置示意图

1舰艇电磁波遮挡信号幅度衰减建模

舰载雷达对抗侦察装备通常包括侦察天线、接收机、处理机以及显示记录设备等。侦察天线一般安装在舰艇上相对甲板平面具有一定高度的位置处，以保持对雷达波的通视。图1为国外某型舰载雷达侦察装备天线安装位置示意图，舰载雷达侦察装备天线安装在舰艇中轴线上，正前方的桅杆在舰艏方向对侦察装备天线形成遮挡。遮挡会引起雷达电磁波绕射现象的发生，造成电磁波能量的衰减，对侦察机而言，会使得其接收的雷达信号功率降低，进而会影响到对雷达信号的检测。

现对舰载雷达对抗侦察装备天线因受到上层建筑物遮挡而对侦察能力的影响进行分析，当侦察天线安装在舰艇上时，正前方有一个舰艇的上层建筑物，其等效曲率半径大于侦察天线口径，如图2所示。当舰艇的雷达对抗侦察装备接收岸基和舰载雷达辐射源的信号时，在侦察天线与雷达辐射源之间的电磁波传播路径上，有一个舰艇上层建筑形成的障碍物，遮挡住了舰艏方向一定范围内的雷达辐射信号。舰艇雷达对抗侦察装备工作频段一般为2～18 GHz，当微波波长远小于障碍物的尺寸时，电磁波会越过障碍物进行传播而产生绕射。根据障碍物的形状与尺寸不同，微波的绕射可分为单刃峰、圆顶、多刃峰绕射等。单刃峰绕射是指在电波传输中常常遇到主障碍是单个山峰的情况，如果障碍物比较陡峭，且横向有一定宽度，则可将其视为刃峰。通过对舰艇形状尺寸分析认为，舰艇上遮挡侦察天线的上层建筑物具有刃峰特征，我们可以近似假设其为单刃峰形式，以方便对遮挡效应进行分析建模。

图2　侦察天线与舰艇上层建筑物位置示意图

在电波传输中的单刃峰模型是假定障碍物为一个半无限吸收屏，投射至屏上的电波被全部吸收，屏顶上半无限面上的场强等于入射波的场强，不受屏及其边缘的影响。如图3所示。

说明：h:山峰海拔高度(m)；d1:发射天线至刃峰顶点的距离(m);d2:接收天线至刃峰顶点的距离(m)。图3　单刃峰绕射几何关系简图

当雷达辐射源所辐射的电磁波通过空间传播到目标点时, 凡进入发射点和目标点之间第一菲涅尔区的障碍物, 都会对电磁波产生遮挡效应, 影响目标点的场强。可以用衰减因子来表征电磁波遮挡产生的辐射信号幅度衰减，单刃峰模型中相对于自由空间传输的单刃峰绕射衰减因子为[6]311

(1)

式中

C(μ0)和S(μ0)是费涅尔积分

(2)

(3)

考虑地球曲率的影响，传输余隙为

(4)

式中，a为地球半径(m)。

工程上相对于自由空间的单刃峰绕射衰减因子CS可以近似表示为[6]313

(5)

公式(5)反映的是遮挡物电磁波传播的损耗影响，是影响雷达对抗侦察装备性能的主要因素。对于雷达辐射信号在实际传播时因海面传播路径而呈现出更为复杂的动态变化过程，相关文献已有阐述[7-9]，本文为研究简便，在此仅以自由空间为例进行分析。

2雷达对抗侦察距离影响分析

舰载雷达对抗侦察装备被动接收雷达波信号，当雷达波因遮挡而发生衰减损耗时，雷达辐射源的侦察距离也会受到影响。雷达对抗侦察装备的最大侦察距离是指：对于给定的虚警概率及发现概率的要求，特定的雷达信号，由于接收机内部的热噪声所限制的雷达对抗侦察装备的最大探测距离。理想空间的最大侦察距离为

(6)

式中，Pt为雷达发射功率；Gt为雷达天线增益；Lt为雷达发射馈线损耗；La为侦察天线极化损耗；Lr为侦察前端无源电路的损耗；Se为侦察接收机灵敏度；Ga为侦察天线接收增益；λ为雷达信号波长。

根据我们研究的问题，遮挡带来的电磁波衰减是影响侦察距离的主要因素，可认为公式(6)中增加了绕射衰减因子Cs，遮挡条件下侦察系统理想的最大侦察距离为：

(7)

灵敏度Se是雷达侦察接收机的重要指标，它可以反映出侦察接收机检测微弱信号的能力，也是决定雷达侦察作用距离的重要因素。在评估电磁遮挡效应对舰载雷达对抗装备侦察距离的影响时，直接进行侦察距离的试验往往难以组织，试验航次较少会造成样本不足，工程实践上比较可取的方法是先进行雷达对抗侦察装备的灵敏度测试，由灵敏度的变化情况来推断对侦察距离的影响。设在正常条件下雷达侦察接收机的灵敏度Se，遮挡条件下灵敏度Se遮挡，用Si反映灵敏度的变化情况，根据公式(6)和(7)进行推导可得

(8)

可见，在理想情况下绕射衰减因子Cs在侦察装备工作时可等效为灵敏度的变化量，而灵敏度可以在舰艇静态条件下进行测试，测试结果可与Cs的计算数据进行比较分析，最终用于推断对侦察距离的影响。

3数值计算与实例验证

3.1数值计算结果

根据前面建立的模型，用Matlab进行数值计算，选择辐射雷达距离为10 km，辐射信号波长分别为2 cm、3 cm和10 cm。由于雷达对抗侦察装备天线是全向的，在水平方向应用公式(5)计算相对于舰艇不同舷角入射的电磁波因舰艇上层建筑物带来的衰减情况，结果如图4所示。从图中数值计算结果(已归一化处理)可以看出，由舰艏方向入射的电磁波衰减最大，舷角增大后衰减因子减小，随着波长增大衰减因子相对减小。

由公式(7)，衰减因子Cs可直接反映到理想侦察距离的变化，假设侦察系统理想的最大侦察距离为30 km，以波长2 cm信号为例，数值计算结果如图5。由图5可见，与衰减因子相对应，在舰艏方向30°舷角范围内侦察距离显著变小，由于不同工作波长带来的距离影响不明显，在图中未画出。

图4　衰减因子计算结果

图5　遮挡效应对侦察距离影响的数值计算结果

3.2实际测试结果

在实际工作中，对遇到的此类问题进行了研究，并对某型舰载雷达对抗侦察装备天线受到上层建筑物的遮挡效应进行了实际测量。在遮挡效应实际测量过程中，采用了码头静态测试与动态试验相结合的方法。静态测试方法为：安装雷达侦察装备天线的舰艇停泊在码头，采用信号源辐射的方式，测试雷达对抗侦察装备在各个方向上对信号的侦收情况。测量的前提是信号源的功率要在侦察装备灵敏度以上，并且要尽可能减小地物反射等的影响。实际测量的结果如图6所示。

图6　遮挡效应静态测试结果

静态测试结果表明，舰艏方向上层建筑物对侦察天线的物理遮挡，在舰艏向30°角度范围内造成了侦察灵敏度的下降。舰艏方向侦察装备灵敏度下降幅度最大，舷角增大后灵敏度下降幅度减小，随着波长增大灵敏度下降幅度相对减小。

进一步采用海上动态试验对遮挡效应进行验证。动态试验的方法是：根据静态测试结果，选择某频段的雷达，根据静态测试灵敏度下降的结果选择合适的就位点，以就位点为圆心，半径R=2 km作匀速圆周运动，雷达跟踪舰艇，雷达对抗侦察装备对雷达信号进行侦收，记录实际侦收情况。舰艇的圆周运动包括顺时针和逆时针2种方式。对顺时针和逆时针2种转圈方式的雷达侦察数据进行融合，试验结果如图7所示。用扇形图来表示对雷达信号的侦收情况。从实测情况看，在舰艏向30°角度范围内，几乎没有侦收到雷达信号。

图7　遮挡效应海上动态试验结果

在数值计算和实际测试的基础上，进行了遮挡效应对雷达侦察距离的验证试验，方法是设置一部目标雷达在岸上，稳定跟踪舰艇，舰艇分别远离和接近雷达航行，观察雷达对抗侦察装备的信号侦收情况。实际试验结果是：当舰艇远离岸站雷达航行时，雷达侦察装备在距离R时能稳定侦收目标雷达信号；当舰艇2次以舰艏向接近岸站雷达航行时，分别在0.59R和0.64R时才能稳定侦收到目标雷达信号。由于试验样本有限，不能进行各角度的详细分析，但从试验结果看，总的趋势是在舰艏方向的侦察距离变小。

3.3结果分析

前面已经分析，衰减因子和侦察装备灵敏度变化情况表征的都是电磁波遮挡效应带来的衰减量。从数值与静态测试结果比对情况看，变化趋势上吻合度较高，但在幅度上有4～5 dB的差异，经分析应是测试环境和工具带来的损耗。

与静态测试结果相对应，海上动态试验结果进一步验证了舰艇上层建筑对侦察装备天线在舰艏向的遮挡造成了侦察装备在舰艏方向灵敏度的下降这一规律，在遮挡区范围内，影响雷达信号的侦收。

在侦察距离的分析中，数值计算结果相对理想，与实际验证试验相比，在舰艏方向遮挡情况下侦察距离变化情况相差较大。从分析可以看出，公式(7)中的任何参数都会影响侦察距离，而在实际试验中各参数变化不可能都是公式中设置的理想情况，因此会带来差异。但2个结果的趋势是一致的，即遮挡效应影响了侦察装备的功能使用，使雷达侦察距离在遮挡区域内显著下降。

总的来看，对数值计算结果和实际验证结果进行比对，2种结果是一致的，因此用这种方法进行研究能够比较真实地反映侦察装备天线因遮挡而对侦察性能造成影响的程度，可以作为动态试验开展的验前信息，对遮挡效应进行预估，优化外场试验方案，有效地减少外场试验的航次、缩短外场试验周期、降低试验消耗，提高试验效率。

4结 束 语

舰载雷达对抗侦察装备天线因受到上层建筑物的遮挡效应会导致侦察能力下降，本文提出了利用单刃峰绕射模型对实际中的舰艇遮挡效应进行估算。在数值计算的基础上，开展了静态测试和海上动态试验测量，两者数据一致性较好，说明了对此问题可以利用单刃峰绕射模型进行分析和估算。计算的结果可为实际试验提供先验信息支持，以便更好更快地发现问题和解决问题。下一步，将结合舰艇外场试验开展对电磁波遮挡效应建模与仿真的研究。

参考文献(References)

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(编辑：田丽韫)

Analysis on Influence of Electromagnetic Wave Blocking of Ship-borne Radar Countermeasure Reconnaissance System

ZHANG Hongxi，HAN Wei

(91404 Troops， China)

AbstractAnalysis on performance degradation of the ship-borne radar countermeasure reconnaissance equipment due to antenna blocking by the superstructure of the ship remains in qualitative aspect, it is impossible to make an accurate assessment conforming with actual conditions. By means of simulation computation based on single knife-edge diffraction, the paper conducts analysis on the blocking effect and estimates blocking effect of the full-scale ship which may be used to provide priori information for field and sea test. The paper designs and conducts series of research activities combining static measurement with dynamic sea test aiming at the change of sensitivity of radar reconnaissance equipment in blocking area. Through comparing measured data with simulation data, the paper proves the feasibility of analysis and estimation of blocking effect with single knife-edge diffraction model and probes into the influence of the blocking effect of the superstructure of the ship on performance of ship-borne radar reconnaissance equipment.

Keywordsradar countermeasure reconnaissance equipment; electromagnetic wave blocking effect; single knife-edge diffraction; radar reconnaissance range

收稿日期2016-01-18

作者简介张鸿喜(1972-)，男，高级工程师，主要研究方向为电子战系统试验与训练。627751@qq.com

中图分类号TJ765.4

文章编号2095-3828(2016)03-0120-05

文献标志码A

DOI10.3783/j.issn.2095-3828.2016.03.023