高分辨力下的箔條云質(zhì)心干擾模型

商 樂

(解放軍91404部隊，秦皇島 066001)

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高分辨力下的箔條云質(zhì)心干擾模型

商 樂

(解放軍91404部隊，秦皇島 066001)

雷達(dá)目標(biāo)識別能力的提高是當(dāng)前和今后對雷達(dá)干擾的主要挑戰(zhàn)。描述了導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)分辨單元與箔條云之間隨著風(fēng)向、風(fēng)速動態(tài)變化的幾何關(guān)系，闡述了處于雷達(dá)分辨單元內(nèi)的箔條云與艦船對末制導(dǎo)雷達(dá)的共同作用，定量地分析了對反艦導(dǎo)彈的干擾效果。該研究能夠用于箔條干擾試驗、訓(xùn)練以及戰(zhàn)法研究中的效果評估。

箔條云；末制導(dǎo)雷達(dá)；質(zhì)心干擾；目標(biāo)識別

0 引 言

計算機(jī)仿真技術(shù)作為一種輔助試驗手段，在軍事領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，進(jìn)行箔條質(zhì)心式干擾效果試驗的計算機(jī)仿真，可以人為設(shè)置各種不同風(fēng)速、風(fēng)向、航速、航向、導(dǎo)彈來襲方位、機(jī)動方向、用彈量等條件，而且可以反復(fù)進(jìn)行仿真試驗，通過大量的理論分析和仿真試驗結(jié)果分析制定的電子對抗系統(tǒng)及無源干擾分系統(tǒng)設(shè)計定型試驗試驗大綱，減少了試驗用彈量，縮短了試驗周期，節(jié)約了試驗消耗，使試驗水平上了新臺階[1]。

將仿真所需的目標(biāo)艦在海上實際環(huán)境中運動的各種參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計、整理，建立目標(biāo)艦運動模型；對導(dǎo)彈的飛行速度和運動矢量建立方程形成導(dǎo)彈運動模型；對雷達(dá)天線波束方向圖進(jìn)行合成，建立末制導(dǎo)雷達(dá)角跟蹤模型；通過對箔條云、導(dǎo)彈、目標(biāo)艦三者的運動關(guān)系分析，由雷達(dá)方程推出質(zhì)心干擾數(shù)學(xué)模型；根據(jù)有關(guān)無源干擾效果試驗評定準(zhǔn)則建立干擾評價模型。上述模型的有機(jī)結(jié)合即形成計算機(jī)仿真試驗的主體。

1 現(xiàn)有質(zhì)點模型的方法與弊端

1.1 無源干擾原理

艦船自衛(wèi)中用得最多的是將箔條作為雷達(dá)誘餌，以干擾敵攻擊機(jī)、導(dǎo)彈雷達(dá)對艦船的瞄準(zhǔn)。實戰(zhàn)表明，箔條對飛航式反艦導(dǎo)彈的干擾特別有效，而且更經(jīng)濟(jì)、更靈活，已成為現(xiàn)代艦艇廣泛采用的電子對抗設(shè)備。箔條對飛航式反艦導(dǎo)彈進(jìn)行干擾的基本原理是，當(dāng)艦上偵察和探測設(shè)備發(fā)現(xiàn)導(dǎo)彈的來襲之后，立即由艦上迎著導(dǎo)彈來襲方向發(fā)射快速離艦散開的箔條彈，使之和艦船都處于導(dǎo)彈尋的雷達(dá)的分辨單元內(nèi)，從而使導(dǎo)彈跟蹤到比艦船回波強(qiáng)得多的箔條云團(tuán)的回波上。箔條發(fā)射后，艦船應(yīng)立即根據(jù)導(dǎo)彈的方向、艦船的航向、航速以及風(fēng)速、風(fēng)向等進(jìn)行快速的機(jī)動，以避開導(dǎo)彈對艦船的跟蹤。而箔條云團(tuán)是在導(dǎo)彈和艦船之間，彈上的邏輯系統(tǒng)將首先截獲距離近的箔條信號。箔條彈應(yīng)具有大的雷達(dá)截面，能在寬頻段內(nèi)大于被掩護(hù)艦艇的雷達(dá)截面，例如要掩護(hù)中輕型艦艇，箔條彈的雷達(dá)截面就應(yīng)達(dá)到數(shù)千平方米，甚至一萬多平方米。

質(zhì)心干擾的前提是目標(biāo)艦已經(jīng)被敵導(dǎo)彈的末制導(dǎo)雷達(dá)跟蹤，在艦載雷達(dá)偵察告警設(shè)備偵收到敵導(dǎo)彈的末制導(dǎo)雷達(dá)信號后，自動告警并將此威脅信號自動輸送給無源干擾發(fā)射控制臺。無源干擾控制臺根據(jù)艦載平臺提供的風(fēng)向、風(fēng)速、航向、航速和雷達(dá)偵察告警設(shè)備提供的告警參數(shù)確定無源干擾方案，適時控制發(fā)射箔條干擾彈，布放箔條云假目標(biāo)。末制導(dǎo)雷達(dá)由跟蹤目標(biāo)艦轉(zhuǎn)而跟蹤目標(biāo)艦和箔條云的能量中心，并逐步過渡到跟蹤目標(biāo)艦或箔條云。跟蹤目標(biāo)艦的結(jié)果是該艦被導(dǎo)彈擊中，跟蹤箔條云則箔條干擾成功。質(zhì)心干擾仿真試驗就是通過計算機(jī)技術(shù)將上述質(zhì)心干擾過程在計算機(jī)上復(fù)現(xiàn)[2-3]。

1.2 現(xiàn)有模型的弊端

在某箔條質(zhì)心干擾仿真中(如圖1所示)，設(shè)干擾云等效能量中心位于箔條云團(tuán)的幾何中心。在導(dǎo)彈遠(yuǎn)距離跟蹤時,箔條云的幾何寬度小于末制導(dǎo)雷達(dá)波束寬度,此時可將箔條云按點目標(biāo)處理。但隨著導(dǎo)彈的飛行,使箔條云與導(dǎo)彈之間的距離縮小,點目標(biāo)將會逐步變?yōu)槊婺繕?biāo),此時箔條云的雷達(dá)截面(RCS) 就很難確定。為簡化模型,計算中仍將干擾云按點目標(biāo)處理[4]。隨著末制導(dǎo)雷達(dá)精度的提高，點目標(biāo)無論如何都不能反映實際情況中雷達(dá)分辨單元與箔條云的交互過程。所以,該假定下的任何仿真及其結(jié)果都是沒有意義的。

圖1 質(zhì)心干擾機(jī)理

單純的箔條質(zhì)心干擾原理模型僅僅能夠描述低分辨力雷達(dá)在箔條云完全處于雷達(dá)分辨單元內(nèi)的干擾效果，隨著雷達(dá)分辨力的提高，箔條云體積的增加，基于質(zhì)心干擾原理的模型并不能完全反映箔條云與雷達(dá)之間動態(tài)交互的過程，以及自然環(huán)境(主要是風(fēng)向、風(fēng)速等)對干擾效果的影響。

2 高分辨力下的箔條質(zhì)心干擾

將雷達(dá)分辨單元引入到箔條質(zhì)心干擾的原理圖中，如圖2所示。通過精確描述導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)分辨單元與箔條云之間隨著風(fēng)向、風(fēng)速動態(tài)變化的幾何關(guān)系，分析說明處于雷達(dá)分辨單元內(nèi)的箔條云與艦船對末制導(dǎo)雷達(dá)的共同作用，定量地分析對反艦導(dǎo)彈的干擾效果。

圖2 帶有雷達(dá)分辨單元的質(zhì)心干擾機(jī)理

2.1 箔條云雷達(dá)截面數(shù)學(xué)模型

箔條彈投放后形成箔條云，箔條云形成后，總雷達(dá)截面可表示為：由于箔條云中信號衰減，位于箔條云中的箔條不能接收同一位置上的獨立箔條所能接收的信號能量[4]。因此云中箔條呈現(xiàn)的RCS小于獨立箔條RCS，如果箔條云的表面和箔條云內(nèi)深度x之間的所有箔條的貢獻(xiàn)被計算的話，則可以證明雷達(dá)照射箔條云的每單位面積總的RCS為:

σa(x)=1-exp(-neσ0x)

(1)

式中:σa(x)為箔條云到深度x的每單位面積達(dá)到的截面；ne為每單位體積內(nèi)的有效箔條數(shù)。

當(dāng)neσ0x為大時，箔條云或者很密或者很厚，σa(x)趨于1，而箔條云的RCS非常接近于雷達(dá)照射的投影面積。對于小的neσ0x值(箔條充分散開),則：

σa(x)≈neσ0x

(2)

乘積nex表示具有單位橫截面積和單位長度為x的體積中有效箔條的總數(shù)。在設(shè)計箔條中，有效箔條RCS是按有意義的雷達(dá)分辨單元(RRC)包含的RCS。如果箔條云大于RRC體積，則：

σ=Aθ?[1-exp(-neσ0l)]

(3)

與有意義的RCS有關(guān)的雷達(dá)波束橫截面積(水平波束寬度為f(θ)，垂直波束寬度為f(φ))；而l為平行于天線軸的RRC的長度。

如果箔條云小于RRC，則：

σ=Ac[1-exp(-neσ0l)]

(4)

式中：Ac為垂直于天線軸的箔條云投影面積。

其中箔條云的質(zhì)心為體積的中心[4]。

2.2 反艦導(dǎo)彈模型

反艦導(dǎo)彈仿真模型主要是指與導(dǎo)彈相關(guān)的雷達(dá)導(dǎo)引頭模型,彈體運動學(xué)、動力學(xué)模型和制導(dǎo)控制系統(tǒng)模型[5]。其基本框架如圖3所示。

圖3 導(dǎo)彈模型基本框架

雷達(dá)導(dǎo)引頭主要用于實現(xiàn)導(dǎo)彈對目標(biāo)的自動搜索、捕捉和跟蹤，向?qū)椀囊龑?dǎo)系統(tǒng)輸出角度、距離和多普勒信息。雖然有時候(例如采用比例引導(dǎo)時)距離和多普勒信息是冗余的，但先進(jìn)導(dǎo)引技術(shù)需要距離或多普勒(距離變化率)信息。

根據(jù)導(dǎo)引頭獲得的目標(biāo)運動參數(shù)，引導(dǎo)系統(tǒng)以某種引導(dǎo)方法規(guī)劃導(dǎo)彈導(dǎo)向目標(biāo)的導(dǎo)彈質(zhì)心運動軌跡，并根據(jù)導(dǎo)彈自身狀態(tài)，解算出導(dǎo)彈飛行過程中速度矢量的變化，包括速度的切向變化和法向變化。導(dǎo)彈的導(dǎo)引系統(tǒng)并不是瞬時對目標(biāo)參數(shù)作出響應(yīng)的，而是由有限長的響應(yīng)時間控制整個過程，稱為引導(dǎo)時間常數(shù)，它是影響脫靶距離的主要參數(shù)。所以這里將引導(dǎo)時間常數(shù)作為引導(dǎo)系統(tǒng)的內(nèi)部輸入變量。

控制系統(tǒng)模型接收來自導(dǎo)彈的空間位置、姿態(tài)信息(x,y,z;φ,υ,γ)和引導(dǎo)系統(tǒng)的控制信息，解算出舵偏角δf、δh、δq。

彈體運動模型接收導(dǎo)彈控制信息(主要是俯仰、航向和傾斜3個通道的舵偏角δf、δh、δq)，與導(dǎo)彈初始參數(shù)共同作用，進(jìn)行導(dǎo)彈空間位置和相關(guān)姿態(tài)的數(shù)據(jù)解算。

2.3 無源干擾交互模型

箔條云交互關(guān)系模型：描述箔條云與末制導(dǎo)雷達(dá)分辨單元之間的幾何關(guān)系，如圖4所示。同理，艦船與雷達(dá)分辨單元的幾何關(guān)系圖也同樣考慮。這樣，艦船模型必須考慮下列要素：艦船的長度、寬度以及箔條彈發(fā)射裝置的位置等。 艦船、箔條云與末制導(dǎo)雷達(dá)分辨單元的動態(tài)變化關(guān)系如圖5所示，說明了箔條干擾的詳細(xì)過程。

圖4 箔條云與雷達(dá)分辨單元幾何關(guān)系圖

圖5 雷達(dá)分辨單元中的艦船、箔條云

通過精確描述導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)分辨單元與箔條云之間隨著風(fēng)向、風(fēng)速動態(tài)變化的幾何關(guān)系，分析說明處于雷達(dá)分辨單元內(nèi)的箔條云與艦船對末制導(dǎo)雷達(dá)的共同作用，從而能夠定量地分析對反艦導(dǎo)彈的干擾效果。

圖6 雷達(dá)分辨單元中艦船、箔條云的關(guān)系

從圖6可以看出,要使艦船先逃逸出雷達(dá)的分辨單元,彈載雷達(dá)對箔條云進(jìn)行跟蹤, 就必須滿足d>e(即艦船RCS 小于箔條RCS), 繼而保證當(dāng)艦船、導(dǎo)彈、箔條云之間達(dá)到臨界關(guān)系時, 艦船可以先出雷達(dá)分辨單元。

在以d>e為條件的前提下,當(dāng)gLw/2 或h>Ld/2時,艦船逃離分辨單元,此時導(dǎo)彈指向箔條云。對此改進(jìn)，通過連續(xù)時間的數(shù)字仿真過程，逼真地模擬雷達(dá)分辨單元、艦船以及箔條云之間的交互關(guān)系。

2.4 效果評估模型

因為很多導(dǎo)彈都具有近炸引信，所以干擾效果的評估模型需要將導(dǎo)彈與艦船之間的最小距離作為干擾效果評估的主要指標(biāo)。如果該最小距離大于導(dǎo)彈的威力范圍，則可以認(rèn)為干擾成功；否則失敗。

3 特點分析

與現(xiàn)有質(zhì)點模型相比，高分辨力下的箔條云質(zhì)心干擾模型具有下列特點和優(yōu)勢：(1)分析箔條云、艦船與雷達(dá)分辨單元的幾何關(guān)系，更加細(xì)致地描述它們之間的交互過程和動態(tài)變化;(2)基于箔條云、艦船與雷達(dá)分辨單元的相互作用，評估箔條云對末制導(dǎo)雷達(dá)的干擾效果。

4 結(jié)束語

對于模型，當(dāng)前對電子戰(zhàn)(EW)的認(rèn)識不足可能會局限EW模型的研究。模型能力的透徹理解，以及對這些模型的單個能力怎么結(jié)合成系統(tǒng)能力的理解，是完成系統(tǒng)目的的關(guān)鍵。

對于試驗和評估，現(xiàn)有評估問題的關(guān)鍵并不在于對數(shù)據(jù)的處理和評估，而在于對試驗評估過程的認(rèn)識不足。應(yīng)該認(rèn)識到：雖然評估通常滯后于試驗，但應(yīng)進(jìn)行各種努力減少這種滯后。試驗活動前缺乏評估分析必然使得試驗評估活動面臨種種問題。美國國防部的文獻(xiàn)中突出強(qiáng)調(diào)了試驗前評估分析的作用。試驗前分析用來預(yù)測可能發(fā)生的各種情況下的試驗結(jié)果，并預(yù)測它們對于系統(tǒng)性能的價值。試驗前分析也用來決定試驗條件和試驗順序。

[1] 王雪松.現(xiàn)代雷達(dá)電子戰(zhàn)系統(tǒng)建模與仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[2] 陳靜.雷達(dá)箔條干擾原理[M].北京：國防工業(yè)出版社，2007.

[3] 陳靜.雷達(dá)無源干擾原理[M].北京：國防工業(yè)出版社，2009.

[4] 高東華.箔條質(zhì)心干擾發(fā)射機(jī)動決策仿真研究[J].艦船科學(xué)技術(shù),2003，25(5)：63.

[5] 雷虎民.導(dǎo)彈制導(dǎo)與控制原理[M].北京：國防工業(yè)出版社，2009.

Chaff Cloud Centroid Jamming Model under High Resolution Condition

SHANG Le

(Unit 91404 of PLA,Qinhuangdao 066001,China)

Improvement of radar target identification capability is the main challenge to present and future radar jamming.This paper describes the geometric relation between resolution element of missile terminal guidance radar and chaff cloud with the dynamic variation of wind direction and wind speed,expatiates the common action of chaff cloud and ship to terminal guidance radar in radar resolution element,quantitatively analyzes the jamming effect to anti-ship missile.The research can be used for the chaff jamming test,training and effect evaluation in tactics research.

chaff cloud;terminal guidance radar;centroid jamming;target identification

2014-11-10

TN972.41

A

CN32-1413(2015)04-0085-04

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.04.022