基于擴展目標的單脈沖多普勒雷達導引頭相干干擾

莫翠瓊 戴幻堯 陳秋菊 王正 趙晶

(1.電子工程學院,合肥 230037;2.中國洛陽電子裝備試驗中心,洛陽 471003;3.中國人民解放軍95868部隊,北京 100076)

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基于擴展目標的單脈沖多普勒雷達導引頭相干干擾

莫翠瓊1戴幻堯2陳秋菊1王正1趙晶3

(1.電子工程學院,合肥 230037;2.中國洛陽電子裝備試驗中心,洛陽 471003;3.中國人民解放軍95868部隊,北京 100076)

傳統(tǒng)兩點源相干干擾是基于質(zhì)點模型產(chǎn)生與回波相位相干的干擾信號,相應地用于驗證干擾效果的導引頭仿真平臺往往僅進行功能級仿真. 然而,當被掩護目標為擴展目標時,利用質(zhì)點模型無法產(chǎn)生與目標回波相干的信號導致干擾效果下降. 針對該問題,研究了基于擴展目標的相干干擾新方法,基于被掩護目標電磁散射特性將入射信號與同頻點相應姿態(tài)角下的目標散射函數(shù)進行卷積,充分保留目標特性對信號相位的調(diào)制信息,從而產(chǎn)生與擴展目標回波具有穩(wěn)定相位關(guān)系的干擾信號. 設(shè)計了脈沖多普勒(Pulse Doppler,PD)雷達導引頭相干視頻仿真模型及六自由度彈道模型,以完成精確的閉環(huán)仿真試驗評估. 試驗結(jié)果表明,通過目標距離像特性近似目標散射函數(shù)來生成PD導引頭相干干擾信號時,角度誘偏效果相比傳統(tǒng)干擾大幅度提高,方位、俯仰的框架誤差角可達到十度的量級.

相干干擾;PD導引頭;一維距離像;相干視頻仿真

DOI 10.13443/j.cjors.2015110901

引 言

相干兩點源干擾[1-2],是針對單脈沖多普勒(Pulse Doppler,PD)雷達導引頭實施干擾的傳統(tǒng)方法. 即在目標外布設(shè)干擾源,接收到敵方雷達信號后直接進行射頻存儲,然后調(diào)制為與點目標回波有恒定相位關(guān)系及相近幅度的信號[3-4]. 對相對于雷達分辨率為小尺寸的目標,依據(jù)這種方法產(chǎn)生的相干干擾可以取得較好效果. 但在實際作戰(zhàn)中,艦船這類相對于雷達分辨率為大尺寸的目標,其回波相位不僅受傳播路徑影響,還將受目標自身復雜的散射特性調(diào)制. 此時,目標上搭載的電子支援設(shè)備(Electronic Support Measures,ESM)如簡單按質(zhì)點模型產(chǎn)生干擾,將無法與回波相干. 針對這一問題,本文研究了基于擴展目標的相干干擾技術(shù). 以被掩護目標的電磁散射特性獲取為前提,將入射信號與相應姿態(tài)角下的目標一維高分辨距離像進行卷積,從而保留目標散射特性對信號相位的影響,在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生與擴展目標回波具有穩(wěn)定相位關(guān)系的干擾信號. 相應地,在傳統(tǒng)方法中,用于驗證干擾效果的雷達導引頭仿真平臺往往進行功能級仿真[5-6],不會再現(xiàn)雷達信號的相干處理全過程. 本文設(shè)計了PD雷達導引頭相干視頻信號級仿真模型及六自由度彈道模型,采用精確的閉環(huán)仿真平臺驗證干擾效果;干擾效果驗證實驗表明,與基于質(zhì)點模型的相干干擾相比,基于擴展目標的相干干擾技術(shù)具有更好的誘偏效果.

1 相干兩點源干擾基本原理

相干兩點源是在導彈導引頭的跟蹤波束內(nèi),于目標附近設(shè)置干擾源,且干擾源的干擾信號到達導引頭雷達接收機時與回波信號有穩(wěn)定的相位關(guān)系(即相位相干). 相干兩點源干擾原理如圖1所示[7].

假設(shè)兩點源AB與P點相垂直時,A和B輻射到P的信號無波程差,如果傾斜一個Ψ角時則產(chǎn)生波程差,即相位不一致,該誤差則為

(1)

式中: θ′為兩點源產(chǎn)生的相干干擾所引起的雷達定位誤差; a為兩點源信號幅度比; Ψ為兩點源的連線與雷達的垂線夾角.

圖1 相干兩點源干擾原理

根據(jù)式(1),相干干擾可以在雷達天線口面形成信號相位波前畸變,導致雷達產(chǎn)生錯誤跟蹤,相干兩點源干擾單脈沖雷達在理論上是可行的,其指向角偏向與干擾信號和回波信號的相位差及幅度比等因素有關(guān). 但實際上,當雷達入射波具有一定帶寬時,對艦船這類擴展目標,其回波是雷達發(fā)射信號經(jīng)過目標復雜的散射函數(shù)調(diào)制后的結(jié)果,其到達天線口面時的信號相位很難與基于質(zhì)點模型產(chǎn)生的點源相干干擾信號保持穩(wěn)定關(guān)系.

2 基于擴展目標的相干干擾技術(shù)

艦船目標尺寸常達幾十米甚至百米以上,當導引頭入射信號具有一定帶寬時,艦船目標回波相位將受到散射函數(shù)調(diào)制. 相應地,干擾機偵測到導引頭的入射信號時,須先與目標散射函數(shù)進行匹配處理,以保留散射函數(shù)對相位的影響. 但實際中目標散射函數(shù)影響因素眾多,如目標本身的結(jié)構(gòu)、雷達載頻、波束等,一般很難得到. 理論計算和實驗測量證明[8],在高頻區(qū),目標總的電磁散射可認為是某些局部位置上電磁散射的合成,這些局部的散射源即多散射中心.對雷達導引頭而言,若為單脈沖角跟蹤體

制,天線波束中心始終對準目標或在目標附近,因此在遠距離下,目標方向的天線增益可以近似認為恒定. 在這種情況下,如果給定工作頻率及姿態(tài)角,可以利用目標一維距離像來描述與仿真目標徑向上的散射點分布[9].

2.1 標一維高分辨距離像模板庫

本文以目標三維CAD模型為基礎(chǔ),利用電磁計算軟件FEKO建立全姿態(tài)角一維距離像模板庫[10]. 圖2分別為兩類艦船三維CAD模型示意圖,其中圖2(a)為某補給艦模型,圖2(b)為具有一定隱身功能的艦船模型.圖3(a)為圖2(a)中模型在1.00°姿態(tài)角下的一維距離像，圖3(b)為圖2(b)中模型在1.00°姿態(tài)角下的一維距離像.

(a) 某補給艦船模型 (b) 具有一定隱身功能的某艦船模型圖2 目標三維CAD模型

(a) 某補給艦一維距離像 (b) 具有一定隱身功能的某艦一維距離像圖3 某目標1.00°姿態(tài)角下的一維距離像(帶寬140 MHz,頻率17.4 Hz)

圖4 基于擴展目標的單脈沖多普勒導引頭相干干擾生成流程

在每個姿態(tài)角下寬帶信號對目標進行照射,利用FEKO算得該頻域內(nèi)不同頻點的目標響應,然后通過逆快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform,FFT)可以獲得該姿態(tài)角下的一維距離像.

2.2 相干干擾信號生成流程

為完整產(chǎn)生相干干擾信號,需要多種因素配合,主要包括:目標散射特性特征:即全姿態(tài)角距離像的提取和建模,以用于卷積運算;艦載ESM系統(tǒng)偵察到PD導引頭的入射信號,以用于信號重構(gòu);卷積操作,將重構(gòu)出的PD導引頭輻射信號與目標距離像模板進行卷積,以保證干擾信號也能體現(xiàn)艦船目標散射特性;卷積操作完成后,為達到相干干擾的效果,還需要附加相移、頻移,按照式(1)中的指向角誤差計算公式來選取附加相移、時延等參數(shù).圖4給出了基于擴展目標的單脈沖多普勒導引頭相干干擾執(zhí)行流程.

3 干擾對抗仿真實驗

在單脈沖多普勒雷達導引頭相干視頻仿真與六自由度彈道解算平臺的基礎(chǔ)上,本文分別選擇了無干擾條件下的理想場景、基于質(zhì)點模型的相干干擾場景及基于擴展目標的相干干擾場景等進行干擾對抗試驗,每種場景進行同一初始條件下100次蒙特卡洛實驗,其結(jié)果進行統(tǒng)計后取均值,以比對參照分析.

在相干視頻閉環(huán)彈道仿真中,導彈在發(fā)射坐標系內(nèi)的初始位置(0,200 m,-400 m),初始速度矢量為(400 m/s,0,0),初始航向角、俯仰角和滾動角均為0,加速度矢量為(0,0,0),角速度矢量為(0,0,0). 目標在發(fā)射系內(nèi)的目標初始位置為(7 000 m,0,0);目標艦船長度150 m,角閃爍系數(shù)取為0.35. 彈體滾動、方位、俯仰通道的轉(zhuǎn)動慣量分別為56.7, 3 996, 3 983 kg·m2,初始質(zhì)量為1 030 kg,推力為6 350 N,制導律計算環(huán)節(jié)中的滯后時間常數(shù)為0.2 s,自動駕駛儀環(huán)節(jié)中的滯后時間常數(shù)為0.03 s,比例導引系數(shù)5.0,彈道解算積分步長1 ms. 雷達導引頭的平均發(fā)射功率350 W,工作載波頻率15.8 GHz,脈沖寬度2.0 μs,發(fā)射綜合損耗1.8 dB,接收綜合損耗3.2 dB,大氣傳輸綜合損耗值1.0 dB,最大工作距離35 km,接收機熱噪聲系數(shù)6.8 dB;導引頭采用HPRF波形(準連續(xù)波波形),重頻為320 kHz,相參處理子脈沖數(shù)為512,接收機中頻頻率2 MHz,系統(tǒng)采樣頻率10 MHz,工作幀周期40 ms,其中循環(huán)探測時間為32 ms,共分為四個子周期,每個周期時長8 ms,在每個子周期內(nèi)要完成512個相干視頻采樣值的選取(即A/D采樣速率為64 kHz).

3.1 基于質(zhì)點模型的相干干擾對抗試驗仿真

試驗場景考慮基于質(zhì)點模型的相干干擾的相關(guān)參數(shù),如表1所示,從而構(gòu)建典型的點源相干干擾對抗試驗場景.

表1 基于質(zhì)點模型的相干干擾

實驗結(jié)果如下:最終的脫靶量為78.8 m. 圖5為基于質(zhì)點模型的相干干擾下的三維攻防對抗態(tài)勢圖.

圖5 基于質(zhì)點模型的相干干擾下三維攻防對抗態(tài)勢

圖6給出了基于質(zhì)點模型的相干干擾下下的導引頭方位、俯仰框架誤差角提取曲線測量值與真實值之間的比對.通過以上兩圖看出,當采用基于質(zhì)點模型的相干干擾時,具有一定的干擾效果. 但從脫靶量與目標尺寸的比較來看,在基于質(zhì)點模型的相干干擾情況下,仍有可能對目標造成毀傷.

(a) 方位框架誤差角提取曲線

(b) 俯仰框架誤差角提取曲線圖6 基于質(zhì)點模型的相干干擾下的導引頭框架誤差角提取曲線

圖7 基于擴展目標的相干干擾下的三維攻防對抗態(tài)勢圖

3.2 基于擴展目標的相干干擾試驗結(jié)果分析

試驗場景設(shè)置以無干擾條件下工作場景設(shè)置為基礎(chǔ),干擾相關(guān)參數(shù)與點源相干干擾條件下完全相同,不同之處僅在于干擾信號生成流程按照基于擴展目標的相干干擾信號生成流程執(zhí)行. 圖7為基于擴展目標的相干干擾下的三維攻防對抗態(tài)勢圖，相干干擾的脫靶量為143.5 m.圖8給出了基于擴展目標的相干干擾下的導引頭方位、俯仰框架誤差角提取曲線測量值與真實值之間的對比.

(a) 方位框架誤差角提取曲線

(b) 俯仰框架誤差角提取曲線圖8 基于擴展目標的相干干擾下的導引頭框架誤差角提取曲線

從脫靶量結(jié)果可看出,當通過目標距離像特性近似目標散射函數(shù)來生成PD導引頭相干干擾信號時,誘騙效果比基于質(zhì)點模型的相干干擾有一定提高,當開始實施干擾后,方位、俯仰的框架誤差角出現(xiàn)震蕩. 從脫靶量與目標尺寸的比較來看,在基于擴展目標的相干干擾情況下,導彈命中點能夠被有效誘騙至目標尺寸之外.

4 結(jié) 論

從仿真實驗中可看出,當通過目標一維距離像近似目標散射函數(shù)來生成PD導引頭相干干擾信號,能夠達到較好的誘騙效果,具體的誘騙距離與相干干擾參數(shù)設(shè)置均密切相關(guān),可借助PD導引頭相干視頻仿真與六自由度彈道解算平臺的基礎(chǔ)上進行多次閉環(huán)仿真,以便定量分析各干擾參數(shù)對導引頭的影響效應,為實際作戰(zhàn)提供依據(jù)與指導. 實際作戰(zhàn)中,受系統(tǒng)精度和導彈-目標-干擾機平臺位置關(guān)系等各種誤差源因素影響,形成精確的相干干擾信號非常困難. 今后,將進一步研究時間同步及相位控制技術(shù)以及誤差對相干干擾效果的影響.

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莫翠瓊 (1964-),女,安徽人,教授,碩士生導師,研究方向為雷達對抗與雷達信號處理.

戴幻堯 (1982-),男,吉林人,博士,助理研究員,研究方向為雷達極化技術(shù)與新型電子攻擊技術(shù).

陳秋菊 (1982-),女,博士,現(xiàn)為電子工程學院講師,目前研究方向為雷達對抗與雷達信號處理.

The coherent jamming approach based on extended target of monopulse PD seeker

MO Cuiqiong1DAI Huanyao2CHEN Qiuju1WANG Zheng1ZHAO Jing3

(1.ElectronicEngineeringInstitution,Hefei230037,China; 2.LuoyangElectronicEquipmentTestingCenter,Luoyang471003,China; 3.Unit95868ofPLA,Beijing100076,China)

The current research on coherent jamming of mono-pulse pulse Doppler(PD) seeker focuses on coherent dual point-sources jamming, which is based on the particle model to produce jamming signal. Accordingly, the simulation system to verify jamming efficiency is simplified to functional simulation. However, when the target under protection is an extended one, the jamming method based on particle model is invalidated. To solve this problem, a novel coherent jamming method based on extended target model is proposed. According to the 3D CAD model of ship targets, the high resolution range profile (HRRP) templates at full azimuth angles are calculated. The jamming signals coherent with echoes are by convolution HRRP templates to radar transmitted signals, which fully preserves target property modulation information on signal phase. In order to evaluate the effect, the PD seeker is discussed in six degree of freedom trajectory simulation of the closed loop (PDRS) for coherent video signal level. Experiment result shows that the proposed method has better angle deception jamming effect which produces the jamming signal by using target range profile to approximate target scattering function. The azimuth and elevation frame angle error can reach up to about ten degree level.

coherent jamming; PD seeker; target scattering characteristics; coherent video simulation

10.13443/j.cjors.2015110901

2015-11-09

國家自然科學基金(No.61301236)

TN 95

A

1005-0388(2016)04-0731-06

莫翠瓊, 戴幻堯, 陳秋菊, 等. 基于擴展目標的單脈沖多普勒雷達導引頭相干干擾[J]. 電波科學學報,2016,31(4):731-736.

MO C Q, DAI H Y,CHEN Q J, et al. The coherent jamming approach based on extended target of monopulse PD seeker[J]. Chinese journal of radio science,2016,31(4):731-736. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2015110901

聯(lián)系人： 莫翠瓊 E-mail: mocuiqiong@sina.com