基于艦載雷達(dá)照射的箔條云散射功率分析

王 琦，劉明春

(1. 海軍92941部隊93分隊,遼寧 葫蘆島 125001;2. 海軍航空工程學(xué)院,山東 煙臺 264001)

基于艦載雷達(dá)照射的箔條云散射功率分析

王 琦1，劉明春2

(1. 海軍92941部隊93分隊,遼寧 葫蘆島 125001;2. 海軍航空工程學(xué)院,山東 煙臺 264001)

在無源干擾中,箔條云因其具有全頻段、干擾能力強(qiáng)等特點而被廣泛采用?？罩心繕?biāo)發(fā)射箔條彈對艦空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)影響非常嚴(yán)重。首先分析了箔條云散射原理,研究了基于艦載雷達(dá)照射的箔條云散射功率數(shù)學(xué)模型,該模型考慮了不同體積單元回波起伏,給出箔條云散射功率的直觀計算方法,將該模型轉(zhuǎn)化為雷達(dá)徑向上隨機(jī)積分形式。最后,通過仿真分析,給出了不同距離段箔條云散射功率變化情況,并與點目標(biāo)散射功率進(jìn)行了對比,闡明了箔條云散射功率的變化規(guī)律,為分析箔條云的散射特性提供了簡便可行的方法。

艦載雷達(dá);箔條云;散射功率

現(xiàn)代戰(zhàn)爭條件下,無源干擾相對有源干擾而言,具有價格低廉、使用方便、干擾范圍廣和技術(shù)成熟等優(yōu)勢。箔條干擾作為重要的無源干擾樣式,因其具有全頻段、對任意體制的雷達(dá)均具備干擾能力，干擾效果明顯等特點,在無源干擾中被廣泛應(yīng)用[1]。目前國內(nèi)對箔條干擾特性的研究主要從單根箔條散射特性和箔條云整體的運(yùn)動特性、功率譜等角度分析,在數(shù)學(xué)原理上,上述分析方法比較復(fù)雜,缺少對箔條云功率散射特性定量直觀研究[2-4]。本文主要研究艦載雷達(dá)在對箔條云進(jìn)行照射后,雷達(dá)接收機(jī)實際接收的箔條云反射功率的變化情況,并分析了箔條云對艦載雷達(dá)跟蹤性能的影響,提出了對抗箔條云干擾的措施。

1 箔條云散射原理分析

常用的箔條是半波長金屬絲,為線散射體,當(dāng)電磁波照射箔條時,在交變電磁場作用下,箔條表面產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流,根據(jù)麥克斯韋電磁波傳播理論,交變電磁場將向空間繼續(xù)傳播。

實際戰(zhàn)場條件下,對反艦導(dǎo)彈類目標(biāo),箔條彈主要應(yīng)用在干擾敵方來襲導(dǎo)彈導(dǎo)引頭對目標(biāo)的捕獲或跟蹤方面[5],主要干擾方式為質(zhì)心干擾、沖淡干擾和轉(zhuǎn)移干擾等;對空中目標(biāo)而言,箔條彈主要應(yīng)用在掩護(hù)己方目標(biāo)的大范圍箔條走廊干擾[6]和掩護(hù)己方飛機(jī)的箔條假目標(biāo)或箔條誘餌干擾,箔條誘餌或假目標(biāo)要求在一段時間內(nèi)具有和真實目標(biāo)相近的飛行特征,如回波起伏特性,飛行速度、飛行高度等,強(qiáng)的箔條假目標(biāo)干擾能夠達(dá)到以假亂真的目的,同時箔條云回波強(qiáng)度要大于真實目標(biāo)回波強(qiáng)度,有可能導(dǎo)致跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)接收機(jī)飽和,從而有效掩護(hù)己方目標(biāo)[7]。箔條彈由發(fā)射至空中炸開到形成箔條云分為非成熟期和成熟期。非成熟期是指箔條從箔條彈中炸開但還沒有完全擴(kuò)散開的時期。在這一時期,箔條密度急劇減小,雷達(dá)后向散射截面急劇增大,其空間分布是不均勻和時變的,不具有干擾能力。成熟期是指箔條充分?jǐn)U散后無論密度還是雷達(dá)后向散射截面都達(dá)到相對穩(wěn)定的時期,成熟期的箔條云才具有防護(hù)目標(biāo)的能力。

2 箔條云散射數(shù)學(xué)模型

箔條云由大量電偶極子組成,在空間上各個電偶極子取向、速度均呈隨機(jī)分布,當(dāng)艦載雷達(dá)發(fā)射的電磁波照射箔條云時,一種情況是箔條云內(nèi)各個箔條對電磁波散射后,直接被接收機(jī)接收,散射過程如圖1所示。

圖1 箔條云單次散射示意圖

另外一種情況是艦載雷達(dá)發(fā)射電磁波在箔條云內(nèi)經(jīng)各個箔條多次散射后,被雷達(dá)接收機(jī)接收,電磁波散射過程如圖2所示。

圖2 箔條云多次散射示意圖

箔條云多次散射回波功率數(shù)學(xué)模型更加復(fù)雜,在箔條云完全散開時,大多數(shù)箔條均對入射電磁波進(jìn)行一次散射,然后直接被雷達(dá)接收機(jī)接收,因此本文僅研究箔條云單次散射回波功率的數(shù)學(xué)模型。

當(dāng)電磁波照射箔條云時,由于箔條的散射和吸收效應(yīng),單根箔條實際入射波功率可表示為:

(1)

(2)

其中,Pt為雷達(dá)發(fā)射功率,Gt為雷達(dá)天線增益,R為箔條雷達(dá)間距離,γ為衰減因子,ρ為箔條云內(nèi)箔條數(shù)密度,σr為單根箔條平均RCS,s為積分變量。

(3)

為研究箔條云整體散射特性,可將箔條云劃分為不同的體積單元[8],將不同體積單元箔條云散射回波進(jìn)行合成,得到整個箔條云的電磁散射特性。電磁波照射箔條云不同體積單元時,該體積單元內(nèi)箔條散射至雷達(dá)處的功率[9]可表示為

(4)

其中,σb為dV體積單元處箔條后向散射RCS。

σb=0.151λ2

(5)

在每一個體積單元中,假設(shè)每一個體積單元足夠大,其中包括足夠多的電偶極子,則這個體積單元散射

的回波信號幅度可表示為零均值復(fù)高斯過程,不同體積單元箔條云散射信號幅度相互獨立,可用隨機(jī)積分的形式表示。根據(jù)以上分析,雷達(dá)實際接收的特定體積單元回波信號功率可表示為

(6)

其中,NR為零均值復(fù)高斯白噪聲,實部與虛部正交,不同體積單元NR相互對立。

利用式(6)通過體積積分計算整個箔條云散射回波信號在數(shù)學(xué)上不容易實現(xiàn),可將箔條云不同體積單元轉(zhuǎn)化為雷達(dá)徑向上的積分:

對艦載雷達(dá)而言,箔條云均位于遠(yuǎn)距離段,在該距離上,箔條云基本位于雷達(dá)波束內(nèi),式(7)中忽略了天線波束形狀變化引起的增益損失,G為波束主瓣對準(zhǔn)目標(biāo)時的天線最大增益。

3 仿真結(jié)果

假設(shè)艦載雷達(dá)發(fā)射功率Pt為100kW,發(fā)射信號波長為6cm,天線增益為40dB,箔條云與艦載雷達(dá)距離范圍為100km～200km,箔條云半徑為100m,箔條云內(nèi)箔條數(shù)量為108。式(7)中積分為特殊積分,無法直接利用數(shù)值積分進(jìn)行計算,可利用Matlab進(jìn)行近似計算。艦載雷達(dá)接收的箔條云散射回波信號功率變化范圍如圖3所示。根據(jù)雷達(dá)方程,假設(shè)目標(biāo)RCS為2m2,當(dāng)目標(biāo)與艦載雷達(dá)距離范圍為100km～200km,目標(biāo)散射功率變化情況如圖4所示。

圖3 不同距離箔條云散射回波功率變化

圖4 不同距離點目標(biāo)散射回波功率變化

4 仿真結(jié)果分析

圖3中x軸為箔條云與艦載雷達(dá)距離R,y軸為箔條云直徑r變化,z軸為不同距離、不同直徑的箔條云反射功率Pr變化情況,圖4中x軸為點目標(biāo)與艦載雷達(dá)距離R,y軸為不同距離點目標(biāo)反射功率Pr變化情況。

根據(jù)仿真結(jié)果,可得如下結(jié)論:

1)當(dāng)箔條云與艦載雷達(dá)距離由100km變化至200km時,箔條云散射回波信號功率變化約為6dB,2m2點目標(biāo)在相同距離段功率變化約為12dB,上述差別可由二者數(shù)學(xué)模型上的差別得出:雷達(dá)方程中,點目標(biāo)散射回波信號功率與R4成反比;式(7)中箔條云散射回波功率近似與R3成反比,

2)在圖3中,特定距離上箔條云散射回波信號功率在徑向上積分時由于高斯白噪聲的影響,會產(chǎn)生一定的起伏,隨著徑向積分距離的增加,式(7)的仿真結(jié)果逐漸趨近于一常數(shù),即整個箔條云的回波散射功率。

3)從散射功率上看,在相同距離上箔條云散射回波信號比2m2散射回波信號強(qiáng)約100dB。在如此高的強(qiáng)干擾背景下,要實現(xiàn)對弱目標(biāo)的檢測是非常困難的。如果雷達(dá)接收機(jī)能夠成功檢測目標(biāo)信號,在箔條云回波信號強(qiáng)度比目標(biāo)信號強(qiáng)度高100dB情況下,箔條云

反射回波很可能造成雷達(dá)接收機(jī)飽和而失去正常工作能力(一般雷達(dá)接收機(jī)的動態(tài)范圍約為80dB左右)。在武器系統(tǒng)試驗中,可根據(jù)本文提出的箔條云散射功率模型合理設(shè)計箔條云的大小和發(fā)射距離,從而考核武器系統(tǒng)抗箔條干擾能力。

5 結(jié)束語

箔條云散射情況一直是國內(nèi)外理論研究的重點,本文從箔條云散射特性出發(fā),給出了箔條云散射功率的數(shù)學(xué)模型,結(jié)合艦載雷達(dá)照射的特點,將該模型轉(zhuǎn)化為雷達(dá)徑向上的隨機(jī)積分形式,能夠通過計算機(jī)仿真方法直接計算不同距離、不同體積的箔條云團(tuán)散射回波功率,為復(fù)雜電磁環(huán)境下武器系統(tǒng)干擾環(huán)境的構(gòu)建和干擾強(qiáng)度分析提供了有力的工具。

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Scattering Power Analysis of Chaff Cloud Echo on Shipboard Radar Emitting

WANG Qi1， LIU Ming-chun2

(1. Navy 92941 Troop， 93 Unit, Huludao 125001;(2. Naval Aeronautic and Astronautic University, Yantai 264001, China)

Chaff cloud has the characteristics of the whole frequency and effectiveness in passive jamming. Chaff rocket emitted from aerial carrier has bad effect on tracking-and-guiding radar of ship-to-air missile weapon system. Firstly, the chaff cloud scattering theory is analyzed. And then the stochastic integral maths model of chaff cloud power is advanced considered of different volume echo amplitude fluctuating, the range profile integral maths model is advanced for convenience analyzing. The result shows the maths model can be correctly used to calculate the chaff cloud echo power for estimating its scatter characteristics.

shipboard radar; chaff cloud; scattering characteristics

1673-3819(2017)01-0098-03

2016-07-31

王 琦(1976-),女,四川仁壽人,碩士,高級工程師,研究方向為導(dǎo)彈武器系統(tǒng)試驗。 劉明春(1983-),男,助理工程師。

TN958；E917

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2017.01.021

修回日期： 2016-10-18