有源压制干扰下雷达探测距离分析与计算.doc

3有源压制干扰下雷达探测距离分析与计算陈淦涛1 ,2 , 许 稼1 , 高 效3 , 刘明录1 , 屈军亮1 , 聂明新2(1 . 清华大学电子工程系 , 北京 100083 ;2 . 武汉理工大学信息学院 , 湖北武汉 430060 ;3 . 空军装备研究院 , 北京 100091)摘 要 : 现代战争电磁环境日益复杂 ,急需有效手段计算和评估传感器的实际性能指标 。针对雷达复 杂探测环境 ,深入分析了有源压制性干扰等影响雷达威力范围的诸要素 。进而 ,联合现有噪声条件下雷达 探测距离和干扰条件下雷达自卫距离计算方法 ,推导得到了修正的有源压制干扰下雷达探测距离计算新方 法 。新方法物理含义明确 ,计算简明 ,同时避免了现有自卫距离计算的不合理性 。最后 ,基于实际背景的数 值仿真结果证明了该方法的有效性 。关键词 : 雷达方程 ; 探测距离 ; 自卫距离 ; 有源压制干扰 ; 系统仿真中图分类号 : TN958 ; TN953 + . 7文章编号 :167222337 (2011) 0120013205文献标识码 : AAnalysis and Calculation of Ra dar Detection Range withActive Blanket Ja mmingC H EN Gan2t ao 1 ,2 , XU J ia 1 , GAO Xiao 3 ,L IU Mi ng2l u1 ,Q U J un2lia ng1 ,N I E Mi ng2xi n2( 1 .2 .3 .De p a rt ment o f El ect roni c En g i nee ri n g , Tsi n g h u a U ni ve rsi t y , B ei j i n g 100084 , Chi na; Col le ge o f I n f or m at i on , W u h an T ec h nol o g y U ni ve rsi t y , W u h an 430060 , Chi na;Equi p ment Resea rc h I nst i t ute , B ei j i n g 100091 , Chi na)Abstract : The elect ro n magnetic enviro nment beco me s mo re a nd mo re co mplicated. It i s ur gent to p ro2 po se eff ective met ho d to calculate , analyze and eval uate t he real perfo r ma nce of mo der n senso r s. Fo r t he co m2 plicated rada r detectio n enviro nment , t hi s p aper a nalyze s t he f acto r s aff ecting rada r detectio n range under t he co nditio n of active bla nket ja mming. Ba sed o n t he ma xi mum det ectio n range under noi se backgro und a nd t he self2def ense ra nge under ja mming enviro nment , we derive a mo dified met ho d fo r radar detectio n range calcula2 tio n . The p ropo sed met ho d ha s a n explicit p hysical mea nings and simple calculatio n p rocess. It ca n o verco me so me ir ratio nal ca ses fo r t he exi sting self2def ense ra nge calculatio n. Fi nally , so me real simulatio n re sult s un2 der a real backgro und a re p ro vided to demo nst rate t he eff ectiveness of t he p ropo sed met ho d.Key words : radar equatio n ; detectio n range ; self2defense range ; active blanket jamming ; system simulatio n达不再是单部雷达孤军作战 , 而 是逐 步 朝着 雷达组网的方向发 展 。同时 , 现 代雷 达组 网 急需 提出 有效的建模 、仿 真和 显示 手 段 , 有 效 表征 噪声 、杂波 、干扰等多种因素对单部和整体雷达网的影响 ,进而通过准确直观的二维 、三维 显示 方 式辅 助组 网探测的建设 、决策和使用 。然而 , 现有的雷达性能评估和仿真计算方法通常针对孤立的对象和环境 , 难 以综 合 考虑 多种 因素对于雷达 探 测的 影响 。并且 , 由 于 参数 不完 整或环境描述不准确 , 常常会出 现雷 达 威力 范围计算的不准确 和 不合 理 。例 如 , 常规 的 雷达 方程1引 言现 代 雷 达 工 作 环 境 中 影 响 探 测 性 能 因 素 众多 ,有效描述和评估雷达的实际 威力 范 围始 终是雷达研制和应用的重要研究内容和关键技术 126 。 随着理论技术的进步和发展 , 现 代雷 达 正朝 着兼 顾检测 、定位 、跟踪 、成像 、识别等多功能一体化的方向发展 123 。但是 ,在日益复杂的电磁环境中 ,现 代雷达也面临着电子干扰 、反辐射导弹 、隐身目标 和超低空突防等 日益 严 峻的 威胁 。为此 , 现 代雷3 收稿日期 : 2010208217 ; 修回日期 : 2010211202基金项目 : 国家自然科学基金 (No. 60971087) ; 部委基金 (No. 9140A07011810J W01) ; 航天创新基金 (No. 200904) ; 航空科学基金 (No. 20080158001)雷达科学与技术第 9 卷第 1 期142 2主要描述系统噪声对于雷达探 测的 影响 , 难 以综合描述和评价对雷达探测距离的影响 123 。而针对 有源干扰的雷达自卫距离方程通常基于强干扰假设 ,且计算涉及参数和因子较多 。因此 ,参数设置不准确就可能导致最终结果存 在较 大误 差 , 甚至 会出现雷达自卫距离大于噪声下雷达最大探测距离情况 223 。在综合分析现有文献基础上 ,本文联合现有噪声条件下雷达探测距离和干扰条件下雷 达自卫距离的计算方法 , 推导出 了一 种 新的 方法计算雷 达 在 有 源 干 扰 情 况 下 作 用 距 离 的 计 算 公 式 。新方法的计算公式是现有噪声最大探测距离和雷达自卫距离的函数 ,公式物理含义明确 ,计算 简明 ,同时避免了现有自卫距离计算的不合理性 。 最后 ,基于实际背景的数值仿真 结果 证 明了 本文方法的有效性 。= ( P G t) 1/ 4Rmax=( 4) 3 N 0 S N R min L r22Pt G) 1/ 4( 4)( 4) 3 k T 0 FB r S N R min L r式中 , Rma x 为理想情况下雷达的最大探测距离 。2 . 2有源干扰下雷达自卫距离复杂电子环境中有源干扰主要分为瞄准式干 扰 (点频) 和阻塞式干扰 。由于现代雷达可采取宽 频带捷变对抗瞄准式干扰 , 瞄准 式干 扰 通常 难以 奏效 。有效的干 扰 方式 通常 采用 阻 塞式 干扰 , 也 就是干扰机对雷达整个工作频段进行阻塞式的干 扰 。在释放有效 的 压制 性干 扰时 , 单 部 干扰 机进 入雷达的功率 2 为Pj Gj () Gr ( <)2j 1 ·( 5)J =( 4) 2 R2j L jKr式中 , Pj 为干扰机的发射功率 ;为雷达波长 ; Rj 为干扰机和雷达之间的距离 ; L j 为干扰机的系统损 失 ;j 为干扰信号对雷达天线的极化损失 ; Kr 为雷 达的抗干扰因子 ; Gj () 为干扰机在雷达方向上的 增益 ; Gr ( <) 为雷达天线在干扰机方向上的增益 。其中为干扰机对雷达的定位误差角 , 它为干扰机的干扰指向和干扰机与雷达连线之间的夹角 ; 而 <就是雷达主瓣指向和雷达与干扰机连线之间的夹 角 。Gr ( <) 为在偏离雷达 < 角度时的接收增益 , 可2雷达探测范围的计算实际影响雷达探测因素众 多 , 本 文 主要 考虑系统热噪声和人为压制性干扰对于雷达探测的影响 。在不考虑杂波 的条 件下 , 首 先介 绍 雷达 在受 噪声和干扰情况下雷达探测距 离的 计算 方法 , 进 而得到本文的新 方法 。在理 想 状况 下 , 根据 雷达 方程雷达可得接收目标回波功率 1 为Pt G2 2S =( 1)( 4) 3 R4 L r经验公式定义 3 为由式中 , Pt 为雷达的发射功率 ; G为雷达增益 ;为目标的雷达截面积 ( RCS) ; R 为目标到雷达的距离 ; L r 为雷达的系统损耗 ;为雷达波的波长 。下面 ,我们分别给出现有的噪声雷达方程和干扰自卫方程 。 B 0 . 5G ,| <|B 0 . 52< | <|B 0 . 52K ()<Gr ( <) =G ,90° ( 6)2K ( B 0 . 5 ) 2 G ,90°< | <| 180°90°2 . 1噪声环境雷达最大探测距离理想情况下 ,雷达只受到自身热噪声的影响 ,雷达接收机的内部噪声由下式表示 :式中 , G 为雷达增益 ; B 0 . 5 为雷达天线的波瓣宽度 ;K 为与雷达天线特性有关的常数 , 一般取 0 . 040 . 1 之间 。一般情况下 , 雷达接收机接收的干扰功率远 大于雷达接收机内部的噪声 功率 , 通 常 可忽 略内部噪声对雷达 的 影响 。此时 , 雷 达的 最 大探 测距离由一定发现概率和虚警概率下的最小可检测信 干比来决定 , 不同的系统根据具 体的 探 测要 求对最小可检测信干比的要求也不一样 。本文定义雷 达最小可检测信干比等于雷达接收机在只受噪声影响时的最小可检测信噪比 , 此 时雷 达 能够 发现 目标的距离称为雷达的自卫距离 。相对于干扰机N 0 = k T 0 FB r( 2)式中 , k = 1 . 38 ×10 - 23 J / K; T0 = 290 K为标准室温 ;F 为雷达的噪声系数 ; B r 为雷达接收机的工作带 宽 。因此 , 雷达探测距离只由一定指标下 ( 即给定发现概率和虚警概率) 的信噪比来决定 。雷达能够 探测到距离为 R 的目标 , 通常需要在给定虚警概率情况下 ,满足一定的探测概率 ,即SN 0 = S N R min( 3)雷达最大探测距离 1 为© 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 陈淦涛 :有源压制干扰下雷达探测距离分析与计算2011 年第 1 期15来说 ,这个距离也称为雷达烧穿距离 4 。对应的信干比要求为把式 (4) 、(12) 和 ( 13) 代入式 ( 11) 得到一般情况下雷达探测距离 :( 7)R44S J =S N R minmax Rt1/ 4()( 14)R nj=4 4Rt + Rmax由于针对雷达的干扰机可能不止一部 , 所以雷达接收到的干扰功率应是所有 N j 部干扰机进入 雷达的功率 , 即至此 ,我们得到了联合考虑噪声和干扰条件下的雷达作用距离公式 。由于有源压制式干扰看成是 雷达噪声的一部分 ,所以修正后探测距离是只考虑 噪声影响时的雷达探测距离和只考虑干扰影响时自卫距离的函数 。同时 ,新方法可以视为是对噪声条 件下作用距离和干扰影响时自卫距离的修正公式 。此时 ,新方法可以由原来的作用距离和自卫距离直 接得到 ,可以解决因为忽略雷达 内部 噪 声而 带来的误差问题 。同 时 , 也可 以 避免 因为 参 数不 完整或者数据不准确而出现的仿真时雷达的自卫距离 可能大于雷达的最大探测距离这一情况 。N jN j2 B r Pj Gj () Gr ()jJ i = ( 4) 2 K( 8)R2 B Lr j = 1j j ji = 1把式 (4) 和式 ( 8) 代入式 ( 7) 可得多干扰源下雷达的自卫距离为n t tK r 2R2 Bj L jRt = ( 1P Gj) 1/ 4 ( 9)4 B r S N R min L r j = 1Pj Gj () Gr ()j2 . 3修正的干扰条件下雷达探测距离计算方法上面提到的受干扰情况下的雷达探测距离是 假设干扰功率远大于雷达接收 机内 部噪 声功 率 , 只有在雷达接收到的干扰功率比雷达接收机内部 噪声功率大 10 dB 时才可以忽略雷达接收机内部 噪声 5 。在实际情况下 ,雷达接收的干扰功率并不 总与雷达内部噪声功率相差那 么大 , 此 时忽 略雷 达内部噪声就会引起误差 。同时由于雷达仿真中 雷达参数的不完整性或者不准 确性 , 在 计算 雷达 自卫距离时 , 甚至可能出现雷达 在干 扰 情况 下自 卫距离大于雷达的最大探测距 离的 情况 , 显 然这 种情况是明显不合理的 。无论是否考虑干扰 , 雷达接收的信号功率是 不变的 。而综合考虑噪声和干扰的合成噪声功率 N 可以把它看成是进入雷达接收机的 N j 部干扰机 干扰功率和接收机内部噪声功率 N 0 的叠加 , 即N j33 . 1仿真实例与分析仿真分析为验证本文方法的合理性 , 设计仿真系统如下 : 雷达发射功率Pt 为 2000 k W , 雷达增益 G 为40 dB , 雷达波长为 10 cm , 目标 RCS 为 2 m2 , 雷达噪声系数 F 为 3 dB , 雷达系统损失为 1 dB , 雷达的抗 干扰因子为 16 dB 。雷达接收机带宽为 4 M Hz , 干扰机的工作带宽为 1 . 2 GHz , 干扰机发射功率Pj 为400 W , 发射增益 Gj 为 10 dB , 干扰机所在的海拔高度假 设 为 5000 m , 干 扰 机 与 雷 达 之 间 的 距 离 为280 k m 。根据以上参数设置 ,只考虑雷达内部噪声 情况下雷达最大探测距离为 339 km 。而根据式 (9)得到的只考虑干扰的自卫距离和在不同高度层中的探测距离如表 1 所示 。表中最小探测距离表示雷达 受干扰机影响最大的方向的最大探测距离 。表 1 现有式( 9) 自卫距离计算结果N = J i + N 0( 10)i = 1在判断雷达是否检测到目 标时 , 采 用在 一定发现概 率 和 虚 警 概 率 下 的 雷 达 最 小 可 检 测 信 噪 比 ,即2高度层/ m 最大探测距离/ km最小探测距离/ km探测面积/ km S = S 50008000100002000035435435435434627195199389199646200034200786=S N R min( 11)N jNJ i + N 0i = 1判定雷达刚好发现目标 。而由式 (4) 得由表 1 中数据可以看出 ,这种情况下雷达的最大探测距离大于雷达在只受噪声影响时的最大探 测距离 ,显然这是 不 合理 的 。根 据本 文 修正 后的雷达自卫距离式 (14) 得到的探测距离如表 2 所示 。 显然 ,表 2 给出的修正后的探测距离相对于表 1 中的来说更为合理 。2 2P Gt( 12)N 0 =( 4) 3 R4 ax S N R min L rm由式 (8) 和式 (9) 得N jPt G22t1J i =( 13)( 4) 3 R4S N RLtmin ri = 1© 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 雷达科学与技术第 9 卷第 1 期16表 2 式( 14) 自卫距离计算结果高度层/ m 最大探测距离/ km最小探测距离/ km探测面积/ km250008000100002000028128128128133 . 7606995148470148618148834149551在受干扰影响较大时现有式 ( 9 ) 自卫距离基本合理 ,而在干扰影响较小时本文式 ( 14) 的 自卫 距离更为合理 。这是因为当雷达受到干扰影响较严重时 ,雷达接收机收到的干扰 功率 远 大于 内部 噪声功率 ,可忽略雷达内部噪声影响 ,考虑内部噪 声后的 修 正 相 对 于 忽 略 噪 声 的 自 卫 距 离 相 差 不 大 。而当雷达在受 干扰 影响 较 小时 , 雷 达内 部噪 声则不能被忽略 , 这时若忽略噪 声影 响 则会 引起较大误差 。所以 , 在 考 虑噪 声前 和考 虑 噪声 后的 自卫距离相差较大 , 数值仿真的 试验 结 果验 证了 上述原理 。图 2单部干扰机下 5000 m 高度层的雷达探测范围3 . 2 仿真结果(1) 单部雷达受到单部干扰机影响 进一步验证本文方法的正确性 ,给出不同计算方法在实际背景中威力范围的计算结果 。图 1 为雷 达在受单部干扰机影响下的三维探测范围显示结 果 ,图 2 则为 5000 m 高度层的探测范围显示图 。图 3 多部干扰机雷达三维探测范围图 1 单部干扰机下雷达三维探测范围图 4 多部干扰机下 5000 m 高度层雷达探测范围(2) 单部雷达受到多部干扰机影响雷达和干扰机参数均与 3 . 1 节所举的一样 ,这 个方案中有 3 部以上参数不同的干扰分别从不同 方向距离雷达 260 , 270 和 280 k m 对 雷 达进 行干 扰 。图 3 为雷达在受多部干扰机影响下的三维探测范围显示结果 ,图 4 则为 5000 m 高度层的探测 范围 。4结束语有源干扰是复杂电子环境下影响雷达探测范围的一个主要因素 , 精确分析和 计算 干 扰情 况下雷达探测距离是一个比较棘手的问题 。本文提出 了基于雷达最大探测距离和忽略噪声所得的自卫© 1994-2013 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 陈淦涛 :有源压制干扰下雷达探测距离分析与计算2011 年第 1 期17Net wo r k Ba sed o n Map XJ . Rada r Science and Tech2nolo gy , 2010 , 8 (2) :1042108 . (in Chinese)作者简介 :陈淦涛 男 , 1986 年生 , 武汉理工 大 学信息学院硕士研究 生 , 主要研 究 方 向为通信系统理论与通信网络技术 。距离 ,对雷达的自卫距离进行修 正后 得 到雷 达在受到干扰时的自卫距离的准确表达式 。并基于此 表达式 ,对干扰情况下雷达进行建模和仿真 ,得到 受干扰情况下雷达的自卫距离的三维显示和二维 的高度层切片显 示 。最 后 , 仿真 的结 果 验证 了公 式的正确性 。参考文献 : 1 Ma hafza B R. Radar System A nalysi s and De sign U sing MA TL AB ( 2 nd ed) . U SA : Chap ma n & Hall/ CRC , 2005 . 2 马浩 ,阮增苗 ,赵春光 ,等 . 对抗有源干扰的雷达探测许 稼 男 , 1974 年 生 , 清 华 大 学 电子工程系博士后 、副教授 ,主要研究领 域包括雷达及水声领域的目标检测 、估 计和识别 、仿真模拟 、合成孔径/ 逆合成 孔径成 像 。目 前 已 经 在 IEE E Transo n GRS 、 IE EE Tran s o n A ES 、IEE E SPL 、 IE T Proceeding of RSN 、 Elect ro nic L et2 t er、Signal Processing等国内外刊物及学术会议发表和 录用论文 80 余篇 , SCI 、EI 、IS T P 检索 60 余篇 。E2mail : xujia mail . t singhua . edu . cn范围修正模型与分析 J .(1) :126 .信息与电子工程 , 2010 , 8 3 郝佳新 ,甘斌 . 复杂电磁环境下防空雷达的探测模型研究 J . 计算机仿真 , 2009 , 26 (6) :33236 . 4 李丹 ,童天爵 ,毛少杰 ,等 . 雷达网电子对抗仿真及雷 达自卫距离的修正 J . 系统仿真学报 , 2006 , 18 ( 5) :138821390 . 5 喻戈阳 ,宋小全 ,曹宁生 ,等 . 雷达模拟系统最大作用 距离研究 J . 系统仿真学报 , 2003 , 15 (4) :5282533 . 6 王晓伟 ,陈国忠 ,向龙 ,等. 基于 Map X 的雷达网干扰仿 真实现J . 雷达科学与技术 , 2010 , 8 (2) :1042108.WA N G Xiao2wei , C H EN Guo2zho ng , XIAN G Lo ng ,et al . Realizatio n of Interf erence Si mulatio n fo r Rada r彭应 宁 男 , 1939 年 生 , 清 华 大 学 电子工程系教授 、博士生导师 , 原清华大 学电子工程系高速信号处理和网络传 输研究所所长 ,长期从事雷达信号处理 领域 的 研 究 , 已 发 表 学 术 论 文 300 余篇 ,其中被 SCI 、EI 和 IS T P 收 录 的 论文 200 多篇 ,出版专著 4 部 ,并获 10 多项国家级和部委级 科技进步奖 。(上接第 12 页)Aero sp ace and7772788 . 11 郁春来 . 利用空频域信息的单站无源定位与跟踪关键技术研究 D . 长沙 : 国防科学技术大学电子科学 与工程学院 , 2008 . 12 许耀伟 ,孙仲康 . 利用相位变化率对固定辐射源的无源被动 定 位 J . 系 统 工 程 与 电 子 技 术 , 1999 , 21 (3) :34237 .Elect ro nic Systems , 1998 , 34 ( 13 ) : 6 Ki r ubarajan T , Ba r2Shalo m Y , L er ro D. Bea ring2O nly Tracking of Ma neuvering Tar get s U sing a Batch2Re2 cur sive Estimato r J . 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