实船条件下雷达对抗系统收发隔离度自动测试方法研究

姚金垠，胡泽辉，杨爱平

(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

雷达对抗系统一般包含雷达侦察设备和雷达干扰设备。雷达侦察设备实时截获、测量和识别被干扰目标雷达的信号，而雷达干扰设备根据雷达侦察设备分析出的目标雷达信息，实时采取最佳干扰样式和干扰信号形式[1]。即雷达侦察设备与雷达干扰设备同时在运行，从而需要两设备间有足够的接收发射隔离度。当雷达对抗系统安装于水面舰艇时，由于受安装空间限制、舰艇表面环境复杂性等因素影响，收发隔离的完全解决比较困难。在此条件下，雷达对抗系统采取多种措施进行收发同时工作，而其中获取雷达对抗系统实船安装后的收发隔离度、对工作措施的可用性以及收发隔离改进的方向都大有用处。本文根据某型雷达对抗系统的特点，设计并验证了一种实船条件下的收发隔离度自动测试方法[2-3]。

1 对收发隔离度的需求

雷达对抗系统中侦察设备与干扰设备之间的电磁干扰主要传输途径是天线间的耦合，常用隔离度来定量表征这种耦合的强弱程度，一般定义为一个天线发射功率与另一个天线所接收功率之比，用dB表示。根据上文所述，雷达对抗系统运行时，理想条件下，需要雷达侦察设备与雷达干扰设备同时运行且相互不影响，雷达干扰设备发射机发射功率漏到雷达侦察设备接收机输入端的功率，应小于接收机的灵敏度。假设发射机发射功率为Pt，而接收机的灵敏度为Pr，从而系统的理想收发隔离度为D，有：

D≥Pt-Pr

(1)

受收发隔离度的限制，当侦察天线和干扰天线间距较近并同时工作时，从干扰天线发射的干扰信号会被侦察天线侦收到，被误认为是来自外部环境中的雷达信号，导致将该信号引导给干扰设备，再次产生干扰信息，系统进而会产生“自发自收”(自激)现象，最终雷达对抗系统效能严重降低，甚至瘫痪[4]。

为避免系统的自激现象，实际工程中，对于自卫式干扰机收发同时工作的需求，一般有如下3种解决方法：

(1) 时分隔离方法，一种最常用的收发通道隔离解决方法，即把侦察和干扰的工作时间进行分隔。即：短时间内关闭干扰发射机，并且在这短时间内，对雷达信号进行侦察分析，此时只要考虑发射机静态噪声的影响。

(2) 灵敏度控制方法，发射机和接收机同时工作。即：发射机产生干扰脉冲时，在发射脉冲包络内，降低接收机灵敏度工作；在发射机不发射时，接收机满灵敏度工作。

(3) 发射功率控制方法，发射机和接收机同时工作。即：发射机产生干扰脉冲时，根据系统收发隔离度，控制发射功率，以不影响接收机灵敏度为准。

综合上述实际工程中解决自卫式干扰机收发隔离需求的总结如表1所示。

表1 收发隔离度测试需求分析表

综上所述，雷达对抗系统安装到实船后，系统收发隔离度的准确测试标定对系统作战效能的发挥至关重要。

2 收发隔离度计算方法

系统的收发隔离度与发射天线和接收天线的辐射特性、收发天线的间距以及收发天线的指向等因素有关，同时在水面舰艇的复杂舰面环境下，舰艇表面各种金属反射面以及其他收发天线等也是对收发隔离度的重要影响因素。

纵观电磁兼容仿真中收发天线隔离度的计算方法，既包括依据远场方向性函数的近似算法，又包括较严格的方法：线天线中的互阻抗法，面天线的口面场法，抛物面天线的几何绕射理论(GTD)法，存在电大导体的混合法(MM-GTD)以及处理任意形状天线隔离度的复矢量方向性函数积分法等。

早期的计算机仿真预测软件(IEMCAP、IVEM-CA)是在远场区条件下，利用天线远区方向图来计算天线隔离度。近年来的收发隔离计算预测软件则采用了计算电磁学的最新成果，使用了矩量法(MM)、几何绕射理论(GTD)等，近年来，基于上述理论的工程化软件日趋成熟，例如可采用天线布局分析软件(XGTD)对雷达对抗系统收发天线装舰后的性能进行评估，XGTD是一款天线布局通用分析软件，软件采用GTD、UTD、PO、SBR等高频算法，适合计算电大尺寸问题，计算过程中考虑了镜面反射、多次反射、边缘绕射、尖顶绕射、表面绕射、爬行波等主要散射类型，将天线方向图代入其中，可由软件模拟计算出收发设备之间的隔离度[4]。

对于上述几种收发隔离度的计算方法总结如下：

(1) 依据远场方向性函数估算隔离度，若收发天线间距为r，有：

(2)

式中：Dt和Dr分别为发射天线和接收天线的等效口径；Gt(θ)为发射天线对应的近区等效副瓣增益；Gr(φ)为接收天线对应的近区等效副瓣增益。

如收发天线之间加隔离板和吸波材料后，Gr(φ)与Gt(φ)均有明显减小，当前工程上两者的影响效果能达到30 dB左右。而受制于雷达对抗系统在舰艇上的布局限制，对于X波段的设备，这个远场条件常常不能满足，从而根据上述公式只能近似估算收发天线隔离度[5]。

(2) 线天线互阻抗法主要在线天线阵工作时使用。在舰船上短波天线隔离度计算中常采用，但在面对雷达对抗系统中常用天线时，这种方法不再适用[5]。

(3) 抛物面天线的几何绕射理论(GTD)法采取数值方法用于解决安装于大导体上的短波天线隔离度问题，而对于载体尺寸远大于波长情况的舰载自卫式雷达对抗系统，MM-GTD混合法是一种有效的计算工具。但这需要对导体载体进行精确建模，通常载体(舰船)本身形状很复杂，同时又安装各种设备，形成巨大复杂的导体，使得精确建模基本不可能，从而使得计算得出收发隔离度只是更为近似的估算。例如对某型雷达对抗系统安装后的位置进行收发隔离度仿真计算，采用下面的安装模型(如图1所示)，使用天线布局分析软件(XGTD)，仿真计算出的隔离度与实际测试得出的隔离度能差约20 dB。

图1 某型雷达对抗系统收发天线安装模型图

实船条件下，通过上述仿真计算方法无法得到工程上可以使用的收发隔离数据，从而只能采取实船测试的方法。

3 收发隔离度当前测试方法

某型雷达对抗系统具有发射机定向发射、接收机全向接收的特点，同时不同的频率点具有不同的收发隔离特性。收发隔离测试时的测试框图如图2所示。测试流程图如图3所示。

图2 系统收发隔离度测试框图

图3 系统收发隔离测试流程图

测试完成后，二维数据表格形成，分别是特定频率和特定方位发射时，雷达接收机接收到的信号幅度值(dB)。当前收发隔离测试方法主要有如下的缺点：

(1) 测试时间长，整个测试流程都在控制软件的控制下进行，控制软件通过网络对雷达干扰设备与雷达侦察设备之间进行通信，每个测试点都需要雷达干扰设备发射信号，雷达侦察设备分选出信号的辐射源描述字(EDW)信息，待EDW信息稳定后，再获取EDW信息的幅度信息。在测试方位和测试频率点较多时，测试速度不够快。

(2) 测试得到的EDW信息幅度值不能直接用于收发同时灵敏度控制下的控制码，需要根据侦察设备的校正表进行EDW幅度值到灵敏度控制码的转换。同时需要考虑EDW幅度的测量精度、灵敏度控制的控制精度等因素，转换较为繁琐且准确性不高。

(3) 当前非同步控制的收发隔离测试方法的最大问题是无法排除测试环境周围因素的影响。例如舰艇停泊在港口或是在繁忙航道航行时，收发隔离度无法进行，主要原因是无法区别采集到的反射EDW信息是本舰舰面反射产生或其他非本舰因素产生。例如图4是某舰港口停泊时的测试图，其中除了主峰值时本舰产生外，距离舰船较远处的强反射点亦能产生反射信号，从而影响EDW幅度信息的准确性，进而影响收发隔离度测试进行，严重时，使得测试的收发隔离度数据完全失效。

图4 近岸条件下的收发隔离测试波形图

4 基于同步脉冲的收发隔离测试方法

针对当前实船条件下收发隔离测试方法的诸多不足，利用当前某型雷达对抗系统中的硬件控制总线，改进测试方法，如图5所示。主要改进点是利用雷达干扰设备与雷达侦察设备之间的硬件控制总线，对雷达干扰设备发射的每个收发隔离测试脉冲使用同步触发脉冲控制侦察设备进行测量，并将测量结果脉冲描述字(PDW)码通过PDW码传输总线返回到雷达干扰设备中，雷达干扰设备进行频率处理，并记录相应的幅度和方位。在此过程中，雷达干扰设备使用灵敏度控制总线逐次控制灵敏度码，并逐个测量收发隔离发射脉冲，从而可以获取不同频率、不同方位的收发同时灵敏度控制码。

此外，雷达干扰设备与雷达侦察设备之间使用同步触发脉冲进行同步发射与测量，测量的时间域可以选择控制，从而可以消除收发隔离测试时外部环境的影响。

图5 改进后的基于同步脉冲的收发隔离测试框图

基于同步脉冲的收发隔离测试流程图如图6所示。其中虚框中的流程为脉冲级执行过程，从而大大减小整个收发隔离度测试过程的耗费时间。

图6 基于同步脉冲的收发隔离测试流程图

根据上述改进后的收发隔离度测试方法，对图1的实装某型雷达对抗系统的收发隔离度进行测试，单频点单波束测试时间在100 ms～500 ms之间，而使用第3章的测试方法单频点、单波束测试时间在2 s～8 s之间，改进后的测试方法单位时间内的测试效率至少提升了4倍。将所有频率点及方位进行多次全面测试，改进前测试时间90 min～100 min，改进后测试时间12～15 min。改进后测试时间最长仅为原方法测试时间的1/6。分别在近岸区域和远海区域进形测试后发现，改进前同一频率点同方位的近岸区域和远海区域收发隔离值相差为12～18 dB，而改进后收发隔离相差为2～4 dB。从以上测试结果可知，基于同步脉冲的收发隔离测试方法较目前的收发隔离测试办法测试效率、测试结果的准确率以及环境适应能力都大大提高，具有更高的工程使用价值。

5 结束语

本文首先分析了雷达对抗系统中收发隔离度不佳的几种解决方法，从而说明了收发隔离度的重要意义以及常用的收发隔离度仿真测试方法。在分析当前各种收发隔离度仿真测试方法的缺点基础上，结合当前某型雷达对抗系统的设备特点，提出了一种基于同步脉冲的脉冲级快速收发隔离测试方法，并在实船安装条件下进行了测试验证，对比了新测试方法和老测试方法在速度和准确度上的差异，从而为后续雷达对抗系统实船安装后的收发隔离度测试标定提供了解决方法。