压制干扰环境的定量描述及表征指标测试方法

王 超，陈 飞，戎建刚

(中国航天科工集团8511研究所，江苏 南京 210007)

压制干扰环境的定量描述及表征指标测试方法

王 超，陈 飞，戎建刚

(中国航天科工集团8511研究所，江苏 南京 210007)

从典型干扰样式的角度出发，对压制干扰环境的量化表征指标电磁功率密度谱s进行了深化研究，在时域、频域上给出了不同干扰样式下s指标的数学及仿真模型，并介绍了s指标的测量方法，为导弹武器抗干扰指标体系构建、抗干扰性能定量评估提供理论依据。

压制干扰；电磁功率密度谱；电磁干扰环境；复杂电磁环境

0 引言

在日益复杂的电磁干扰环境中，导弹武器装备逐步暴露出一些不适应性问题。当前急需在导弹武器研制的各个阶段进行电磁干扰环境的适应性试验与评估，而复杂电磁环境的定量描述和表征指标测试是导弹武器适应性试验与评估工作中首先要解决的基础问题之一。目前国内外已有不少相关的研究，文献[1]提出了一种战场电磁环境复杂性度量的方法，用电磁信号样式相关系数、频率占有度系数、频率重合度系数等五个指标对电磁环境复杂性进行度量；文献[2]设计了一种复杂电磁环境监测系统，能对电磁信号的时域、频域、能域以及信号类别等特性进行监测；文献[3]从电磁环境预测、生成、集成与控制、监测以及评价五大环节阐述了复杂电磁环境模拟过程中各环节的基本功能和技术。

根据干扰的影响机理，电磁干扰环境可分为欺骗干扰环境和压制干扰环境。本文对文献[6～8]提出的压制干扰环境的定量描述方法做更深入的研究，从典型压制干扰样式的角度出发，对其提出的电磁功率密度谱指标做了进一步的细化和挖掘，在时域、频域上给出了不同干扰样式下电磁功率密度谱的数学及仿真模型，并介绍了电磁功率密度谱的测量方法。

1 压制干扰环境量化表征指标

导弹武器天线口面感受到的电磁干扰环境分为压制干扰电磁环境和欺骗干扰电磁环境，对其中的压制干扰电磁环境进行量化表征，提出相应的量化表征指标[5-8]，如表1所示。

其中，s为电磁功率密度谱，表示某一时刻电子对抗装备在导弹武器接收天线口面处产生的信号功率密度在频域的分布。s的计算公式为：

(1)

式中，PJ和GJ分别为干扰机的发射功率和天线增益；La为大气传播衰减系数；BJ为干扰机工作带宽；RJ为雷达与干扰机之间的距离。

表1 压制干扰环境量化表征指标体系

从表1中可以看出，在对导弹武器施放有源压制干扰时，干扰信号在时域(间断、连续、杂乱)和频域(宽带、窄带、梳状谱)上的分布特点是复杂多样的，干扰样式的种类和参数均会对压制干扰的效果产生影响。根据公式(1)计算得出的仅是某一时刻的电磁功率密度谱，并未将其在时域、频域上的分布特点完整表述出来。此外，干扰信号对雷达信号处理的影响与信号的实际持续时间有关，例如间断噪声类的干扰要产生干扰效果，时间上的积累就非常重要；频域上实际对雷达有影响的是进入到其接收带宽的干扰信号，接收带宽外即便存在干扰能量也无法对其造成影响。

综上分析，本文结合具体的干扰样式在时域、频域上对s开展进一步的细化研究，在具体的干扰样式建立电磁功率密度谱s在时域和频域上的数学模型，将s指标在时域和频域上的分布特性和动态变化定量、完整的表述出来，再在时域和频域上引入“滤波器”的概念，即滤除对雷达或导引头无效的干扰信号部分，保留对雷达或导引头有效的部分，将“天线口面的电磁功率密度谱s”转变为到“对雷达或导引头有干扰效果的电磁功率密度谱s”。

2 电磁功率密度谱s的时域细化研究

2.1 时域模型

2.1.1 间断噪声干扰s模型

选取间断噪声这种在时域上会有不同程度间断的典型干扰样式，借助Matlab的仿真手段做出在施放这种干扰时，天线口面可测得的电磁功率密度谱s的时域波形曲线。

间断噪声干扰是将射频噪声信号切割成时域上宽度、空度具有一定规律或者随机变化的脉冲信号，对目标回波信号形成遮盖或压制的效果。遮盖作用的产生，是因为在回波信号上附加了一个随机噪声，两者一经混合，信号很难检测。在这种情况下，回波信号将部分地改变或失去信号特征，严重时会完全消失。根据间断噪声干扰的干扰特点可以建立对应的解析模型：

窄带高斯过程可表示为：

(2)

un(t)=t/σ2exp(t2/(2σ2))

(3)

当上述的射频噪声干扰以脉冲的形式存在，即为间断噪声干扰，其表达式为：

(4)

式中，Aj为噪声干扰信号幅度，T为脉冲宽度，Tr为脉冲重复周期。它们的比值即为占空比：

D=T/Tr

(5)

方便起见，只计算一个脉冲重复周期内的电磁功率密度谱，此时的间断噪声干扰信号可表示为：

根据信号表达式可计算近似的瞬时功率(式中的系数k根据具体情况确定，这里取1)：

(6)

再结合公式(1)即可计算一个脉冲重复周期内电磁功率密度谱s随时间变化的表达式：

(7)

这样，在间断噪声干扰条件下，天线口面可测得的电磁功率密度谱s可表示为：

s(t)=

(8)

根据这一数学模型选取仿真参数做出仿真图形。仿真参数：峰值功率大约为100W，天线增益GJ=20dB，中心频率wj=60×106πrad/s(30MHz)，间断周期Tr=0.5ms，占空比D=50%，噪声带宽B=20MHz，R=5000m，La=1，仿真图如图1～2所示。

可以看出在间断噪声干扰条件下，天线口面测得的电磁功率密度谱s在时域上会有不同程度的间断，根据建立的数学模型可得到理论上每一时刻的s值。

2.1.2 杂乱脉冲干扰s模型

同理通过推导计算，也可以得到杂乱脉冲干扰下电磁功率密度谱s的时域波形。杂乱脉冲干扰是指将连续的噪声调幅、噪声调频信号切割成宽度、空度随机变化的脉冲信号，使其在雷达终端产生杂乱的干扰脉冲，从而对雷达形成干扰。其信号解析式可表示为：

(9)

首先从时域上计算第m个杂乱脉冲的瞬时功率：

PJ(t)=|Ajun(t-mTrmcos(wj(t-mTrm)+

φ(t-mTrm)|2

(10)

这样，可以得到杂乱脉冲干扰条件下的电磁功率密度谱s在时域上的动态变化模型：

s(t)=

(11)

仿真参数设置与间断噪声相同，但是脉冲重复周期和脉宽随机变化，仿真图如图3～4所示。

2.2 时域滤波器

上节通过推导计算和仿真确立了间断噪声和杂乱脉冲干扰条件下天线口面可测得的电磁功率密度谱s的时域模型，这一模型的意义在于将电磁功率密度谱s在时域上的分布特性和动态变化定量的描述出来，但仅有这一模型是不够的，原因是实际对雷达或者导引头有影响的干扰信号并不是该模型描述的全部干扰信号。这一点可以在下面针对某型防空导引头进行的干扰内场试验中得到验证。

从图5～6中可以看出，锯齿扫频和正弦扫频干扰对信噪比的影响极小，施加干扰与未施加干扰时的信噪比变化曲线几乎一致。这是因为扫频干扰在时域上可以等效为间断噪声干扰，由于干扰时间不够长，间断的干扰信号在信号处理中积累不起来，所以对导引头信噪比的影响较小。

这就需要引入“时域滤波器”的概念，即根据干扰的持续时间和干扰信号的数学模型滤除无用信号，保留在时域上对雷达或导引头真正有效的部分信号，如图7所示。针对同一时间段的作战对抗过程，在确定了有用信号部分的s波形后，可以对这一部分信号的s值在时域上做积分，积分值越大代表干扰信号对雷达或导引头的影响越强。

3 电磁功率密度谱s的频域细化研究

3.1 频域模型

这里以梳状谱干扰为例给出s的频域模型。梳状谱干扰信号是指由多个窄带干扰谱构成的干扰信号。在雷达工作频段内加入具有梳状频谱的干扰信号，集中干扰信号功率，对频域内的几个频率点进行强干扰，使得雷达速度波门无法跟踪。通常可采用N个正弦波信号的和表示梳状谱干扰信号：

(12)

式中，Ajn为信号幅度，fn∈[fj-B/2,fj+B/2]，B为干扰信号带宽，t∈[0,T]。

先对信号的表达式作傅里叶变换：

2πfn))

(13)

(14)

这样，在梳状谱干扰条件下，电磁功率密度谱s在频域上的分布可表示为：

(15)

根据这一数学模型选取仿真参数做出仿真图形，峰值功率取100W，天线增益GJ=20dB，干扰带宽30MHz，R=5000m，La=1，干扰频点在30MHz内随机跳变。仿真图如图8～9所示。

可以看出，梳状谱干扰条件下电磁功率密度谱s在频域上集中分布在几个频点，与梳状谱自身的干扰特点相符合。

3.2 频域滤波器

前面提到过，不管是宽带阻塞干扰还是窄带瞄准干扰，真正能对雷达或者导引头产生干扰效果的是进入其接收带宽的那部分干扰信号，并非全部的干扰信号。

在仿真中，选取的干扰带宽是30MHz，如果被干扰对象的接收带宽小于30MHz，或者干扰带宽不完全在接收带宽范围内，就需要结合具体的被干扰对象确定实际进入其接收带宽的干扰信号。频域上本身就有滤波器的概念，这里就不再赘述了。通过频域滤波器可以滤除在频域上对被干扰对象无用的信号，只保留有影响的信号部分。进入接收频段内的干扰功率为：

式中，s为电磁功率密度谱，Ar为有效面积，Bs为接收带宽与干扰带宽重合的部分。

J越大，进入接收频带内的干扰功率就越大，干扰信号对雷达或导引头的影响便越强。

4 电磁功率密度谱s的测量方法

电磁功率密度谱的测量设备包括监测天线、实时频谱分析仪、数据分析处理计算机等，测量设备原理框图如图10所示。在测试过程中，测量设备连续采集并记录时域、频域信号，试验结束后根据需求，选择相应频段、时间段内的信号进行分析处理。

通过图10所示的设备测量得到干扰功率为P′，根据下式计算得到导弹武器天线口面处的电磁功率密度谱s：

s=(P′+L-G)/(λ2G/(4π)BJ)

(16)

式中，s单位为W/(Hz·m2)；P′为频谱分析仪输入端口处的干扰功率，单位为W；L为监测天线输出端到实时信号分析仪输入端的损耗，单位为dB；G为监测天线增益，单位为dB；λ为导引头工作波长，单位为m；BJ为干扰带宽，单位为Hz。

通过该套测量设备，可以得到监测天线口面电磁功率密度谱s在时域和频域上的分布。在给出被干扰对象(雷达或导引头)的相关参数后，就相当于在时域和频域上分别增加一个“滤波器”，这样就可以确定对被干扰对象实际有影响的干扰信号部分，将“天线口面的电磁功率密度谱”细化到“对雷达或导引头有干扰效果的电磁功率密度谱s”。

此外，由于针对每种干扰样式都可以建立相应的电磁功率密度谱数学模型，如果将这一模型与实际测得的s波形做比较，就可以反推出干扰样式种类及设置参数。这样在某些“背靠背”的对抗或者演习中，通过测得的s值可以确定对方所施放干扰样式的种类及参数，有了这些数据，可以帮助我们将外场的电磁干扰环境逼真构建到内场进行武器装备的抗干扰试验，对提高武器装备的电磁干扰环境适应性具有很高的参考价值。

5 结束语

本文对已有的压制干扰环境定量描述方法做进一步的深化研究：一是从典型压制干扰样式的角度出发，对电磁功率密度谱s做了进一步的细化，在具体干扰样式下从时域、频域上给出了s的数学及仿真模型，将s指标在时间和频域上的动态变化和分布特性，进行了定量、完整的描述；二是引入“滤波器”概念，将“天线口面的电磁功率密度谱”转变到“对雷达或导引头有干扰效果的电磁功率密度谱”；三是介绍了s的测量方法。本文的研究还存在一些待改进的问题：电磁功率密度谱s的数学模型目前只是一个理论模型，还需要进一步细化；受器材限制，目前的测量设备还不能给出电磁功率密度谱在时域和频域上的精准分布，在日后的研究工作中会进行改进。■

[1] 路延.复杂电磁环境监测系统设计[J].安全与电磁兼容,2016(3):83-85.

[2] 汪连栋，董俊，曾勇虎，等.复杂电磁环境模拟技术体系研究[J].现代防御技术,2015,43(4):196-203.

[3] 支朋飞，高颖，葛飞.战场电磁环境复杂度定量评估算法研究[J].微处理机,2014,6(3):40-44.

[4] 王月清，王建，王凡，等.一种电磁环境量化分析方法[J]. 电波科学学报，2013，28(4)：744-748.

[5] 刘丽明，黄文梁，孙璐璐.海战场复杂电磁环境构建方法[J].船舶电子对抗，2010,33(4):15-17.

[6] 戎建刚,张衡,肖凯宁.复杂电磁环境的指标体系[J].航天电子对抗, 2013,29(3): 54-57.

[7] 戎建刚,黄和国,王鑫.威胁电磁环境的定量描述方法[J].航天电子对抗, 2013,29(4): 18-21.

[8] 戎建刚,王鑫,魏建宁.威胁电磁环境的分级方法[J].航天电子对抗, 2013,29(6):33-36.

[9] 高晓冬，郑鑫.防空导弹雷达导引头对抗美军机载典型干扰措施探讨[J].制导与引信, 2013,34(3):6-13.

[10]陈飞，戎建刚，王鑫.复杂电磁环境量化分级研究综述[C]∥2015年中国宇航学会电磁信息专业委员会学术年会论文集,2015.

[11]陈飞，戎建刚，王鑫.威胁电磁环境的量化表征方法分析[C]∥2015年中国宇航学会探测与导引技术专业委员会学术年会论文集,2015.

[12]赵国庆.雷达对抗原理[M].2版.西安：西安电子科技大学出版社，2012.

Quantitative description and indicators measurement method of suppressive interference environment

Wang Chao, Chen Fei, Rong Jiangang

(No.8511 Research Institute of CASIC, Nanjing 210007, Jiangsu, China)

From typical jamming modes point of view, the electromagnetic power density spectrum is detailed researched, the mathematical model of electromagnetic power density spectrum is constructed, and the measurement method of electromagnetic power density spectrum is introduced. They are theoretical basis for the test and evaluation of missle weapons.

suppressive interference； electromagnetic power density spectrum；electromagnetic interference environment； complex electromagnetic environment

2016-12-13；2017-01-05修回。

王超(1990-)，男，硕士研究生，主要研究方向为电子对抗。

TN97

A