单频电磁辐射对雷达的干扰规律

2021-01-26魏光辉潘晓东任仕召

系统工程与电子技术 2021年2期

赵凯, 魏光辉, 潘晓东, 杜雪, 任仕召

(陆军工程大学石家庄校区电磁环境效应国家重点实验室, 河北石家庄 050003)

0 引言

未来信息化条件下的一体化联合作战中,电子信息装备广泛应用,战场电磁环境日趋恶化,突出表现为多种电磁信号在空域、时域和频域下，分布密集、数量繁多、样式复杂、动态交替,严重妨碍信息系统和电子设备正常工作，显著影响武器装备的作战运用和效能发挥[1-4]。自20世纪60年代起,美军就开始了装备的电磁危害研究,并将研究内涵逐步扩展到了当前的“装备电磁环境效应”上[5]。掌握效应规律是研究“装备电磁环境效应”的重要环节,近年来,在世界范围内已有诸多学者对典型武器装备(如通信电台、无人机、无线电引信等)在连续波电磁辐射、超宽带电磁脉冲、高功率微波干扰下出现的效应规律进行研究[6-12],剖析了典型的电磁辐射耦合通道、损伤规律等,对提高武器装备电磁防护性能起到重要作用。

雷达在现代战争中扮演着“千里眼”的角色。作为电子化程度较高的用频装备,雷达对电磁辐射比较敏感,若没有足够的电磁防护性能,就难以正常发挥其战技性能[13]。近年来,对雷达电磁效应的研究主要以雷达电子对抗为背景,即信息干扰效应[14-17],而鲜有以非信息干扰为背景的文献见诸报道。本文从一般雷达在单频电磁辐射干扰下的工作状态入手,对阻塞干扰、假目标干扰规律进行理论分析,而后通过试验探究干扰规律,对提高雷达电磁防护能力及保证其作战效能具有重要意义。

1 理论分析

一般来说,对雷达的干扰可分为阻塞干扰与假目标干扰[18-22]。以单频电磁辐射为干扰源,基于雷达测距原理分析电路非线性失真,进而探究阻塞干扰与假目标干扰的规律。

1.1 一般雷达线性工作状态

假设在单频电磁辐射干扰下,雷达对单个静止散射体进行探测,耦合至雷达接收机的信号具有如下形式：

ur(t)=Us(t)cos [ωs(t-τ)]+Ujcos (ωjt+φ)

(1)

式中,Us(t)表示耦合到接收机的有用信号电压包络；Uj为干扰信号耦合电压幅值；ωs和ωj为有用信号和干扰信号的角频率；τ为有用信号由发出至返回的时延；φ表示干扰信号的初相位。

接收机本振信号频率与回波信号频率相同,其形式可表示为

uL(t)=cos(ωst)

(2)

以接收机I通道为例进行说明,Q通道同理。当输入信号ur(t)较小、接收机处于线性工作状态时,回波信号与干扰信号同时通过混频器,与本振信号uL(t)进行混频,并经低通滤波后得到有用信号与干扰信号分量为

(3)

式中,as和aj为与频率有关的非线性系数。

在后续的信号处理中,由I、Q通道混频输出的有用信号分量,可以无模糊地计算出时延τ的数值,进而得到目标的距离;由asUs(t)可得到真实目标回波的强度,回波信号被线性放大。而干扰信号分量可能导致系统误判,在后续处理中会产生假目标,其距离与(ωj-ωs)t+φ有关,其强度由ajUj决定,干扰信号同样被线性放大。由于t+φ是时变量,因此每次探测得到的假目标位置是随机的。

1.2 持续非线性失真

当输入信号ur(t)较大时,接收机开始出现持续非线性失真,这是一种较弱的非线性失真,利用幂级数分析法进行分析[6]。当系统输入信号如式(1)所示时,保留幂级数的前4项,输出信号可表示为

(4)

式中,bi(i=0,1,2,…)是与电路特性有关的非线性系数。式(4)中的输出信号与本振信号uL(t)进行混频,并通过低通滤波后,可得到有用信号与干扰信号的输出分量为

(5)

由式(5)可知,有用信号与干扰信号的增益为

(6)

由式(5)和式(6)可得到以下结论。

(1) 由于b3<0,当较强的输入信号使得系统产生持续非线性失真时,有用信号与干扰信号的增益均被压制,随着干扰信号强度的增大而降低,阻塞干扰是由非线性系数b3引起的。

(2) 当干扰强度持续增加时,雷达测得的真实目标电平持续降低,降幅逐渐增大;而假目标电平持续增高,增幅逐渐减小。

(3) 雷达依然可以通过计算时延τ得到目标的距离,持续非线性失真不会影响探测距离的准确度。

1.3 突变非线性失真

当干扰场强过大、系统直接工作在饱和甚至击穿等特殊区域时,可将产生的强非线性失真称为突变非线性失真。若继续使用幂级数分析法,其展开式项数无法穷尽,此时应使用矢量法来进行分析。当输入信号具有式(1)形式时,可绘制接收信号的矢量图,如图1所示。其中,ωdt=ωs(t-τ)-(ωjt+φ)。

图1 输入信号矢量叠加图Fig.1 Vector overlay diagram of input signal

由图1可知,混频前非线性输出信号中有用信号分量为

uos(t)=S(t)cos (ωjt+φ+θ)

(7)

假设系统截止电压为Um,当突变非线性失真产生时,Uj+Us(t)≥Um。参考文献[6]的推导过程,由式(7)可得到混频前非线性输出信号中有用信号分量为

(8)

一般来说,若系统产生突变非线性失真,干扰信号的幅度要远大于有用信号的幅度,即Uj>>Us(t),此时有Uj≈S(t),θ≈0。结合图1可知,混频前非线性输出信号中干扰信号分量为

uoj(t)=Ujcos(ωjt+φ)≈
S(t) cos(ωjt+φ)≈Umcos (ωjt+φ)

(9)

式(8)、式(9)叠加后经过混频、滤波,得到有用信号与干扰信号的输出分量为

(10)

由此可得到有用信号、干扰信号增益为

(11)

由式(10)、式(11)可得到以下结论。

(1) 出现突变非线性失真时,系统饱和,有用信号、干扰信号增益随干扰信号电压的增加而线性下降(对数坐标下,以下相同)。

(2) 随着干扰信号强度的增加,雷达测得的真实目标电平线性下降;假目标电平保持稳定,不随干扰信号强度变化而变化。

(3) 突变非线性失真同样不会影响探测距离的准确度。

2 单频电磁辐射效应试验

开展系列试验,进一步探究单频电磁辐射对雷达的阻塞干扰、假目标干扰规律。

2.1 试验准备

具体试验布置如图2所示。信号发生器产生单频连续波作为干扰信号,经功率放大器放大后经由定向耦合器1向辐射天线馈电,使得覆盖雷达收发天线的空间形成场强不均匀性小于3 dB的辐射区域,同时辐射天线充当雷达的探测目标。频谱仪1通过定向耦合器监测干扰信号的辐射功率,频谱仪2用于后续开展注入试验时监测干扰信号的注入功率。

图2 电磁辐射效应试验配置图Fig.2 Configuration diagram of electromagnetic radiation effect test

受试雷达为某型Ku波段步进频连续波雷达,具备静目标测距功能,工作频率为f0±100 MHz(f0为中心频率),发射信号幅值恒定。受试雷达在信号处理过程中,将采集到的I/Q路数据进行逆傅里叶变换,得到目标回波的一维距离像,不同目标的强弱由归一化电平来表示,如图3所示[23]。

图3 距离窗100 m时一维图像示意图Fig.3 One dimensional image schematic diagram of 100 m distance window

归一化电平所反映的实质是各位置电平与峰值电平的差值,而在研究过程中应以不同位置的绝对电平为对象。结合前文对非线性失真的分析,试验中可将峰值电平与假目标电平分别作为研究阻塞干扰与假目标干扰的效应参数。

为避免试验设备的金属外壳等扭曲试验点附近电场,采取位置替换法来测试场强[24]。另外,场强计对小于1 V/m的场强测量误差较大,对此应使试验点处场强达到10 V/m,读取频谱仪1的辐射功率,在后续试验中采用线性内插法来计算实际辐射场强[25]。

2.2 阻塞干扰试验规律

2.2.1 峰值电平随干扰场强变化规律

为全面反映干扰规律,试验中选择的干扰信号频率fi要顾及到带内、带外频率。另外,根据经验,干扰频偏(fi-f0)取负值时,其试验结果与取正值时相似。由于本文关心的是总体的干扰规律,故可只取干扰频偏为正值的情况进行试验。综上考虑,结合受试雷达的工作频率,分别使用频偏为0 Hz、30 MHz、70 MHz、110 MHz和150 MHz的干扰信号进行试验。选定干扰频偏后,调整信号发生器与功率放大器,使频谱仪1读取的辐射功率逐渐增大,每次调整后进行探测,记录目标回波峰值电平的变化。结合第2.1节辐射场强的测量方法,可得到峰值电平压缩量随干扰场强的变化,如图4所示。

图4 峰值电平压缩量随干扰场强变化Fig.4 Variation of peak level compression with interference field strength

由图4可得到以下结论。

(1) 在不同频偏的干扰下,峰值电平压缩量随干扰场强的总体变化趋势基本一致:当干扰场强较小时,雷达工作在线性区,峰值电平几乎保持稳定,说明有用信号增益恒定;随着干扰场强的增大,系统出现持续非线性失真,峰值电平压缩量随着干扰场强的上升而增加,增幅持续变大,说明有用信号增益的下降;当干扰场强增大到一定程度后,系统饱和,压缩量随干扰场强增加而近似于线性增加。试验结果与前文理论分析相符。

(2) 干扰频偏小于30 MHz时,峰值电平随干扰场强的变化几乎一致;随着干扰频偏的扩大,相同干扰场强下峰值电平压缩量逐渐降低,临界阻塞干扰场强逐渐提高。靠近中心频率的干扰信号似乎更容易对受试雷达造成有效干扰。

2.2.2 阻塞干扰单频临界干扰场强测试

本文中敏感判据主要用于探究干扰规律,要求其准确地反映出受试雷达是否受扰,不同于一般意义上的干扰效果评估。故可从效应参数对干扰场强较敏感的位置处选取。由图4可知,当峰值电平压缩量在10 dB以上时,其增幅相对稳定,此时系统对于干扰更为敏感。另外,由雷达方程可知,当峰值电平压缩12 dB时,雷达最大探测距离下降一半[26]。为便于试验,取峰值电平压缩12 dB作为受试雷达阻塞干扰敏感判据。

通过变步长调节法对阻塞干扰单频临界干扰场强进行测试[25],试验布置如图2所示。值得注意的是,当频偏超出一定范围后,会出现干扰场强过小不足以对受试雷达造成有效干扰的情况,对此可开展电磁注入试验来得到临界干扰场强[27]。测试结果如图5所示。

图5 阻塞干扰单频敏感度曲线Fig.5 Single frequency susceptibility curve of blocking interference

由图5可得到如下结论。

(1) 受试雷达阻塞干扰敏感频段约为(f0-180)～(f0+160)MHz,明显宽于其标定的f0±100 MHz工作频段;在敏感频段内,临界干扰场强由5.4 dBV/m提高至18.5 dBV/m左右。

(2) 当干扰频偏处于-120～120 MHz时,临界干扰场强总体缓慢上升约10 dB,且受试雷达对频偏-120 MHz的干扰最敏感,明显偏离中心频率,这与接收机内滤波器性能有关。

(3) 当频偏继续向两边扩大时,临界干扰场强分别迅速上升,这与射频滤波器的通带设定有关。

(4) 当频偏超过±200 MHz后,临界干扰场强增速放缓,最终趋于稳定,在两侧形成相对平坦区域。左右两侧的临界干扰场强约为28 dBV/m、35 dBV/m,两者相差7 dB,这与雷达接收机射频前端放大器等元器件的选频特性有关。

(5) 敏感频段外两侧平台区域的临界干扰场强要比带内最敏感处分别高出约23 dB、30 dB。

2.3 假目标干扰试验规律

2.3.1 假目标电平随干扰场强变化规律

试验布置如图2所示,具体试验方法与第2.2.1节类似,不再赘述,结果如图6所示。其中,当干扰频偏为110 MHz、150 MHz时,未出现特征明显的假目标;假目标电平抬升量是相对于无干扰时受试雷达一维距离像的下限电平计算而来的。

图6 假目标电平抬升量随干扰场强变化Fig.6 Change of absolute level rise of false target with interference field strength

由图6可得到如下结论。

(1) 在不同的频偏干扰下,假目标电平抬升量随干扰场强的总体变化趋势基本一致:当干扰场强较小时,雷达工作在线性区,假目标电平随着干扰场强的增加而近似线性增长,说明干扰信号的增益恒定;当干扰场强增大到使系统出现持续非线性失真时,假目标电平抬升量仍随干扰场强的上升而增长,但增速持续下降,说明了干扰信号增益的持续降低;随着干扰场强继续增大,干扰信号饱和,假目标电平基本保持平稳,不随干扰场强的增大而发生变化。试验结果与前文理论分析相符。

(2) 在相同干扰场强下,干扰频偏为0 Hz、30 MHz、70 MHz时，假目标电平抬升量依次降低,频偏较小的干扰信号似乎更容易对受试雷达造成假目标干扰。

(3) 受试雷达在频偏为110 MHz和150 MHz的电磁辐射干扰下未产生假目标,带外电磁辐射似乎不易对受试雷达造成有效的假目标干扰。

2.3.2 假目标干扰单频临界干扰场强测试

下面对受试雷达假目标干扰单频临界干扰场强进行测试,探究频偏对假目标干扰的影响。由图6可知,假目标电平抬升量小于6 dB时,其与干扰场强几乎成线性关系;而高于6 dB后,某些频偏下假目标电平增速放缓。另外,选择较低的数值作为判据可便于试验操作。综上考虑,选择假目标电平抬升6 dB作为假目标干扰敏感判据。据此开展试验得到假目标干扰单频临界干扰场强,如图7所示。