机群联合干扰条件下机载雷达探测性能仿真

摘 要：电子对抗过程中，机载雷达探测能力的仿真，是现代战场环境仿真的重要组成部分。功能性仿真由于模型简单、使用方便，在大体系电子战仿真模拟中得到广泛应用。本文研究机群联合攻击背景下，通过数学建模，采用功能仿真，模拟机载雷达在受到不同数量、样式、时间特性的干扰时，其探测性能变化情况。大量仿真结果表明，设计实现了联合干扰条件下，对机载雷达探测性能的评估。

关键词：机载雷达；功能仿真；电子干扰；探测性能

中图分类号：TN959；V243.2文献标识码：A 文章编号：1673-5048（2013）04-0052-06

DetectionPerformanceSimulationofAirborneRadarunder FleetJammingCondition

WANGLiangui，WANGXudong，PANMinghai

（CollegeofElectronicandInformationEngineering，NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics，Nanjing210016，China）

Abstract：Intheprocessofelectroniccountermeasure，thesimulationaboutthedetectingabilityof airborneradarsystemisanimportantpartofmodernbattlefieldenvironmentsimulation.Functionalsimulationisusedinlargesystemofelectronicwarfaresimulation，becauseitissimpleandeasytouse.Under fleetjammingcondition，andbasedonfunctionalsimulationandmathematicalmodel，thispaperpresents theinfluenceofdifferentnumberandstyleofjammingsourceontheradar’sdetectionperformance.Numbersofresultsshowthatthedesigealizesthegoaltoevaluatethedetectionperformanceofairborneradar underfleetjammingcondition.

Keywords：airborneradar；functionalsimulation；electronicjamming；detectionperformance

0 引 言

高科技战争条件下，电子对抗日趋激烈，战场电磁环境异常复杂[1]。雷达电子战系统包括雷达系统、探测系统、雷达干扰系统和相关武器系统。雷达干扰机是主要的电磁攻击系统装备[2]。面对干扰系统的干扰，机群联合攻击有利于发挥机群编队成员的协同作战能力，最大限度地提高编队的整体战斗力。模拟机载雷达在机群联合攻击条件下，受到不同数量、样式、时间特性的干扰时，其探测性能变化情况，是战场复杂电磁环境功能仿真的重要组成部分。

本文对雷达、目标、干扰源以及他们之间的交互关系进行数学建模，在一定地理环境背景下，想定敌方机群编队攻击我方某一战略要地，我方实施机群拦截，追击过程中敌我双方进行电子战博弈，释放各种有源干扰。在此过程模拟各种干扰源的工作参数、工作性能和工作时序，并观察敌我双方雷达探测性能的变化。大量仿真结果表明，该设计能够真实反映各种典型的电子对抗样式对机载雷达系统探测性能的影响，模拟机群联合干扰条件下雷达探测性能的变化。

1 仿真数学模型的建立

数学仿真是以数学模型为基础的仿真，即用数学模型代替实际系统进行试验，模拟系统实际情况的变化，用定量化的方法分析系统变化的全过程。仿真数学模型的建立，是机群联合攻击条件下雷达功能仿真必不可少的重要环节。

1.1 实时动态仿真的建立

为仿真建立运动模型是仿真的初始条件。仿真中，设置敌方机群编队的运行轨迹为直线形式（采用平面直角坐标系），即每隔一个仿真步长，敌方机群编队的实时位置以直线形式向前推进一步。而我方地理位置需要根据敌方当前位置确定，常用的计算方法有追踪法、平行接近法、比例引导法[3]。这里采用追踪法。

追踪法又称追踪曲线法，要求追踪方速度矢量在任意瞬时准确地瞄准目标，即速度矢量vs与敌我方相对距离矢量R在指向上一致（如图1所示）。

图中：Sx0，y0（）为源（我方）位置；Tx2，y2（）为目标（敌方）位置；vT为其速度矢量；l为单位仿真时间内，源飞行的距离。源的下一仿真时刻的位置Sx1，y1（）则需要根据图1的几何关系计算，为

在多机群目标的战场坏境下，则需要根据探测到的目标机位置，时刻改变自身的飞行方向，实时动态追踪。

1.2 雷达暴露区计算模型

载机在空中飞行时，会受到敌方干扰，存在干扰时，雷达探测距离将会被压制，其暴露区的大小与多种因素相关。

1.2.1 无干扰时雷达最大探测距离计算模型

无干扰时，机载雷达暴露区为雷达的最大探测距离：式中：Pt为雷达发射平均功率；Gt为雷达发射与接收增益；σ为目标的雷达反射截面积；λ为雷达反射波长；L为损耗因子；k为玻尔兹曼常数，值为1.38·10-23J/K；T0为参考温度，取290K；NF为噪声系数；Br为雷达接收机瞬时带宽；（S/N）min为雷达系统最小输出信噪比。

1.2.2 存在干扰时雷达暴露区模型

机群联合作战情况下，雷达、目标与干扰机的空间位置关系如图2所示。

真实战场环境下（多编队干扰），机载雷达系统接收到来自目标的回波信号和干扰机的干扰信号。根据压制系数[4]的定义以及进入到雷达系统的目标信号功率和干扰功率，可得到多干扰情况下雷达暴露区的计算公式：式中：Kj为干扰压制系数；n为脉冲积累数；Pji为第i个干扰源（干扰机或干扰吊舱）的发射功率；Gji为第i个干扰源的发射增益；θ为以雷达为中心，干扰源与目标机之间的夹角；Gji（θ）为干扰源对准的雷达主瓣（或副瓣）增益；Rji为雷达与干扰源的距离；L为损耗因子。Xi为一个系数，实际程序仿真计算时与以下几个因素有关：

（1）Jam（）：干扰源是否开机，以及开机时是否在干扰周期内。如果同时满足以上两个条件，函数返回1，否则返回0；

（2）In（）：被干扰雷达是否在干扰源主瓣范围内。干扰源干扰某一雷达时，仍可能对其他雷达造成干扰。在主瓣范围内时返回1，否则返回0；

（3）EfcPP（）：有效干扰功率。只有当干扰源干扰频率带宽部分或者全部落入雷达带宽内时，干扰才会起作用，否则干扰无效。该函数返回干扰源带宽落入雷达带宽内的比例值。

系数Xi为以上3个函数返回值的乘积。当Xi为0时，雷达暴露区为最大探测距离。1.3 目标有效反射截面积RCS模型

常用的用于模拟RCS的简单模型是Swerling模型，有SwerlingⅠ，SwerlingⅡ，SwerlingⅢ，SwerlingⅣ四种[5]。在复杂目标（如飞机）的仿真过程中，对应于第1，2类Swerling模型，雷达瞬时RCS服从负指数分布，数学模型：

σ=-σ0lnx

式中：x为服从[0，1]均匀分布的随机数；σ为目

标瞬时RCS；σ0为目标平均RCS。

1.4 天线方向图模型

此模型主要用于计算当雷达天线在空间扫描时，第i个干扰源与雷达连线方向上雷达的增益Gti（θ）。雷达天线的种类多种多样，不同天线其数学模型也不同，在没有实测方向图时，可以用以下模型[6]进行简化：

式中：θti为第i个干扰源和雷达的连线与雷达主瓣之间的夹角，Gt为雷达增益。当天线方向图为锐波束时，取系数K=0.07～0.1，当天线方向图为窄波束时，取K=0.04～0.06。1.5 有效干扰功率计算

在干扰源干扰雷达的过程中，只有当干扰源干扰频率带宽部分或者全部落入雷达带宽内时，干扰才会起作用，否则干扰无效[7]。常见的有源压制性干扰有阻塞式、瞄准式和扫频式干扰[8]，虽然干扰样式不同，但有效干扰功率计算原理相似。

定义有效干扰功率系数为EfcPP，其表示落入雷达带宽内的干扰信号带宽与雷达带宽的比值，由EfcPP可确定有效干扰功率为：P=EfcPP·Pj。其中EfcPP的计算分为以下几种情况（fj为干扰源中心频率，Bj为干扰源带宽，fr为雷达中心频率，Br为雷达带宽）。

（1）干扰信号带宽大于雷达带宽

a.干扰信号频带完全不与雷达频带重合此种情况下：EfcPP=0。

b.干扰信号频带部分与雷达频带重合

如图3所示，此时只有落入雷达频带范围内的干扰功率起作用，此种情况下：

c.干扰信号频带完全包含雷达频带

如图4所示，此时干扰信号频带完全覆盖雷达信号频带，多出现在阻塞式干扰情况下，此时：

EfcPP=Br Bj

（2）干扰信号带宽小于雷达带宽

a.干扰信号频带完全不与雷达频带重合

此种情况下：EfcPP=0。

b.干扰信号频带部分与雷达频带重合

如图5所示，干扰信号功率部分进入雷达系统，此时：

c.干扰信号频带完全包含于雷达频带内

如图6所示，此时干扰源频带完全落入雷达频带内，多出现在瞄准式干扰、扫频式干扰情况下，此时：EfcPP=1。

机群联合攻击战场环境下，需要考虑不同干扰样式对机载雷达系统的作用，通过有效干扰系数计算有效干扰功率[9]，从而评估不同的干扰样式对雷达系统的干扰效果。

2 软件仿真实现2.1 算法流程

如图7所示，系统仿真敌我双方在飞行过程中，通过释放各种有源干扰，模拟各干扰源的工作参数、过程、性能等，并观察敌我双方雷达探测性能的变化。

2.2 仿真示例

为了方便记录数据，仿真过程中将敌我双方编队位置设置为固定，敌方编队释放有源干扰（以自卫式干扰为例），观察雷达暴露区变化。

2.2.1 部分参数设置

本次测试设定我方有1个编队，敌方有2个编队，队内飞机架次为3架。仿真过程中，在某一空域敌我遭遇，并进行电磁干扰演练。各参数设置如下：

（1）各编队中心坐标如表1所示。

（3）敌方干扰源参数如表3所示（其中扫频式干扰扫频速度为10MHz/s）。

（4）其他部分参数设置

仿真中设置的参数较多，其他参数如目标机平均RCSσ0=5m2，雷达天线发射接收综合损耗6 dB，接收机噪声系数5dB，干扰压制系数Kj=10等。

2.2.2 仿真结果

（1）无干扰情况

当敌方未释放干扰资源时，我方雷达暴露区为一半径为267.84km的圆，说明无干扰时雷达探测距离为267.84km。

（2）敌1编队实施阻塞式干扰，敌2编队不实施干扰

如图8所示，此时雷达暴露区的形状呈现“心形”，雷达暴露区在部分方向上的数值如表4所示。

我方雷达在敌方1编队方向上探测距离下降到16.17km，其他方向上的暴露区与无干扰时相比，均有不同程度的减小。

（3）敌1编队实施瞄准式干扰，敌2编队不实

施干扰

与第二种情况相似，但此时雷达暴露区整体比第二种情况更小，此时雷达暴露区在敌1编队方向上的探测距离下降到8.09km。可见瞄准式干扰效果强于阻塞式干扰。

（4）敌1编队实施扫频式干扰，敌2编队不实施干扰

与第三种情况相似，但此情况下，雷达暴露区会周期性整体变大或者变小，原因在于扫频干扰时，干扰频带会周期性地进入或者跳出雷达频带范围。某时刻仿真结果及数据如图9和表5所示。

（5）敌1编队实施阻塞式干扰，敌2编队实施瞄准式干扰

如图10所示，此时雷达暴露区在敌1，2编队方向上均存在较大凹陷，在两方向上探测距离下降到16.17km和9.27km。2.2.3 仿真结果分析

在实际仿真过程中，可改变多种参数来观察不同参数变化对雷达探测距离的影响，以上述仿真示例为例，可以得出以下结论：

（1）在干扰效果方面，瞄准式干扰的效果最佳，扫频式干扰次之，阻塞式则较差；

（2）机群在暴露区外时，雷达发现机群概率较小，而位于暴露区内时，雷达能可靠地发现目标。只有在探测雷达与机群连线方向上实施干扰才能有效地掩护机群；

（3）一个机群一般配置一个干扰源（可自卫式干扰、随队护航干扰或者远距离支援干扰）就已经足够，过多的干扰源不会明显提高压制效果，反而会增加资源浪费，同时增加对方发现自身的几率。

此外，通过仿真还可以发现：雷达与干扰源距离越小，雷达暴露区被压制得越厉害；对于随队护航和远距离支援干扰，必须在雷达与机群的连线上或者附近进行干扰（干扰信号进入主瓣），否则不能起到较好的掩护作用。

实际评估干扰源效果时，要综合考虑各方面实际因素，比如干扰样式的选择，既要考虑干扰效果，又要考虑干扰资源的实现。对于瞄准式干扰，要求较高的频率瞄准度，而扫频式干扰则只在干扰源频带掠过雷达载波频点时才有效，阻塞式则一般可以在整个阻塞带宽内对雷达实施干扰。从此方面考虑，则阻塞式干扰较优，扫频式、瞄准式干扰次之。

3 结 论

本文提供的仿真模型适合一般有源干扰的功能性仿真，实现了多编队、多干扰样式机群联合攻击时对机载雷达探测距离的仿真。仿真中可改变初始兵力设定参数，模拟仿真不同联合攻击条件下雷达性能变化。通过友好的界面，可以选择设定不同参数（如选择干扰样式，设置编队形式等），模拟不同干扰条件下雷达性能的变化情况，为仿真提供了方便。此外，软件采用的模块化设计（如

天线模型），便于软件后期的更改与优化，为系统的升级提供了便利。

此外，根据本文论述的理论，可以扩展模拟无源干扰（箔条、角反射器以及假目标干扰）情况下雷达性能变化，同时双方均可在飞行过程中释放不同干扰，实现了敌我双方机群飞行中的博弈。

由于现实场景的复杂性以及计算机处理能力的有限性[10]，无论何种方法都不能完全真实再现现实战场环境。本文实现的功能仿真，从简单、实用、可靠等方面模拟了机群联合电磁干扰条件下雷达的性能变化。然而为了更加真实模拟此种场景，必须考虑地海杂波等情况，因而要真实再现战场环境，还需要进一步研究与改善。

参考文献：

[1]徐秉佑.超视距目标指示的研究与实践[J].雷达与对抗，1995（3）：41-45.

[2]JiangShouda，LinLianlei.UseSupportVectorMachine toEvalulatetheOperationalEffectivenessofRadarJammer[J].USA：IEEEComputerSociety，2007：522.

[3]王雪松，肖顺平，冯德军，等.现代雷达电子战系统建模与仿真[M].北京：电子工业出版社，2010：339-341.

[4]王国玉，肖顺平，汪连栋.电子系统建模仿真与评估[M].长沙：国防科技大学出版社，2000：290-293.

[5]MahafzaBR，ElsherbeniAZ.MATLABSimulationsfor RadarSystemsDesign[M].Florida：Chapman&Hall/CRC，2003.

[6]陈伟华，张永顺.随队干扰环境下雷达暴露区算法[J].弹箭与制导学报，2004，24（2）：383-385.

[7]BachmannDJ，EvansRJ，MoranB.GameTheoreticAnalysisofAdaptiveRadarJamming[J].IEEETransactionsonAerospaceandElectronicSystems，2011，47（2）：1081-1100.

[8]MaXiaoyan，QinJiangmin，LiJianxun.PatternRecognitionBasedMethodforRadarAntiDeceptiveJamming[J].JournalofSystemsEngineeringandElectronics，2005，16（4）：802-805.

[9]DaiLe，GaoMeiguo.ApplicationofUniformDFTFilter BankinRadarJammingSystem[J].JournalofSystems EngineeringandElectronics，2006，17（3）：527-530.

[10]SongLizhong，QiaoXiaolin，MengXiande，etal. StudyontheMethodofPolarizationSuppressionof CheatingJamminginPulseDopplerRadar[J].Journal ofSystemsEngineeringandElectronics，2005，16（2）：310-315.

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