雨天毫米波制導(dǎo)導(dǎo)彈打擊島礁區(qū)水面目標(biāo)研究

曹瀚元,董受全,隋先輝

(海軍大連艦艇學(xué)院,遼寧 大連　116018)

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雨天毫米波制導(dǎo)導(dǎo)彈打擊島礁區(qū)水面目標(biāo)研究

曹瀚元,董受全,隋先輝

(海軍大連艦艇學(xué)院,遼寧 大連116018)

島礁區(qū)作戰(zhàn)中,具有二次開機的雷達制導(dǎo)導(dǎo)彈開機后極有可能漏捕目標(biāo)而錯捕島嶼。針對該問題,研究利用適量降雨衰減毫米波雷達的作用距離,使得導(dǎo)引頭在全程搜索飛行的過程中先捕目標(biāo)而不捕島,到達與末制導(dǎo)雷達提前開機一樣的作戰(zhàn)效果?；谟晏毂尘?分析了降雨對毫米波雷達作用距離衰減的影響,總結(jié)了毫米波制導(dǎo)導(dǎo)彈打擊島礁區(qū)附近目標(biāo)作戰(zhàn)的具體步驟和方法,對反艦導(dǎo)彈島礁區(qū)作戰(zhàn)使用具有一定的參考價值。

毫米波雷達;雨衰減;島礁區(qū);雷達作用距離

反艦導(dǎo)彈打擊島礁區(qū)附近目標(biāo)已成為導(dǎo)彈作戰(zhàn)使用面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn),以往文獻主要研究具有一次開機功能的反艦導(dǎo)彈通過提前預(yù)設(shè)開機點,剔除島嶼的作戰(zhàn)方法,而當(dāng)前國外先進的反艦導(dǎo)彈例如俄羅斯的“寶石3K55”、美國的“先進反艦導(dǎo)彈”都具備二次開機的功能[1],這雖然提高了反艦導(dǎo)彈自身的隱蔽性和突防能力,但是由于導(dǎo)引頭設(shè)定了第二次開機距離,導(dǎo)致搜捕區(qū)域很有可能再次覆蓋到島礁和目標(biāo),從而影響對目標(biāo)的捕獲,降低對島礁區(qū)目標(biāo)的捕捉概率。

為解決這個問題,本文提出在降雨情況下使用具有一次開機功能的毫米波末制導(dǎo)雷達對島礁區(qū)附近目標(biāo)實施打擊的作戰(zhàn)理念。在傳統(tǒng)作戰(zhàn)思維中,毫米波雷達作用距離受到雨天影響較大,一般情況下不建議指揮員使用。但是在適當(dāng)?shù)挠炅肯?衰減后的毫米波末制導(dǎo)雷達作用距離恰恰實現(xiàn)了類似提前開機的作戰(zhàn)功效,使得雷達的搜捕遠界覆蓋不到目標(biāo)和島礁。當(dāng)導(dǎo)彈垂直攻擊島礁區(qū)時,導(dǎo)引頭從完成一個選擇搜索周期,再到轉(zhuǎn)入全程搜索后,導(dǎo)彈繼續(xù)飛行搜索目標(biāo),目標(biāo)隨著彈目距離的縮短進入導(dǎo)引頭搜捕區(qū),此時導(dǎo)彈再捕捉鎖定目標(biāo),從而剔除了島礁的影響。本文通過構(gòu)建在降雨衰減影響下毫米波雷達探測距離模型,分析在不同降雨條件下三種極化特性的毫米波末制導(dǎo)雷達作用距離衰減的趨勢,并提出典型降雨量下反艦導(dǎo)彈打擊島礁區(qū)附近目標(biāo)的作戰(zhàn)使用方法流程,更好地為指揮員提供參考數(shù)據(jù)。

1　毫米波末制導(dǎo)雷達衰減特性

1.1毫米波末制導(dǎo)雷達探測優(yōu)勢

目前國外許多導(dǎo)彈的末制導(dǎo)技術(shù)都采用了毫米波雷達。例如,國際合作研制的“布拉莫斯PJ-10”反艦導(dǎo)彈,其工作頻率為ka波段;美國國防部支持研制的“先進反艦導(dǎo)彈”,其制導(dǎo)技術(shù)采用了前視紅外和毫米波雷達的雙模導(dǎo)引頭;俄羅斯研制的“花崗巖”反艦導(dǎo)彈的工作頻率為35GHz[1]。毫米波末制導(dǎo)雷達現(xiàn)已廣泛用于反艦導(dǎo)彈作戰(zhàn)使用中,其優(yōu)勢與厘米波雷達相比尤為明顯。由于其頻帶極寬,從而在探測目標(biāo)時有更高的角分辨率和距離分辨率,在雷達作用距離很遠時依然可以實現(xiàn)對目標(biāo)高精度的距離分辨能力。同時,因為多普勒帶寬寬,其多普勒效應(yīng)顯著,所以大大提高了對目標(biāo)的測速精度。采用“窄波束技術(shù)”探測后,背景的區(qū)域面積變窄,其產(chǎn)生的雜波影響大大降低,提高了雷達自身抗干擾和抗背景雜波的能力。同時,毫米波雷達通過回波處理,使得導(dǎo)引頭能獲取目標(biāo)更精細的結(jié)構(gòu)特點,大大提高了導(dǎo)引頭對多目標(biāo)選擇和在復(fù)雜背景條件下識別目標(biāo)的能力。因此,毫米波雷達已經(jīng)演變成在復(fù)雜環(huán)境下打擊水面目標(biāo)的重要殺手锏。

1.2毫米波雷達最大作用距離

末制導(dǎo)雷達最大作用距離是衡量其搜索、捕捉目標(biāo)能力的重要效能指標(biāo),通常表征為在確定的觀測環(huán)境下,雷達在天線波束最大增益方向上探測目標(biāo)的距離,其大小主要取決于雷達向空間發(fā)射的射頻能量,雷達接收機的靈敏度、雷達天線有效面積和目標(biāo)的雷達截面積等。對于微波雷達,雷達作用距離方程中的自由空間損耗往往可以忽略,然而對于毫米波雷達,則可能是限制雷達性能的最重要因素,因此,在不同自由空間損耗情況下毫米波的最大作用距離是表征雷達性能的一個很重要的指標(biāo)。

當(dāng)接收到的目標(biāo)回波信號功率Ps剛好等于雷達最小可檢測信號功率Psmin時,即實際的信噪比與最小信噪比相等時,雷達最大作用距離如下式[2]：

(1)

式中，Rmax是氣象條件影響下的毫米波雷達作用距離,單位為km;Pt是雷達發(fā)射的峰值功率,單位為W;λ是雷達波長,單位為m;δ是雷達目標(biāo)截面積,單位為m2;Kb是波爾茲曼常數(shù),取1.38×10-23J/K;T0是標(biāo)準(zhǔn)參考溫度,取T0=290K時,則通過公式可以求得KbT0=4×10-21W/Hz;Bn是接收機噪聲帶寬,單位為Hz;Fn是接收機噪聲系數(shù),單位為dB;Smin為雷達最小檢測信噪比;Ls是系統(tǒng)損耗;Latm為大氣衰減損耗。

雖然毫米波雷達有探測精度高的優(yōu)勢,但在復(fù)雜氣象條件下會受到衰減。毫米波雷達作用距離除受到自身雷達性能參數(shù)影響之外,還受到大氣衰減的損耗,而降雨衰減是其中重要的組成部分,從上述數(shù)學(xué)模型中可以看出在確定一型導(dǎo)引頭的相關(guān)技術(shù)參數(shù)后,雷達的作用距離勢必隨著大氣衰減損耗Latm的變化而變化,所以研究復(fù)雜氣象條件下的毫米波雷達作用距離,就必須要分析雷達作用距離的數(shù)學(xué)模型。

1.3降雨對毫米波雷達作用距離的影響分析

降雨造成的衰減和雜波對毫米波雷達性能產(chǎn)生了重要的影響[3]。降雨衰減將縮短雷達的探測距離,降低雷達接受目標(biāo)回波的信噪比,當(dāng)雨量增大時,更使得雷達無法正常工作。此外,當(dāng)目標(biāo)在降雨范圍內(nèi)時,雷達會受到雨后向散射回波的影響,產(chǎn)生假回波、強大的雜波信號,甚至?xí)蜎]真實目標(biāo),為雷達探測目標(biāo)帶了困難。同時,降雨還會增加毫米波雷達接收天線的噪聲溫度,影響雷達對信號的檢測能力,降低信噪比。

1)降雨對大氣衰減損耗影響分析

大氣衰減損耗Latm與大氣衰減系數(shù)αs和雷達作用距離Rz有關(guān),而大氣衰減系數(shù)αs又與標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下氧氣、水蒸汽和雨霧的衰減系數(shù)有關(guān)[4],即

Latm=100.2αsRz

(2)

αs=αO2+αH2O+Kt(αrain+αfog)

(3)

其中雷達作用距離Rz是通過雷達自身相關(guān)參數(shù)設(shè)定后計算出的最大作用距離,為便于分析實際問題,本文研究只基于降雨天氣的情況,將大氣衰減中的氧氣、水蒸汽及其他天氣系統(tǒng)的衰減系數(shù)獨立出來不做考慮,Kt為雨霧衰減的溫度修正系數(shù),這里取1。因此,針對本文研究加以簡化的模型為

αs=Ktαrain

(4)

2)降雨率

降雨率R又稱為單位時間內(nèi)的降雨量,其等級分為毛毛雨、小雨、大雨、暴雨等,常用單位是mm/h,降雨量等級如表1所示[5],降雨量的大小會影響到降雨衰減率αrain的變化。

表1　降雨等級

3)降雨衰減率數(shù)學(xué)模型

通常在降雨均勻的情況下,降雨衰減通過公式即可求得,相對容易,但在實際海戰(zhàn)場環(huán)境下,降雨往往是隨著空間、氣候等因素呈現(xiàn)出不均勻性和隨機性,不便于工程運用和計算。因此,本文參照的模型為國際電信聯(lián)盟ITU-R所確定的降雨衰減模型。該模型可操作性強,具有普遍適用性,為典型的經(jīng)驗公式，即

αrain=kRγ

(5)

k=[kH+kV+(kH-kV)cos2θcos2ξ]/2

(6)

γ=[kHγH+kVγV+(kHγH-kVγV)cos2θcos2ξ]/(2k)

(7)

其中,αrain表示雨衰減率,單位是dB/km;R代表降雨率,單位是mm/h;θ為毫米波雷達導(dǎo)引頭仰角,這里取5°;ξ為極化特征,當(dāng)ξ=0°時表示水平極化,當(dāng)ξ=90°時表示垂直極化,當(dāng)ξ=45°時表示圓極化。kH、γH、kV、γV由參考文獻[4]查表得到。

1.4算例仿真及結(jié)果分析

下面根據(jù)一個算例來具體分析降雨量對于毫米波雷達作用距離的影響,參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表2　某型雷達性能參數(shù)

根據(jù)設(shè)置的參數(shù),通過Matlab數(shù)據(jù)仿真,分別得出雨衰減量從毛毛雨到中雨的變化下,不同極化方式末制導(dǎo)雷達最大作用距離的衰減趨勢,如圖1-3所示。

圖1　水平極化下衰減雷達作用距離

圖2　圓極化下衰減雷達作用距離

圖3　垂直極化下衰減雷達作用距離

從仿真數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論:

衰減的趨勢是一個先驟減再趨于平緩的過程,當(dāng)雨量為0mm時,雷達最大作用距離為裝訂參數(shù)下計算出的理論作用距離38.7km。當(dāng)降雨量在毛毛雨的情況下,即雨量0.1mm-1.0mm,三種極化方式下雷達作用距離都從34km左右迅速衰減至12km左右。當(dāng)降雨量從毛毛雨增至小雨邊界時,即降雨量1.0mm-2.5mm時,雷達作用距離從12km左右平滑衰減至2.5km左右,當(dāng)雨量增至中雨時,即雨量2.6mm-8mm,雷達作用距離從2.5km左右平穩(wěn)衰減至0km左右。

三種不同的極化方式中,衰減趨勢最為迅速的是水平極化方式,其次是圓極化方式,最后是垂直極化方式,此數(shù)據(jù)說明在垂直極化方式下抗雨衰減的能力要相對較強。

綜上所述,降雨量的大小將直接影響到毫米波雷達的最大作用距離,當(dāng)雨量超過小雨后,末制導(dǎo)雷達的作用距離將變得非常小,說明毫米波雷達對于天氣條件的要求非常高,只有在細小的雨滴和晴天時才能發(fā)揮其最大的工作效能。

2　島礁區(qū)攻擊特點分析

2.1孤立島嶼與水面目標(biāo)的態(tài)勢關(guān)系

根據(jù)我艦相對島嶼的距離遠近以及目標(biāo)艦與我艦船相對島嶼的分布情況,其位置關(guān)系大致可分為敵我在島礁同側(cè)和敵我在島礁異側(cè),其中距離遠近的界定以視距為界進行區(qū)分,如圖4、圖5所示。

圖4　敵我在島礁同側(cè)態(tài)勢

圖5　敵我在島礁異側(cè)態(tài)勢

2.2導(dǎo)彈射向

這里的導(dǎo)彈射向是指末端航路上導(dǎo)彈與目標(biāo)的連線與靠近目標(biāo)一側(cè)島岸邊沿切線的角度關(guān)系。對島礁區(qū)附近目標(biāo)的攻擊方向可分為向著島礁射擊和平行島礁射擊兩種,而向著島礁射擊中,垂直島礁打擊方式最為典型,如圖6所示。導(dǎo)彈射向的不同直接影響末制導(dǎo)雷達對島岸附近艦船目標(biāo)的搜捕能力。本文重點分析平行島岸射擊和垂直導(dǎo)島岸射擊兩種典型情況。

平行島岸射擊,指的是導(dǎo)彈進入航向自動導(dǎo)引前的末端航路與靠近目標(biāo)一側(cè)島岸邊沿切線平行或近似平行(偏角±30°)。垂直島岸射擊,指的是導(dǎo)彈進入航向自動導(dǎo)引前的末端航路與靠近目標(biāo)一側(cè)島岸邊沿切線垂直或近似垂直(偏角±30°)。

圖6　導(dǎo)彈射向

2.3垂直打擊島礁時末制導(dǎo)雷達搜捕目標(biāo)基理

末制導(dǎo)雷達開機后,如果在一個選擇搜索周期內(nèi)沒有發(fā)現(xiàn)指定目標(biāo)時,會進入全程搜索,若在遠界捕獲到目標(biāo)之后的一個方位搜索周期內(nèi),沒有捕獲到島嶼,則視為對島礁區(qū)附近目標(biāo)成功捕獲,也就是雷達在搜索過程中先接觸到目標(biāo)而剔除島礁對目標(biāo)的影響,即雷達搜索區(qū)沒有覆蓋島礁。

當(dāng)反艦導(dǎo)彈垂直島岸射擊時,若要使得末制導(dǎo)雷達捕捉到目標(biāo)而不捕島岸需要做到:一是保證末制導(dǎo)雷達開機搜索時目標(biāo)回波不被島岸背景湮沒且滿足分辨力要求(縱向);二是雷達開機后島岸盡量不進入雷達搜索范圍;三是跟蹤階段島岸回波不進入雷達跟蹤波門。垂直島岸射擊的優(yōu)勢在于受散布誤差影響較小,不易被島岸背景干擾;劣勢則在于對異側(cè)目標(biāo)攻擊時,航程損失大,隱蔽突然性較差。

2.4末制導(dǎo)雷達提前開機基理

當(dāng)導(dǎo)彈射向垂直于島礁進行攻擊時,通過改變導(dǎo)彈自控飛行時間,使得末制導(dǎo)雷達在理論開機點之前開機搜索目標(biāo),并利用末制導(dǎo)雷達搜索區(qū)遠界搜索捕獲目標(biāo)。提前開機的距離應(yīng)確保末制導(dǎo)雷達在進行全程搜索時,目標(biāo)不在搜索區(qū)內(nèi),之后目標(biāo)隨著彈目距離的縮短進入導(dǎo)引頭搜捕區(qū)的遠界,此時導(dǎo)彈在全程搜索的飛行階段內(nèi)利用搜索區(qū)的遠界(前沿)首先探測到目標(biāo),并將其捕獲,從而有效地避免錯捕島嶼。

3　典型降雨量下毫米波雷達打擊島礁區(qū)附近目標(biāo)的方法

研究雨天打擊島礁附近目標(biāo)的方法,需要通過以下幾個步驟實施。第一階段是預(yù)報分析海區(qū)天氣環(huán)境,根據(jù)海區(qū)作戰(zhàn)環(huán)境的天氣預(yù)報,實時估算出大致的降雨量范圍,這是明確毫米波雷達是否能投入到作戰(zhàn)使用中的先決條件。第二階段是掌握判斷島目態(tài)勢,評估島目距離是否大于末制導(dǎo)雷達導(dǎo)引頭的最小分辨率,若島目距離粘連或是目標(biāo)系泊在島邊,則末制導(dǎo)雷達無法捕獲目標(biāo),不建議使用雷達導(dǎo)引體制的導(dǎo)彈實施攻擊。第三階段是設(shè)定計算衰減參數(shù),在掌握前兩個要素的基礎(chǔ)上確定裝訂什么型號的毫米波雷達制導(dǎo)導(dǎo)彈,因為雷達作用距離與雷達性能參數(shù)相關(guān),所以不同型號的雷達,作用距離不一樣。在確定了雷達型號后,依照文中所提的衰減模型可大致計算出雨量衰減后的雷達作用范圍。最后一個階段是導(dǎo)彈作戰(zhàn)實施,需要進行導(dǎo)彈作戰(zhàn)準(zhǔn)備,包括射前檢查、航路規(guī)劃、射擊諸元解算、裝訂不同捕獲模式(是選大還是選近)等。通過以上步驟可有效利用適當(dāng)降雨量對毫米波雷達作用距離的衰減,實現(xiàn)與提前開機一樣的作戰(zhàn)效果,從而剔除了島礁區(qū)背景對于目標(biāo)捕獲的影響,促成反艦導(dǎo)彈對目標(biāo)的有效打擊,具體作戰(zhàn)流程如圖7所示。

圖7　典型雨量下毫米波制導(dǎo)導(dǎo)彈打擊島礁區(qū)附近目標(biāo)作戰(zhàn)流程

下面根據(jù)想定算例,具體制定一個典型降雨背景下的作戰(zhàn)方案。

假設(shè)當(dāng)前雨量為0.3mm/h至1mm/h,島目態(tài)勢如圖8所示。

圖8　島目態(tài)勢

根據(jù)步驟進行分析:

1)這種態(tài)勢下,雨量為毛毛雨不影響毫米波雷達使用,建議指揮員選擇合適型號的導(dǎo)引頭投入戰(zhàn)場使用。

2)觀察島目態(tài)勢,分析后發(fā)現(xiàn)使用垂直于島礁的方式打擊目標(biāo)滿足現(xiàn)有裝備的性能需求,向指揮員請示使用毫米波段導(dǎo)彈打擊目標(biāo)。

3)根據(jù)第一、二階段判斷,指揮員下定打擊決心,選擇毫米波雷達制導(dǎo)導(dǎo)彈。假定性能參數(shù)見表2,雷達最大作用距離為38.7km,搜索區(qū)遠界39km,近界6.6km,雷達毫米波段距離分辨率為1.5km,雷達一個搜索波門周期的時間為3.0s,導(dǎo)彈飛行速度為300m/s,通過式(1)計算出衰減雷達作用距離,如表3所示。

表3　衰減后雷達作用距離

4)毫米波雷達雨中使用判據(jù)

判斷末制導(dǎo)雷達開機后能否正常捕捉目標(biāo)的邊界條件值是導(dǎo)彈搜捕區(qū)近界、島目距離以及完成一個搜索波門周期導(dǎo)彈飛行的距離三者之和,即導(dǎo)彈投入使用中的最小可探測距離dzmin,它是隨著導(dǎo)彈性能參數(shù)以及島目距離而變化的值。因為只有當(dāng)雷達自導(dǎo)作用距離大于此邊界值時,才能保證雷達可探測到目標(biāo),若小于該值,說明目標(biāo)和島岸已經(jīng)進入雷達搜捕盲區(qū),導(dǎo)引頭無法對目標(biāo)進行探測,失去捕捉能力。

根據(jù)導(dǎo)彈性能和島目態(tài)勢計算出導(dǎo)彈投入使用中的最小可探測距離dzmin,即

dzmin=dJ+dDM+v·t

(8)

其中,dzmin為最小可探測距離,單位為km;dJ為搜捕區(qū)近界,單位為km;dDM為島目距離,單位為km;t為一個距離波門的搜索周期,單位為s;v為導(dǎo)彈飛行速度,單位為m/s。

通過公式(8)計算可得dzmin為9.5km,將此邊界值與表格中的數(shù)據(jù)進行比對,得出衰減后的雷達作用距離均大于最小可探測距離,可以正常搜捕目標(biāo)。所以,無論選擇何種極化方式,這種雨量情況下,使用毫米波雷達可以實現(xiàn)與提前開機一樣的作戰(zhàn)效果,剔除島礁背景的影響,同時在選捕模式中裝訂“選近”或是“航控”可提高對目標(biāo)的捕捉概率。

通過對上述算例的分析和計算,可以大致提出以下幾點作戰(zhàn)使用的結(jié)論:

1)當(dāng)雨量滿足毫米波末制導(dǎo)雷達使用條件時,建議使用毫米波雷達制導(dǎo)體制的導(dǎo)彈對島礁附近目標(biāo)實施攻擊,提高導(dǎo)彈作戰(zhàn)使用的突然性。

2)為滿足對預(yù)定目標(biāo)的搜索,盡可能提高導(dǎo)彈自控終點散布精度,建議使用具有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的導(dǎo)彈武器。

3)雨天使用毫米波制導(dǎo)導(dǎo)彈時,需要準(zhǔn)確預(yù)測目標(biāo)海區(qū)的氣象環(huán)境。

4)在適當(dāng)雨量條件下,建議導(dǎo)彈雷達導(dǎo)引頭使用垂直極化方式。

4　結(jié)束語

雖然雨天對于毫米波雷達導(dǎo)引頭有著抑制和衰減的影響,但指揮員只要在合理的降雨范圍內(nèi)使用導(dǎo)彈,是可以達到成功搜捕目標(biāo)而剔除島礁影響的作戰(zhàn)效果。后續(xù)工作應(yīng)該在本文的研究基礎(chǔ)上,著重分析降雨天氣系統(tǒng)、雨霧天氣對于毫米波雷達作用距離衰減的影響以及島目態(tài)勢對于目標(biāo)回波的影響等問題,深入研究反艦導(dǎo)彈打擊島礁區(qū)附近目標(biāo)的作戰(zhàn)使用方法。

[1]魏毅寅. 世界導(dǎo)彈大全[M].北京：軍事科學(xué)出版社,2011.

[2]向敬成,張明友.毫米波雷達及其應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社,2005.

[3]李德鑫,楊日杰,蔡曉琳,等. 降雨對機載雷達作用距離影響分析[J].電光與控制,2011,18(11):36-39.

[4]白繼玲.毫米波在大氣中傳播的衰減分析[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2013.

[5]周立佳.航海氣象[M].北京：解放軍出版社,2005.

Research on Millimeter Wave Guided Missile Attacking Reef Island Area Surface Target on Rainy Day

CAO Han-yuan, DONG Shou-quan, SUI Xian-hui

(Dalian Naval Academy, Dalian 116018， China)

During operations of reef island area, the radar guided missile with the second startup function may not capture the target but island after radar startup. Aiming at this problem, combat effect on an appropriate amount of rain attenuation decaying the millimeter wave radar distance are researched as well as the radar pre-starting. It makes seeker capture the target not reef island within the whole search process. On the basis of rainy day, the effect on rainfall decaying millimeter wave radar distance are analyzed, and combat specific steps and methods for millimeter wave guidance missiles striking reef island area target are summarized, which has the certain value on the anti-ship missile combat in reef islands.

millimeter-wave radar; rain attenuation; reef island area; radar distance effect

1673-3819(2016)04-0039-05

2016-03-11

2016-03-23

曹瀚元(1989-)，男，江蘇南通人，碩士研究生，研究方向為反艦導(dǎo)彈作戰(zhàn)使用。

董受全(1968-)，男，博士，教授。

TJ761.12；E86

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2016.04.009

隋先輝(1975-)，男，碩士，副教授。