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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
关键词:接收机增益天线

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。

图4 不同距离上压制干扰效果

图5 不同距离上假目标形成区域

4 结束语

本文介绍了某机载预警雷达的组成、功能和相关工作模式,对其主要指标进行反推演算,拟合了其天线方向图;在此基础上,基于随队干扰场景,对主副瓣侦察和干扰所需的灵敏度、有效辐射功率指标进行计算,并给出干扰效能仿真图。

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