雷達(dá)/紅外成像復(fù)合制導(dǎo)反艦導(dǎo)彈干擾方法

白 爽，衛(wèi) 鑫

(1.海軍大連艦艇學(xué)院，遼寧 大連 116018；2.中國人民解放軍91550部隊(duì)，遼寧 大連 116018)

采用多模復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)是反艦導(dǎo)彈應(yīng)對日益復(fù)雜的戰(zhàn)場電磁環(huán)境挑戰(zhàn)，提高自身武器效能的一種有效途徑。參與復(fù)合制導(dǎo)的工作模式通常工作頻率在頻譜上相距較遠(yuǎn)，這樣既能獲得更多的目標(biāo)特征信息，又可以通過多種工作模式在探測和抗干擾性能上的互補(bǔ)，提高導(dǎo)彈武器的攻擊精度及抗干擾能力[1]。主動(dòng)雷達(dá)制導(dǎo)模式主要工作在厘米或毫米波段；紅外成像制導(dǎo)模式工作在微米波段，易受氣候影響，探測距離近，無法獲取目標(biāo)距離信息，但是抗電子干擾能力強(qiáng)，目標(biāo)跟蹤精度高；雷達(dá)制導(dǎo)模式容易受到電子干擾，跟蹤精度不如紅外成像制導(dǎo)模式，但是受天氣因素影響較小，探測距離遠(yuǎn)，能獲取目標(biāo)距離信息[2]。兩種制導(dǎo)模式的優(yōu)勢互補(bǔ)，使得在較寬的頻段上用一種干擾手段進(jìn)行有效干擾是很難實(shí)現(xiàn)的，艦艇無源干擾使用具有很強(qiáng)的針對性，所以，目前僅靠單一的無源干擾方式無法對復(fù)合制導(dǎo)的導(dǎo)彈進(jìn)行有力的干擾。

文獻(xiàn)[3]針對舷外有源誘餌對雷達(dá)導(dǎo)引頭干擾方法進(jìn)行了研究，分析了有源誘餌的典型作戰(zhàn)模式及干擾效果；文獻(xiàn)[4-6]對舷外有源誘餌質(zhì)心干擾作戰(zhàn)使用方法進(jìn)行了研究，從有源誘餌參數(shù)加載、決策反射及機(jī)動(dòng)方式等方面進(jìn)行了建模仿真；文獻(xiàn)[7-9]研究了紅外煙幕對抗紅外成像導(dǎo)引頭的使用方法，從煙幕發(fā)射方式、艦艇機(jī)動(dòng)決策等方面進(jìn)行仿真分析。各研究成果都是從對抗雷達(dá)導(dǎo)引頭或紅外成像導(dǎo)引頭單一方向進(jìn)行的，沒有涉及兩種制導(dǎo)方式復(fù)合之后對干擾方式有何影響，及何時(shí)應(yīng)該實(shí)施干擾。本文綜合分析雷達(dá)導(dǎo)引頭與紅外成像導(dǎo)引頭的基本干擾原理，得出將舷外有源誘餌及煙幕干擾兩種干擾方式協(xié)同使用對抗雷達(dá)/紅外成像復(fù)合制導(dǎo)反艦導(dǎo)彈的方法。

1 復(fù)合制導(dǎo)信息融合分析

導(dǎo)彈復(fù)合導(dǎo)引系統(tǒng)信息融合可分為三類：數(shù)據(jù)層融合、特征層融合和決策層融合[1]。在數(shù)據(jù)層，雷達(dá)導(dǎo)引系統(tǒng)得到目標(biāo)多普勒信息，紅外成像導(dǎo)引系統(tǒng)得到目標(biāo)圖像灰度序列，兩者之間不具有可比性，不能進(jìn)行數(shù)據(jù)層融合。因此，雷達(dá)紅外成像復(fù)合導(dǎo)引系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合主要在特征層融合和決策層融合。雷達(dá)紅外成像復(fù)合制導(dǎo)數(shù)據(jù)融合過程如圖1所示。

圖1 復(fù)合制導(dǎo)數(shù)據(jù)融合過程

特征層融合，利用雷達(dá)獲取的目標(biāo)特征信息幫助紅外成像導(dǎo)引系統(tǒng)對目標(biāo)識(shí)別跟蹤，提高紅外成像導(dǎo)引系統(tǒng)在遠(yuǎn)距離上對目標(biāo)的點(diǎn)紅外信息識(shí)別，降低紅外成像系統(tǒng)對目標(biāo)成像質(zhì)量等信息的要求；利用紅外成像獲取的目標(biāo)特征信息幫助雷達(dá)導(dǎo)引系統(tǒng)對目標(biāo)識(shí)別跟蹤，提高雷達(dá)導(dǎo)引系統(tǒng)對干擾的識(shí)別能力，降低雷達(dá)虛警概率，提高目標(biāo)識(shí)別能力。

決策層融合，當(dāng)導(dǎo)彈距離目標(biāo)較遠(yuǎn)時(shí)，由雷達(dá)導(dǎo)引系統(tǒng)的跟蹤決策信息控制導(dǎo)彈飛行，同時(shí)控制紅外導(dǎo)引系統(tǒng)跟隨目標(biāo)，使目標(biāo)進(jìn)入紅外導(dǎo)引系統(tǒng)的視場。當(dāng)導(dǎo)彈距離目標(biāo)較近時(shí)，紅外導(dǎo)引系統(tǒng)可以通過目標(biāo)成像的特征信息跟蹤識(shí)別目標(biāo)，利用其跟蹤信息精度高的特點(diǎn)，提高復(fù)合導(dǎo)引系統(tǒng)對目標(biāo)的跟蹤能力。復(fù)合導(dǎo)引系統(tǒng)中，當(dāng)一方導(dǎo)引系統(tǒng)受到干擾或失去導(dǎo)引能力時(shí)，可由另一導(dǎo)引系統(tǒng)矯正跟蹤信息，或直接由另一導(dǎo)引系統(tǒng)跟蹤目標(biāo)控制導(dǎo)彈飛行。

2 干擾方法

通過對雷達(dá)/紅外成像雙模導(dǎo)引頭制導(dǎo)分析，對其進(jìn)行有效干擾必須在特征融合層干擾雷達(dá)目標(biāo)和紅外成像目標(biāo)的特征數(shù)據(jù)融合，在決策融合層阻斷雷達(dá)導(dǎo)引頭和紅外成像導(dǎo)引頭的聯(lián)合制導(dǎo)。

干擾方法可以分成二種：一是在遠(yuǎn)距離上對雷達(dá)導(dǎo)引頭進(jìn)行干擾，大角度誘偏導(dǎo)彈，使紅外導(dǎo)引頭開機(jī)時(shí)，目標(biāo)不在紅外導(dǎo)引頭搜索視角內(nèi)，紅外導(dǎo)引頭無法搜索到目標(biāo)，不能發(fā)送制導(dǎo)指令，只能在雷達(dá)導(dǎo)引頭制導(dǎo)下飛行，遠(yuǎn)離目標(biāo)；二是在近距離上同時(shí)干擾反艦導(dǎo)彈的雷達(dá)導(dǎo)引頭和紅外導(dǎo)引頭，雷達(dá)導(dǎo)引頭受到電子假目標(biāo)干擾，跟蹤誘餌，接班制導(dǎo)的紅外導(dǎo)引頭無法提取目標(biāo)的特征信息，也無法準(zhǔn)確跟蹤目標(biāo)，導(dǎo)致導(dǎo)彈在雷達(dá)導(dǎo)引頭制導(dǎo)下攻擊假目標(biāo)。

反艦導(dǎo)彈由于自身雷達(dá)反射面積較小，攻擊戰(zhàn)術(shù)多樣，使艦艇對于反艦導(dǎo)彈的預(yù)警探測距離一般較近，所以，第一種干擾方法在實(shí)際作戰(zhàn)時(shí)難以實(shí)施，第二種干擾方法需要綜合使用對抗雷達(dá)制導(dǎo)的舷外有源干擾和對抗紅外成像制導(dǎo)的煙幕干擾兩種干擾方式，這兩種干擾方式復(fù)合使用的方法直接影響對雷達(dá)/紅外成像雙模導(dǎo)引頭干擾效果。

2.1 舷外有源干擾

舷外有源干擾，是指利用降落傘、浮漂和飛行器等技術(shù)手段將誘餌布放在船體外，通過放大、轉(zhuǎn)發(fā)彈載雷達(dá)發(fā)射信號(hào)，或者主動(dòng)施放干擾信號(hào)，對敵方雷達(dá)導(dǎo)引頭進(jìn)行角度欺騙的一種干擾手段[3]。本文研究對象是拖曳式有源誘餌，拖曳式誘餌實(shí)施比較方便，不用考慮誘餌布放角度、誘餌與艦艇相對運(yùn)動(dòng)等問題，而且，可以提前布放，減弱了對電子支援引導(dǎo)的依賴。舷外有源干擾示意圖如圖2所示。

圖2 舷外有源干擾示意圖

舷外有源誘餌要與艦艇共同出現(xiàn)在導(dǎo)彈的跟蹤單元內(nèi)，反艦導(dǎo)彈跟蹤有源誘餌和艦艇反射的微波能量重心，反艦導(dǎo)彈在飛臨的過程中逐漸轉(zhuǎn)向微波能量較強(qiáng)的有源誘餌，最終攻擊有源誘餌[4-5]。

2.2 煙幕干擾

煙幕干擾是對抗紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈的一種有效措施，主要運(yùn)用了煙幕對目標(biāo)紅外輻射的遮蔽效應(yīng)。煙幕通過自身燃燒反應(yīng)產(chǎn)生高強(qiáng)度紅外輻射，在較大區(qū)域內(nèi)遮蓋目標(biāo)自身及周邊環(huán)境的熱輻射特征，造成紅外成像制導(dǎo)系統(tǒng)無法通過熱成像手段看清目標(biāo)，只能發(fā)現(xiàn)一片高亮區(qū)域，具有“隱真”和“示假”雙重功能[6]。煙幕干擾示意圖如圖3所示。

圖3 煙幕干擾過程示意圖

紅外煙幕要對艦艇保持有效遮蔽。而要對艦艇進(jìn)行有效遮蔽需要多枚煙幕干擾彈爆炸形成彼此相連的煙幕墻，長度是艦艇長度的3～5倍為宜，艦艇不應(yīng)位于煙幕墻的幾何中心，所以，煙幕干擾彈要避免對稱發(fā)射；煙幕彈的有效留空時(shí)間、煙幕墻與艦艇的相對運(yùn)動(dòng)等因素對煙幕墻的遮蔽效果也有重要影響，應(yīng)及時(shí)補(bǔ)發(fā)煙幕干擾彈[7-8]。

2.3 單一干擾效果分析

導(dǎo)彈來襲方位右舷60°，舷外有源誘餌干擾下雷達(dá)紅外成像制導(dǎo)導(dǎo)彈攻擊仿真軌跡如圖4所示。第一階段導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭開機(jī)工作，由于導(dǎo)彈距離較遠(yuǎn)，導(dǎo)引頭將艦艇和有源誘餌判為一個(gè)目標(biāo)，導(dǎo)彈跟蹤艦艇和有源誘餌微波能量中心，逐漸接近艦艇和有源誘餌；第二階段，由于艦艇已經(jīng)離開導(dǎo)彈的跟蹤波門，有源誘餌距離導(dǎo)彈跟蹤點(diǎn)近，且在跟蹤波門內(nèi)，導(dǎo)彈選擇跟蹤有源誘餌，逐漸接近有源誘餌；第三階段紅外成像導(dǎo)引頭開機(jī)工作，由于有源誘餌與艦艇紅外特性差別較大，紅外成像導(dǎo)引頭提取圖像特征信息，排除有源誘餌干擾，在目標(biāo)區(qū)域搜索，此時(shí)艦艇仍未脫離紅外導(dǎo)引頭搜索范圍，最終被紅外導(dǎo)引頭捕獲，導(dǎo)彈跟蹤艦艇，最終攻擊艦艇。

圖4 舷外有源誘餌干擾下導(dǎo)彈攻擊軌跡

單一使用拖曳式有源誘餌雖然可以在雷達(dá)制導(dǎo)階段誘騙導(dǎo)彈，但使導(dǎo)彈偏航的橫向距離有限，導(dǎo)彈紅外成像導(dǎo)引頭開機(jī)仍能搜索到艦艇目標(biāo)，使導(dǎo)彈最終攻擊艦艇。

單一使用紅外煙幕干擾雖然可以有效對抗紅外成像導(dǎo)引頭，但是對雷達(dá)導(dǎo)引頭干擾無效，即使紅外導(dǎo)引頭不工作，導(dǎo)彈最終仍會(huì)攻擊艦艇。

2.4 協(xié)同干擾

導(dǎo)彈雷達(dá)制導(dǎo)階段實(shí)施舷外有源干擾，導(dǎo)彈將跟蹤有源假目標(biāo)與艦艇的電磁波能量中心，對導(dǎo)彈進(jìn)行誘偏，使其逐漸轉(zhuǎn)向跟蹤有源假目標(biāo)，同時(shí)，在導(dǎo)彈紅外導(dǎo)引頭開機(jī)工作前，艦艇要實(shí)施煙幕干擾，提前將紅外煙幕墻布設(shè)在導(dǎo)彈與艦艇之間，遮擋艦艇的紅外輻射特征，使紅外導(dǎo)引頭無法準(zhǔn)確捕捉目標(biāo)，保持搜索狀態(tài)。最終導(dǎo)彈會(huì)按照雷達(dá)導(dǎo)引頭提供的跟蹤信息飛行，艦艇進(jìn)行有效機(jī)動(dòng)，最終駛離危險(xiǎn)區(qū)。復(fù)合干擾原理如圖5所示。

圖5 協(xié)同干擾過程示意圖

3 仿真模型

3.1 導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)模型

導(dǎo)彈采用比例導(dǎo)引法制導(dǎo)飛行，導(dǎo)彈與目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系如圖6所示，q表示目標(biāo)線方位角；Bt、Bm分別表示目標(biāo)速度、導(dǎo)彈速度矢量與基準(zhǔn)線之間的夾角；q′、Bt′、Bm′表示經(jīng)過時(shí)間步長Δt后各角度變化后的數(shù)值。

圖6 導(dǎo)彈與目標(biāo)相對位置

導(dǎo)彈采用比例導(dǎo)引法，則有

Bm′-Bm=k×Δq

(1)

導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)為：

Bm(t)=Bm(t-1)+k×Δq

(2)

Mx(t)=Mx(t-1)+Vm×sin(Bm(t-1))×Δt

(3)

My(t)=My(t-1)+Vm×cos(Bm(t-1))×Δt

(4)

3.2 導(dǎo)彈過載模型

設(shè)導(dǎo)彈最大過載為nx，則導(dǎo)彈飛行所能調(diào)整的最大角度av為

(5)

設(shè)導(dǎo)彈飛行所需調(diào)整的角度為ax，如果ax>av，此時(shí)，導(dǎo)彈過載不足，導(dǎo)彈在Δt時(shí)間段內(nèi)不能及時(shí)修正誤差，按最大過載調(diào)整角度修正；如果ax≤av，此時(shí)，導(dǎo)彈過載充足，導(dǎo)彈在Δt時(shí)間段內(nèi)可以按調(diào)整角度修正誤差。在Δt足夠小的情況下，可認(rèn)為導(dǎo)彈在飛行方向上做勻速直線運(yùn)動(dòng)。導(dǎo)彈在終端將以慣性飛行命中跟蹤目標(biāo)。

3.3 舷外有源誘餌能量模型

假設(shè)舷外有源誘餌的功率為Pt，且保持恒定，天線增益為Gt；導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭的功率為Pd，且保持恒定，天線增益為Gd，天線有效孔徑面積為Ad，雷達(dá)波長為λ；導(dǎo)彈到艦艇的距離為Rd，到有源誘餌的距離為Rt；艦艇的反射面積為σ。

有源誘餌輻射到導(dǎo)彈導(dǎo)引頭的功率為

(6)

另有

(7)

將式(7)代入式(6)，得到

(8)

導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭接收艦艇反射功率為

(9)

有源誘餌在質(zhì)心干擾過程中的干擾壓制系數(shù)Ka可近似表示為[9]

(10)

3.4 艦艇溢出判斷模型

艦艇、煙幕墻和導(dǎo)彈三者間位置關(guān)系如圖7所示，直線M1是導(dǎo)引頭與煙幕上端點(diǎn)的連線，直線M2是導(dǎo)引頭與煙幕下端點(diǎn)的連線，直線L是煙幕墻的近似中線。

圖7 紅外煙幕遮蔽判斷圖

假設(shè)直線1的方程為ax+by+1=0，則將點(diǎn)A(Xa,Ya)到直線1的距離表示為

(11)

設(shè)艦艇首、尾到直線M1的距離為DB1、DS1；艦艇首、尾到直線M2的距離為DB2、DS2；艦艇首、尾到直線L的距離為DBL、DSL；導(dǎo)彈到直線L的距離為DML。

紅外煙幕遮蔽艦艇判斷準(zhǔn)則：

1)當(dāng)DML≥0時(shí)：導(dǎo)彈突破煙幕墻，艦艇不受保護(hù)；

2)當(dāng)DML<0時(shí)：

若DBL≤0或DSL≤0，艦艇突破煙幕墻，艦艇不受保護(hù)；

若DBL>0且DSL>0，如果DB1≤0或DS1≤0或DB2≤0或DS2≤0，則艦艇從煙幕墻遮蔽區(qū)域駛出，艦艇不受保護(hù)；如果DB1>0且DS1>0且DB2>0且DS2>0，則艦艇在煙幕墻遮蔽區(qū)域，艦艇受保護(hù)。

4 仿真分析

協(xié)同干擾仿真流程如圖8所示。仿真過程中，導(dǎo)彈來襲方向取右舷10°～170°，按步長5°進(jìn)行計(jì)算。導(dǎo)彈在末制導(dǎo)階段飛行速度為0.8 Ma，在仿真過程中，導(dǎo)彈的實(shí)時(shí)位置按此速度計(jì)算。導(dǎo)彈微波導(dǎo)引頭工作時(shí)，艦艇采取直航，有源誘餌拖曳長度分別為500 m、700 m和1 000 m，速度18 kn，導(dǎo)彈紅外成像導(dǎo)引頭工作時(shí)，艦艇作回轉(zhuǎn)機(jī)動(dòng)，假設(shè)航速不變。

圖8 協(xié)同干擾仿真流程圖

圖9為導(dǎo)彈跟蹤狀態(tài)示意圖，狀態(tài)“1”表示雷達(dá)導(dǎo)引頭跟蹤有源誘餌，狀態(tài)“2”表示雷達(dá)導(dǎo)引頭跟蹤艦艇。通過分析可知，由于有源誘餌采取拖曳式布放，導(dǎo)彈從艦艇首、尾部攻擊時(shí)，有源誘餌在導(dǎo)彈來襲方向的法向上，對導(dǎo)彈的誘偏能力大大減弱，而導(dǎo)彈從艦艇正橫附近攻擊時(shí)，有源誘餌在導(dǎo)彈來襲方向的法向上，對導(dǎo)彈的誘偏能力較強(qiáng)，所以，雷達(dá)導(dǎo)引頭跟蹤有源誘餌的攻擊方位集中在90°±20°范圍內(nèi)。而且，有源誘餌拖曳長度對導(dǎo)引頭跟蹤目標(biāo)影響較大，拖曳長度越長，導(dǎo)彈導(dǎo)引頭越容易選取誘餌；相反，拖曳長度越短，導(dǎo)引頭越容易選取艦艇。

圖9 導(dǎo)彈跟蹤狀態(tài)示意圖

圖10為復(fù)合干擾效果示意圖，如果彈艦最近距離大于200 m可認(rèn)為干擾有效。對比圖9可知，如果雷達(dá)導(dǎo)引頭跟蹤有源誘餌，則干擾就能成功。分析圖10發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)彈從艦艇首尾攻擊干擾效果較差，導(dǎo)彈從正橫附近攻擊干擾效果較好；如果導(dǎo)彈從艦艇正橫附近來襲，艦艇為了節(jié)省干擾準(zhǔn)備時(shí)間，可以縮短有源誘餌拖曳長度；如果導(dǎo)彈從艦艇首尾方向來襲，應(yīng)該延長有源誘餌拖曳長度，此時(shí)，應(yīng)該及早發(fā)現(xiàn)導(dǎo)彈，并采取適當(dāng)機(jī)動(dòng)措施，避開防御不利區(qū)域，盡早施放誘餌，保證拖曳誘餌及時(shí)展開。

圖10 協(xié)同干擾效果示意圖

圖11為復(fù)合干擾下導(dǎo)彈攻擊軌跡圖，圖中上方的軌跡為導(dǎo)彈來襲方位右舷60°，有源誘餌拖曳長度為500 m時(shí)，復(fù)合干擾下導(dǎo)彈攻擊軌跡，下方的軌跡為導(dǎo)彈來襲方位右舷60°，有源誘餌拖曳長度為1 000 m時(shí)，復(fù)合干擾下導(dǎo)彈攻擊軌跡。

圖11 協(xié)同干擾下導(dǎo)彈攻擊軌跡

從圖中看出，有源誘餌拖曳長度為500 m時(shí)，由于有源誘餌離艦艇較近，直到紅外導(dǎo)引系統(tǒng)開機(jī)工作，雷達(dá)導(dǎo)引頭仍在跟蹤艦艇與有源誘餌的微波中心，紅外成像導(dǎo)引頭開機(jī)工作，導(dǎo)彈跟蹤煙幕中心，由于煙幕離艦艇較近，使導(dǎo)彈逐漸偏向艦艇，在接近過程中，雷達(dá)導(dǎo)引頭將艦艇與有源誘餌區(qū)分為兩個(gè)輻射源，由于艦艇航控角度小，選擇跟蹤艦艇；有源誘餌拖曳長度為1 000 m 時(shí)，導(dǎo)彈在雷達(dá)制導(dǎo)階段，先跟蹤艦艇與有源誘餌能量中心，在接近過程中，雷達(dá)導(dǎo)引頭將艦艇與有源誘餌區(qū)分為兩個(gè)輻射源，由于有源誘餌航控角度小，選擇跟蹤有源誘餌，當(dāng)紅外導(dǎo)引系統(tǒng)開機(jī)工作時(shí)，由于艦艇受紅外煙幕遮蔽，使紅外導(dǎo)引頭無法捕捉目標(biāo)，最后，導(dǎo)彈在目標(biāo)數(shù)據(jù)融合條件下，由雷達(dá)制導(dǎo)跟蹤有源誘餌。

通過建模仿真，分析舷外有源與煙幕復(fù)合干擾下導(dǎo)彈攻擊軌跡發(fā)現(xiàn)，復(fù)合干擾成功的條件有三個(gè)：

一是有源誘餌拖曳長度足夠長，保證導(dǎo)彈在雷達(dá)導(dǎo)引頭工作階段可以有效誘騙導(dǎo)彈跟蹤有源誘餌；

二是煙幕干擾施放時(shí)機(jī)，確保煙幕要在導(dǎo)彈紅外成像導(dǎo)引系統(tǒng)工作前形成；

三是煙幕要保證對艦艇的遮蔽，適時(shí)補(bǔ)充發(fā)射煙幕干擾彈。

三個(gè)條件同時(shí)滿足的情況下，導(dǎo)彈從艦艇正橫70°～110°左右來襲，采用復(fù)合干擾效果好。

5 結(jié)束語

本文針對雷達(dá)/紅外成像復(fù)合制導(dǎo)原理，分析了實(shí)施舷外有源誘餌+煙幕干擾的對抗方法，通過建模仿真，證明采用舷外有源誘餌+煙幕干擾的方法進(jìn)行對抗，理論上是可行的，但在具體實(shí)施過程中，還要具體考慮氣象、海況等環(huán)境因素，以及舷外有源誘餌干擾與煙幕干擾協(xié)同時(shí)機(jī)問題。