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火控雷達(dá)抗欺騙干擾性能評(píng)估指標(biāo)與仿真*1

李亞南，韓壯志

(軍械工程學(xué)院 電子與光學(xué)工程系，河北 石家莊050003)

摘要：在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，火控雷達(dá)在火力控制系統(tǒng)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用, 其抗欺騙干擾性能的優(yōu)劣對(duì)于雷達(dá)整體性能乃至整個(gè)武器系統(tǒng)效能有著重要影響。當(dāng)前，對(duì)于雷達(dá)抗欺騙性干擾效果評(píng)估的研究相對(duì)較少。在這樣的背景下，探討了適用于火控雷達(dá)距離欺騙干擾性能評(píng)估的指標(biāo)測(cè)試方法。結(jié)合對(duì)火控雷達(dá)的特點(diǎn)和欺騙干擾過程的分析，確定了抗欺騙干擾成功率評(píng)估指標(biāo)和欺騙干擾信號(hào)模型，然后通過仿真對(duì)不同拖引速度下的雷達(dá)抗干擾能力進(jìn)行了評(píng)估。結(jié)果表明，抗欺騙干擾成功率適合用來衡量火控雷達(dá)抗欺騙性干擾的性能，仿真中的指標(biāo)測(cè)試方法對(duì)于研究現(xiàn)役火控雷達(dá)的抗欺騙干擾能力有一定的參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：欺騙性干擾；評(píng)估指標(biāo)；雷達(dá)抗干擾；抗欺騙干擾成功率

0引言

火控雷達(dá)是現(xiàn)代防空系統(tǒng)中的重要組成部分。在復(fù)雜電磁環(huán)境中，火控雷達(dá)的抗干擾能力成為了決定武器裝備效能的關(guān)鍵因素之一，并在一定程度上影響了戰(zhàn)爭(zhēng)的進(jìn)程和結(jié)局。

目前，有源欺騙性干擾是火控雷達(dá)面臨的主要干擾方式之一。由于火控雷達(dá)自身系統(tǒng)的復(fù)雜性以及面臨作戰(zhàn)環(huán)境的多樣性，雷達(dá)界尚未對(duì)火控雷達(dá)抗欺騙干擾性能的評(píng)估以及相關(guān)指標(biāo)的選取形成統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)[1]。文獻(xiàn)[2-4]對(duì)火控雷達(dá)的抗干擾方法進(jìn)行了研究，定性分析評(píng)估了抗欺騙干擾效果；文獻(xiàn)[5]建立了火控雷達(dá)抗干擾性能評(píng)估體系,給出了評(píng)估體系中各個(gè)指標(biāo)因子的計(jì)算方法，但是在實(shí)際應(yīng)用中可能難以對(duì)雷達(dá)的抗干擾性能作出準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)。本文結(jié)合火控雷達(dá)的工作特點(diǎn)和典型干擾信號(hào)環(huán)境，選取了合適的抗有源欺騙干擾性能評(píng)估指標(biāo)，并研究了距離拖引干擾下指標(biāo)的測(cè)試方法，最后以仿真手段對(duì)不同拖引速度下的抗干擾指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估分析，并就如何提高火控雷達(dá)的抗欺騙干擾性能給出了一些建議。

1抗欺騙干擾性能評(píng)估指標(biāo)

對(duì)火控雷達(dá)抗有源欺騙干擾性能進(jìn)行評(píng)估的重要一環(huán)就是確定滿足評(píng)估需要的評(píng)估指標(biāo)。

1.1現(xiàn)有指標(biāo)分析

(1) 雷達(dá)抗欺騙干擾有效概率

雷達(dá)抗欺騙干擾有效概率的表達(dá)式為[5]

P=1-PJ1PJ2PJ3PJ4(1-Pr1)(1-Pr2)(1-Pr3)，

(1)

式中：PJ1,PJ2,PJ3，PJ4分別為干擾方截獲、分選、識(shí)別和模擬雷達(dá)信號(hào)的成功概率；Pr1，Pr2，Pr3分別為雷達(dá)在空域、時(shí)域?qū)Ω蓴_識(shí)別成功的概率以及采用抗欺騙措施時(shí)對(duì)干擾的抗干擾成功概率。

此概率指標(biāo)是統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，涉及到多種概率參數(shù)，它需要進(jìn)行多次可重復(fù)實(shí)驗(yàn)才能獲得，從而給評(píng)估帶來了難度、費(fèi)用和時(shí)間，從可操作性來看并不是一種理想的方法。

(2) 跟蹤誤差

欺騙性干擾的主要對(duì)象是跟蹤雷達(dá)，用跟蹤雷達(dá)的主要評(píng)估指標(biāo)(如跟蹤誤差的變化等)來衡量抗干擾效果是最直接的。跟蹤誤差越小，表明抗干擾效果越好。因此，可用跟蹤誤差來度量抗欺騙干擾效果。

(3) 抗欺騙干擾成功率

設(shè)在某種特定欺騙性干擾條件下進(jìn)行N次仿真或試驗(yàn)，若欺騙干擾成功的次數(shù)為M，則得到在此特定干擾下的抗欺騙干擾成功率[6]：

(2)

運(yùn)用該指標(biāo)的關(guān)鍵點(diǎn)在于如何判定欺騙干擾是否成功。該指標(biāo)通常是通過統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)得到的。

(4) 壓制系數(shù)

壓制系數(shù)的定義為：在規(guī)定跟蹤誤差ΔR下，雷達(dá)接收機(jī)輸入端所需要的干擾-信號(hào)功率比為

(3)

式中：Ps為信號(hào)功率；Pj為干擾功率。

使雷達(dá)產(chǎn)生同等的跟蹤誤差時(shí)，所需的干信比越小，說明欺騙性干擾所產(chǎn)生的干擾效果越好，也說明雷達(dá)的抗欺騙干擾性能越差。該指標(biāo)通常用來評(píng)估干擾機(jī)所產(chǎn)生的各種欺騙性干擾信號(hào)的優(yōu)劣。

(5) 相對(duì)跟蹤精度

雷達(dá)相對(duì)跟蹤精度是指在欺騙性干擾下，雷達(dá)采取抗干擾措施后的測(cè)量精度與未采取抗干擾措施時(shí)雷達(dá)測(cè)量精度的比值，即

(4)

式中：MJo為欺騙性干擾環(huán)境下，雷達(dá)采取抗干擾措施后測(cè)量精度的系統(tǒng)誤差分量；Mmo為欺騙性干擾環(huán)境下，雷達(dá)未采取抗干擾措施時(shí)測(cè)量誤差的系統(tǒng)誤差分量。

(6) 平均目標(biāo)失鎖時(shí)間(MTLL)

平均目標(biāo)失鎖時(shí)間(mean time of lost lock，MTLL)是指干擾方施放欺騙性干擾到雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)丟失目標(biāo)所需要的時(shí)間。MTLL越小，即目標(biāo)施放欺騙性干擾后使雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)越快丟失目標(biāo)，說明干擾效果越好或雷達(dá)抗干擾效果越差。反之，雷達(dá)抗干擾效果越好。

1.2抗欺騙干擾性能評(píng)估指標(biāo)

針對(duì)火控雷達(dá)抗欺騙干擾評(píng)估指標(biāo)的選取，既要考慮評(píng)估的基本要求，更要考慮到實(shí)戰(zhàn)情況下的具體可行性和適應(yīng)性，所選取的評(píng)估指標(biāo)應(yīng)具有直接性、全面性、可比性和可測(cè)性，但不能對(duì)指標(biāo)有過于理想化的想象；且抗欺騙干擾性能作為火控雷達(dá)一項(xiàng)重要戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)，也應(yīng)重點(diǎn)考查其戰(zhàn)術(shù)參數(shù)[7]。

在前面介紹過的評(píng)估雷達(dá)抗欺騙干擾性能的指標(biāo)中：抗干擾有效概率涉及到多個(gè)概率參數(shù)，需要有大量的統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)且計(jì)算復(fù)雜；跟蹤誤差比較直接，但沒有可比性，且難于測(cè)量；壓制系數(shù)并非戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)，通常用來評(píng)估欺騙性干擾信號(hào)的優(yōu)劣；相對(duì)跟蹤精度與跟蹤誤差相比更有可比性，但只適合衡量抗干擾措施的效能，而不是雷達(dá)整機(jī)的抗干擾效果；對(duì)于平均目標(biāo)失鎖時(shí)間，對(duì)時(shí)間的準(zhǔn)確測(cè)量有很大的難度。

抗欺騙干擾成功率是基于效率準(zhǔn)則的一個(gè)指標(biāo)，概念性強(qiáng)，對(duì)各種欺騙干擾均適用，且可通過一定數(shù)量的仿真及試驗(yàn)來得到指標(biāo)值，具有全面性和可操作性，適合用來衡量火控雷達(dá)抗欺騙性干擾的性能。因此，抗欺騙性干擾成功率作為評(píng)估火控雷達(dá)抗欺騙性干擾性能的指標(biāo)是可行的。

2測(cè)試信號(hào)的選擇和產(chǎn)生

火控雷達(dá)引導(dǎo)殺傷性武器對(duì)目標(biāo)進(jìn)行瞄準(zhǔn)式攻擊時(shí)，必須對(duì)目標(biāo)的距離信息和角度信息進(jìn)行精度跟蹤。對(duì)于火控雷達(dá)的欺騙干擾可以分為以下2步驟：在雷達(dá)處于跟蹤狀態(tài)時(shí)，使用拖引干擾，破壞雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的跟蹤；當(dāng)雷達(dá)跟蹤遭到破壞轉(zhuǎn)入搜索狀態(tài)時(shí)，干擾立即轉(zhuǎn)入相干多電子假目標(biāo)干擾，使雷達(dá)花更多的時(shí)間才能轉(zhuǎn)入跟蹤狀態(tài)或者根本就不能對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤。一旦監(jiān)測(cè)到雷達(dá)進(jìn)入跟蹤狀態(tài)，干擾系統(tǒng)就立即轉(zhuǎn)入拖引干擾。

目前火控雷達(dá)面臨的欺騙性干擾主要是距離欺騙干擾，故這里僅討論距離欺騙干擾信號(hào)，包括距離假目標(biāo)干擾和距離波門拖引干擾。

2.1距離假目標(biāo)干擾

距離假目標(biāo)干擾也稱為同步脈沖干擾[8]。設(shè)R，Rf分別為真實(shí)目標(biāo)與假目標(biāo)所在距離，則回波脈沖包絡(luò)時(shí)延tr與干擾脈沖包絡(luò)相對(duì)于雷達(dá)定時(shí)脈沖的時(shí)延tf分別為

tr=2R/c，tf=2Rf/c.

(5)

當(dāng)假目標(biāo)距離與真實(shí)目標(biāo)距離差大于雷達(dá)最小距離分辨單元時(shí)，即

(6)

便形成距離假目標(biāo)干擾。

在一般情況下，干擾機(jī)無法確定Rj，所以tf是未知的，這就要求干擾機(jī)與被保護(hù)目標(biāo)之間具有良好的空間配合關(guān)系，將假目標(biāo)的距離設(shè)置在合適的位置，避免發(fā)生假目標(biāo)與真目標(biāo)的距離重合。因此，假目標(biāo)干擾多于目標(biāo)的自衛(wèi)干擾，以便于同自身目標(biāo)配合[9]。

距離假目標(biāo)干擾仿真如圖1所示。

圖1　距離假目標(biāo)干擾仿真Fig.1　Simulation of range false target jamming

圖1說明了距離假目標(biāo)干擾的過程，實(shí)際上，當(dāng)火控雷達(dá)被假目標(biāo)干擾，即距離跟蹤波門捕獲假目標(biāo)信號(hào)后，雷達(dá)將丟失真目標(biāo)。

2.2距離波門拖引干擾

距離波門拖引(range gate pull off，RGPO)是指干擾機(jī)先以盡量小的時(shí)延轉(zhuǎn)發(fā)接收到的雷達(dá)信號(hào)，再逐漸增加時(shí)延將雷達(dá)距離跟蹤波門從目標(biāo)位置拖開，并最終使雷達(dá)丟失目標(biāo)，達(dá)到干擾雷達(dá)正常工作和掩護(hù)目標(biāo)的目的[10]。一般距離拖引周期包括停拖期、拖引期和關(guān)閉期3個(gè)階段：

距離波門拖引干擾的干擾過程如圖2所示。其中雷達(dá)發(fā)射信號(hào)為單載頻脈沖信號(hào)，脈沖寬度為1 μs， 拖引開始時(shí)目標(biāo)與雷達(dá)徑向距離為20 km，

圖2　距離波門拖引干擾拖引過程Fig.2　Pull process of RGPO jamming

目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度為-50 m/s，干擾為勻速距離拖引，假目標(biāo)拖引速度為300 m/s。

圖2只說明了距離波門拖引的過程，實(shí)際上當(dāng)火控雷達(dá)距離跟蹤波門被干擾信號(hào)拖引上后，雷達(dá)將逐漸丟失目標(biāo)信號(hào)。

3評(píng)估仿真

3.1評(píng)估仿真模型

運(yùn)用抗欺騙干擾成功率作為評(píng)估火控雷達(dá)抗欺騙干擾性能的關(guān)鍵點(diǎn)在于如何判定欺騙干擾是否成功。

對(duì)火控雷達(dá)常用的距離欺騙干擾方式主要有距離假目標(biāo)干擾和距離波門拖引干擾。前者對(duì)雷達(dá)的作用是對(duì)雷達(dá)形成距離假目標(biāo)，掩護(hù)真目標(biāo)，故判斷該干擾方式對(duì)雷達(dá)是否欺騙成功的方法是看火控雷達(dá)距離跟蹤波門是否被欺騙到了假的距離波門上[11]。后者對(duì)雷達(dá)的作用是周期性地拖住雷達(dá)距離跟蹤波門后移或前移，使雷達(dá)丟失目標(biāo)而重新回到搜索狀態(tài)，導(dǎo)致火控雷達(dá)距離跟蹤系統(tǒng)紊亂，故判斷該干擾方式對(duì)雷達(dá)是否欺騙成功的方法是看該干擾能否成功拖引雷達(dá)產(chǎn)生超過規(guī)定的誤差。只要雷達(dá)距離跟蹤誤差超過了一定值，即可判斷欺騙干擾成功[12]。

下面以火控雷達(dá)最常見的距離波門拖引干擾為例，討論火控雷達(dá)抗欺騙性干擾成功概率，即抗拖引干擾成功率的測(cè)試。

3.2仿真結(jié)果分析

用Matlab仿真對(duì)普通單脈沖火控雷達(dá)的距離波門拖引干擾效果，從而統(tǒng)計(jì)得出火控雷達(dá)的抗有源欺騙干擾性能評(píng)估指標(biāo)——抗距離波門干擾成功率，并給出結(jié)果分析。仿真參數(shù)如表1所示。

表1　火控雷達(dá)距離波門拖引干擾仿真主要參數(shù)

干擾機(jī)發(fā)射距離波門拖引干擾信號(hào)的相對(duì)雷達(dá)信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)延遲時(shí)間曲線如圖3所示，圖中給出了5個(gè)距離波門拖引周期的延遲曲線。從圖3中可以看出，在一個(gè)拖引周期的拖引期內(nèi)，在勻速拖引情況下，干擾信號(hào)的轉(zhuǎn)發(fā)延遲時(shí)間成線性增加，表示了拖引距離逐漸增加。

圖3　距離波門拖引信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)延遲時(shí)間曲線Fig.3　Curve of RGPO retransmitted delay time

根據(jù)表1給定的參數(shù)，并假定欺騙干擾機(jī)能成功偵察并準(zhǔn)確模擬了雷達(dá)發(fā)射信號(hào)，仿真得到有距離波門拖引干擾和無距離波門拖引干擾時(shí)的雷達(dá)對(duì)目標(biāo)跟蹤距離曲線，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4　有無距離波門拖引干擾時(shí)雷達(dá)對(duì)目標(biāo)跟蹤距離曲線Fig.4　Curve of radar tracking range with and　　　without RGPO

由圖4中給出的5個(gè)距離波門拖引周期的仿真結(jié)果中，通過比較有距離波門拖引干擾和無距離波門拖引干擾時(shí)的雷達(dá)對(duì)目標(biāo)跟蹤距離曲線可以看出，每個(gè)距離波門拖引周期內(nèi)對(duì)火控雷達(dá)距離跟蹤波門的最大拖引距離達(dá)到了2 100 m。一般規(guī)定拖引干擾導(dǎo)致的距離誤差超過距離波門寬度的一半時(shí)為拖引干擾成功。仿真結(jié)果表明，距離跟蹤誤差已經(jīng)超過了半波門寬度(1 500 m)，則本輪仿真的拖引干擾成功率達(dá)到了100%，亦即火控雷達(dá)的抗拖引干擾成功率為0。出現(xiàn)這樣看似比較絕對(duì)結(jié)果的原因是，該仿真試驗(yàn)中對(duì)雷達(dá)對(duì)抗環(huán)境模擬作了簡(jiǎn)化，如假定了欺騙干擾機(jī)偵察并完全模擬成功了被干擾雷達(dá)的各種信號(hào)參數(shù)等。該仿真結(jié)果表明，在成功偵察和模擬到雷達(dá)發(fā)射信號(hào)后，距離欺騙干擾機(jī)基本能夠成功地對(duì)火控雷達(dá)實(shí)施距離波門拖引干擾。

干擾機(jī)接收到雷達(dá)發(fā)射信號(hào)后，以一定的延遲時(shí)間轉(zhuǎn)發(fā)干擾信號(hào)，根據(jù)表2給出的3種拖引速度下轉(zhuǎn)發(fā)延遲時(shí)間曲線如圖5所示。

表2　不同距離拖引速度干擾仿真參數(shù)

圖5　距離波門拖引干擾信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)延遲曲線Fig.5　Curve of RGPO retransmitted delay time

在這3種拖引速度的距離波門拖引干擾下，雷達(dá)的跟蹤曲線與無干擾時(shí)的跟蹤曲線仿真結(jié)果如圖6所示。

通過比較不同拖引速度的距離波門拖引干擾下雷達(dá)的跟蹤曲線可以看出，不同的拖引速度下最大拖引距離不同。對(duì)于vd=50 m/s，最大拖引距離為500 m/s，而距離波門寬度的一半為750 m，這時(shí)目標(biāo)信號(hào)還留在波門內(nèi)，干擾失敗；對(duì)于vd=300 m/s，最大拖引距離達(dá)到2 917 m/s，完全將波門拖離目標(biāo)，待關(guān)閉干擾后，跟蹤系統(tǒng)重新對(duì)目標(biāo)進(jìn)行搜索，干擾成功；對(duì)于vd=700 m/s，當(dāng)拖引期開始Δt=1.362 s時(shí)，干擾到達(dá)波門后沿。此時(shí)，波門的移動(dòng)速度為vG=408 m/s，仍然小于干擾速度。因此，干擾先于目標(biāo)移出波門，最大拖引距離只有278 m，干擾失敗。

圖6　不同拖引速度干擾下雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的距離跟蹤曲線Fig.6　Curve of radar tracking range with　　　different pull velocities of RGPO

在各5個(gè)周期干擾的仿真中，對(duì)于vd=50 m/s，雷達(dá)的抗欺騙干擾成功率為100%；對(duì)于vd=300 m/s，雷達(dá)的抗欺騙干擾成功率為0；對(duì)于vd=700 m/s，雷達(dá)的抗欺騙干擾成功率為100%。這個(gè)結(jié)果比較絕對(duì)，這是由于取值較為典型并且對(duì)對(duì)抗環(huán)境作了簡(jiǎn)化的結(jié)果。這個(gè)結(jié)果表明，如果干擾成功地模擬雷達(dá)發(fā)射波形并且拖引速度vd在成功拖引的范圍內(nèi)取值，那么，火控雷達(dá)抗欺騙干擾成功概率是非常低的。

4結(jié)束語

本文從火控雷達(dá)抗欺騙性能評(píng)估的需求出發(fā)，將雷達(dá)工作特點(diǎn)和干擾環(huán)境相結(jié)合，提出了以抗欺騙干擾成功率這一指標(biāo)來表征火控雷達(dá)抗欺騙干擾性能的優(yōu)劣。通過建模仿真，對(duì)火控雷達(dá)距離波門拖引干擾效果進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了火控雷達(dá)距離拖引干擾中的參數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)仿真結(jié)果的影響。由于仿真中的模型參數(shù)選取簡(jiǎn)單，對(duì)應(yīng)參數(shù)有所變動(dòng)，仿真結(jié)果也會(huì)隨之變化。在今后的研究工作中還會(huì)加入更真實(shí)的環(huán)境因素，從而獲得更加準(zhǔn)確真實(shí)的研究結(jié)果。

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LI Ya-nan，HAN Zhuang-zhi

(Ordnance Engineering College,Department of Electronics and Optics Engineering，Hebei Shijiazhuang 050003 , China)

Abstract:In modern warfare, fire control radars play a crucial role in the fire control system, and the anti-interference performance merits of deception for the overall performance of the radar and the whole weapon system performance has a significant impact. Currently, there are relatively few studies about radar for anti-deceptive jamming effect evaluation. In this context, the index test method applicable to fire control radar range deception jamming effect evaluation is discussed. First, the radar anti-interference ability deceptive evaluation indicators are introduced based on fire control radar characteristics and deception jamming process analysis to determine the evaluation index and the test signal model; then the radar anti-interference ability is evaluated by using the test model under different towing speeds. The result indicates that the index of deception jamming success rate has a significant performance of radar evaluation. The way to test the active radar jamming capability has some reference value.

Key words:deception jamming;evaluation index;radar anti-jamming;deception jamming success rate

中圖分類號(hào)：TN974；TP391.9

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-086X(2015)-05-0236-06

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2015.05.038

通信地址：050003河北石家莊軍械工程學(xué)院電子與光學(xué)工程系E-mail：gilbert_g@126.com

作者簡(jiǎn)介：李亞南(1988-)，男，河北鹿泉人。碩士生，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)抗干擾。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金青年基金(51107147)

*收稿日期：2014-06-22；修回日期：2014-09-24