基于脉压处理和脉冲积累的压制干扰效果评估

孙剑英，郝继刚，刘 昂，夏 栋

(1.解放军92664部队，山东 青岛 266031；2.海军航空大学青岛校区，山东 青岛 266041)

0 引 言

采用大功率宽带信号的压制干扰是对雷达系统进行干扰的一种有效方式。对雷达系统进行压制干扰的效果可以通过干信比(即进入雷达接收机的干扰信号功率和有用目标回波信号功率的比值)来评估。但是，干扰信号和有用的目标回波信号进入雷达系统后在接收机和信号处理机中会进行匹配滤波、脉冲积累等信号处理，2种信号的处理结果存在较大的差别。有用的目标回波信号经过匹配滤波、脉冲积累等处理后，信噪比会有显著的提升；而干扰信号经过信号处理后，功率也会发生变化。从理论上分析干扰信号功率增加的倍数一定小于有用的目标回波信号增加的倍数，相当于经过信号处理后干信比下降了，这使得干扰机保护目标的暴露区增加了。因此,有必要从干信比和干扰暴露区的角度，定量分析匹配滤波、脉冲积累等信号处理对压制干扰效果的影响。

1 压制干扰下雷达威力评估模型

对雷达施加有源压制干扰时，干扰机、雷达和掩护目标的相对位置如图1所示。干扰机距离被干扰雷达的距离为，被掩护目标与被干扰雷达的距离为，对于雷达而言掩护目标所在方向与干扰机所在方向的夹角为。当=0并且=时，雷达受到的干扰为自卫式干扰。多数情况下≠，此时为志愿干扰或者伴随干扰。无论是哪种情况，到达雷达接收机的有用目标信号的功率计算公式为：

图1 干扰机、雷达、掩护目标位置示意图

(1)

式中：为雷达发射功率；为雷达天线发射增益；为雷达天线接收增益；为雷达发射电磁波波长；为目标反射截面积；为被掩护目标距离雷达的距离；为雷达系统损耗。

进入雷达接收机干扰信号功率计算方法为：

(2)

式中：为干扰机发射功率；为干扰天线增益；()为干扰机方向上雷达天线接收增益；为干扰机相对于雷达所在方向；为电磁波波长；为干扰机距离雷达的距离；为干扰信号在干扰机和进入雷达后的系统内部损耗；为干扰信号与雷达系统极化失配引起的损耗；Δ为雷达接收机带宽；Δ为干扰信号带宽。

根据式(1)和式(2)，得到的干信比为：

式中：为压制系数，通常情况下认为=2时，目标信号被干扰信号淹没，压制干扰有效。

当取=2时，根据式(3)，当存在压制干扰时，雷达对方位上雷达截面积(RCS)为的目标的压制距离为：

(4)

需要注意的是()为干扰机方向上雷达天线接收增益。当=0 时，说明干扰机跟被掩护目标在雷达的同一方向时，()为雷达天线的接收主瓣增益。多数情况下≠0，此时根据主瓣增益和天线方向图获得()为：

()=()

(5)

式中：为主瓣增益；()为天线方向图函数。

雷达天线一般采用面天线，()为近似sinc函数，如图2所示。

图2 极坐标下雷达天线方向图函数

天线方向图函数非常复杂，为了简化计算，()可以按照式(6)近似计算得到:

(6)

其函数曲线如图3所示。

由图2和图3可以看出，从形状上看()的近似公式是将天线方向图函数进行了近似，只取了天线方向图函数极大值的的包络。为雷达天线波束主瓣宽度。的取值范围为0.04～0.1，对于针形波束，则的取值范围为0.06～0.1，而对于波束较宽、增益较低的扇形波束，取值范围为0.04～0.06。

图3 Gr(θ)近似计算结果

2 脉冲压缩和脉冲积累对干信比的影响

2.1 脉冲压缩处理对干信比的影响

为提高距离分辨力，现代雷达几乎全部采用了脉冲压缩体制。脉冲压缩处理是一种典型的频域匹配滤波，它可以得到频域上最优的信噪比。同时由于脉压滤波器对干扰信号不匹配，干扰/信号功率比也会下降。脉冲压缩信号采用的波形包括线性调频和相位编码信号，以线性调频信号为例。线性调频信号的回波数据经过压缩处理后在距离门上的分布为sinc函数的形式。当采用线性调频脉冲压缩时，压缩后的信号输出为：

(7)

式中：为信号带宽；为脉冲宽度；为回波相对于发射脉冲时刻的时延。

当取=10 MHz、=100 μs、=750 μs时，回波在距离(也就是时间)上的分布如图4所示。

图4 信号脉冲压缩处理后的距离分布

脉冲压缩的效果可以用脉冲压缩比表示:

(8)

式中：为压缩前的脉冲宽度；为压缩处理后的脉冲宽度。

根据脉冲压缩处理后的表达式(7)可以得到脉冲压缩比跟带宽和脉冲宽度的关系式：

=

(9)

由于回波脉冲信号被压缩，压缩后的脉冲幅度也变大了。同样根据式(7)可以得到脉冲压缩后信号强度为原来的倍。即经过脉冲压缩处理，有用的目标回波信号的功率增强为：

=

(10)

脉冲压缩处理提高了回波信号的功率，而脉压滤波器与干扰信号不匹配，干扰信号不会被放大，那么干信比会下降为原来的1。同样，相位编码信号的脉压处理使信号功率增加倍数与线性调频信号一致，相位编码脉压处理也会使干信比下降为原来的1。

2.2 脉冲积累对干信比的影响

脉冲积累通过对单个天线扫描周期里面多个脉冲积累提高信号的功率。当雷达系统采用非相参积累时，干扰信号也会被积累，干信比不会变化。但是雷达系统采用相参积累时，由于积累后的回波信号功率正比于积累脉冲个数，但是干扰信号不能在雷达系统内部实现相参积累，干扰积累功率增加倍数小于信号增加倍数。设雷达系统单个天线扫描周期内的脉冲积累个数为，那么积累后的干扰信号功率为：

(11)

积累后的回波信号功率为：

=

(12)

2.3 脉压处理和脉冲积累修正下的干扰方程

脉冲压缩处理和脉冲积累不同程度地改变了有用的目标回波信号和干扰信号的功率。根据式(10)和式(12)综合考虑脉冲压缩和相参后脉冲积累后的回波信号功率为：

=

(13)

而经过脉冲压缩处理和脉冲积累后的干扰信号功率如式(11)所示。那么经过2种信号处理后的干信比应该为：

(14)

根据式(14)可以得到考虑脉压处理和脉冲积累影响的压制距离为：

(15)

3 仿真分析

根据上一节得到的雷达压制距离方程，对压制干扰效果进行仿真，仿真参数取值如表1所示。

表1 雷达和干扰机工作参数

被掩护目标的雷达反射截面积为10 m，式(6)中近似因子取0.8，压制系数取=2，极化失配因子=05。根据上述参数、式(4)和式(6)，得到目标最大探测距离随目标进入角度的关系如图5所示，角度单位为°，距离单位为km。

图5 进入接收机的干信比对应的目标暴露区

在图5中，心形包线是在不同方向上雷达对被保护目标的最大探测距离，即探测威力。包线以内的区域为雷达暴露区，被掩护目标进入该区域后将会被雷达探测到；包线以外的区域为干扰压制区，被掩护目标在该区域时雷达被干扰压制，目标不会被发现。从图5可以看出，掩护目标所在方向与干扰方向的夹角小于30°时，压制效果较好。当超过30°后干扰压制区域只能在20 km以外。

干扰信号和目标有用信号进入接收机后，雷达系统对两类信号进行脉冲压缩匹配滤波和脉冲积累处理。设雷达采用相参积累体制，积累脉冲个数=25，而脉冲压缩比=100。那么根据式(6)和式(15)，经过脉压处理和脉冲积累修正后的雷达对掩护目标的威力范围如图6所示。

图6 脉压处理与脉冲积累对目标暴露区的影响

由图6可以得到以下结论：

(1) 脉压压缩和脉冲积累都会增加雷达暴露区，减小干扰抑制区，也就是说脉冲压缩和脉冲积累处理削弱了压制干扰的效果。

(2) 相对于脉冲积累来讲，脉冲压缩对干扰抑制区减小的影响程度更大。

(3) 脉冲压缩和脉冲积累2种处理方式叠加后，干扰抑制区被剧烈削减，此时除了进入方向30°范围以内有较好的压制效果，30°以外进入方向的压制距离都超过了100 km。

4 结束语

对雷达施加压制干扰时，由于雷达系统对目标回波信号进行了脉冲压缩和脉冲积累处理，信号功率得到了提升，使得压制效果得到削减。其中，脉冲压缩处理对干扰压制效果的影响要大于脉冲积累。当2种处理的影响叠加后，干扰压制效果被剧烈衰减，此时只有从干扰机所在方向30°范围以内进入的目标能够得到较好的干扰掩护。