機(jī)載對(duì)映體干擾有效性分析

(海軍航空工程學(xué)院電子信息工程系,山東煙臺(tái)264001)

0 引言

遂行任務(wù)的作戰(zhàn)飛機(jī)在遭遇敵導(dǎo)彈攻擊時(shí)必須采取適當(dāng)?shù)碾娮訉?duì)抗措施以躲避威脅。對(duì)映體干擾是對(duì)抗采用單脈沖雷達(dá)導(dǎo)引頭體制的主動(dòng)或半主動(dòng)有源空空導(dǎo)彈最有效的自衛(wèi)干擾方式之一。對(duì)映體干擾的原理是借助多路徑傳播策略來(lái)阻礙雷達(dá)截獲干擾機(jī)平臺(tái)所在的準(zhǔn)確位置[1]。此時(shí)攜帶干擾機(jī)的作戰(zhàn)飛機(jī)朝地面發(fā)射干擾信號(hào)并經(jīng)地面反射至來(lái)襲目標(biāo)雷達(dá),當(dāng)雷達(dá)接收到的干擾信號(hào)強(qiáng)度超過(guò)飛機(jī)的回波信號(hào)時(shí),雷達(dá)會(huì)誤把位于地面以下的飛機(jī)鏡像點(diǎn)當(dāng)作攻擊目標(biāo),從而達(dá)到欺騙目的。

實(shí)際應(yīng)用時(shí),低空飛行的飛機(jī)截獲到雷達(dá)信號(hào)后,經(jīng)放大處理后向具有良好鏡面反射能力的地面發(fā)射干擾信號(hào),引起導(dǎo)彈的跟蹤角誤差,使其撞向地面的干擾信號(hào)照耀場(chǎng);而當(dāng)?shù)孛婧艽植跁r(shí),有相當(dāng)部分的干擾信號(hào)能量就可能會(huì)被散射掉。而散射能量則來(lái)自更大一片區(qū)域,稱(chēng)為發(fā)光面。發(fā)光面區(qū)域大小與地面粗糙度及雷達(dá)與飛機(jī)的空中幾何關(guān)系有關(guān)[2]。針對(duì)機(jī)載對(duì)映體干擾的實(shí)際應(yīng)用方式,本文將對(duì)機(jī)載對(duì)映體干擾的有效作用區(qū)域,有效干擾條件以及影響對(duì)映體干擾有效性的因素進(jìn)行逐一分析。

1 對(duì)映體干擾基本原理

對(duì)映體干擾是一種應(yīng)用在飛機(jī)上的雷達(dá)有源角度欺騙干擾方式,對(duì)映體干擾原理如圖1所示。假設(shè)雷達(dá)信號(hào)在地面發(fā)生鏡面反射,當(dāng)敵機(jī)(稱(chēng)機(jī)B)用雷達(dá)照射我機(jī)(稱(chēng)機(jī)A)時(shí),機(jī)A主動(dòng)降低自身高度,使機(jī)B雷達(dá)波束工作于下視狀態(tài)。同時(shí),機(jī)A攜帶的機(jī)載自衛(wèi)干擾設(shè)備接收、復(fù)制敵雷達(dá)信號(hào)并調(diào)制后形成干擾信號(hào)并由專(zhuān)用天線(xiàn)向地面發(fā)射,干擾信號(hào)被地面反射后進(jìn)入機(jī)B雷達(dá)系統(tǒng)。此時(shí)進(jìn)入機(jī)B雷達(dá)系統(tǒng)的干擾信號(hào)還有機(jī)A真實(shí)反射回波信號(hào),如果干擾信號(hào)功率強(qiáng)于機(jī)A真實(shí)反射回波信號(hào)功率,而且干擾信號(hào)與機(jī)A真實(shí)反射回波所攜帶的一種以上信息(距離、速度、角度)之間的差別不足以使機(jī)B雷達(dá)將干擾信號(hào)和真實(shí)反射回波信號(hào)區(qū)別開(kāi),機(jī)B雷達(dá)自動(dòng)增益控制系統(tǒng)就會(huì)跟蹤較強(qiáng)回波信號(hào),也就是把目標(biāo)回波方向判斷為功率較強(qiáng)的BG方向,將目標(biāo)確定為機(jī)A在地面下的鏡像A′,而如果干擾對(duì)象機(jī)B是雷達(dá)制導(dǎo)導(dǎo)彈的話(huà),其命中點(diǎn)將會(huì)是圖1中G點(diǎn)[3]。

圖1 對(duì)映體干擾示意圖

對(duì)映體干擾可以在遠(yuǎn)距離使用,也可以在近距離使用。在近距離使用時(shí),由于該干擾方式受反射角度的限制,初始狀態(tài)下干擾信號(hào)一般是從雷達(dá)天線(xiàn)的側(cè)面或旁瓣進(jìn)入的。為了壓制住真實(shí)目標(biāo)信號(hào),將雷達(dá)從真實(shí)目標(biāo)上引向反射信號(hào),要求干擾信號(hào)必須足夠大,再考慮地面反射的損耗,對(duì)干擾機(jī)的功率要求較高,而且要求干擾機(jī)的旁瓣要小。由于近距離使用比較常見(jiàn),情況也較復(fù)雜,所以本文只討論近距離使用對(duì)映體干擾的情況。

2 有效作用區(qū)域分析

由于對(duì)映體干擾的干擾信號(hào)是從地面方向進(jìn)入雷達(dá)天線(xiàn)的,而制導(dǎo)雷達(dá)或雷達(dá)導(dǎo)引頭的天線(xiàn)波束一般都比較窄,因此,只有當(dāng)其天線(xiàn)向下時(shí),進(jìn)入的干擾信號(hào)才可能足夠大,也就是說(shuō),應(yīng)用這種干擾樣式時(shí),干擾機(jī)載機(jī)應(yīng)在單脈沖雷達(dá)的下方。

在圖1中,設(shè)干擾信號(hào)向地面的入射角為α,其中0°＜α＜90°,波束寬度為θj,干擾機(jī)高度為Hj,干擾對(duì)象高度為Ht?？梢钥闯?干擾信號(hào)在B點(diǎn)產(chǎn)生的干擾區(qū)域(水平寬度X)取決于干擾機(jī)天線(xiàn)的波束寬度θj,干擾信號(hào)入射角α以及干擾機(jī)、干擾對(duì)象高度Hj,Ht。

設(shè)A′與C之間的距離,A′與D之間的距離分別為l A′C,l A′D,則

進(jìn)一步C與D之間的距離l CD由余弦定理有

假設(shè)干擾信號(hào)功率完全從干擾對(duì)象天線(xiàn)主瓣進(jìn)入,由式(4)顯然可以看出有效作用區(qū)域X隨著Hj,Ht的增大而增大,一般Ht大于Hj,即Ht＞Hj。下面基于控制變量法對(duì)有效作用區(qū)域X隨干擾信號(hào)入射角α以及干擾信號(hào)波束寬度θj的變化情況進(jìn)行討論。

如果Hj=3 km,Ht=4 km,此時(shí)有效作用區(qū)域X隨干擾信號(hào)入射角α以及干擾信號(hào)波束寬度θj的變化情況分別如圖2和圖3所示。

從圖2可以看到,在干擾信號(hào)波束寬度θj一定的情況下,隨著干擾信號(hào)入射角α的增加有效干擾區(qū)域會(huì)急劇減小。從圖3可以看到,在干擾信號(hào)入射角α一定的情況下,隨著干擾信號(hào)波束寬度θj的增大,有效干擾區(qū)域會(huì)逐漸增大。這與實(shí)際應(yīng)用中得到的結(jié)果是一致的。

在圖1中進(jìn)一步可以求得：

圖2 干擾信號(hào)入射角對(duì)干擾區(qū)域的影響

圖3 干擾信號(hào)波束寬度對(duì)干擾區(qū)域的影響

設(shè)干擾對(duì)象與干擾機(jī)之間的水平距離為x,當(dāng)滿(mǎn)足D1＜x＜D2時(shí),干擾機(jī)才可以干擾到需要干擾的目標(biāo),即要滿(mǎn)足下式：

當(dāng)干擾機(jī)與目標(biāo)飛機(jī)間的距離滿(mǎn)足上式時(shí),目標(biāo)飛機(jī)必定處于干擾機(jī)的有效干擾作用區(qū)域內(nèi)。因此,當(dāng)準(zhǔn)備采用對(duì)映體干擾時(shí),要根據(jù)敵我距離和我機(jī)高度、敵機(jī)高度、我機(jī)干擾波束寬度,判斷實(shí)施對(duì)映體干擾的可行性,并選擇合適的干擾時(shí)機(jī)。

3 有效干擾條件

當(dāng)?shù)孛娣瓷涫狡垓_干擾的干擾信號(hào)能進(jìn)入干擾對(duì)象天線(xiàn)時(shí),影響干擾效果的關(guān)鍵因素還是進(jìn)入到被干擾雷達(dá)內(nèi)的干擾功率大小。

設(shè)干擾機(jī)輸出功率為Pj,天線(xiàn)增益為Gj,波長(zhǎng)為λ,載機(jī)對(duì)雷達(dá)的有效反射面積為σ;雷達(dá)天線(xiàn)輸出功率為Pt,天線(xiàn)增益為Gt,雷達(dá)天線(xiàn)的有效接收面積為A,通常A=λ2Gt/4π,雷達(dá)天線(xiàn)在受干擾方向的有效接收面積為A′,A′=λ2Gt′/4π,其中,Gt′通常采用下面的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[4]：

因?yàn)閷?shí)際天線(xiàn)的方向圖在大于60°角度范圍之后,天線(xiàn)增益不再隨著θ的增大而減小,而是趨于一個(gè)平均穩(wěn)定的增益數(shù)值,這個(gè)數(shù)值可以用θ=60°時(shí)的Gt′來(lái)計(jì)算。而當(dāng)θ≤θ0.5/2時(shí),Gt′按天線(xiàn)最大增益Gt來(lái)計(jì)算[5]。

圖4是干擾機(jī)波束與雷達(dá)波束位置關(guān)系示意圖。其中,θ0.5是雷達(dá)半功率點(diǎn)波束寬度,θ是入射干擾信號(hào)與雷達(dá)天線(xiàn)波束之間的夾角,因?yàn)槔走_(dá)在制導(dǎo)狀態(tài)下一般使用銳方向天線(xiàn),所以取k=0.07～0.10,干擾機(jī)到雷達(dá)的直線(xiàn)距離為Rt。

圖4 干擾機(jī)波束與雷達(dá)波束位置關(guān)系

根據(jù)圖1,干擾信號(hào)經(jīng)地面發(fā)射后到雷達(dá)的距離為

雷達(dá)接收到的目標(biāo)回波信號(hào)功率為[6]

雷達(dá)接收到的干擾信號(hào)功率為

式中,γj為干擾信號(hào)對(duì)雷達(dá)天線(xiàn)的極化損失,為了對(duì)各種極化形式的雷達(dá)都能有效干擾,通常取γj=0.5;γd為衡量干擾信號(hào)經(jīng)地面反射后損失的等效反射系數(shù),當(dāng)反射面為光滑表面時(shí),反射效果最好。由于地面反射系數(shù)與地形、頻率、入射角和電磁波的極化形式等參數(shù)有關(guān),所以同樣的地面對(duì)于不同類(lèi)型的雷達(dá)的影響也是不同的 。

在雷達(dá)接收端口,干擾信號(hào)和雷達(dá)回波信號(hào)的功率之比(干信比)為

式中,k,σ,PjGj,PtGt,γj,γd,θ0.5是一些相對(duì)確定的量,它們對(duì)動(dòng)態(tài)變化不起作用,因此,下面僅討論Rt,Hj,Ht,θ,α對(duì)干擾效果的影響。當(dāng)α小時(shí),為了使干擾信號(hào)能進(jìn)入雷達(dá),干擾機(jī)載機(jī)和雷達(dá)間隔距離應(yīng)足夠大,或兩者離地面越近越好。由式(13)可知Ka與sin2α成正比,因此α不能太小,而根據(jù)圖2和考慮地面對(duì)反射系數(shù)的影響,α也不能太大,否則干擾有效區(qū)域會(huì)變近變小。因此α應(yīng)取0°～90°之間的一個(gè)中間范圍的值,在實(shí)際應(yīng)用中,α由干擾機(jī)發(fā)射天線(xiàn)發(fā)射角度決定,通常是固定的,一般情況下,可以取α=π/4。因此,可在此基礎(chǔ)上確定Rt,Hj,Ht,θ的取值范圍。

假設(shè)k=0.08,載機(jī)對(duì)雷達(dá)的有效反射面積σ=5 m2,干擾機(jī)有效輻射功率為PjGj=5×106W,目標(biāo)飛機(jī)雷達(dá)有效輻射功率為PtGt=8.4×109W,干擾信號(hào)對(duì)雷達(dá)天線(xiàn)的極化損失γj=0.5,干擾信號(hào)經(jīng)地面反射后損失的等效反射系數(shù)γd=0.9,雷達(dá)半功率點(diǎn)波束寬度θ0.5=2°。以下就各因素對(duì)干擾效果的影響進(jìn)行分析。

3.1 Rt對(duì)干擾效果的影響

干擾機(jī)載機(jī)高度Hj=3 k m,目標(biāo)飛機(jī)高度Ht=4 km,干擾信號(hào)入射角α=45°,干擾信號(hào)波束寬度θj=2°,將以上數(shù)據(jù)代入式(8),得Rt的取值范圍為6.833～7.317 km。根據(jù)式(13)可以得到圖5。

圖5 干擾機(jī)與雷達(dá)間距對(duì)干擾效果的影響

從圖5可以看到,在干擾信號(hào)與雷達(dá)波束夾角θ一定的情況下,隨著干擾機(jī)與雷達(dá)間距Rt的增大,干擾效果會(huì)不斷增強(qiáng)。

3.2 θ對(duì)干擾效果的影響

假設(shè)條件同3.1節(jié)中一樣,根據(jù)式(13)可以得到圖6。

圖6 干擾信號(hào)與雷達(dá)波束夾角對(duì)干擾效果的影響

通過(guò)式(13)可以看出,Ka與θ2成反比,即θ越小越好。經(jīng)過(guò)仿真,在圖6中同樣可以看到當(dāng)干擾機(jī)與雷達(dá)間距一定時(shí),隨著θ的減小,干擾效果會(huì)得到快速提升。由于雷達(dá)天線(xiàn)在初始狀態(tài)是對(duì)準(zhǔn)干擾機(jī)的,θ小意味著干擾機(jī)載機(jī)必須低于雷達(dá)。此外,同樣道理,Hj,Ht的值也是越小越好,即對(duì)映體干擾在低空應(yīng)用效果更好。

3.3 地面反射特性對(duì)干擾效果的影響[3]

(1)不同干擾機(jī)在相同地區(qū),實(shí)施對(duì)映體干擾的效果可能不同

與其他干擾類(lèi)型一樣,對(duì)映體干擾的效果,取決于進(jìn)入要干擾雷達(dá)接收機(jī)的功率大小。由前面的分析可知,進(jìn)入雷達(dá)的干擾信號(hào)的強(qiáng)度除由干擾機(jī)發(fā)射功率決定外,還由地面對(duì)干擾信號(hào)的反射特性決定,即干擾的有效性受到地面平滑程度影響。前述分析以地面是光滑的情況為前提,事實(shí)上,現(xiàn)實(shí)中絕對(duì)光滑的地表面是沒(méi)有的。文獻(xiàn)[7]已經(jīng)證明：反射特性是雷達(dá)波波長(zhǎng)λ、掠射角γ的函數(shù)?？梢?jiàn),地面是否可被認(rèn)為是光滑,與雷達(dá)本身特性有關(guān),因此對(duì)不同波段雷達(dá)在相同的地區(qū),實(shí)施對(duì)映體干擾的效果也可能不同。

(2)相同干擾機(jī)在相同地區(qū),實(shí)施對(duì)映體干擾的效果可能不同

地球表面的覆蓋物隨季節(jié)的不同而不同,這些覆蓋物對(duì)雷達(dá)波的反射特性也不盡相同,甚至于對(duì)相同的覆蓋物,在不同的季節(jié)、不同的時(shí)間、不同的溫度以及不同的照射方向等條件下,其反射特性也有差異,分析相對(duì)復(fù)雜,到目前為止還沒(méi)有一致的結(jié)論。通常人們以水面的反射系數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)歸一化,得到地面反射特性由好到差依次為：地面、稻田、田野、城市、森林、山地。海面也是一個(gè)非常好的反射面,其反射特性與水面相似。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要對(duì)機(jī)載對(duì)映體干擾的有效性進(jìn)行了分析。通過(guò)分析得到了影響機(jī)載對(duì)映體干擾有效作用區(qū)域,干擾效果的主要因素。通過(guò)對(duì)這些因素的定量分析,以期對(duì)各種不同條件下的對(duì)映體干擾作戰(zhàn)有所裨益。文中采用了控制變量法的討論方式,實(shí)際中這些因素之間是相互影響,相互制約的一個(gè)復(fù)雜體,因此應(yīng)用中應(yīng)該統(tǒng)籌考慮各個(gè)因素,在合理的取值范圍之內(nèi)選擇各因素的最優(yōu)組合,以達(dá)到最佳的干擾效果。

[1]SCHLEHER D C.Electronic Warfare in the Information Age[M].Norwood,MA：Artech House,1999.

[2]高彬,毛士藝,孫進(jìn)平,等.對(duì)映體干擾作戰(zhàn)效能仿真評(píng)估[J].彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào),2010,30(4)：223-226.

[3]李勇,葉志銓.對(duì)映體干擾原理及影響干擾效果的因素分析[J].電子信息對(duì)抗技術(shù),2006,21(5)：29-32.

[4]余立志,張新如,李傳杰.干擾飛機(jī)多方式干擾警戒雷達(dá)效果仿真[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2013,11(3)：251-254.YU Li-zhi,ZHANG Xin-ru,LI Chuan-jie.Simulation of Effect of Electronic Jamming Aircraft on Warning Radar in Multiple Jamming Modes[J].Radar Science and Technology,2013,11(3)：251-254.(in Chinese)

[5]張永順,童寧寧,趙國(guó)慶.雷達(dá)電子戰(zhàn)原理[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社,2007：90-94.

[6]侯民勝,樊曉明,洪善民.一種有效的角度欺騙干擾[J].信息化研究,2009,35(10)：6-9.

[7]丁鷺飛,耿富錄,陳建春,等.雷達(dá)原理[M].北京：電子工業(yè)出版社,2009.