箔條配比算法

蔡 蒨,張為華

(1.國防科技大學(xué)航天與材料工程學(xué)院,湖南長沙 410073; 2.中船重工集團(tuán)公司第710研究所,湖北宜昌 443003)

箔條配比算法

蔡 蒨1,2,張為華1

(1.國防科技大學(xué)航天與材料工程學(xué)院,湖南長沙 410073; 2.中船重工集團(tuán)公司第710研究所,湖北宜昌 443003)

箔條干擾武器采用經(jīng)驗(yàn)公式裝填箔條種類和數(shù)量,箔條沒有被充分利用,干擾頻段沒有被有效覆蓋,減少干擾武器效能.為解決箔條干擾武器箔條配比問題,分析箔條的物理特性,結(jié)合干擾頻段要求、反艦導(dǎo)彈常用的頻率點(diǎn)等特征,提出粗匹配和細(xì)調(diào)整相結(jié)合的箔條配比算法;根據(jù)配比算法,建立快速和有效箔條配比仿真平臺(tái).通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證此算法和平臺(tái)的有效性.

干擾;箔條配比;仿真模型;反艦導(dǎo)彈

0 引言

在第二次世界大戰(zhàn)期間,箔條成為一種重要的干擾材料.第四次中東戰(zhàn)爭中海戰(zhàn)證明箔條干擾在保衛(wèi)艦船免遭飛航式反艦導(dǎo)彈襲擊方面具有優(yōu)越的性能,因而世界各國的艦艇都迅速裝備各種性能優(yōu)良的箔條干擾設(shè)備.箔條干擾是由投放在空中的、大量隨機(jī)分布的、金屬散射體產(chǎn)生的散射波對(duì)雷達(dá)造成的干擾.箔條通常由金屬箔切成的條、鍍金屬的介質(zhì)或直接由金屬絲等制成.隨著箔條材料及工藝的進(jìn)步,投放設(shè)備和方法的完善,與1945年相比,現(xiàn)在1 kg箔條所達(dá)到的雷達(dá)截面增大10倍.大量使用的箔條的長度半波長金屬絲是從天線技術(shù)中的對(duì)稱半波偶極振子引用過來的.半波偶極子對(duì)電磁波諧振散射最強(qiáng),同時(shí)其材料也最省.文獻(xiàn)[1-4]研究箔條對(duì)反艦導(dǎo)彈干擾效果的仿真模型,文獻(xiàn)[5-6]研究雷達(dá)箔條雜波的仿真,文獻(xiàn)[7]搭建箔條干擾的仿真環(huán)境,可以對(duì)末制導(dǎo)雷達(dá)工作流程進(jìn)行仿真.文獻(xiàn)[8-11]介紹常用的主要干擾方式,如沖淡式、質(zhì)心式和箔條幕干擾等.

根據(jù)箔條物理特點(diǎn),采取自動(dòng)尋找匹配頻點(diǎn)和手動(dòng)調(diào)整相結(jié)合的箔條配比算法,節(jié)省箔條配比時(shí)間,提高不同長度箔條的使用效能,采用相對(duì)質(zhì)量最少的箔條得到優(yōu)化的箔條配比結(jié)果.

1 箔條特性及干擾分析

箔條自身的物理特性直接影響其干擾效果.箔條半波長輻射效率的影響因素包括箔條長度選取條件、箔條的極化特性和箔條的雷達(dá)截面特性.

1.1 輻射效率

箔條作為再輻射的偶極天線,其輻射效率ηA為

式中:PΩ為熱損耗功率;Pr為輻射功率;RΩ為熱損耗電阻;Rr為輻射電阻;IAm為天線上駐波波腹處的電流振幅.

由式(1)知:天線的輻射效率與熱損耗電阻和輻射電阻的比值成反比.當(dāng)輻射電阻為定值時(shí),應(yīng)盡量減少熱損耗電阻,以提高天線的輻射效率.一般采用導(dǎo)電性能良好的金屬作為箔條的導(dǎo)電層和降低表面粗糙度的方法減少熱損耗電阻,提高箔條的有效利用率.

在仿真平臺(tái)中,將輻射效率的影響概率歸集到箔條的利用率中.

1.2 箔條長度

箔條云由一根根箔條構(gòu)成,單根箔條的性能影響整個(gè)箔條云的干擾效果.當(dāng)箔條使雷達(dá)頻率處于諧振狀態(tài)時(shí),能夠達(dá)到最好的干擾效果.諧振狀態(tài)與箔條直徑和長度有關(guān),因此在頻率、箔條直徑一定的情況下,只需要計(jì)算箔條長度.

箔條長度L[12]為

式中:d為箔條直徑;λ為波長;[·]為縮短系數(shù).

箔條諧振長度取決于工作頻率和直徑,首先確定工作波長,選擇箔條直徑;然后計(jì)算其諧振長度(箔條長度).

箔條半徑 a的取值范圍[12]為

式(3)可作為選取箔條半徑的判別式,但是半徑一般從箔條生產(chǎn)廠家提供的參數(shù)選取得到.

在實(shí)際應(yīng)用過程中,在滿足箔條直、表面光滑、強(qiáng)度和剛度的情況下,應(yīng)盡量減少箔條半徑,以增加箔條的裝填量,擴(kuò)大箔條的布放面積,得到更大的雷達(dá)反射截面積.

在仿真平臺(tái)中有3種箔條半徑,箔條長度根據(jù)式(2)計(jì)算得到.

1.3 雷達(dá)截面特性

半波長箔條雷達(dá)截面取決于入射波方向的相對(duì)指向,也取決于接收散射信號(hào)的方法[13].當(dāng)探測(cè)方向確定后,箔條雷達(dá)截面是角度的函數(shù)[14].單一箔條在第一諧振點(diǎn)處的雷達(dá)截面可表示為3種情況.

(1)隨機(jī)取向箔條.如果代表在所有箔條取向上平均箔條雷達(dá)截面,則

式中:f為頻率.

(2)水平取向箔條.如果σ∥代表水平箔條在水平面內(nèi)所有可能的箔條取向上平均雷達(dá)截面,如同被水平極化雷達(dá)所看到,則

(3)垂直取向箔條.如果σ⊥代表垂直取向箔條雷達(dá)截面,如同被垂直極化雷達(dá)在箔條的同樣高度所看到,則

在仿真平臺(tái)中,單根箔條的反射系數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)[6]提供的數(shù)據(jù)得到.

2 箔條配比算法

2.1 粗匹配算法

粗匹配算法主要包括箔條種類個(gè)數(shù)選取、每種箔條數(shù)量預(yù)估和箔條頻點(diǎn)預(yù)估.粗匹配算法步驟:

(1)確定配比頻點(diǎn)數(shù),設(shè)干擾頻段為[f1,f2],中心頻率為 f0=(f2+f1)/2,頻帶寬度為Δf=f2-f1,帶寬與中心頻率比值為,則所需箔條種類數(shù)量為;其中,Δff為頻點(diǎn)處的平均帶寬,一般取為15%～20%,表示取整.

(2)分析干擾頻段范圍,判斷此區(qū)域內(nèi)是否含有目前導(dǎo)彈常用的末制導(dǎo)波段(10,15,35 GHz等),如果含有,則將其設(shè)定為一個(gè)配比頻點(diǎn).

(3)在干擾區(qū)域兩端選擇2個(gè)頻點(diǎn),如果其與步驟(2)中選擇的頻點(diǎn)重復(fù),則去掉1個(gè)重復(fù)頻點(diǎn).

(4)計(jì)算所選取的頻點(diǎn)數(shù) N(N≤N′(N′為允許的最多頻點(diǎn)數(shù))),相對(duì)規(guī)定指標(biāo)所需的箔條數(shù) Mj(j=1,2,…,N)為

式中:VRCS為規(guī)定的RCS(雷達(dá)反射截面積)值;p1為損失系數(shù);p2為擴(kuò)散率.在粗選階段認(rèn)為每種箔條的擴(kuò)散率相同.

(5)根據(jù)每種箔條的長度 lj(j=1,2,…,N),測(cè)試波長λi(i=1,2,…,M)和箔條的直徑 dj(j=1,2,…,N),得到系數(shù) K(lj/λi,A)(根據(jù)圖1查得,A=lj/dj,當(dāng) L/λ>1.40 時(shí),統(tǒng)一取歸一化的σ/λ2為 0.01),由計(jì)算每種箔條對(duì)應(yīng)不同頻點(diǎn)處的RCS值.

(6)求取已有箔條對(duì)應(yīng)的 RCS累加值,得到不同頻點(diǎn)處RCS累加值.

(7)計(jì)算迭代圖的凹點(diǎn),并將凹點(diǎn)設(shè)置為新的頻點(diǎn),返回步驟(5)計(jì)算取凹點(diǎn),直到頻點(diǎn)數(shù)滿足 N為止.

圖1 偶極子歸一化的雷達(dá)截面積σ/λ2與L/λ的關(guān)系曲線

2.2 細(xì)匹配算法

細(xì)匹配算法是在粗匹配的基礎(chǔ)上,根據(jù)箔條長短不同設(shè)置不同的擴(kuò)散率.根據(jù)RCS累加值擬合曲線調(diào)整頻點(diǎn)位置和箔條數(shù)量,達(dá)到使箔條曲線盡量平整(即波峰和波谷差盡量小),使用箔條質(zhì)量盡量小.此過程屬于人工調(diào)整過程.

3 仿真平臺(tái)

粗匹配部分包括:

(1)指標(biāo)參數(shù)輸入?yún)^(qū),包括厘米波沖淡、質(zhì)心指標(biāo)輸入,毫米波沖淡、質(zhì)心輸入和預(yù)度輸入;

(2)多路徑效應(yīng)選擇區(qū),選擇是否考慮多路徑效應(yīng);

(3)厘米波頻率設(shè)定區(qū),設(shè)定干擾頻段范圍;

(4)毫米波頻段設(shè)定區(qū),設(shè)定干擾頻段范圍;

(5)配比需求條件輸入?yún)^(qū),設(shè)定箔條利用率和擴(kuò)散率;

(6)箔條直徑選擇區(qū),設(shè)定箔條選擇不同直徑的長度范圍.

精確調(diào)整部分包括:

(1)頻點(diǎn)設(shè)置,調(diào)整粗匹配的頻點(diǎn);

(2)箔條數(shù)量設(shè)置,調(diào)整箔條數(shù)量;

(3)箔條長度設(shè)置,調(diào)整箔條長度;

(4)箔條擴(kuò)散率設(shè)置,根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整每種箔條的擴(kuò)散率;

(5)質(zhì)量計(jì)算,計(jì)算每種箔條所需的質(zhì)量.

在仿真平臺(tái)框架的右下角可以顯示粗匹配和精確調(diào)整時(shí)所需箔條的總質(zhì)量.

4 實(shí)驗(yàn)

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仿真平臺(tái)的有效性.設(shè)干擾頻段為10～22 GHz和50 GHz,指標(biāo)均為RCS(3 000 m2).粗匹配部分各種箔條的擴(kuò)散率相等,2倍箔條長度大于40時(shí)采用粗波條,2倍箔條長度小于25時(shí)采用細(xì)箔條,其他采用細(xì)箔條.在實(shí)驗(yàn)中不考慮多路徑效應(yīng).

根據(jù)粗匹配算法,計(jì)算得到5種箔條能較好地滿足匹配要求(見圖2).紅色‘＊’表示所選頻點(diǎn),黑色‘＊’表示干擾頻段端點(diǎn);縱坐標(biāo)表示RCS值,綠色曲線表示疊加后曲線,藍(lán)色曲線表示種箔條在此干擾頻段內(nèi)產(chǎn)生的RCS值,綠色直線為指標(biāo)要求值.

由圖2可知,在10～22 GHz內(nèi)雖然頻點(diǎn)處RCS值滿足指標(biāo)要求,但是在整個(gè)干擾頻段內(nèi)存在凹點(diǎn),遠(yuǎn)小于指標(biāo)值,50 GHz處RCS值小于指標(biāo),且波峰和波谷的差值也相對(duì)較大,需要進(jìn)行精確調(diào)整.

5種箔條精確調(diào)整匹配結(jié)果見圖3.由圖3可知:調(diào)整后的箔條波峰谷差更小,匹配整個(gè)RCS曲線滿足指標(biāo)要求,質(zhì)量增加0.066 8 kg.

圖2 5種箔條粗匹配結(jié)果

圖3 5種箔條精確調(diào)整匹配結(jié)果

在箔條的實(shí)際配比計(jì)算中,根據(jù)配比需求,有時(shí)需要減少箔條的種類或減輕箔條的質(zhì)量或得到相對(duì)較平滑的RCS擬合曲線,不斷調(diào)整箔條配比所需的種類和數(shù)量.采用6種箔條精確調(diào)整匹配結(jié)果見圖4,其中箔條質(zhì)量為10.653 kg,需要的箔條質(zhì)量小于圖2和圖3配比需求.由圖4可知,箔條種類增加一種,峰谷差減少,使用的箔條質(zhì)量減輕.

采用4種箔條精確調(diào)整匹配結(jié)果見圖5,其中箔條質(zhì)量為10.729 kg.由圖5可知,4種箔條滿足配比要求,但是波峰谷差增大,箔條質(zhì)量增加.

圖4 6種箔條精確調(diào)整匹配結(jié)果

圖5 4種箔條精確調(diào)整匹配結(jié)果

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知:(1)根據(jù)粗配比方法可以得到箔條較好配比所需的箔條種類數(shù)、數(shù)量和所需箔條的質(zhì)量;(2)增加箔條種類可以使配比曲線更加平滑,有效減少波峰谷差,但會(huì)增加箔條的質(zhì)量;(3)較小箔條數(shù)量使得配比曲線變得更加陡峭,增加波峰谷差,同時(shí)增加箔條的質(zhì)量;(4)工程上主要是在箔條質(zhì)量、種類和配比曲線的平滑度之間協(xié)調(diào),尋找優(yōu)化配比結(jié)果.

5 結(jié)束語

分析箔條半波長輻射效率的影響因素、長度選取條件、極化特性和雷達(dá)截面特性,以及每種特性在箔條配比中的作用,給出粗匹配和細(xì)匹配相結(jié)合的箔條配比算法,建立配比仿真平臺(tái),驗(yàn)證配比算法的有效性.

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Chaff match algorithm/2011,35(2):99-103

CA IQian1,2,ZHANGWei-hua1
(1.College of Aerospace and M aterials Engineering,N ationa l University of Defense Technology,Changsha,H unan 410073,China;2.710 Research Institute,China Shipbuilding Corporation,Yichang,H ubei 443003,China)

Chaff,as the main interference materials fo r the radar-guided anti-ship m issiles,has been w idely used,but the quantities and types of the chaff are filled in the chaff jamming weapon using the experienced fo rmula.The chaff has not been fully used.The jamm ing frequency is not covered.The efficiency of the weapon has been reduced.The chaff match is the key technology in the chaff jamming weapon.For solving the p roblem of the chaff match in the chaff jamming weapon,thematch method using the rough match and meticulous adjusting is p roposed based on the physical features of the chaff,jamming frequency range and the usual f requency dotsof the anti-ship missiles.And the fast,valid simulation model of the chaff match is built.The validity of themodel and themodel itself are tested acco rding to the experiments.

jamm ing;chaff match;sim ulation model;anti-ship missile

TN 972

A

1000-1891(2011)02-0099-05

2010-09-10;審稿人:葉秀芬;編輯:任志平

蔡 蒨(1971-),男,博士生,研究員,主要從事無源光電對(duì)抗方面的研究.