舰载电子对抗系统电磁兼容性预设计技术＊

颜东升 王一飞 朱宜生

（中国船舶重工集团公司第七二三研究所 扬州 225001）

1 引言

随着技术的发展，舰载电子武器装备越来越复杂，具有大量的有源探测、无源探测、通信、数据链、电子干扰等通信、导航、雷达、电子对抗、敌我识别等功能的电子装备。全舰武器装备数量多，各电子系统工作频带严重重叠、交叉，相互干扰严重，使水面舰船的电磁兼容的管理和控制异常复杂［1］。如果按传统的水面舰船的设计要求，只按水面舰船的任务使命和作战能力对各电子武器装备提出设计要求，不提出电磁兼容的要求，或对电子武器装备之间的电磁兼容的关联性考虑不周全、不充分，或对电子武器装备的电磁兼容指标要求过低，会导致在全舰武器系统联合作战演练时暴露出大量问题。因此，必须临时采取“加固”措施，对电子装备进行复杂电磁兼容控制管理，使全武器系统能正常工作。但是由于电磁兼容的复杂控制管理，使全舰武器系统作战效能大大降低，所以水面舰船电磁兼容预设计必需在水面舰船总体设计时一并完成［2］。

2 水面舰船面临的最大威胁［3～4］

对水面舰船而言，其运动速度慢，上层建筑复杂，雷达反射面积（RCS）大等诸多的因素都成为反舰导弹容易击中的靶子。

2.1 水面舰船面临的威胁

1）掠海飞行的反舰导弹攻击；

2）空中反舰导弹的攻击；

3）鱼雷的攻击；

4）其他反舰制导武器的攻击。

2.2 反舰导弹的攻击方式

1）超音速攻击

导弹速度快，盲飞时间短，减小中继制导时间，甚至可以不用中继制导，在惯导到达末制导区域时，末制导开机自动有效捕获、跟踪目标，并且这种导弹具有超视距攻击能力。导弹接近舰船时，足以使舰船来不及反应，即使电子防御系统有效侦察、告警威胁，并进行ECM和无源／光电干扰，由于其反应时间已经来不及，只能靠近程拦截火炮击落如此小的目标。

2）超低空攻击

导弹超低空飞行使舰船雷达探测不到和使预警时间太晚，达到突袭的目的。

3）复合制导攻击

使舰船的电子战系统失去告警能力，例如：雷达主／被动结合、雷达／光电复合制导。

4）隐身攻击

在导弹表面涂敷吸收材料减小舰载雷达的探测范围来达到突防攻击目的，其RCS在0.1m2以下。

5）饱和攻击

前苏联提出的对付大型舰船，包括航母的杀手锏攻击战术，即在同一方向或不同方向同时以多批反舰导弹对舰船的攻击。

6）导弹突防攻击

在导弹上携带数个有源或无源假目标，在导弹接近攻击舰船时抛出，模拟多批导弹攻击，实施有效的突防攻击。

3 水面舰船优化电磁兼容的管理控制的总体设计技术

3.1 先进封闭式桅杆设计技术

反舰导弹采用多种攻击方式对水面舰船实施攻击。水面舰船必须针对反舰导弹的攻击方式采取一系列攻防手段对抗反舰导弹：

1）舰载综合电子战系统对抗反舰导弹：早期预警、有源干扰、无源／光电干扰、烟幕干扰；

2）舰载武器系统摧毁反舰导弹：导弹打击、密集阵火炮打击；

3）舰载综合武器系统的对抗：软、硬武器联合打击。

但是反舰导弹和水面舰船平台的对抗本身是一对矛盾的统一体，每一艘舰船装备了反舰导弹对敌舰进行攻击，同时，每一艘舰船也装备了电子战系统、武器系统等对反舰导弹进行防御。这样的攻防系统使水面舰船装备越来越复杂，设备越来越多。例如美国“伯克”级驱逐舰的各种天线多达108部。各种天线本身是电磁波的发射器，又是电磁波的反射体，大大增加了水面舰船的雷达有效反射面积RCS，而且这种离散型的武器系统大大增加了作战反应时间，延误战机，使水面舰船容易遭到反舰导弹的攻击。

设计一种新的完全一体化的武器系统以满足水面舰船的攻防要求：

1）快速反应。以对付快速低空威胁目标；

2）综合攻防。能对付导弹的饱和攻击，还能继续生存；

3）电子对抗和反对抗。既有电子综合对抗（电子防御／电子进攻）的能力，又有电子抗干扰的能力。

另一方面要求武器系统的传感器具有隐身能力，不容易被搜索雷达和火控雷达探测、捕捉或被反舰导弹寻的头锁定，以提高水面舰船自身生存力。

美国对水面舰船的隐身性设计特别重视，例如，美国海军提出“圣安东尼奥”级两栖攻击舰（满载排水量为25296吨）（LPD－17）的雷达反射面积设计指标为“惠得具岛”级船坞登陆舰（满载排水量为15745吨）（LSD－41）的1%。而“惠得具岛”级船坞登陆舰在9375MHz时RCS为31.5×104m2，则前者的RCS要求为3000m2左右。相当于现在一艘730吨左右的小艇。

水面舰船在对舰体上层建筑采用隐身设计的情况下，桅杆及其上面的天线对隐身的影响变得突出。因此，仅对桅杆进行隐身设计还不够，必须要将桅杆的隐身设计和天线的隐身设计统一起来。美国海军提出了隐身桅杆设计的思想—“先进封闭式桅杆／传感器系统”（AEM／SS，Advanced Enclosed Mast／Senor System）。

AEM／SS的设计师追求“几乎零散射”的声、热、电磁等信号特征，在桅杆上将各种探测器、通信系统天线从独立走到联合，实现不同用途天线的整合，即多探测功能的“孔径集成”。

一个比较理想的设计是整合在隐身桅杆中的雷达、电子战、导航、敌我识别、通信天线分别用于对空、对海搜索及引导区域防空导弹；监视、快速告警区域内的电磁环境和威胁信号；引导ECM对威胁信号实施有效干扰；对舰船进行导航；对敌、我、友目标能进行识别；通信联络和数据传输。

3.2 多功能传感器集成设计技术［5］

3.2.1 对多功能传感器的设计要求

开发一种低成本、单口径、多波段、多模式、宽频带、大功率的相控阵系统以满足舰船自卫、探测、监视、引导、目标、导航、通信等所有传感器的要求：

1）在沿海区域或开阔海域的各种复杂环境下，能够迅速探测、侦察和发现所有舰船目标、空中、掠海目标的潜在威胁。

2）在密集电磁环境中能正确截获、分选、识别各种雷达信号，并能进行细微特征分析，对威胁信号实时告警。

3）对威胁目标快速告警，引导ECM／武器系统／导弹系统对威胁目标实施干扰／火控打击／导弹拦截／导弹打击。

3.2.2 多功能相控阵天线技术［6］

随着技术的发展，具有综合功能的相控阵天线成为该系统的关键技术。这种天线替代传统机械旋转口径天线，减少对目标探测的驻留时间，提高杂波改善因子和数据更新率；天线多功能的实现使系统反应时间大大缩短，提高水面舰船作战系统性能。

相控阵天线的设计成功使AEM／SS成为一个光滑的“外罩”，在这个“外罩”上布置特定的频率窗口，既能使雷达、电子战、通信、敌我识别的天线电磁信号通过，保证探测、通信、侦察能力；又能使敌方雷达信号入射以后被“外罩”吸收或散射，保证隐身性能。

目前相控阵雷达天线已研制成功，装备水面舰船；多波束阵列天线亦装备水面舰船，但是相控阵ESM／ECM天线正在研制，离装舰还有距离。要求相控阵雷达天线的工作频带扩展到ESM／ECM的工作频带，再加上发射、接收、处理技术的研究，使相控阵系统满足雷达、电子战、通信、导航、敌我识别等功能的要求。

3.2.3 等离子体天线技术

根据等离子体在特定电磁场环境中能象金属反射镜一样具有反射电磁波能力的特性，研究一种可电控等离子体天线，就可以快捷地对空间目标探测。这种等离子体天线安装在隐身桅杆上，在必要时形成瞬间等离子天线，平时，可以长时间不形成等离子天线，使隐身桅杆处于“静默”状态，RCS很小，这样就提高了隐身水面舰船作战功能。

4 电子对抗系统的电磁兼容优化设计［2］

电子对抗装备的特点是工作频带宽，接收机灵敏度高，干扰机的有效辐射功率大，其ESM的工作频带为0.5GHz～40GHz，并向下扩展到通信频段，向上扩展到3mm波段，其灵敏度可达到－60dBm～－70dBm以上，甚至高达－90dBm，告警时间小于1s。雷达干扰机工作频带达到倍频程，有效辐射功率达数百千瓦，甚至兆瓦级。如此高的接收机灵敏度和极强的辐射功率安装在一个平台上要解决收发隔离，必须要加强电磁兼容的设计，寻找和研究新技术、新方法，使电子对抗系统性能最佳发挥。

4.1 水面舰船平台电子对抗装备的安装情况

水面舰船是海上作战的主要平台，一般而言，在水面舰船上有十几个大系统，例如：通信系统、导弹系统、雷达系统、火控系统等都有本身的传感器，首先要满足武器装备的威力范围和射界，同时要满足各系统的传感器的兼容性设计。电子对抗设备在水面舰船平台的安装位置一般情况是，ESM接收天线都是安装在主桅的上部，或主桅上部两侧。ECM发射天线安装在主桅下部的两侧，要求ESM发射天线和ECM的接收天线垂直安装。

ESM和Elint的工作频率范围包括了安装在舰船平台上的雷达、通信、导航等全部设备的工作频率范围，当这些设备的传感器发射电磁波时ESM和Elint必定能接收到这些信号。ECM的干扰频率范围达到倍频程以上，当干扰辐射时，上述设备的传感器也必定能接收到ECM的干扰信号。所以，ESM／Elint／ECMZ在舰船平台上的安装将有特殊的要求：

1）电子对抗系统本身ESM／Elint和ECM之间的安装问题，优化安装设计提高系统本身的收发隔离度。

2）电子对抗系统与舰船其他系统之间的安装问题，ESM／Elint受其他设备辐射的电磁干扰，而ECM辐射的电磁波将干扰其他系统，优化安装设计，使互相的干扰达到最小或没有。

4.2 舰载电子战系统优化电磁兼容设计需要解决的几个问题

4.2.1 高灵敏度侦收和大功率干扰发射的矛盾［7～8］

雷达侦察设备是高灵敏度ESM和Elint设备，一般而言，其灵敏度可达－60dBm以上，Elint的灵敏度为－70dBm～－75dBm以上，雷达有源干扰设备ECM的有效辐射的CW噪声干扰功率（EPR）高达100kW～300kW以上，脉冲波欺骗干扰功率高达150kW～300kW以上，ESM、Elint设备的接收功率和ECM设备的发射功率两者相差143dB～153dB，如此之高的差值，ESM和Elint设备的天线座和ECM设备的天线座都要求安装在主桅上，而且两者的安装距离受栀杆高度限制，所以，必须要尽可能拉开ESM和ECM安装距离；在Elint／ESM天线的下方、ECM天线的上方加装隔离板，保证电子战系统能正常的工作。

4.2.2 接收天线的副瓣和发射天线副瓣的问题

对于天线设计工程师都是尽最大可能使天线的副瓣电平达到最小值，但是根据战术使用的要求，要选择不同型式的天线其副瓣电平是有一定的限制。目前雷达侦察设备和雷达干扰设备均要求采用多波束天线技术设计，而多波束接收天线，其副瓣电平在－15dB（俯仰面、典型值），多波束发射阵列天线，其副瓣电平最好为－30dB（俯仰面、典型值），所以ECM干扰发射时对ESM、Elint设备的影响是非常明显的，若ESM设备采用全向天线，其俯仰面上的波束宽度很宽，干扰发射对其影响更大，降低接收天线的副瓣和发射天线副瓣将直接优化了电磁兼容的管理。

4.2.3 同方位同频率同时收发工作的矛盾

根据电子战的战术需求，要求在侦察和干扰的相同频段内对同一载频同收同发工作。所谓“同频同收同发”工作，即ESM侦收雷达辐射源的载波频率和ECM对该辐射源进行干扰的频率相同。在这种工作状态下，就要求ESM高灵敏度工作和ECM满功率干扰发射时，电子战系统正常工作的收发隔离度最小值要达到143dB～153dB，必须采取综合性措施，提高收发隔离度。目前大部分装备都采用时分工作方式。

4.2.4 舰船上层建筑对电磁波反射、散射和绕射的问题

电磁波碰到金属物体必将产生反射，这样就有一定的RCS（雷达反射面积），同时还产生散射和绕射，舰载电子战系统的侦察设备在接收雷达辐射源信号来波的同时亦接收雷达照射舰船上层建筑物的散射和绕射信号，同样的道理，ECM在对雷达辐射源进行干扰时，干扰电磁波在其天线主瓣和副瓣辐射路径上的能量碰到障碍物时必须产生反射、散射和绕射，这样，ESM在其灵敏度范围内肯定能接收到ECM的干扰信号，而这种干扰信号对ESM是极其有害的，在严重时，破坏了电子战系统的正常工作状态，舰船总体隐身桅杆、多功能传感器集成设计技术都是减少舰船上层建筑对电磁波反射、散射和绕射的技术。

4.2.5 海洋环境对电子战系统工作稳定性的影响

我们知道，海洋环境不仅对声纳系统产生直接的影响，而对电子战系统等电磁辐射接收系统亦将有直接的影响，对舰载电子战系统根据战术使用特点，工作频带宽、干扰功率大、灵敏度高、全空域、100%截获概率、实时性，且系统设计中的天线座一般不采用稳定平台，所以海洋环境对系统稳定工作影响是很明显的，而恶劣的海洋环境中，电磁波在海面上的反射是很强的，其反射的电磁波直接影响了ESM的工作稳定性，采用稳定平台和优化信号处理软件是解决的好办法。

综上所述，ESM和ECM两个设备之间的电磁兼容问题直接影响了电磁战系统的工作稳定性。首先对ESM和ECM两个设备的安装等问题进行优化设计，使电子战系统的工作稳定性有很大的提高：

1）ESM和ECM两个设备天线座的安装优化设计；

2）ESM和ECM两个设备的收发隔离板的优化设计；

3）电子战系统同频同收同发工作状态的优化设计；

4）ESM多波束接收天线降低天线副瓣电平的优化设计；

5）ECM多波束发射天线降低天线副瓣电平的优化设计；

6）ESM优化信号分选降低海杂波干扰影响的设计等等。

5 电子对抗系统电磁兼容优化设计技术措施［2］

5.1 能适应高密度电磁环境工作

在水面舰船上安装的电子设备，其频率复盖范围从短波、超短波、米波、微波直到红外和激光，这些设备和系统的探测器在工作时均辐射电磁波，电磁波在舰船上的反射、绕射和在水面上的反射引起的虚假信号和杂散波使ESM的信号分选带来困难，需在信号分选的软硬件上下功夫。

5.2 收发隔离优化设计［7］

所谓收发隔离指ESM接收机和它所引导的干扰机之间同频率同方位同时工作所需要的隔离度。以雷达电子对抗系统为例来说明，雷达ESM接收机不仅要侦收周围的电磁信号，并对威胁信号进行告警，实时引导雷达ECM干扰机对威胁目标实施各种干扰。则ESM和ECM之间存在着同频率同方位同时侦收和干扰的工作状态，ESM和ECM之间的收发隔离度为

其中：PC为干扰机的发射功率；Prmin为侦察接收机的灵敏度。我们根据雷达方程：

其中：Pr为接收功率；Pc为发射功率；GC（α）为在α发射角的天线增益；Gr（β）为在β发射角的天线增益；λ为工作波长；R为发射天线和接收天线之间距离。

在水面舰船的主桅上部安装接收天线，在主桅下部安装发射天线，其安装距离直接影响收发隔离度值。由式（2）可以看出，R越大则收发隔离度值就越大。所以，在舰船总体设计时必需要充分考虑。但是，往往靠拉开R值提高I值是不够的，必须还要安装隔离板提高收发隔离度。

5.3 雷达侦察和雷达干扰的匹配设计［11］

雷达侦察设备和雷达干扰设备组合在一起统一设计、统一控制、统一管理则组成一个雷达电子对抗系统。雷达侦察对周围的电磁环境进行态势显示，对周围的雷达信号进行分选，识别并对威胁目标告警，引导雷达干扰机对威胁目标实施噪声、欺骗或噪声＋欺骗的组合式干扰。在水面舰船平台上，雷达电子对抗系统的侦察和干扰两个组成部分在同一平台上的匹配设计是很重要的研究课题。

雷达侦察机为了正确引导雷达干扰机对威胁目标实施干扰，并得到好的干扰效果，则首先研究雷达侦察机不受本舰雷达干扰机的同频干扰。

1）雷达侦察机微波前端设置前置预选器，保证雷达侦察机在干扰频带之外的宽频带工作，预选器频带的选择应根据干扰机干扰频带自适应调整。

2）在尽可能提高雷达侦察机和雷达干扰机的收发隔离度的情况下，适当降低雷达侦察机在雷达干扰机干扰频带内的灵敏度，使雷达侦察机在雷达干扰机发射干扰时的干扰电平不影响雷达侦察机的工作。

3）雷达侦察机天线和雷达干扰机天线的低副瓣平的设计技术。

6 舰载电子系统电磁兼容性预设计技术［1］

6.1 水面舰船总体的顶层设计

水面舰船总体顶层设计不仅要考虑使命任务和舰体隐身等各重大技术设计，而且必须要考虑电子武器装备的电磁兼容的预设计，包括：

1）电子武器装备的安装布置，建立电子装备武器的安装数学模型，进行仿真设计，评估作战效能。

2）电子武器装备传感器的频率和频段的选择、发射功率、发射频谱、天线特性、接收机特性、信号处理特性等建立数学模型进行仿真设计。

尤其水面舰船的频率和频段的分配和选择对电磁兼容的影响很大，尽可能分频段工作，避免同频率和同频段重复。

3）根据安装布置的仿真结果，提出对电子武器装备的传感器的电磁兼容的技术指标要求。

4）根据水面舰船的使命任命、总体技术和电磁兼容的顶层设计选取电子武器装备。

6.2 水面舰船电子武器装备的电磁兼容设计

1）水面舰船电子武器装备各系统之间由于安装位置、武器装备的技术状态等，在使用中必然存在着矛盾，例如：电子战系统ESM设备与雷达、通信与通信对抗、电子干扰与雷达和电子侦察与卫通等等。在装备研制中就要考虑电磁兼容的硬件和软件设计。例如：当雷达设备之间、通信设备之间；雷达、通信设备与雷达对抗、通信对抗设备之间；电子干扰、电子侦察设备与卫通设备之间等等，在工作频带上相互之间有重叠时，应在微波前端设计前置滤波器，其带外隔离应满足工作频率上功率电平的隔离要求。

2）电子武器装备本身的电磁兼容设计［12］。

6.3 电子对抗系统的电磁兼容设计

1）电子侦察和电子干扰的电磁兼容设计，包括收发隔离技术等。

2）电子侦察的电磁兼容设计，包括频域管理、时域管理等。

3）电子干扰的电磁兼容设计，包括频谱管理、干扰技术管理以及功率管理等。

7 结语

随着当今世界发展的不平衡，地区冲突越来越多，局部战争越来越频繁，新一轮武器装备竞赛越演越烈，为了使舰载武器系统作战效能有效发挥，就必须进行电磁兼容性预设计。

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