基于散射特性的單脈沖角跟蹤雷達(dá)相干干擾方法*

陳秋菊,莫翠瓊,孫 杰,戴幻堯

(1 電子工程學(xué)院,合肥 230037;2 中國(guó)洛陽(yáng)電子裝備試驗(yàn)中心,河南洛陽(yáng) 471003)

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基于散射特性的單脈沖角跟蹤雷達(dá)相干干擾方法*

陳秋菊1,莫翠瓊1,孫 杰1,戴幻堯2

(1 電子工程學(xué)院,合肥 230037;2 中國(guó)洛陽(yáng)電子裝備試驗(yàn)中心,河南洛陽(yáng) 471003)

當(dāng)雷達(dá)目標(biāo)為復(fù)雜目標(biāo)時(shí),目標(biāo)回波相位將受目標(biāo)復(fù)雜的散射特性影響,傳統(tǒng)的兩點(diǎn)源相干干擾方法無(wú)法產(chǎn)生與目標(biāo)回波相干的信號(hào)。針對(duì)該問(wèn)題,基于目標(biāo)的電磁散射特性,利用目標(biāo)多散射點(diǎn)模型來(lái)調(diào)制接收到的雷達(dá)發(fā)射信號(hào),以產(chǎn)生與目標(biāo)回波具有相對(duì)穩(wěn)定相位關(guān)系的干擾信號(hào)。為合理評(píng)估該技術(shù)的效果,根據(jù)單脈沖角跟蹤雷達(dá)的典型應(yīng)用場(chǎng)景,建立了單脈沖角跟蹤末制導(dǎo)雷達(dá)作戰(zhàn)模型,包括信號(hào)產(chǎn)生、處理模型及彈道模型,并搭建了閉環(huán)仿真平臺(tái);在該仿真平臺(tái)上,進(jìn)行了干擾效果驗(yàn)證實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為戰(zhàn)術(shù)巡航導(dǎo)彈對(duì)抗研究提供有效和實(shí)際的參考依據(jù)。

相干干擾;單脈沖角跟蹤雷達(dá);目標(biāo)散射特性;信號(hào)仿真

0 引言

單脈沖角跟蹤雷達(dá)在一個(gè)脈沖內(nèi)即可提取跟蹤誤差信息,測(cè)角既快又準(zhǔn),因此在機(jī)載雷達(dá)及末制導(dǎo)雷達(dá)等平臺(tái)中獲得了廣泛應(yīng)用。對(duì)這類(lèi)雷達(dá),傳統(tǒng)的干擾方法包括噪聲干擾、兩點(diǎn)源干擾等,其中最常用的是相干兩點(diǎn)源干擾[1-4],即在目標(biāo)外布設(shè)干擾源,對(duì)入射信號(hào)直接射頻存儲(chǔ),隨后調(diào)制為與點(diǎn)目標(biāo)回波有固定相位關(guān)系及相近幅度的信號(hào)[3],利用相位波前失真實(shí)施干擾。在相干兩點(diǎn)源干擾方法的干擾信號(hào)產(chǎn)生過(guò)程中,對(duì)目標(biāo)調(diào)制信息往往利用點(diǎn)目標(biāo)模型來(lái)近似。對(duì)簡(jiǎn)單目標(biāo)而言,依據(jù)點(diǎn)目標(biāo)產(chǎn)生的相干干擾可以滿足要求。但實(shí)際作戰(zhàn)中,如果目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)為復(fù)雜目標(biāo),則回波相位所受目標(biāo)自身散射特性調(diào)制的影響則不容忽視[6-7]。此時(shí),目標(biāo)外布設(shè)的干擾源如果僅僅簡(jiǎn)單按點(diǎn)目標(biāo)產(chǎn)生干擾,將無(wú)法真正與回波相干。

文中基于復(fù)雜目標(biāo)的散射函數(shù),研究針對(duì)單脈沖角跟蹤雷達(dá)的相干干擾方法。利用相應(yīng)姿態(tài)角下被掩護(hù)目標(biāo)的散射函數(shù)對(duì)接收到的發(fā)射信號(hào)進(jìn)行調(diào)制,以便保留目標(biāo)散射特性對(duì)信號(hào)相位的調(diào)制信息,在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生與復(fù)雜目標(biāo)回波具有穩(wěn)定相位關(guān)系的干擾信號(hào);為合理評(píng)估該方法的效果,以單脈沖角跟蹤雷達(dá)在末制導(dǎo)雷達(dá)場(chǎng)景下的應(yīng)用為例,設(shè)計(jì)了末制導(dǎo)雷達(dá)系統(tǒng)仿真模型及導(dǎo)彈六自由度彈道模型,完成了閉環(huán)仿真平臺(tái);基于該平臺(tái)的干擾效果驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)表明,與傳統(tǒng)的相干兩點(diǎn)源干擾相比,基于散射特性的相干干擾方法可以導(dǎo)致更大的脫靶量,具有更有效的干擾效果。

1 相干兩點(diǎn)源干擾原理分析

相干兩點(diǎn)源是在目標(biāo)外,雷達(dá)跟蹤波束內(nèi)設(shè)置干擾源,當(dāng)干擾信號(hào)到達(dá)雷達(dá)接收機(jī)時(shí),與回波信號(hào)的相位相干,原理如圖1所示[1]。

圖1 相干兩點(diǎn)源干擾原理

J1、J2分別為回波信號(hào)與干擾信號(hào)。如圖1,設(shè)J1、J2在雷達(dá)天線處的相位差為Δφ,J1、J2的幅度分別為AJ1、AJ2。θ0是兩波束增益最大方向和等信號(hào)方向夾角,θ是回波方向和等信號(hào)方向夾角,則J1、J2到達(dá)雷達(dá)接收天線時(shí)信號(hào)強(qiáng)度表達(dá)式為:

(1)

通過(guò)波束形成網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行和差運(yùn)算后,得到和信號(hào)EJΣ、差信號(hào)EJΔ分別為:

(2)

EJΣ、EJΔ分別經(jīng)接收機(jī)混頻、中放、相位檢波等一系列處理后,輸出S(t):

2AJ1AJ2cosΔφ[F(θ0-θ1)F(θ0+θ2)-

F(θ0+θ1)F(θ0-θ2)]}

(3)

式中:θ1=Δθ/2+θ,θ2=Δθ/2-θ。

(4)

誤差信號(hào)S(t)=0,則跟蹤天線的指向角θ滿足:

(5)

因此,相干干擾利用雷達(dá)天線口面形成相位波前失真來(lái)引起雷達(dá)指向誤差,導(dǎo)致雷達(dá)錯(cuò)誤跟蹤。如果能夠使得兩路信號(hào)的相位差接近180°,兩路信號(hào)將在空間形成干涉,此時(shí)式(5)中分母最大,可以使波束產(chǎn)生較大的偏差,從而增大單脈沖雷達(dá)的角跟蹤誤差,使它不能滿足瞄準(zhǔn)的要求。

2 基于散射特性的相干干擾方法

由式(5)可知,相干兩點(diǎn)源干擾在原理上完全可行。但實(shí)際上對(duì)于復(fù)雜目標(biāo),其信號(hào)回波是雷達(dá)發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)目標(biāo)復(fù)雜的散射函數(shù)調(diào)制后的結(jié)果,其到達(dá)天線口面時(shí)的信號(hào)相位很難與基于點(diǎn)源產(chǎn)生的干擾信號(hào)保持相干。因此,干擾機(jī)偵測(cè)到導(dǎo)引頭的入射信號(hào)時(shí),應(yīng)先與目標(biāo)散射特性進(jìn)行匹配調(diào)制。

2.1 目標(biāo)散射特性建模仿真

理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量證明[6],在高頻區(qū),目標(biāo)總的電磁散射可認(rèn)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。給定工作頻率及姿態(tài)角情況下,可以利用多散射點(diǎn)模型來(lái)描述目標(biāo)散射特性。文中根據(jù)目標(biāo)三維CAD模型,利用電磁計(jì)算軟件FEKO建立其全姿態(tài)角一維距離像模板庫(kù),在此基礎(chǔ)上重構(gòu)多散射點(diǎn)模型。

圖2 目標(biāo)散射函數(shù)建模仿真流程

如圖2所示,在每個(gè)姿態(tài)角下用寬帶信號(hào)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行照射,利用FEKO算得該頻域內(nèi)不同頻點(diǎn)的目標(biāo)響應(yīng),然后利用逆傅里葉變換獲得該姿態(tài)角下的一維距離像。由散射理論可知,當(dāng)姿態(tài)角變化較大時(shí),會(huì)發(fā)生遮蔽和散射點(diǎn)游動(dòng)等現(xiàn)象,故需對(duì)目標(biāo)建立不同姿態(tài)角小角區(qū)內(nèi)的散射函數(shù)模型,以保證模型相對(duì)于姿態(tài)角的一致性。文中在以某目標(biāo)0°俯仰角下的二維多散射點(diǎn)模型建立為例:首先,采用140 MHz的寬帶信號(hào)(中心頻率17.0 GHz),對(duì)目標(biāo)進(jìn)行方位角維度全360°的照射,角度間隔0.01°,建立一維距離像模板庫(kù);隨后,以2.55°為間隔將方位角劃分為多個(gè)小角區(qū),在每個(gè)小角區(qū)內(nèi)利用目標(biāo)相應(yīng)的256個(gè)一維距離像模板,借鑒ISAR的距離多普勒成像方法進(jìn)行傅里葉變換,重構(gòu)目標(biāo)各小角區(qū)內(nèi)的二維多散射點(diǎn)模型。圖3給出了某目標(biāo)方位角為1°時(shí)的一維高分辨距離像及該目標(biāo)在0°～2.55°角區(qū)內(nèi)的二維多散射點(diǎn)模型。

圖3 某目標(biāo)一維高分辨距離像(1°方位角)及二維多散射點(diǎn)模型(0°～2.55°方位角)

2.2 基于散射特性的相干干擾生成流程

圖4給出了基于散射特性的單脈沖角跟蹤雷達(dá)相干干擾生成流程。

圖4 基于散射特性的單脈沖角跟蹤雷達(dá)相干干擾生成流程

為完整產(chǎn)生含有目標(biāo)散射信息的相干干擾信號(hào),需要多種因素配合,主要包括:

1)目標(biāo)散射特性特征,即目標(biāo)散射函數(shù)的提取和建模,以用于卷積運(yùn)算;

2)我方電子支援系統(tǒng)所接收到的雷達(dá)發(fā)射信號(hào)或者所偵察到的雷達(dá)發(fā)射信號(hào)參數(shù),以用于信號(hào)重構(gòu);

3)卷積操作,將重構(gòu)出的雷達(dá)發(fā)射信號(hào)與目標(biāo)散射函數(shù)模型進(jìn)行卷積,以保證干擾信號(hào)中保留目標(biāo)散射特性;

4)卷積操作完成后,須按指向角誤差計(jì)算公式來(lái)附加相移、頻移,以為達(dá)到相干干擾的效果;

5)通過(guò)混頻等操作,將干擾信號(hào)調(diào)制到發(fā)射信號(hào)載頻,并發(fā)射出去。

3 單脈沖角跟蹤末制導(dǎo)雷達(dá)仿真平臺(tái)

由于測(cè)角快,精度高,單脈沖角跟蹤雷達(dá)在導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)中獲得了廣泛應(yīng)用。為了驗(yàn)證和對(duì)比各干擾方法對(duì)單脈沖角跟蹤雷達(dá)的干擾效果,文中結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景,在單脈沖角跟蹤末制導(dǎo)雷達(dá)仿真平臺(tái)[8]上復(fù)現(xiàn)雷達(dá)從信號(hào)發(fā)射、傳輸、接收、接收機(jī)處理、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)處理、輸出制導(dǎo)信息的全過(guò)程;并通過(guò)彈道解算,實(shí)現(xiàn)與導(dǎo)彈制導(dǎo)控制系統(tǒng)的閉環(huán)仿真,以便觀察各因素對(duì)導(dǎo)彈制導(dǎo)誤差的影響,為評(píng)估干擾方法對(duì)導(dǎo)彈作戰(zhàn)效能的對(duì)抗效果提供決策依據(jù)和平臺(tái)支撐。

圖5 仿真系統(tǒng)構(gòu)成框圖及信息交互關(guān)系

整個(gè)仿真系統(tǒng)由主控、末制導(dǎo)雷達(dá)仿真、彈道仿真、目標(biāo)仿真、干擾仿真、環(huán)境仿真、仿真試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)等7個(gè)分系統(tǒng)構(gòu)成,見(jiàn)圖5。其中,雷達(dá)導(dǎo)引頭、彈道、目標(biāo)、干擾和環(huán)境5個(gè)模塊通過(guò)建立相應(yīng)的信息處理流程,實(shí)現(xiàn)仿真解算,完整地實(shí)現(xiàn)干擾對(duì)抗條件下的六自由度彈道仿真。完成參數(shù)設(shè)置后,將導(dǎo)彈和目標(biāo)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)送入雷達(dá)導(dǎo)引頭分系統(tǒng)中的接收機(jī)模型,通過(guò)該分系統(tǒng)中的天線模型、目標(biāo)仿真分系統(tǒng)中的散射模型引入的遮擋損耗,相對(duì)運(yùn)動(dòng)引入的多普勒頻移以及距離變化引入的電波傳播時(shí)間差綜合計(jì)算接收機(jī)輸出的回波信號(hào),隨后將信號(hào)送入窄帶濾波器進(jìn)一步處理,以提取頻譜的中心譜線,通過(guò)雜波對(duì)消和后續(xù)多普勒濾波處理在速度域形成閉環(huán)速度跟蹤。利用單脈沖測(cè)角原理來(lái)提取指向誤差,即框架角誤差,這些誤差信號(hào)送入跟蹤濾波器。尋的制導(dǎo)通過(guò)修正比例制導(dǎo)律完成。導(dǎo)引頭的相對(duì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)估計(jì)送入彈道仿真分系統(tǒng),彈道控制單元生成的舵偏角指令可以引導(dǎo)導(dǎo)彈向指定目標(biāo)尋的,彈道解算分系統(tǒng)響應(yīng)導(dǎo)引頭輸出的制導(dǎo)指令,進(jìn)行彈道解算,實(shí)時(shí)地輸出運(yùn)動(dòng)狀態(tài)數(shù)據(jù),進(jìn)而完成閉環(huán)仿真全過(guò)程。表1給出了各分系統(tǒng)之間的信息交互關(guān)系。

表1 仿真系統(tǒng)各分系統(tǒng)信息交互關(guān)系一覽表

4 干擾方法對(duì)比驗(yàn)證仿真實(shí)驗(yàn)

在單脈沖末制導(dǎo)雷達(dá)仿真平臺(tái)上,考慮基于點(diǎn)目標(biāo)模型的相干干擾場(chǎng)景及基于散射特性的相干干擾場(chǎng)景進(jìn)行干擾對(duì)抗的對(duì)比驗(yàn)證仿真實(shí)驗(yàn)。末制導(dǎo)雷達(dá)采用脈沖多普勒體制,工作載波頻率17.4 GHz,脈沖寬度2.0 μs,平均發(fā)射功率300 W,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,接收機(jī)熱噪聲系數(shù)6.8 dB,最大工作距離35 km;信號(hào)采用準(zhǔn)連續(xù)波波形,相參處理子脈沖數(shù)512,接收機(jī)中頻頻率5 MHz,重頻為280 kHz,系統(tǒng)采樣頻率20 MHz,工作幀周期40 ms。導(dǎo)彈在發(fā)射坐標(biāo)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(dòng)角均為0°,加速度矢量為(0,0,0),角速度矢量為(0,0,0)。目標(biāo)在發(fā)射系內(nèi)的目標(biāo)初始位置為(7 000 m,0,0);目標(biāo)艦船長(zhǎng)度130 m,角閃爍系數(shù)取為0.35。彈體初始質(zhì)量為1 030 kg,推力為6 350 N,滾動(dòng)、方位、俯仰通道的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為56.7 kg·m2,3 996 kg·m2,3 983 kg·m2,制導(dǎo)律計(jì)算環(huán)節(jié)中的滯后時(shí)間常數(shù)為0.2 s,自動(dòng)駕駛儀環(huán)節(jié)中的滯后時(shí)間常數(shù)為0.03 s,比例導(dǎo)引系數(shù)5.0,彈道解算積分步長(zhǎng)1 ms。

相干干擾對(duì)抗仿真實(shí)驗(yàn)相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 基于點(diǎn)目標(biāo)模型的相干干擾參數(shù)設(shè)定

基于散射特性的相干干擾實(shí)驗(yàn)干擾相關(guān)參數(shù)與點(diǎn)目標(biāo)模型相干干擾條件下基本相同,不同之處在于干擾信號(hào)生成流程按照?qǐng)D4所示的干擾信號(hào)生成流程執(zhí)行。

圖6給出了基于點(diǎn)目標(biāo)模型的相干干擾下的導(dǎo)引頭方位、俯仰框架誤差角提取曲線測(cè)量值與真實(shí)值之間的比對(duì)。

圖6 基于點(diǎn)目標(biāo)模型的相干干擾下的導(dǎo)引頭框架誤差角提取曲線

圖7給出了基于散射特性的相干干擾下的末制導(dǎo)雷達(dá)方位、俯仰框架誤差角提取曲線測(cè)量值與真實(shí)值之間的比對(duì)。

圖8分別給出了基于點(diǎn)目標(biāo)模型的相干干擾下及基于散射特性的相干干擾下發(fā)射系內(nèi)的全彈道飛行航跡圖,即三維攻防對(duì)抗態(tài)勢(shì)圖。發(fā)射系的定義是以發(fā)射點(diǎn)為坐標(biāo)圓心的當(dāng)?shù)乇碧鞏|地理坐標(biāo)系,從圖中可清晰地看出導(dǎo)彈的飛行航跡。在基于點(diǎn)目標(biāo)模型的相干干擾下,導(dǎo)彈最終脫靶量為78.5 m;而在基于散射特性的相干干擾下,導(dǎo)彈最終脫靶量為146.3 m。

圖7 基于散射特性的相干干擾下的導(dǎo)引頭框架誤差角提取曲線

圖8 兩種相干干擾下的三維攻防對(duì)抗態(tài)勢(shì)圖

由圖7、圖8可以看出,當(dāng)采用基于點(diǎn)目標(biāo)模型的相干干擾方法時(shí),具有一定的干擾效果,但脫靶量與目標(biāo)尺寸相比不夠大,仍有可能對(duì)目標(biāo)造成毀傷。當(dāng)通過(guò)目標(biāo)多散射點(diǎn)模型來(lái)近似目標(biāo)散射函數(shù),以生成PD導(dǎo)引頭相干干擾信號(hào)時(shí),實(shí)施干擾后,方位框架誤差角在3～5 s處出現(xiàn)震蕩的力度更大,誘偏效果比基于點(diǎn)目標(biāo)模型的相干干擾有所提高。從脫靶量與目標(biāo)尺寸的比較來(lái)看,在采用基于散射特性的相干干擾方法的情況下,導(dǎo)彈命中點(diǎn)能夠被有效誘騙至目標(biāo)尺寸之外。

5 結(jié)束語(yǔ)

從仿真實(shí)驗(yàn)中可看出,當(dāng)通過(guò)目標(biāo)多散射點(diǎn)模型來(lái)近似目標(biāo)散射函數(shù)生成PD導(dǎo)引頭相干干擾信號(hào),能夠達(dá)到較好的誘騙效果,理論上具有可行性,具體的誘騙距離與散射模型精度及相干干擾參數(shù)設(shè)置均密切相關(guān),可借助末制導(dǎo)雷達(dá)系統(tǒng)仿真平臺(tái)進(jìn)行多次閉環(huán)仿真,以便定量分析各干擾參數(shù)對(duì)導(dǎo)引頭的影響效應(yīng),為實(shí)際作戰(zhàn)提供依據(jù)與指導(dǎo)。實(shí)際作戰(zhàn)中,受系統(tǒng)精度和導(dǎo)彈、目標(biāo)、干擾機(jī)平臺(tái)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(hào)非常困難。今后,將進(jìn)一步研究目標(biāo)散射函數(shù)的精確仿真、時(shí)間同步及相位控制技術(shù)以及相位誤差對(duì)相干干擾效果的影響。

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Coherent Jamming Method of Mono-pulse Angle Tracking Radar Based on Scattering Function

CHEN Qiuju1,MO Cuiqiong1,SUN Jie1,DAI Huanyao2

(1 Electronic Engineering Institute, Hefei 230037, China;2 Luoyang Electronic Equipment Testing Center, Henan Luoyang 471003, China)

In coherent dual point-source jamming, it’s not suitable to use a particle model for simulation of a target if the target’s scattering function is complex, so a coherent jamming method based on scattering function of complex target was developed. Jamming signals are obtained from radar-transmitting signals modulated with the scattering function to be coherent with echoes. In view of evaluation of the jamming effect, the mono-pulsed angle tracking PD seeker is taken as an example to be analyzed in six degree-of-freedom trajectory simulation in the closed loop (PDRS). The results of the verification tests could provide an effective and practical solution for parameters design and performance evaluation of tactical cruise missile.

coherent jamming; mono-pulse angle tracking radar; target scattering characteristics; signal simulation

2015-06-23

陳秋菊(1982-),女,江蘇如東人,講師,博士研究生,研究方向:雷達(dá)對(duì)抗與雷達(dá)信號(hào)處理。

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