基于隱身飛機(jī)支援干擾的雷達(dá)效能評估

劉占強，梁路江，王春陽，楊進(jìn)帥

(空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院，陜西 西安 710051)

基于隱身飛機(jī)支援干擾的雷達(dá)效能評估

劉占強，梁路江，王春陽，楊進(jìn)帥

(空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院，陜西西安710051)

針對現(xiàn)有評估方法沒有考慮隱身性能與電子戰(zhàn)能力有效結(jié)合對雷達(dá)探測效能影響的問題，提出了基于隱身飛機(jī)支援干擾的雷達(dá)效能評估方法。該方法利用平滑處理的全空域靜態(tài)RCS值，結(jié)合雷達(dá)探測距離公式，仿真得到了隱身飛機(jī)全空域的雷達(dá)探測范圍。然后分別以雷達(dá)最大和最小探測距離作為飛機(jī)的支援干擾距離，并在設(shè)置普通干擾機(jī)的干擾距離后，比較分析了三種干擾情況下雷達(dá)探測范圍的變化 。最后定義干擾壓制率，對支援干擾的壓制有效性進(jìn)行了量化分析。仿真分析表明，隱身飛機(jī)支援干擾戰(zhàn)術(shù)靈活，能夠有效壓制雷達(dá)探測距離，為目標(biāo)機(jī)提供掩護(hù)區(qū)域，實現(xiàn)安全突防。

隱身飛機(jī)；雷達(dá)效能；支援干擾；探測范圍

0 引言

隱身飛機(jī)獨特的隱身優(yōu)勢使其成為空地對抗中的主戰(zhàn)裝備，且用途多變、戰(zhàn)術(shù)靈活。目前，研究電子戰(zhàn)飛機(jī)支援干擾對雷達(dá)探測效能的影響，主要以普通干擾機(jī)為對象，通過建立支援干擾模型，仿真計算雷達(dá)被干擾壓制的探測范圍以評估雷達(dá)的探測性能[1-4]。但這僅是設(shè)定普通干擾機(jī)的干擾參數(shù)所展開的研究，缺乏考慮電子戰(zhàn)飛機(jī)本身的作戰(zhàn)性能，尤其是隱身飛機(jī)獨特的隱身性能與電子戰(zhàn)能力相結(jié)合的綜合提升效果。

美軍在充分考慮到電子戰(zhàn)的實戰(zhàn)化需求后，準(zhǔn)備在F-22和F-35加載電子干擾設(shè)備，將其改裝成具備先進(jìn)電子戰(zhàn)能力的復(fù)合性戰(zhàn)機(jī)。但國內(nèi)外尚未對隱身飛機(jī)的電子戰(zhàn)能力進(jìn)行系統(tǒng)的評估和詳細(xì)的研究。文獻(xiàn)[5-6]僅考慮了不同干擾條件(高度、角度)下，雷達(dá)探測效能的具體下降程度，尚未建立隱身飛機(jī)支援干擾的概念；文獻(xiàn)[7]發(fā)現(xiàn)有效配置干擾機(jī)位置能夠改善飛機(jī)的支援干擾性能，并對雷達(dá)的探測效能進(jìn)行較為客觀的評估；文獻(xiàn)[8]基于檢測概率模型，為雷達(dá)在支援干擾狀態(tài)下組網(wǎng)融合準(zhǔn)則的選取提供了參考。

上述研究均不是基于隱身飛機(jī)展開的，且沒有考慮隱身性能與電子戰(zhàn)能力有效結(jié)合對雷達(dá)探測效能的影響，以及支援干擾中，干擾與抗干擾的具體實施過程[9-10]。本文針對此問題，提出了基于隱身飛機(jī)支援干擾的雷達(dá)效能評估方法。

1 隱身飛機(jī)支援干擾原理

1.1 支援干擾原理

支援干擾[10]是為掩護(hù)己方目標(biāo)作戰(zhàn)，攜帶雷達(dá)干擾設(shè)備的電子戰(zhàn)飛機(jī)對敵方雷達(dá)進(jìn)行干擾的作戰(zhàn)方式，目的在于掩護(hù)作戰(zhàn)任務(wù)、保障有效兵力。根據(jù)掩護(hù)戰(zhàn)術(shù)方式的不同，分為遠(yuǎn)距離(SOJ)、近距離(SFJ)和隨隊式支援干擾(ESJ)。

為準(zhǔn)確對準(zhǔn)雷達(dá)探測方向，實施有效干擾壓制，電子戰(zhàn)飛機(jī)裝載電子支援接收機(jī)，主要依據(jù)雷達(dá)的發(fā)射信號特征判斷具體的位置和參數(shù)。且支援式干擾機(jī)干擾功率大、壓制頻帶寬，主要從雷達(dá)天線旁瓣對準(zhǔn)干擾，使雷達(dá)無法分辨目標(biāo)回波信號，達(dá)到欺騙目的。并在寬頻帶內(nèi)形成掩護(hù)安全區(qū)域，拓展己方目標(biāo)作戰(zhàn)空間。支援式干擾機(jī)具備以下條件：1)干擾飛機(jī)規(guī)避機(jī)動能力強，能夠在雷達(dá)的探測區(qū)域之外占據(jù)有利位置實施有效干擾；2)干擾飛機(jī)能夠裝載大功率電子干擾設(shè)備，在寬頻帶范圍內(nèi)實施有效壓制；3)干擾飛機(jī)必須確保自身安全的前提下進(jìn)行戰(zhàn)術(shù)掩護(hù)，作戰(zhàn)范圍與目標(biāo)特性緊密相關(guān)。

1.2 隱身飛機(jī)支援干擾優(yōu)勢

隱身飛機(jī)在空戰(zhàn)中通常用作殲擊機(jī)使用，在戰(zhàn)術(shù)上也可當(dāng)作干擾機(jī)使用。隱身飛機(jī)(如F-22和F-35)內(nèi)部裝載有干擾源，其優(yōu)越的隱身性能使地面雷達(dá)的探測范圍大幅度縮減，作為支援干擾具有戰(zhàn)術(shù)上的靈活性。隱身飛機(jī)支援干擾的優(yōu)勢在于：一是極強的隱身性能使其具有低可探測性，雷達(dá)作用距離大幅度縮減，很難被搜索發(fā)現(xiàn)；二是良好的機(jī)動性能使其具有低空突防能力，雷達(dá)在有效時間內(nèi)難以準(zhǔn)確捕捉；三是相對普通干擾機(jī)而言，作為支援干擾的隱身飛機(jī)，作戰(zhàn)空間將大幅度增加。

隱身飛機(jī)支援干擾過程如圖1模擬，被掩護(hù)飛機(jī)(目標(biāo)機(jī))帶有重要的作戰(zhàn)任務(wù)，雷達(dá)主瓣對準(zhǔn)目標(biāo)機(jī)進(jìn)行搜索探測，兩者之間的距離為RT。隱身飛機(jī)干擾設(shè)備的主瓣對準(zhǔn)雷達(dá)的旁瓣方向?qū)嵤└蓴_以掩護(hù)目標(biāo)機(jī)成功突防作戰(zhàn)，此時雷達(dá)與隱身飛機(jī)的空間距離為RJ。以地面雷達(dá)為坐標(biāo)原點，隱身飛機(jī)與被掩護(hù)戰(zhàn)機(jī)(目標(biāo)機(jī))的空間夾角為θ，即為隱身飛機(jī)偏離雷達(dá)主瓣方向的夾角。

圖1 隱身飛機(jī)支援干擾Fig.1 Support-jamming of Stealth Aircraft

2 支援干擾壓制模型

隱身飛機(jī)的RCS是姿態(tài)角的敏感函數(shù)，不同角度對應(yīng)不同的RCS值，因而雷達(dá)在各個方向探測飛機(jī)的距離并不是固定范圍。隱身飛機(jī)的最大RCS值和最小RCS值分別對應(yīng)雷達(dá)的最大作用距離和最小發(fā)現(xiàn)距離。為此，研究隱身飛機(jī)不同作用距離處實施支援干擾對雷達(dá)探測性能的影響，需要獲取飛機(jī)的靜態(tài)RCS數(shù)據(jù)庫。

2.1 平滑處理的RCS

獲取國外某型隱身飛機(jī)的靜態(tài)RCS數(shù)據(jù)庫。需將隱身飛機(jī)的縮比模型導(dǎo)入電磁計算軟件(FEKO)，設(shè)置極化方式：水平極化，C波段：5.8 GHz，隱身飛機(jī)(圖1所示)俯仰角(-90°～90°)，方位角(0°～360°)計算得到了全空域的靜RCS數(shù)據(jù)。

微小的角度變化能夠引起隱身飛機(jī)RCS較大幅度的起伏，為便于研究隱身飛機(jī)支援干擾的情況，減少RCS劇烈起伏所帶來的影響，對得到的RCS數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理。采用±5°窗口的滑窗進(jìn)行平滑，且方位角和俯仰角同步進(jìn)行，窗口設(shè)置為10°×10°。

2.2 無干擾條件下的雷達(dá)探測范圍

對于已知雷達(dá)散射截面積σ的目標(biāo)，在無干擾條件下雷達(dá)的最大探測距離[3]可以表示為：

(1)

分析式(1)，雷達(dá)對目標(biāo)的最大探測距離與雷達(dá)體制、電磁傳播和目標(biāo)特性等密不可分。

雷達(dá)能否檢測到目標(biāo)是由檢測門限決定的，檢測門限的設(shè)定很大程度上依據(jù)信噪比的計算，即目標(biāo)信號強度與雷達(dá)系統(tǒng)噪聲共同影響雷達(dá)的檢測體制。對于雷達(dá)而言，發(fā)射功率大，系統(tǒng)噪聲小，目標(biāo)信號強，傳播損失少，信噪比有效改善，雷達(dá)的探測性能自然提高。當(dāng)存在支援干擾時，干擾機(jī)與雷達(dá)距離越近，干擾效果越好，信噪比顯著下降，形成有效的干擾壓制區(qū)，雷達(dá)探測范圍縮減，性能降低。

2.3 干擾條件下的雷達(dá)探測范圍

支援干擾的目的在于確保干擾飛機(jī)安全的前提下，實施大功率噪聲干擾，形成干擾壓制區(qū)，提供空中安全走廊，保護(hù)己方目標(biāo)。在支援干擾中，干擾壓制區(qū)是雷達(dá)無法探測到目標(biāo)的空間，一般要求發(fā)現(xiàn)概率pd<0.1。壓制區(qū)是雷達(dá)探測區(qū)域的一部分，在干擾區(qū)內(nèi)，干擾功率與目標(biāo)回波信號的功率比超過壓制系數(shù)Kj；在干擾區(qū)邊界上，干信比則等于壓制系數(shù)。依據(jù)雷達(dá)的干擾方程能夠得到壓制區(qū)的壓制范圍和空間形狀。

雷達(dá)接收到的目標(biāo)回波信號功率[9]為：

(2)

式(2)中，RT是雷達(dá)對被掩護(hù)戰(zhàn)機(jī)的探測距離；L是總的雷達(dá)系統(tǒng)損耗，與雷達(dá)體制有關(guān)。

單部干擾機(jī)主瓣對準(zhǔn)雷達(dá)旁瓣實施噪聲干擾時，進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī)的干擾功率[9]為：

(3)

(4)

式(4)中，Gr為雷達(dá)主瓣的接收天線增益；θ0.5為雷達(dá)主瓣寬度；K是與雷達(dá)天線特性有關(guān)的常數(shù)，一般取K=0.04～0.1；Rj為干擾機(jī)與雷達(dá)的空間距離；Δfr為雷達(dá)接收帶寬；γj為干擾信號相對雷達(dá)天線的極化損失，一般取γj=0.5；Δfj為干擾信號帶寬。

結(jié)合式(2)和式(3)，進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī)的目標(biāo)信號和干擾信號的功率之比為：

(5)

(6)

3 仿真分析

利用平滑處理的RCS數(shù)據(jù)，在Matlab平臺上仿真得到了隱身飛機(jī)RCS在俯仰角和方位角上的起伏變化如圖2所示。

圖2 平滑處理的靜態(tài)RCSFig.2 Smooth processing static RCS

分析圖2可知，經(jīng)過平滑處理的RCS起伏程度縮減至25 dB左右，且方位角0～15°、345°～360°及對應(yīng)俯仰角-5°～5°是飛機(jī)在鼻錐方向的強隱身區(qū)，RCS平均分布在0.01 m2左右。顯然，RCS經(jīng)過平滑處理起伏變化程度降低，為研究雷達(dá)對隱身飛機(jī)支援干擾時的探測范圍奠定基礎(chǔ)。

3.1 雷達(dá)作用距離范圍

隱身飛機(jī)以不同姿態(tài)對雷達(dá)進(jìn)行支援干擾時，雷達(dá)對隱身飛機(jī)的最大探測距離與此時姿態(tài)角所對應(yīng)的RCS值有關(guān)，但是必須保證飛機(jī)足夠安全(在雷達(dá)探測區(qū)域之外)的前提下才能進(jìn)行干擾。為此，需要研究某型普通體制雷達(dá)對隱身飛機(jī)全空域的探測范圍，以進(jìn)一步確定飛機(jī)釋放干擾的位置。

1)雷達(dá)對隱身飛機(jī)的探測距離

普通雷達(dá)體制參數(shù)設(shè)置如下：

結(jié)合式(1)，仿真得到了隱身飛機(jī)不同姿態(tài)角對應(yīng)的雷達(dá)探測范圍變化，見圖3。

圖3 不同姿態(tài)角的探測距離Fig.3 Detection range of different attitude angles

圖3中，雷達(dá)在各個姿態(tài)角所對應(yīng)的探測距離與隱身飛機(jī)的RCS起伏變化是完全一致的。其中，雷達(dá)對隱身飛機(jī)的最大探測距離是26.6 km，所對應(yīng)的目標(biāo)RCS是-6.080 9 dBsm；最小探測距離在11.7 km處，對應(yīng)的目標(biāo)RCS是-20.349 6 dBsm。即隱身飛機(jī)在距離雷達(dá)26.6 km以上的空間飛行是絕對安全的，雷達(dá)探測不到；在11.7～26.6 km的距離空間飛行，面臨被發(fā)現(xiàn)的危險；在11.7 km以內(nèi)飛行作戰(zhàn)，會被雷達(dá)探測到。

2)雷達(dá)對目標(biāo)機(jī)的探測范圍

被掩護(hù)戰(zhàn)機(jī)的RCS是10m2，依據(jù)式(1)可以得到雷達(dá)對目標(biāo)機(jī)的探測范圍，如圖4所示。

圖4 目標(biāo)機(jī)的雷達(dá)探測范圍Fig.4 Radar detection range of target

圖4中，被掩護(hù)戰(zhàn)機(jī)的RCS在各個角度均視為10 m2。因此，各個角度的最大作用距離范圍均是67.130 9 km。

3.2 干擾條件下雷達(dá)探測距離仿真分析

為研究隱身飛機(jī)支援干擾的獨特優(yōu)勢，分別比較普通干擾機(jī)、雷達(dá)探測隱身飛機(jī)的最大距離和最小距離時，實施支援干擾的壓制效果。對于載有干擾設(shè)備的隱身飛機(jī)，干擾設(shè)備的具體參數(shù)為：

依據(jù)式(6)，結(jié)合干擾機(jī)參數(shù)，分別計算普通干擾機(jī)、隱身飛機(jī)最大距離和最小距離時的干擾壓制范圍。

1)普通干擾機(jī)壓制范圍

對于載有干擾設(shè)備的支援式電子戰(zhàn)飛機(jī)，通常情況下，目標(biāo)RCS較強，易被雷達(dá)探測到。為掩護(hù)目標(biāo)機(jī)作戰(zhàn)，通常在雷達(dá)探測范圍之外實施干擾。鑒于雷達(dá)對被掩護(hù)戰(zhàn)機(jī)的最大探測距離在67.13 km以上，選取距離雷達(dá)RJ=100 km為普通干擾機(jī)的干擾距離，并仿真得到了普通干擾機(jī)干擾前后，雷達(dá)作用距離范圍在全方位的變化情況如圖5所示。

圖5 普通干擾機(jī)的干擾壓制范圍Fig.5 Jamming suppression scope of ordinary jammer

圖5中，普通干擾機(jī)進(jìn)行支援干擾后，雷達(dá)在各個方位的作用距離縮減至40 km以內(nèi)。干擾機(jī)在雷達(dá)方位角0°的方向能夠準(zhǔn)確對準(zhǔn)，干擾壓制效果最好，且干擾機(jī)與目標(biāo)機(jī)的角度θ越小，被掩護(hù)戰(zhàn)機(jī)的可活動區(qū)域也將越大，安全性也越高。

2)隱身飛機(jī)最大距離壓制范圍(-6.080 9 dBsm)

結(jié)合圖2和圖3，能夠獲得雷達(dá)對隱身飛機(jī)的最大作用距離為R=26.601 km，進(jìn)行干擾壓制范圍仿真，結(jié)果如圖6所示。

圖6 最大作用距離的干擾壓制范圍Fig.6 Jamming suppression scope of the maximum operation range

圖6中，隱身飛機(jī)在雷達(dá)最大作用距離處實施干擾前后，雷達(dá)對目標(biāo)的探測距離縮減至20 km以內(nèi)，較普通干擾機(jī)有著更加明顯的干擾壓制效果。且在0°方位上的干擾壓制效果最好。

3)隱身飛機(jī)最小距離壓制范圍(-20.349 6 dBsm)

雷達(dá)對隱身飛機(jī)的最小作用距離為R=11.7 km，即隱身飛機(jī)在該情況下的姿態(tài)角所對應(yīng)的RCS值是最小的，此時雷達(dá)對隱身飛機(jī)的探測距離達(dá)到最低。且在11.7～26.6 km的作戰(zhàn)范圍內(nèi)，隱身飛機(jī)尚未脫離危險區(qū)，在該區(qū)域?qū)嵤┲г礁蓴_的隱身飛機(jī)本身存在被發(fā)現(xiàn)的可能性。通常情況下，不建議隱身飛機(jī)在該區(qū)域冒險，但是良好的突防能力是隱身飛機(jī)的生存優(yōu)勢，且在隱身飛機(jī)最小作用距離處實施支援干擾的效果是最好的，見圖7。

圖7 最小距離的干擾壓制范圍Fig.7 Jamming suppression scope of the minimum detection range

圖7所示，隱身飛機(jī)在雷達(dá)最小距離處實施干擾前后，雷達(dá)對目標(biāo)的探測距離縮減至15 km以內(nèi)，壓制效果是最好的。

3.3 壓制范圍與壓制率

為有效評估隱身飛機(jī)支援干擾對雷達(dá)探測性能的影響，對隱身飛機(jī)的壓制范圍和壓制率進(jìn)行分析。壓制范圍是指隱身飛機(jī)支援干擾前后，探測距離范圍的縮減程度；壓制率則是對壓制范圍的量化分析。

1)隱身飛機(jī)干擾有效性分析

圖8所示是隱身飛機(jī)分別在最大距離和最小距離處的干擾壓制效果圖。

圖8 隱身飛機(jī)干擾壓制效果Fig.8 Jamming suppression effect of stealth aircraft

圖8中，雷達(dá)探測隱身飛機(jī)的最大作用距離認(rèn)為是飛機(jī)的安全飛行邊界線，最小探測距離則是危險飛行邊界線。隱身飛機(jī)在安全邊界線以外飛行作戰(zhàn)，實施支援干擾是絕對安全的，雷達(dá)探測不到目標(biāo)；在安全邊界線以內(nèi)、危險邊界線以外進(jìn)行支援干擾時，一旦釋放干擾的飛行姿態(tài)與所處空間位置不匹配時，將面臨威脅。因此，在該區(qū)域進(jìn)行支援干擾意味著風(fēng)險與成功并存。

2)壓制率評估

普通干擾機(jī)的干擾距離、隱身飛機(jī)最大距離和最小距離處的壓制效果可以用壓制率表示，定義壓制率η為：

(7)

式(7)中，壓制率是雷達(dá)全方位的壓制有效性分析。每個方位對應(yīng)不同的壓制率，仿真結(jié)果如圖9所示。

分析圖9可得以下結(jié)論：

1)隱身飛機(jī)支援干擾比普通干擾機(jī)的干擾壓制效果明顯，干擾壓制率至少在70%以上；而普通干擾機(jī)因其目標(biāo)特性較差，易被雷達(dá)發(fā)現(xiàn)的限制，支援干擾的干擾壓制率在50%以下。

2)干擾有效壓制范圍與干擾機(jī)的干擾距離有關(guān)，干擾機(jī)與雷達(dá)的距離越近，干擾壓制率越高，壓制效果越明顯。

3)干擾機(jī)天線主瓣對準(zhǔn)雷達(dá)天線主瓣時，即偏角θ=0°時，干擾效果最好。

圖9 不同干擾模式下的壓制率Fig.9 Jamming suppression ratio under different jamming modes

4 結(jié)論

本文提出了基于隱身飛機(jī)支援干擾的雷達(dá)效能評估方法。該方法主要從隱身飛機(jī)的低可探測性和強突防性能出發(fā)，通過獲取平滑處理的靜態(tài)RCS值，結(jié)合雷達(dá)距離公式，在得到隱身飛機(jī)的最大雷達(dá)探測距離和最小雷達(dá)發(fā)現(xiàn)距離后，與普通干擾機(jī)相比較，對三種干擾情況下的雷達(dá)探測距離進(jìn)行了仿真分析，最后對雷達(dá)進(jìn)行了干擾有效性分析和干擾

壓制率求解。分析結(jié)果表明，隱身飛機(jī)支援干擾作戰(zhàn)的時間和空間較普通干擾機(jī)靈活，能夠有效干擾壓制雷達(dá)的探測距離，進(jìn)而為目標(biāo)機(jī)提供掩護(hù)區(qū)域，實現(xiàn)安全突防，同時為作戰(zhàn)雙方積累電子戰(zhàn)經(jīng)驗提供了一定參考。

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RadarEfficiencyEvaluationofStealthAircraftSupport-Jamming

LIU Zhanqiang, LIANG Lujiang, WANG Chunyang, YANG Jinshuai

(Air and Missile Defense College, AFEU, Xi’an 710051, China)

Aiming at the problem that the existing evaluation methods of radar detection performance without considering and combining the stealth performance and ability of electronic warfare, a method based on support-jamming of stealth aircraft was proposed. Radar detection coverage to stealth aircraft in the whole airspace was simulated by using smooth processing static RCS of stealth aircraft and radar distance formula. Then the maximum operation range and minimum detection range of radar were selected acting as jamming range of stealth aircraft, and the variation of radar detection coverage was compared and analyzed after setting jamming range of ordinary jammer. Support-jamming effectiveness was analyzed quantitatively by defining jamming suppression ratio. The simulation results show that support-jamming of stealth aircraft would have prominent jamming tactics, reduce radar detection range evidently, and provide covering area to finish safe penetration for target aircraft.

stealth aircraft; radar efficacy; support-jamming; detection coverage

2017-03-05

:劉占強(1992—)，男，甘肅武威人，碩士研究生，研究方向：隱身目標(biāo)抗干擾問題的研究。E-mail:15594999820@qq.com。

TN972

：A

：1008-1194(2017)04-0077-06