对某机载预警雷达的干扰能力需求分析

2020-08-26赵明峰付博超

舰船电子对抗 2020年3期

杨康，张昀，郝汀，赵明峰，黄伟，付博超

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏扬州 225101)

0 引言

现代战争中，掌握制空权是战争制胜的关键，而全天时、全天候、超远程、高精度的机载预警雷达则是掌握制空权的根本保证，其在预警、探测、警戒、侦察及指挥控制等领域发挥了其它传感器不可替代的作用。因而，机载预警雷达的研制与装备受到世界各国的高度关注。在各国预警机中，美国较为典型的机载预警雷达，在作战飞行高度上可以探测320 km以外的目标，可同时跟踪数百个空中目标[1]。本文介绍了某机载预警雷达的组成、功能以及部分公开参数，并对其主要性能指标进行了反推演算；在此基础上分析了干扰此雷达所需的侦察灵敏度和干扰功率等指标，并对干扰效能进行了仿真。

1 某机载预警雷达组成及功能

该机载预警雷达功能框图如图1所示，由旋罩(含天线阵列)、发射机、海用机柜、模拟机柜、数字机柜和显控台等组成。天线阵列接收雷达信号后，送入模拟机柜，并通过射频模块组合将信号分别送入超视距(BTH)、脉冲多普勒(PD)、海上监视(MSC)模式接收机。其中BTH、PD接收机将模拟信号转换成数字信号，并完成恒虚警率(CFAR)的压缩、检测，然后送入数字机柜。MSC接收机设置检测门限以降低海杂波。BTH接收机、MSC接收机生成的数字信号被送入雷达接口适配单元(RIAU)，PD接收机生成的数字信号被送入自适应信号处理器(ASP)。自适应信号处理单元完成数字脉冲压缩，并输出数字检测数据至雷达数据处理器(RDP)。RDP通过RIAU接收和处理来自ASP、模拟接收单元、海上接收单元的目标信息，并为中心计算单元和雷达控制维护面板(RCMP)提供目标装备状态信息，以得出目标参数情报并生成航迹数据。

图1 雷达功能框图

据公开资料[2-3]，该雷达的旋罩尺寸为9.1 m×1.8 m，天线尺寸为7.3 m×1.5 m。天线采用波导裂缝平面阵列形式，由28根主波导、2根辅助波导组成，如图2所示。天线阵列方位向机扫，覆盖360°空域，6 r/min；俯仰向电扫，并由铁氧体移相器进行波束引导，覆盖±30°空域。天线阵列形成的波束宽度为：方位1°，俯仰6°，副瓣电平为-50 dB。发射机激励级采用行波管，输出级采用宽带速调管，并采用液冷方式散热。发射机输出的平均功率约为10 kW，平视模式下峰值功率为700 kW，下视模式下为900 kW。接收机采用对海模式下的专用接收机、脉冲多普勒接收机和脉压接收机，后两者以频率分隔方式工作。在信号处理方面采用了递归杂波对消、快速傅里叶转换(FFT)分析和CFAR处理。在数据处理方面，采用3种脉冲重复频率(PRF)解距离模糊实现测距，俯仰向电扫并采用最大幅度法测高，速度信息由多普勒滤波器组提取，并对高速目标采用3种PRF参差信号解速度模糊。雷达具备边扫描边跟踪能力，可同时处理600个目标，引导100个目标。雷达工作频率为3.1 GHz～3.4 GHz。当载机高度为9 600 m时，对大型高空目标探测距离为667 km，对中型目标为445 km，对小型低空目标为324 km。

图2 雷达波导裂缝阵面

该雷达有6种工作方式：(1)脉冲多普勒非高度扫描方式。通过脉冲多普勒方式捕捉从高空到低空的空中目标，探测距离远，但不能测定目标的高度。(2)脉冲多普勒高度扫描方式。此方式与脉冲多普勒非高度扫描方式基本相同，优点是可以通过波束的俯仰向扫描测定目标高度，缺点是探测距离较短。(3)超视距方式。此方式采用低重频线性调频宽脉冲信号探测超长距离的空中目标，不能进行高度测量，也不能去除地面杂波。(4)海上工作方式。通过发射窄脉冲雷达信号，降低海杂波以探测海面目标。(5)无源工作方式。通过关闭雷达发射机，仅用接收机接收敌方的辐射信号，并给出信号方位。(6)交叉扫描方式。在此方式下，之前介绍的工作方式可组合使用，例如脉冲多普勒高度扫描方式和超视距方式同时使用，或者脉冲多普勒非高度扫描方式与海上工作方式同时使用，又或者有源与无源工作同时使用。该雷达进行方位扫描时，将监视空间分成24～32个扇形区，并且各扇形区根据不同的作战目的选取不同的工作方式，具备随时更换能力。雷达正常工作时频率可自动捷变，其它信号参数如重频、脉宽等也可不断变化。

2 某机载预警雷达的指标反演

根据公开资料对该雷达天线增益进行估算，可采用以下2个公式[4]：

(1)

(2)

式中：ΔΩ为波束宽度；A为天线有效孔径，且有Ae=ρA(0≤ρ≤1)，ρ一般取0.7;λ为波长。

已知雷达波束宽度方位向为1°，俯仰向为6°，根据公式(1)可得：

(3)

换算成dB为单位，天线增益G为38.4 dB。天线面积A=7.3 m×1.5 m≈10.95 m2，工作波长分别按3.4 GHz进行计算，根据公式(2)可得：

(4)

换算成dB为单位，天线增益G为40.9 dB。结合2种方式下的计算结果，并考虑天线为了获得超低副瓣特性及机体遮挡等影响，天线增益G取37.4 dB。

根据公开资料，该雷达最大方位旁瓣为-39 dB，平均旁瓣低于-50 dB，对该预警雷达进行了天线方向图的仿真，具体如图3所示。

图3 AN/APY-2雷达天线仿真图

雷达距离方程[5]为：

(5)

式中：Pav为发射机输出的平均功率；σ为雷达散射截面积；R为雷达最大探测距离；L为微波损耗，包括天线罩和大气损耗；k为波尔兹曼常数；T0为工作温度；F为接收机噪声因子；Ti为相参处理时间；G为天线增益；σSNR为检测所需要的信噪比。

考虑各级损耗后，检测所需信噪比约为7.5 dB；匹配滤波器和距离采样损耗约为2 dB；加权和速度采样损耗约为2 dB；CFAR损耗约为2 dB；波瓣损害约为1.5 dB。因此,检测所需要的SNR为15 dB。将表1参数代入公式(5)，可以估算出该雷达对战斗机的威力距离为428 km。

对比反推计算结果和公开资料可得：公开资料中发射功率等指标可信，可用于进行干扰能力需求分析。

3 针对该预警雷达的干扰分析

以机载随队干扰为预设场景，考虑对该机载预警雷达实施有源干扰，对干扰机的侦察、干扰能力进行分析。

表1 参数选用表

雷达侦察方程[6]为：

(6)

式中：Pt为雷达发射功率；Gt为雷达天线增益；Gr为干扰设备侦察天线增益；Rmax为最大侦察距离；λ为雷达工作波长；γ为极化损失系数。

该雷达峰值功率按900 kW计算，天线增益为37.4 dB，考虑极化损失为3 dB，工作频率选取3.1 GHz，雷达副瓣按照图2拟合的数据计算，将上述参数代入公式(6)，那么在不同距离上对雷达主副瓣信号进行侦察所需的灵敏度如表2所示。

表2 灵敏度统计表

由表2可知，对雷达主瓣实施侦察，干扰机侦察灵敏度优于-30 dBm时即可满足要求；但是如果对雷达实施副瓣侦察，随着主副比的增大，干扰机所需的灵敏度也变高。在距离雷达400 km处，侦察雷达平均副瓣-50 dB，此时所需的灵敏度最高，需优于-80 dBm。

雷达干扰方程[7]为：

(7)

在随队干扰方式下，由于被保护目标和干扰机平台重合，故有Rj=Rt，代入式(7)可得：

(8)

雷达峰值功率为900 kW，天线增益为37.5 dB，被保护目标雷达截面积为5 m2，考虑极化损失为3 dB(即γj=-3 dB)。采用压制干扰样式，压制系数Kj的取值为26 dB。将上述参数代入公式(8)，那么在距离雷达100 km处，干扰机所需的等效辐射功率如表3所示。

由表3可知，采用噪声样式实施压制干扰，如仅对其主瓣进行干扰，需要2.6 W即可满足要求。如需对雷达平均副瓣(-50 dB)进行干扰，那么所需功率为262 kW，这对机载干扰设备是不能接受的，也是不可实现的，因为供电、散热、体积、重量等各方面因素都有限制。从随队干扰的战术上分析，也不需要如此大角度地注入干扰信号。

采用相干假目标干扰样式情况下，由于电子假目标信号特征与雷达回波的特征相同，有效干扰所需的干信比为1即可。在不同干扰距离情况下、干扰信号进入雷达不同副瓣区域时，系统所需的有效干扰功率如表4所示。

表3 干扰功率统计表(Kj=26dB)

表4 干扰功率统计表(Kj=0 dB)

根据表4所示，如果对雷达主瓣实施干扰，干扰机有效辐射功率0.4 W即可满足要求；但是如果对雷达实施副瓣干扰，随着主副比的增大，干扰机所需的有效辐射功率也逐步增加。雷达平均副瓣水平为-50 dB，此时干扰所需的有效辐射功率为10 kW。

综合考虑2种干扰样式以及载机平台的相关能力，干扰设备等效辐射功率选取10 kW较为合理，既可实施主瓣及近区副瓣的压制干扰，也可实现大角度的相干假目标干扰。在压制干扰情况下，不同距离上的压制区域如图4所示，图中“R”点为雷达位置，“J”点为干扰机位置。由图4可知，干扰机仅仅能够在主瓣及近主瓣的小角度范围内形成干扰掩护区域。在假目标干扰情况下，干扰机从距离雷达400 km处到100 km处，可产生的假目标范围如图5所示，图中曲线外部区域即为可生成假目标的范围，对比压制干扰样式形成的干扰扇面明显较大。