多路徑效應對艦載自衛(wèi)干擾效能的影響

王 斌,劉春生,盧義成

(電子工程學院，安徽 合肥 230037)

多路徑效應對艦載自衛(wèi)干擾效能的影響

王 斌,劉春生,盧義成

(電子工程學院，安徽 合肥 230037)

考慮海面多路徑效應，建立艦載有源自衛(wèi)干擾壓制區(qū)模型，定義了跟蹤誤差干擾度，用來衡量多路徑效應下艦載有源自衛(wèi)干擾對反艦導彈末制導雷達的干擾效能，考慮海雜波的影響，選取適當指標衡量艦載箔條質心干擾的干擾效能，并以艦載有源自衛(wèi)干擾效能評估為基礎，分析了多路徑效應下有源無源復合干擾的干擾效能，通過示例，驗證了模型的有效性。

多路徑效應；跟蹤誤差干擾度；艦載自衛(wèi)干擾

0 引 言

水面艦艇的主要威脅來自各類反艦導彈[1]。艦載自衛(wèi)干擾可以分為有源自衛(wèi)干擾和無源自衛(wèi)干擾，其任務是通過有源或無源手段對敵反艦導彈的末制導雷達實施干擾，減小反艦導彈的命中概率，從而增強我水面艦艇的生存能力[2]。

本文從單艘艦艇對反艦導彈末制導雷達實施自衛(wèi)干擾的角度出發(fā)，建立相關計算模型并研究了有源自衛(wèi)干擾、無源自衛(wèi)干擾以及有源無源復合干擾的干擾效能。

1 艦載有源自衛(wèi)干擾的效能評估

1.1 艦載有源自衛(wèi)干擾壓制區(qū)

水面艦艇對敵反艦導彈實施有源自衛(wèi)干擾時一般采用壓制性干擾。由于反艦導彈會利用地球曲率而采取低空突防，于是反艦導彈飛行高度的降低就導致了多路徑效應對艦載有源自衛(wèi)干擾的干擾效果產生較大影響。多路徑效應是指由于海面對電磁波的反射，使得電磁波在目標處出現直射波與反射波相互干涉的現象。艦載有源自衛(wèi)干擾反艦導彈末制導雷達示意圖如圖1所示。

對反艦導彈末制導雷達實施艦載有源自衛(wèi)干擾時，艦載干擾設備與末制導雷達之間的距離等于雷達與艦艇之間的距離，末制導雷達在艦艇和艦載干擾設備方向的天線增益相等。于是考慮多路徑效應，進入到末制導雷達接收機輸入端的干擾信號功率為：

(1)

(2)

末制導雷達接收機輸入端的干信比為：

(3)

根據干擾方程[3]便可得到艦載有源自衛(wèi)干擾的壓制區(qū)。

1.2 艦載有源自衛(wèi)干擾對反艦導彈末制導雷達的干擾效能

由式(3)得出的干信比，可以得到末制導雷達接收機輸入端的信干比為：

(4)

根據上式，可以求出壓制性干擾條件下末制導雷達的距離跟蹤誤差和角度跟蹤誤差[4]。壓制性干擾條件下末制導雷達的距離跟蹤誤差為：

(5)

式中:S/J為末制導雷達接收機輸入端的信干比；N為脈沖積累數；k為玻爾茲曼常數；s1為擬合常數。

壓制性干擾條件下末制導雷達的角度跟蹤誤差εBJa為：

(6)

式中:θ0.5為末制導雷達半功率波束寬度；s2為擬合常數。

定義距離跟蹤誤差干擾度和角度跟蹤誤差干擾度為考慮多路徑效應時的末制導雷達的距離跟蹤誤差和角度跟蹤誤差與不考慮多路徑效應時距離跟蹤誤差和角度跟蹤誤差之比，用跟蹤誤差干擾度來反映壓制性干擾對末制導雷達的干擾效能。于是得到其計算模型為：

(7)

式中:εd為不考慮多路徑效應時末制導雷達的距離跟蹤誤差；εa為不考慮多路徑效應時末制導雷達的角度跟蹤誤差；μd為壓制性干擾對末制導雷達的距離跟蹤誤差干擾度；μa為壓制性干擾對末制導雷達的角度跟蹤誤差干擾度。

2 艦載箔條自衛(wèi)干擾的效能評估

箔條在用于干擾反艦導彈時通常有4種使用方式[5]：沖淡干擾、質心干擾、迷惑干擾和轉移干擾。在實際中應用較多的方式是質心干擾，這也是本文討論的重點。

2.1 艦載箔條質心干擾對單脈沖末制導雷達的干擾效能

如圖2所示，水面艦艇檢測到反艦導彈末制導雷達的開機信號，立即發(fā)射箔條彈對其進行干擾，反艦導彈開始跟蹤水面艦艇與箔條云的能量反射中心O；經過一段時間后水面艦艇繼續(xù)向前機動，箔條云的速度與環(huán)境風速和重力加速度有關，此時箔條云速度遠小于導彈的速度，可近似認為箔條云位置不變，水面艦艇與箔條云的能量反射中心為O′，水面艦艇與箔條云相對于反艦導彈的張角為θ。隨著導彈的逼近，θ越來越大，當θ與末制導雷達的主瓣波束寬度相等時，雷達可以分辨出水面艦艇和箔條云，并選擇一個進行跟蹤。

采用悲觀準則，假設反艦導彈以最大過載飛向水面艦艇，由圖2中的幾何關系，根據正弦定理，反艦導彈與水面艦艇和箔條彈的距離分別為：

(8)

(9)

式中：Rt,Rj為反艦導彈與水面艦艇和箔條彈的距離；D為水面艦艇和箔條彈的距離；ψ為導彈相對于水面艦艇的來襲方向。

同理，反艦導彈與能量反射中心之間的距離R為：

(10)

此時水面艦艇與能量反射中心之間的距離，即箔條云的誘偏距離DR的計算模型為：

(11)

忽略接收機熱噪聲，考慮海雜波的影響后反艦導彈末制導雷達接收機輸入端的干信比為：

(12)

式中：PC為箔條云的回波功率；Csea為進入反艦導彈末制導雷達接收機輸入端的海雜波功率；ηsea為海雜波抑制因子；Ps為水面艦艇的回波功率。

反艦導彈以最大過載方式飛向水面艦艇的修正距離ηR為：

(13)

式中：g為重力加速度；Lmax為反艦導彈最大過載；vm為導彈速度與水面艦艇速度的矢量和。

于是通過式(11)和式(13)可以得到修正后的箔條云對反艦導彈的誘偏距離即末制導雷達的距離跟蹤誤差的計算模型為：

(14)

根據余弦定理得到末制導雷達的角度跟蹤誤差的計算模型為：

(15)

2.2 艦載箔條質心干擾對脈沖多普勒(PD)末制導雷達的干擾效能

箔條云的形成可以分為2個階段：一是箔條被發(fā)射并拋灑階段，在此階段箔條可以近似為只有水平運動，且速度很快，但是持續(xù)時間很短；二是箔條散開形成箔條云階段，此階段箔條在風力和重力的共同作用下運動，形成一定的多普勒頻移，由于箔條云是由許多箔條形成的，不同箔條的運動速度之間有一定的差別，因此此時箔條云的多普勒頻譜還存在一定的展寬。假設箔條云與水面艦艇同時處于敵PD雷達的主瓣波束內，箔條回波在多普勒雷達頻譜中的位置示意圖如圖3所示。

如圖3所示，當箔條云在PD雷達主瓣波束內的時候，箔條云的回波主要集中在主瓣雜波區(qū)域，而PD雷達會采取一定的手段在主瓣雜波區(qū)對主瓣雜波達到40dB以上的抑制效果。而PD雷達對于迎頭目標，目標回波落入無雜波區(qū)中；對于尾追目標，目標回波落入旁瓣雜波區(qū)中。通過以上分析可以發(fā)現，當敵PD雷達與我水面艦艇形成迎頭態(tài)勢時，箔條干擾對PD雷達幾乎沒有影響；當敵PD雷達與我水面艦艇形成尾追態(tài)勢時，箔條回波將對PD雷達的目標檢測和跟蹤造成一定的干擾，箔條回波功率相對于目標回波功率越大，干擾效果越好，這就需要我方水面艦艇要有很大的箔條彈載彈量，并且在水面艦艇執(zhí)行突防任務或在與敵方飛機進行空中格斗時，一般不會出現尾追狀態(tài)。

綜上所述，在對PD末制導雷達使用箔條干擾時存在以下不足：一是箔條發(fā)射階段，雖然箔條具有很大的運動速度，但與水面艦艇距離小，并且有效雷達反射截面積??；二是在箔條擴散形成箔條云階段，雖然有效雷達反射截面積增大，但箔條云的運動速度相對于水面艦艇速度來說較小，多普勒頻移有限，且與風速有關，隨機性大；三是箔條回波落入主瓣雜波區(qū)域，被PD末制導雷達嚴重抑制。因此，需要采用有源無源復合干擾的方法來提高箔條對PD末制導雷達的干擾效果。

3 艦載有源無源復合干擾的效能評估

針對傳統(tǒng)箔條質心干擾在對相參雷達特別是PD雷達實施干擾時干擾效果不好、干擾效能過低的問題，使用有源干擾來提高箔條質心干擾的效能。利用機載偵察設備或雷達告警設備來獲得來襲導彈末制導雷達的跟蹤信號，從而調制機載干擾設備的干擾射頻信息；將干擾信號經干擾天線照射到箔條云上，再經過箔條云的散射作用，最后作用于來襲導彈末制導雷達。

末制導雷達接收到的回波功率由三部分構成：一是目標回波功率；二是箔條云直接反射的回波功率；三是經箔條云散射的有源干擾信號的干擾功率。但是在考慮多路徑效應后經箔條云散射的有源干擾信號的干擾功率將會發(fā)生變化。

考慮多路徑效應后經箔條云散射的有源干擾信號的干擾功率修正為：

(16)

式中：σc為箔條云有效反射截面積，可根據文獻[6]求得；d為箔條云與水面艦艇之間的距離。

再考慮海雜波的影響，忽略接收機熱噪聲，反艦導彈末制導雷達接收機輸入端的信干比修正為：

(17)

復合干擾條件下，反艦導彈末制導雷達的距離跟蹤誤差εBJd和角度跟蹤誤差εBJa由式(5)與式(6)求得。

4 示例分析

假設艦載有源自衛(wèi)干擾的干擾功率為1 000W，干擾增益為34dB，干擾帶寬為800MHz，干擾天線架高20m，水面艦艇的有效反射截面積為100m2；反艦導彈末制導雷達發(fā)射功率為150kW，天線增益為27dB，工作頻率為9GHz，工作帶寬為2MHz，半功率波束寬度為1.5°。考慮多路徑效應的影響，雷達接收機輸入端干信比隨距離變化的仿真結果如圖4所示。

從圖4中可以看出，多路徑效應會導致：(1)隨水面艦艇與反艦導彈之間距離的變化，導彈末制導雷達接收機輸入端干信比呈周期性起伏，導致多路徑效應影響下干信比可能大于不考慮多路徑效應時的干信比，也可能相對較?。?2)隨反艦導彈的高度降低，干信比的起伏周期變大。

有源自衛(wèi)干擾下末制導雷達距離跟蹤誤差的仿真結果如圖5所示。從圖5可以看出：由于多路徑效應的影響，隨水面艦艇與反艦導彈之間距離的變化，末制導雷達的距離跟蹤誤差呈周期性起伏，導致多路徑效應影響下距離跟蹤誤差可能優(yōu)于不考慮多路徑效應時的距離跟蹤誤差，反映在圖5(b)中就是誤差干擾度大于1；也可能相對較差，反映在圖5(b)中就是誤差干擾度小于1。當水面艦艇與反艦導彈之間距離16km時，由于多路徑效應的影響，末制導雷達的距離跟蹤誤差為1 145.6m，距離跟蹤誤差干擾度為1.41。末制導雷達角度跟蹤誤差的仿真結果也可得出相似的結論。

箔條質心干擾下末制導雷達跟蹤誤差仿真結果如圖6所示。從圖6可以看出：隨箔條云與水面艦艇之間距離的增加，末制導雷達的距離跟蹤誤差先增大后減小，在距離1 510m時誤差達到最大，為750.5m；在圖中所示二者之間距離范圍內，末制導雷達的角度跟蹤誤差單調遞減。

復合干擾下末制導雷達距離跟蹤誤差仿真結果如圖7所示。從圖7可以得出與圖5相似的結論，但與圖5相比，在相同距離上復合干擾條件下的距離跟蹤誤差大于有源自衛(wèi)干擾條件下的距離跟蹤誤差，角度跟蹤仿真結果也能夠得到相同的結論。在距離16km時，復合干擾條件下的距離跟蹤誤差為1 741m，距離跟蹤誤差干擾度為1.35。比較圖7和

圖5發(fā)現：與有源自衛(wèi)干擾相比，復合干擾對末制導雷達的干擾效果好。

5 結束語

文章建立了艦載有源自衛(wèi)干擾、無源自衛(wèi)干擾和復合干擾等3種干擾樣式對反艦導彈末制導雷達的干擾效能模型，定義了跟蹤誤差干擾度，分析了多路徑效應對干擾效果的影響，為多路徑效應下艦載自衛(wèi)干擾效能的評估提供了理論支撐，為艦載自衛(wèi)干擾技術的研究提供了一定參考。

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Influence of Multipath Effect on Shipboard Self-protection Jamming Effectiveness

WANG Bin,LIU Chun-sheng,LU Yi-cheng

(Electronic Engineering Institute,Hefei 230037,China)

Considering the multipath effect of sea surface,this paper sets up the model of shipboard active self-protection jamming blanketed zone,defines the tracking error interference degree to measure the jamming effectiveness of shipboard active self-protection jamming to the terminal guidance radar of anti-ship missile under multipath effect,considering the influence of sea clutter,selects appropriate index to measure the jamming effectiveness of shipboard chaff centroid jamming;and taking shipboard active self-protection jamming effectiveness evaluation as the foundation,analyzes the jamming effectiveness of active/passive complex jamming under multipath effect,validates the validity of the model through an example.

multipath effect；tracking error interference degree；shipboard self-protection jamming

2016-07-05

TN972;TN973.21

A

CN32-1413(2017)01-0018-05

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.01.004