刘冬利，兰 慧，侯建强

(海军大连舰艇学院 信息系统系， 辽宁 大连 116018)

工作频率是雷达最重要的战术参数，在雷达设计阶段工作频率的选择主要考虑雷达的使命任务、作用距离、测量精度、分辨力等因素。雷达设计定型并投入使用以后，一般采用固定频点工作，在雷达受到强有源电子干扰时，雷达方可通过改变雷达载频的方式进行反干扰[1-3]。出于雷达反侦察的考虑，须尽量减小频率资源暴露，为此雷达设计了多种变频方式，重点讨论雷达工作频率的改变对雷达性能的影响及如何正确使用变频方式。

1 变频对雷达系统性能的影响

雷达定型装舰以后，工作的中心频率一般也就固定了，雷达工作带宽一般等于中心频率的10%左右，这也是雷达频率的可变化范围。但是雷达工作频率是一个牵一发而动全身的参数，一旦改变将导致雷达系统中多项性能指标的变化。

1.1 改变天线的增益

天线增益G与天线有效面积A和波长λ的关系如式(1)所示：

(1)

在天线尺寸不变的情况下，工作波长或频率的变化将导致天线增益的变化，将影响到雷达作用距离和测角精度。图1所示为天线增益随工作频率的变化曲线。

图1 天线增益随频率变化曲线

从图1可以看出：当天线尺寸固定时，天线增益在高频段的变化要小于低频段的变化，因此，频率向高频的捷变对天线增益的影响更小。同时，根据雷达频率变化一般为10%的范围可以计算得到：当频率向下变化10%时，天线增益下降为原来的81%；当频率向上变化10%时，天线增益则变为原来的1.21倍。

1.2 改变馈线的损耗

导行电磁波在波导中传播时，不同的工作频率其传播衰减不同[4-6]，如图2所示，在波导工作频率范围内，衰减量有极小值，雷达中心频率一般设计在这个值上，所以当雷达工作频率无论变大还是变小都将导致馈线损耗加大，从而影响雷达的输出功率，导致作用距离下降。

从图2可以看出，对TE10波导而言，当频率小于最佳频率时，波导损耗的变化较大；当频率大于最佳频率时，波导损耗的变化较小。因此，对捷变频雷达而言，频率向高频的变化时，波导损耗的变化较小，对雷达的性能影响也较小。

图2 波导衰减与雷达工作波长的关系曲线

1.3 影响发射机放大链的增益

主振放大式发射机的功率放大链在整个工作频带范围内的增益是不平坦的，如图3所示。可见雷达工作频率工作在边频附近时，其输出功率将小于中心频点的功率值，也将导致输出功率的降低[7]。

图3 主振放大式发射机功率放大链增益和频率的关系曲线

1.4 影响电磁波的大气衰减量

图4给出了在不同仰角时的双程衰减分贝数，它们又与工作频率有关。工作频率升高，衰减增大；而探测时仰角越大，衰减减小[8]。

图4 不同频率电磁波在大气中的衰减量曲线

1.5 影响对动目标的检测效果

式(2)描述了为多普勒频移fd与雷达与目标之间的径向速度υr和雷达发射电磁波的波长λ的关系[9]：

(2)

式(2)中，fd为多普勒频移(Hz)；υr为雷达与目标之间的径向速度(m/s)；λ为雷达发射电磁波的波长(m)。

可见，当目标运动方向和速度不变时，改变发射频率将导致多普勒频移fd的变化，而动目标显示滤波器的频率特性是不变的，所以将导致动目标处理系统对目标的处理效果的不同。同样，根据波长与频率的关系可知：多普勒频率随雷达频率成正比变化。

2 变频对雷达检测的改善

2.1 改变目标的RCS起伏

目标的雷达散射截面积(RCS)是雷达工作频率的函数，如某飞机前端截面积和波长的关系如图5所示。

图5 某飞机前端截面积和波长的关系曲线

目标RCS的起伏有助于对目标的检测[10-11]，因此捷变频雷达更容易检测目标。

2.2 有助于抑制海杂波

由于海面风速的影响，海杂波包括快起伏与慢起伏两个部分，频域处理难以区分海面慢动目标与海杂波。采用捷变频可以实现快起伏海杂波去相关(即噪声化)，提高回波信噪比，实现有用目标的检测[12-13]。

假设海面“白帽杂波”(快起伏强相关海杂波)相关时间τc。

一个水平波束宽度内回波脉冲数：

N0=FrTd

(3)

式(3)中：Fr表示脉冲重复频率；Td表示波束驻留时间。

如果固定频率时，等效的相互独立脉冲数：

N1=1+Td/τc

(4)

则脉间固定频率时的积累增益：

G1=10logN1

(5)

脉间频率捷变时的积累增益：

G2=10logN1-L(N1)

(6)

其中，L(N1)表示积累损失。

积累损失的近似值：

(7)

从图6可以看出：采用捷变频雷达的海杂波积累增益要远小于固定频雷达，因此，捷变频雷达有助于海杂波的抑制。

图6 海杂波积累增益曲线

2.3 可以消除二次回波

由于发射信号频率捷变，在当前脉冲重复周期内，脉冲压缩的回波信号只与当前发射时刻的脉冲频率相对应，上一周期内的“二次”回波与当前脉冲频率并不一致，故此不能被当前周期内的信号解调，因此该体制能够消除“二次”回波，并且仅能有效接收某个脉冲重复周期内的回波。如图7所示，为频率捷变技术消除“二次”回波的过程示意图。

图7 捷变频消除二次回波过程示意图

2.4 实现波瓣间盲区互补

对于海杂波而言，波瓣分裂会造成波瓣间存在波瓣盲区，波瓣分裂的盲角位置与天线架设高度和发射波长有关：

(8)

其中，F表示天线方向图；h表示天线架设高度；θ表示入射角度；λ表示入射波长。因此，改变天线架设高度或者改变波长，就可以移动盲角位置，实现波瓣间盲区互补。如图8所示。

图8 捷变频波瓣盲区互补示意图

综上，雷达频率改变后，将导致雷达性能的一系列变化，有的向有利方向变化，有的向不利方向变化，其定量的综合影响效果目前尚缺乏试验数据，但是变频的总体效果将导致雷达检测性能的下降。

3 舰载雷达的主要变频方式

变频系统一般具有手动变频、去相关变频、伪随机变频、自适应捷变频和脉组变频等几种工作方式。

1) 手动变频。手动变频是人工选择所有工作频点中的某一个频点作为下个周期的工作频率，或将雷达设置为“变频”工作状态的操作。对于主振放大式发射机，工作频带内有若干频点可以选择；对于单级震荡式发射机，只能将雷达置于“变频”工作状态，频点不可控。

手动变频的优点是可以控制暴露频点的数目，保护频率资源，缺点是无法适应强电子战条件下的工作环境，因为手动变频后，敌方干扰机会马上截获辐射信号，无法达到真正抗干扰的目的。

2) 自适应变频。当雷达受到窄带或宽带干扰时，为了找到无干扰频点或干扰最小的频点，把敌方干扰影响减至最小，可选用自适应捷变频工作方式[14-16]。雷达在主动探测系统的主通道中引入独立侦察通道完成全频段侦察，并使用统计分析对干扰环境的侦察结果，找出无干扰或功率最小干扰频率点，进而控制频率合成器产生该频点的雷达工作频率，以达到有效地对抗敌方的积极干扰。为了防止雷达在和干扰机对抗过程中的频点暴露，有的雷达设置了干扰门限，只有当干扰强度超过了最大可容忍的门限值后，下一个重复周期才进行变频操作，最大限度的保护频率资源。

3) 脉组变频。脉组变频[17]主要解决频率捷变与MTI的兼容问题。在有源干扰与无源干扰同时需要对抗的情况下，为了有效地检测目标，需采用脉组变频工作方式。MTI是作多脉冲相关处理，在几个脉冲持续期间内雷达频率不能改变，否则MTI将无法达到预期对消效果，所以，脉组的工作方式就是在MTI处理期间的一组脉冲内发射频率不变，下一组脉冲更换至另一工作频点，可以达到对有源干扰与无源干扰的同时抑制。

4) 去相关变频。这种工作方式主要用于削弱海杂波的影响，是以中心频率及其左右各几个频率点进行脉间去相关。当脉间频率变化范围大于目标尺寸所要求的临界跳频频率时，可以用此达到目标去相关的目的，从而减小雷达目标的回波起伏，以提高目标的检测概率。

5) 伪随机变频。伪随机变频[18]是在每个雷达重复周期内，由软件在雷达工作频率范围随机取出一个频率作为下个周期的工作频率。这种工作方式是通过反侦察的方式进行反干扰，破坏敌方电子侦察接收机对雷达信号的侦察、分选，降低侦察接收机对雷达脉冲信号的截获概率。伪随机变频与MTI工作方式不兼容，具有一定的局限性。

4 变频方式使用策略

综上所述，从技术层面讲，雷达载频在雷达系统中是牵一发而动全身的影响因素，对诸多雷达技战术参数产生较大影响；从战术层面讲，雷达载频是非常重要的战术资源，和雷达波形一样，在平时需要重点保护，以免在战时处于不利地位。因此，雷达载频的使用需要着重解决变频使用与隐蔽使用的矛盾、不同变频方式的使用方法以及与其他信号处理方式的兼容问题。

4.1 使用时机

雷达受到有源干扰后，一般处置过程包括：干扰类型判别、干扰等级确定、技术反干扰、变频反干扰、体系反干扰。操作员一般通过干扰画面特征判别干扰类型是噪声干扰、欺骗干扰或组合干扰，通过干扰在雷达画面的主副瓣覆盖范围判别干扰等级，通过副瓣匿隐、滤波等技术手段削弱干扰强度，当技术手段无效且雷达必须进行反干扰对抗时采取变频操作。雷达变频反干扰的使用时机是：当雷达受到强有源干扰无法正常工作或完成使命任务时，经请示授权后方可进行变频反干扰操作。指挥员根据战场态势决定是否采取变频反干扰操作。

4.2 使用要点

1) 处理好反干扰与反侦察之间的关系。反干扰与反侦察处于同等重要的地位，平时以反侦察为重点，战时以反干扰成功为重点，准确把握变频反干扰的使用时机和使用方法，减少频点暴露，确保战时有备用、用之有效果。

2) 把握好变频反干扰成功的前提条件。变频反干扰适用于对抗窄带瞄准式干扰以及欺骗干扰，对于干扰类型和干扰带宽的准确判断是反干扰成功的前提，实际中依据战场环境和作战需求选择正确的变频方式。

3) 补偿变频反干扰引入的性能损失。采用变频反干扰操作以后，雷达的整体探测性能将出现下降，表现为雷达最大探测距离会下降10%左右，当使用脉组变频与MTI兼容时由于脉冲积累数目下降导致作用距离进一步下降，当使用副瓣匿隐处理时会出现干扰剩余等不利情形，需要采用多传感器协同等措施加以补偿。

4.3 使用决策

变频方式的使用决策流程如图9所示。图9中，干扰类型的判别依据是雷达画面特征，连成片的噪声状干扰为噪声干扰，目标状的干扰为欺骗干扰。手动变频的使用方法为变频两次，第一次相对于中心频点先上变频2～5个频点，带宽跨度应大于50 MHz；第二次下变频至偏离中心频点2～5个频点，变频间隔3～5 s为宜，期间观察干扰效果，如果干扰现象无变化，则可判为宽带压制干扰，否则判为窄带干扰。MTI的使用依据是运动威胁目标背景是否存在海杂波或者地物杂波且影响目标检测。如果雷达设计了带门限的自适应工作方式，应首选自适应变频工作方式。

图9 变频方式使用决策流程框图

5 结论

雷达变频方式的使用一直缺乏有效的理论依据和指导方法，针对这一问题详细分析了载频变化对雷达系统性能的有利及不利影响，给出了雷达几种典型变频方式的用途及使用条件，最后给出了变频方式使用决策流程与使用方法。研究结论对于雷达频率资源的使用具有理论参考价值和实际指导意义。