四點源誘偏對抗反輻射導(dǎo)彈效果仿真

白福忠，曹菲，段佳珍

(火箭軍工程大學(xué)，陜西 西安 710025)

四點源誘偏對抗反輻射導(dǎo)彈效果仿真

白福忠，曹菲，段佳珍

(火箭軍工程大學(xué)，陜西 西安 710025)

對四點源誘偏系統(tǒng)對抗反輻射導(dǎo)彈(ARM)的被動雷達(dá)導(dǎo)引頭(PRS)原理進(jìn)行分析；建立誘偏系統(tǒng)模型，計算和仿真了各輻射源在PRS動態(tài)過程中合成場的幅度和相位，并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析；推導(dǎo)了PRS處合成波波陣面法線與地面的交點的坐標(biāo)，并在所建系統(tǒng)模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了定量仿真。仿真結(jié)果表明，四點源誘偏系統(tǒng)不僅能保護(hù)目標(biāo)雷達(dá)，而且可有效避免誘餌受攻擊。

導(dǎo)引頭；誘偏系統(tǒng)模型；仿真分析；雷達(dá)；反輻射導(dǎo)彈；合成場

0 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，高科技戰(zhàn)爭已成為不爭的事實。反輻射導(dǎo)彈(anti-radiation missile,ARM)作為一種集發(fā)現(xiàn)、跟蹤、摧毀雷達(dá)于一體的硬殺傷武器，對現(xiàn)代戰(zhàn)爭中奪得電磁制空權(quán)尤為重要，在越南戰(zhàn)爭、海灣戰(zhàn)爭和科索沃戰(zhàn)爭中大顯身手，已成為地面防空雷達(dá)的“克星”和“殺手”。雷達(dá)要想生存并發(fā)揮其效能，就必須采取防御ARM的措施[1-7]。

有源誘偏系統(tǒng)對抗ARM是一種廣泛采用并且公認(rèn)為經(jīng)濟且有效的方法[8-10]，兩點源誘偏系統(tǒng)一般用作理論分析，在實際應(yīng)用中不可靠、不安全；三點源誘偏系統(tǒng)是一個比較實用的有源誘偏系統(tǒng)，安全性能較兩點源誘偏系統(tǒng)有所提高，并且易控制，成本較低；而四點源誘偏系統(tǒng)是一個保護(hù)目標(biāo)雷達(dá)比較好的系統(tǒng)，隨著輻射場到ARM的距離減小，目標(biāo)雷達(dá)容易脫離ARM的視場，ARM將會跟蹤三誘餌的合成場，目標(biāo)雷達(dá)處于安全區(qū)域。因此，本文主要分析四點源誘偏系統(tǒng)。

1 四點源誘偏概論

四點源誘偏系統(tǒng)是建立在ARM被動雷達(dá)導(dǎo)引頭彈徑的限制導(dǎo)致分辨力低和高速度導(dǎo)致短距離內(nèi)修正飛行姿態(tài)難2個固有缺陷基礎(chǔ)上的，所以首先對ARM被動雷達(dá)導(dǎo)引頭的原理進(jìn)行分析。

1.1 被動雷達(dá)導(dǎo)引頭原理

尋的制導(dǎo)的被動雷達(dá)導(dǎo)引頭(passive radar seeker, PRS)的主要功能是通過輻射源的信號載頻、脈寬、脈沖重復(fù)頻率、信號調(diào)制特征、脈沖到達(dá)時間、脈沖到達(dá)角等特征進(jìn)行信號分選和目標(biāo)位置確定。ARM一旦發(fā)射，跟蹤、摧毀目標(biāo)的效果很大程度上靠導(dǎo)引頭的測向能力。PRS為滿足實時性，一般采用不需要積分時間長或解調(diào)處理難的單脈沖體制測向[11]，測向的方法主要有比幅式單脈沖測向、比相式單脈沖測向、比相-比幅單脈沖測向。

比幅式測向系統(tǒng)精度低，一般只用作粗略測向。比相式測向系統(tǒng)實時性強，精度高，結(jié)構(gòu)簡單，對信號形式適應(yīng)能力強。但是，比相式測向存在角度模糊與精度的矛盾，即基線變長，測向精度提高，造成測向角度模糊。由于ARM彈徑尺寸所限，長基線天線不可能安裝在ARM的導(dǎo)引頭上，所以可結(jié)合比幅、比相2種方法采用比幅-比相式測向系統(tǒng)，能有效解決比相式測向多值模糊問題和比幅式測向精度不高、誤差較大問題，廣泛應(yīng)用在ARM雷達(dá)導(dǎo)引頭上。每種測向方法各有所長，在實際裝備應(yīng)用中還應(yīng)具體情況而定。

1.2 四點源誘偏系統(tǒng)分析

四點源誘偏系統(tǒng)的功能是指目標(biāo)雷達(dá)信號和3個誘餌信號對來襲ARM進(jìn)行干擾誘偏，使得ARM的跟蹤瞄準(zhǔn)點位于四點源方位范圍內(nèi)偏離目標(biāo)雷達(dá)的某一點上，從而起到保護(hù)目標(biāo)雷達(dá)的作用。PRS在分辨出各輻射源之前，ARM瞄準(zhǔn)方向指向四點源誘偏系統(tǒng)的功率重心，當(dāng)ARM到達(dá)各輻射源相對于ARM的張角超過PRS最小可分辨角度Δθ(Δθ=0.9ΔθR，ΔθR為PRS天線的分辨角，ΔθR=0.9Δθ0.5，Δθ0.5為PRS天線波束寬度)時，ARM進(jìn)入隨遇平穩(wěn)狀態(tài)，PRS開始向某個輻射源偏轉(zhuǎn)。由于ARM飛行速度快、機動能力有限，短時間內(nèi)調(diào)整到最佳姿態(tài)困難，不能在觸地之前瞄準(zhǔn)輻射源，從而導(dǎo)致被誘偏。

2 四點源誘偏系統(tǒng)模型建立

建立如圖1所示的四點源誘偏系統(tǒng)模型，x軸指向北，z軸垂直于地面向上，y軸按右手準(zhǔn)則確定。目標(biāo)雷達(dá)位于坐標(biāo)原點O(0,0,0)，誘餌1的坐標(biāo)為O1(x1,y1,z1)，誘餌2的坐標(biāo)為O2(x2,y2,z2)，誘餌3的坐標(biāo)為O3(x3,y3,z3)，ARM位于A(xA,yA,zA)。則PRS接收到的雷達(dá)信號為[12-13]

(1)

PRS接收到的第i(i=1,2,3)個誘餌的信號為

(2)

式中：E00和E0i為雷達(dá)和第i個誘餌的電場強度峰值；ω0和ωi為雷達(dá)和第i誘餌的電場角頻率；λ0和λi為雷達(dá)和第i個誘餌的電場波長；R0和Ri為雷達(dá)和第i個誘餌到達(dá)PRS的距離；φi0為第i個誘餌同雷達(dá)之間的電場的初始相位差?？赏扑鉘0和Ri為

(3)

Ri=[(xA-xi)2+(yA-yi)2+(zA-zi)2]1/2，

(4)

圖1 四點源誘偏系統(tǒng)模型Fig.1 Four-point source decoying system mode

各輻射源在PRS處合成場的相位為

(5)

各輻射源在PRS處合成場的幅度為

(6)

(7)

綜合式(1)～(7)可求得：

(8)

(9)

由于單脈沖的ARM導(dǎo)引頭跟蹤的是電磁波陣面的法線方向，則式(8)和(9)就可確定ARM飛行過程中每時刻的跟蹤方向。

假設(shè)PRS對各輻射信號的有效接收面積為1 m2，接收天線的阻抗為1 Ω，則各點源在A(xA,yA,zA)處的場強為[15]

(10)

式中：F(θi)為各輻射源歸一化天線函數(shù)；θi為ARM與各輻射源之間的連線與z軸的夾角；Pi，Gi為各輻射源的輻射功率和天線增益。

設(shè)3個誘餌輻射天線為理想全向天線，即方向函數(shù)F(θi)(i=1,2,3)為1；目標(biāo)雷達(dá)天線方向圖F(θ)采用辛格函數(shù)模型：

(11)

式中：θ0=Δθ0為無偏波束主瓣右零點；θ1=Δθ0+Δθ1為無偏波束右邊第一副瓣中心；θ2=Δθ0+2Δθ1為無偏波束右邊第一副瓣零點。

當(dāng)參數(shù)設(shè)置α=2.783，Δθ0=2°，Δθ1=1°，g1=-20 dB，g2=-40 dB時，天線方向圖如圖2所示。

圖2 目標(biāo)雷達(dá)天線方向圖Fig.2 Target radar antenna pattern

假設(shè)四點源誘偏系統(tǒng)的布局為目標(biāo)雷達(dá)位于坐標(biāo)原點O(0,0,0)，誘餌1的坐標(biāo)為O1(100,300,0)(單位為m，下同)，誘餌2的坐標(biāo)為O2(0,500,0)，誘餌3的坐標(biāo)為O3(-100,300,0)，ARM位于A(400,20 000,300)，各輻射源的波長為4 cm，目標(biāo)雷達(dá)的輻射功率為60 kW，增益為30 dB；各誘餌的輻射功率均為50 kW，增益均為35 dB。輻射信號初始相位分別為0°，30°，30°，30°。則可得四點源誘偏系統(tǒng)中ARM飛行過程中PRS處的合成幅度和相位。如圖3,4所示。

圖3 PRS處合成場幅度Fig.3 Amplitude of the synthetic field at PRS

圖4 PRS處合成場相位Fig.4 Phase of the synthetic field at PRS

合成場幅度隨距離的減小而緩慢增大，并每隔625 m躍變一次。合成場相位大致在-1.5～1.5 rad之間跳變。此變化對誘偏系統(tǒng)的影響有待進(jìn)一步研究。

3 四點源誘偏效果仿真分析

上述模型不變的情況下，當(dāng)zk=0時，化簡式(8)和(9)，即可求得合成波波陣面法線與地面交點O′的坐標(biāo)為

(12)

(13)

式中：

A=1+β1cos Δφ01+β2cos Δφ02+β3cos Δφ03；

B=cos Δφ01+β1+β2cos Δφ12+β3cos Δφ13；

C=cos Δφ02+β1cos Δφ12+β2+β3cos Δφ23；

D=cos Δφ03+β1cos Δφ13+β2cos Δφ23+β3；

當(dāng)ARM遠(yuǎn)離目標(biāo)雷達(dá)和各誘餌時，可認(rèn)為R0≈R1≈R2≈R3，再令E01=E02=E03，λ0=λ1=λ2=λ3(雷達(dá)和誘餌的波長與其頻率有關(guān)，為防止導(dǎo)引頭利用頻率較早分辨出雷達(dá)和誘餌，設(shè)計時保持一致)，則β=E01/E00=E02/E00=E03/E00，K=K1=K2=K3=1。假設(shè)Δφik(i,k=0,1,2,3)為(0～2π)區(qū)間內(nèi)的某一隨機數(shù)，則可求得x′和y′的值。計算結(jié)果如圖5，6所示。

圖5 x/x1隨β的變化Fig.5 Change of x/x1 with β

圖6 y/y2隨β的變化Fig.6 Change of y/y2 with β

由圖5,6可知，x/x1基本在0附近變化，即誘餌1和誘餌3處于安全區(qū)域；當(dāng)β>0.43時，x/x1隨β的增加而增大，即目標(biāo)雷達(dá)離瞄準(zhǔn)點越遠(yuǎn)；當(dāng)β>1時，y/y2在0.59～0.75之間，即目標(biāo)雷達(dá)離瞄準(zhǔn)點更遠(yuǎn)一些。則可說明四點源誘偏系統(tǒng)的誘偏效果明顯，保證目標(biāo)雷達(dá)和誘餌都安全。上述所設(shè)計的有源誘偏系統(tǒng)模型和布局合理。

4 結(jié)束語

通過上述分析可知，四點源誘偏系統(tǒng)模型建立需考慮輻射源到達(dá)PRS處的輻射功率、天線增益、天線方向圖、波長、相位差和距離等多方面因素，為有效減小ARM對目標(biāo)雷達(dá)的擊中概率，可通過建模與仿真不斷優(yōu)化誘偏誘餌的設(shè)計和布局，進(jìn)而構(gòu)建更加有效的四點源誘偏系統(tǒng)。本文的研究可以對誘偏系統(tǒng)的研制和裝備改進(jìn)提供參考。

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Simulation Analysis on Effect of Four-Point Source Decoying System Confront with Anti-Radiation Missile

BAI Fu-zhong, CAO Fei, DUAN Jia-zhen

(Rocket Force University of Engineering,Shaanxi Xi′an 710025 China)

The principle of how to confront passive radar seeker (PRS) of anti-radiation missile (ARM) with four-point source decoying system is analyzed. Then by establishing the decoying system model, the amplitude and phase of the compound electric field of various radiation sources in the PRS dynamic process are calculated and simulated and the simulation conclusion is analyzed. Finally the coordinates of the intersection point between the normal lines of the synthetic wavefront with the ground are derived, and a quantitative simulation based on the system model is given. The simulation results show that the four-point source decoying system can not only protect the radar target, but also effectively avoid the bait attack.

seeker； decoying system model； simulation analysis； radar； ant-iradiation missile(ARM); compound electric field

2016-04-05；

2016-05-09 作者簡介：白福忠(1990-)，男，蒙古族，青海大通人。碩士生，主要從事雷達(dá)信號處理方面研究。

10.3969/j.issn.1009-086x.2017.01.010

TJ761; TN972

A

1009-086X(2017)-01-0050-05

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