劉冬利，蘭 慧，侯建強(qiáng)

(海軍大連艦艇學(xué)院 信息系統(tǒng)系， 遼寧 大連 116018)

工作頻率是雷達(dá)最重要的戰(zhàn)術(shù)參數(shù)，在雷達(dá)設(shè)計(jì)階段工作頻率的選擇主要考慮雷達(dá)的使命任務(wù)、作用距離、測(cè)量精度、分辨力等因素。雷達(dá)設(shè)計(jì)定型并投入使用以后，一般采用固定頻點(diǎn)工作，在雷達(dá)受到強(qiáng)有源電子干擾時(shí)，雷達(dá)方可通過改變雷達(dá)載頻的方式進(jìn)行反干擾[1-3]。出于雷達(dá)反偵察的考慮，須盡量減小頻率資源暴露，為此雷達(dá)設(shè)計(jì)了多種變頻方式，重點(diǎn)討論雷達(dá)工作頻率的改變對(duì)雷達(dá)性能的影響及如何正確使用變頻方式。

1 變頻對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)性能的影響

雷達(dá)定型裝艦以后，工作的中心頻率一般也就固定了，雷達(dá)工作帶寬一般等于中心頻率的10%左右，這也是雷達(dá)頻率的可變化范圍。但是雷達(dá)工作頻率是一個(gè)牽一發(fā)而動(dòng)全身的參數(shù)，一旦改變將導(dǎo)致雷達(dá)系統(tǒng)中多項(xiàng)性能指標(biāo)的變化。

1.1 改變天線的增益

天線增益G與天線有效面積A和波長λ的關(guān)系如式(1)所示：

(1)

在天線尺寸不變的情況下，工作波長或頻率的變化將導(dǎo)致天線增益的變化，將影響到雷達(dá)作用距離和測(cè)角精度。圖1所示為天線增益隨工作頻率的變化曲線。

圖1 天線增益隨頻率變化曲線

從圖1可以看出：當(dāng)天線尺寸固定時(shí)，天線增益在高頻段的變化要小于低頻段的變化，因此，頻率向高頻的捷變對(duì)天線增益的影響更小。同時(shí)，根據(jù)雷達(dá)頻率變化一般為10%的范圍可以計(jì)算得到：當(dāng)頻率向下變化10%時(shí)，天線增益下降為原來的81%；當(dāng)頻率向上變化10%時(shí)，天線增益則變?yōu)樵瓉淼?.21倍。

1.2 改變饋線的損耗

導(dǎo)行電磁波在波導(dǎo)中傳播時(shí)，不同的工作頻率其傳播衰減不同[4-6]，如圖2所示，在波導(dǎo)工作頻率范圍內(nèi)，衰減量有極小值，雷達(dá)中心頻率一般設(shè)計(jì)在這個(gè)值上，所以當(dāng)雷達(dá)工作頻率無論變大還是變小都將導(dǎo)致饋線損耗加大，從而影響雷達(dá)的輸出功率，導(dǎo)致作用距離下降。

從圖2可以看出，對(duì)TE10波導(dǎo)而言，當(dāng)頻率小于最佳頻率時(shí)，波導(dǎo)損耗的變化較大；當(dāng)頻率大于最佳頻率時(shí)，波導(dǎo)損耗的變化較小。因此，對(duì)捷變頻雷達(dá)而言，頻率向高頻的變化時(shí)，波導(dǎo)損耗的變化較小，對(duì)雷達(dá)的性能影響也較小。

圖2 波導(dǎo)衰減與雷達(dá)工作波長的關(guān)系曲線

1.3 影響發(fā)射機(jī)放大鏈的增益

主振放大式發(fā)射機(jī)的功率放大鏈在整個(gè)工作頻帶范圍內(nèi)的增益是不平坦的，如圖3所示?？梢娎走_(dá)工作頻率工作在邊頻附近時(shí)，其輸出功率將小于中心頻點(diǎn)的功率值，也將導(dǎo)致輸出功率的降低[7]。

圖3 主振放大式發(fā)射機(jī)功率放大鏈增益和頻率的關(guān)系曲線

1.4 影響電磁波的大氣衰減量

圖4給出了在不同仰角時(shí)的雙程衰減分貝數(shù)，它們又與工作頻率有關(guān)。工作頻率升高，衰減增大；而探測(cè)時(shí)仰角越大，衰減減小[8]。

圖4 不同頻率電磁波在大氣中的衰減量曲線

1.5 影響對(duì)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)效果

式(2)描述了為多普勒頻移fd與雷達(dá)與目標(biāo)之間的徑向速度υr和雷達(dá)發(fā)射電磁波的波長λ的關(guān)系[9]：

(2)

式(2)中，fd為多普勒頻移(Hz)；υr為雷達(dá)與目標(biāo)之間的徑向速度(m/s)；λ為雷達(dá)發(fā)射電磁波的波長(m)。

可見，當(dāng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向和速度不變時(shí)，改變發(fā)射頻率將導(dǎo)致多普勒頻移fd的變化，而動(dòng)目標(biāo)顯示濾波器的頻率特性是不變的，所以將導(dǎo)致動(dòng)目標(biāo)處理系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的處理效果的不同。同樣，根據(jù)波長與頻率的關(guān)系可知：多普勒頻率隨雷達(dá)頻率成正比變化。

2 變頻對(duì)雷達(dá)檢測(cè)的改善

2.1 改變目標(biāo)的RCS起伏

目標(biāo)的雷達(dá)散射截面積(RCS)是雷達(dá)工作頻率的函數(shù)，如某飛機(jī)前端截面積和波長的關(guān)系如圖5所示。

圖5 某飛機(jī)前端截面積和波長的關(guān)系曲線

目標(biāo)RCS的起伏有助于對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)[10-11]，因此捷變頻雷達(dá)更容易檢測(cè)目標(biāo)。

2.2 有助于抑制海雜波

由于海面風(fēng)速的影響，海雜波包括快起伏與慢起伏兩個(gè)部分，頻域處理難以區(qū)分海面慢動(dòng)目標(biāo)與海雜波。采用捷變頻可以實(shí)現(xiàn)快起伏海雜波去相關(guān)(即噪聲化)，提高回波信噪比，實(shí)現(xiàn)有用目標(biāo)的檢測(cè)[12-13]。

假設(shè)海面“白帽雜波”(快起伏強(qiáng)相關(guān)海雜波)相關(guān)時(shí)間τc。

一個(gè)水平波束寬度內(nèi)回波脈沖數(shù)：

N0=FrTd

(3)

式(3)中：Fr表示脈沖重復(fù)頻率；Td表示波束駐留時(shí)間。

如果固定頻率時(shí)，等效的相互獨(dú)立脈沖數(shù)：

N1=1+Td/τc

(4)

則脈間固定頻率時(shí)的積累增益：

G1=10logN1

(5)

脈間頻率捷變時(shí)的積累增益：

G2=10logN1-L(N1)

(6)

其中，L(N1)表示積累損失。

積累損失的近似值：

(7)

從圖6可以看出：采用捷變頻雷達(dá)的海雜波積累增益要遠(yuǎn)小于固定頻雷達(dá)，因此，捷變頻雷達(dá)有助于海雜波的抑制。

圖6 海雜波積累增益曲線

2.3 可以消除二次回波

由于發(fā)射信號(hào)頻率捷變，在當(dāng)前脈沖重復(fù)周期內(nèi)，脈沖壓縮的回波信號(hào)只與當(dāng)前發(fā)射時(shí)刻的脈沖頻率相對(duì)應(yīng)，上一周期內(nèi)的“二次”回波與當(dāng)前脈沖頻率并不一致，故此不能被當(dāng)前周期內(nèi)的信號(hào)解調(diào)，因此該體制能夠消除“二次”回波，并且僅能有效接收某個(gè)脈沖重復(fù)周期內(nèi)的回波。如圖7所示，為頻率捷變技術(shù)消除“二次”回波的過程示意圖。

圖7 捷變頻消除二次回波過程示意圖

2.4 實(shí)現(xiàn)波瓣間盲區(qū)互補(bǔ)

對(duì)于海雜波而言，波瓣分裂會(huì)造成波瓣間存在波瓣盲區(qū)，波瓣分裂的盲角位置與天線架設(shè)高度和發(fā)射波長有關(guān)：

(8)

其中，F(xiàn)表示天線方向圖；h表示天線架設(shè)高度；θ表示入射角度；λ表示入射波長。因此，改變天線架設(shè)高度或者改變波長，就可以移動(dòng)盲角位置，實(shí)現(xiàn)波瓣間盲區(qū)互補(bǔ)。如圖8所示。

圖8 捷變頻波瓣盲區(qū)互補(bǔ)示意圖

綜上，雷達(dá)頻率改變后，將導(dǎo)致雷達(dá)性能的一系列變化，有的向有利方向變化，有的向不利方向變化，其定量的綜合影響效果目前尚缺乏試驗(yàn)數(shù)據(jù)，但是變頻的總體效果將導(dǎo)致雷達(dá)檢測(cè)性能的下降。

3 艦載雷達(dá)的主要變頻方式

變頻系統(tǒng)一般具有手動(dòng)變頻、去相關(guān)變頻、偽隨機(jī)變頻、自適應(yīng)捷變頻和脈組變頻等幾種工作方式。

1) 手動(dòng)變頻。手動(dòng)變頻是人工選擇所有工作頻點(diǎn)中的某一個(gè)頻點(diǎn)作為下個(gè)周期的工作頻率，或?qū)⒗走_(dá)設(shè)置為“變頻”工作狀態(tài)的操作。對(duì)于主振放大式發(fā)射機(jī)，工作頻帶內(nèi)有若干頻點(diǎn)可以選擇；對(duì)于單級(jí)震蕩式發(fā)射機(jī)，只能將雷達(dá)置于“變頻”工作狀態(tài)，頻點(diǎn)不可控。

手動(dòng)變頻的優(yōu)點(diǎn)是可以控制暴露頻點(diǎn)的數(shù)目，保護(hù)頻率資源，缺點(diǎn)是無法適應(yīng)強(qiáng)電子戰(zhàn)條件下的工作環(huán)境，因?yàn)槭謩?dòng)變頻后，敵方干擾機(jī)會(huì)馬上截獲輻射信號(hào)，無法達(dá)到真正抗干擾的目的。

2) 自適應(yīng)變頻。當(dāng)雷達(dá)受到窄帶或?qū)拵Ц蓴_時(shí)，為了找到無干擾頻點(diǎn)或干擾最小的頻點(diǎn)，把敵方干擾影響減至最小，可選用自適應(yīng)捷變頻工作方式[14-16]。雷達(dá)在主動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)的主通道中引入獨(dú)立偵察通道完成全頻段偵察，并使用統(tǒng)計(jì)分析對(duì)干擾環(huán)境的偵察結(jié)果，找出無干擾或功率最小干擾頻率點(diǎn)，進(jìn)而控制頻率合成器產(chǎn)生該頻點(diǎn)的雷達(dá)工作頻率，以達(dá)到有效地對(duì)抗敵方的積極干擾。為了防止雷達(dá)在和干擾機(jī)對(duì)抗過程中的頻點(diǎn)暴露，有的雷達(dá)設(shè)置了干擾門限，只有當(dāng)干擾強(qiáng)度超過了最大可容忍的門限值后，下一個(gè)重復(fù)周期才進(jìn)行變頻操作，最大限度的保護(hù)頻率資源。

3) 脈組變頻。脈組變頻[17]主要解決頻率捷變與MTI的兼容問題。在有源干擾與無源干擾同時(shí)需要對(duì)抗的情況下，為了有效地檢測(cè)目標(biāo)，需采用脈組變頻工作方式。MTI是作多脈沖相關(guān)處理，在幾個(gè)脈沖持續(xù)期間內(nèi)雷達(dá)頻率不能改變，否則MTI將無法達(dá)到預(yù)期對(duì)消效果，所以，脈組的工作方式就是在MTI處理期間的一組脈沖內(nèi)發(fā)射頻率不變，下一組脈沖更換至另一工作頻點(diǎn)，可以達(dá)到對(duì)有源干擾與無源干擾的同時(shí)抑制。

4) 去相關(guān)變頻。這種工作方式主要用于削弱海雜波的影響，是以中心頻率及其左右各幾個(gè)頻率點(diǎn)進(jìn)行脈間去相關(guān)。當(dāng)脈間頻率變化范圍大于目標(biāo)尺寸所要求的臨界跳頻頻率時(shí)，可以用此達(dá)到目標(biāo)去相關(guān)的目的，從而減小雷達(dá)目標(biāo)的回波起伏，以提高目標(biāo)的檢測(cè)概率。

5) 偽隨機(jī)變頻。偽隨機(jī)變頻[18]是在每個(gè)雷達(dá)重復(fù)周期內(nèi)，由軟件在雷達(dá)工作頻率范圍隨機(jī)取出一個(gè)頻率作為下個(gè)周期的工作頻率。這種工作方式是通過反偵察的方式進(jìn)行反干擾，破壞敵方電子偵察接收機(jī)對(duì)雷達(dá)信號(hào)的偵察、分選，降低偵察接收機(jī)對(duì)雷達(dá)脈沖信號(hào)的截獲概率。偽隨機(jī)變頻與MTI工作方式不兼容，具有一定的局限性。

4 變頻方式使用策略

綜上所述，從技術(shù)層面講，雷達(dá)載頻在雷達(dá)系統(tǒng)中是牽一發(fā)而動(dòng)全身的影響因素，對(duì)諸多雷達(dá)技戰(zhàn)術(shù)參數(shù)產(chǎn)生較大影響；從戰(zhàn)術(shù)層面講，雷達(dá)載頻是非常重要的戰(zhàn)術(shù)資源，和雷達(dá)波形一樣，在平時(shí)需要重點(diǎn)保護(hù)，以免在戰(zhàn)時(shí)處于不利地位。因此，雷達(dá)載頻的使用需要著重解決變頻使用與隱蔽使用的矛盾、不同變頻方式的使用方法以及與其他信號(hào)處理方式的兼容問題。

4.1 使用時(shí)機(jī)

雷達(dá)受到有源干擾后，一般處置過程包括：干擾類型判別、干擾等級(jí)確定、技術(shù)反干擾、變頻反干擾、體系反干擾。操作員一般通過干擾畫面特征判別干擾類型是噪聲干擾、欺騙干擾或組合干擾，通過干擾在雷達(dá)畫面的主副瓣覆蓋范圍判別干擾等級(jí)，通過副瓣匿隱、濾波等技術(shù)手段削弱干擾強(qiáng)度，當(dāng)技術(shù)手段無效且雷達(dá)必須進(jìn)行反干擾對(duì)抗時(shí)采取變頻操作。雷達(dá)變頻反干擾的使用時(shí)機(jī)是：當(dāng)雷達(dá)受到強(qiáng)有源干擾無法正常工作或完成使命任務(wù)時(shí)，經(jīng)請(qǐng)示授權(quán)后方可進(jìn)行變頻反干擾操作。指揮員根據(jù)戰(zhàn)場態(tài)勢(shì)決定是否采取變頻反干擾操作。

4.2 使用要點(diǎn)

1) 處理好反干擾與反偵察之間的關(guān)系。反干擾與反偵察處于同等重要的地位，平時(shí)以反偵察為重點(diǎn)，戰(zhàn)時(shí)以反干擾成功為重點(diǎn)，準(zhǔn)確把握變頻反干擾的使用時(shí)機(jī)和使用方法，減少頻點(diǎn)暴露，確保戰(zhàn)時(shí)有備用、用之有效果。

2) 把握好變頻反干擾成功的前提條件。變頻反干擾適用于對(duì)抗窄帶瞄準(zhǔn)式干擾以及欺騙干擾，對(duì)于干擾類型和干擾帶寬的準(zhǔn)確判斷是反干擾成功的前提，實(shí)際中依據(jù)戰(zhàn)場環(huán)境和作戰(zhàn)需求選擇正確的變頻方式。

3) 補(bǔ)償變頻反干擾引入的性能損失。采用變頻反干擾操作以后，雷達(dá)的整體探測(cè)性能將出現(xiàn)下降，表現(xiàn)為雷達(dá)最大探測(cè)距離會(huì)下降10%左右，當(dāng)使用脈組變頻與MTI兼容時(shí)由于脈沖積累數(shù)目下降導(dǎo)致作用距離進(jìn)一步下降，當(dāng)使用副瓣匿隱處理時(shí)會(huì)出現(xiàn)干擾剩余等不利情形，需要采用多傳感器協(xié)同等措施加以補(bǔ)償。

4.3 使用決策

變頻方式的使用決策流程如圖9所示。圖9中，干擾類型的判別依據(jù)是雷達(dá)畫面特征，連成片的噪聲狀干擾為噪聲干擾，目標(biāo)狀的干擾為欺騙干擾。手動(dòng)變頻的使用方法為變頻兩次，第一次相對(duì)于中心頻點(diǎn)先上變頻2～5個(gè)頻點(diǎn)，帶寬跨度應(yīng)大于50 MHz；第二次下變頻至偏離中心頻點(diǎn)2～5個(gè)頻點(diǎn)，變頻間隔3～5 s為宜，期間觀察干擾效果，如果干擾現(xiàn)象無變化，則可判為寬帶壓制干擾，否則判為窄帶干擾。MTI的使用依據(jù)是運(yùn)動(dòng)威脅目標(biāo)背景是否存在海雜波或者地物雜波且影響目標(biāo)檢測(cè)。如果雷達(dá)設(shè)計(jì)了帶門限的自適應(yīng)工作方式，應(yīng)首選自適應(yīng)變頻工作方式。

圖9 變頻方式使用決策流程框圖

5 結(jié)論

雷達(dá)變頻方式的使用一直缺乏有效的理論依據(jù)和指導(dǎo)方法，針對(duì)這一問題詳細(xì)分析了載頻變化對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)性能的有利及不利影響，給出了雷達(dá)幾種典型變頻方式的用途及使用條件，最后給出了變頻方式使用決策流程與使用方法。研究結(jié)論對(duì)于雷達(dá)頻率資源的使用具有理論參考價(jià)值和實(shí)際指導(dǎo)意義。