直升機(jī)載火控雷達(dá)盲區(qū)及復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境影響分析

周 俊 楊 軍 張大鋒 陳志君

(1.陸軍航空兵學(xué)院陸軍航空兵研究所 北京 101121；2.中國(guó)人民解放軍32145部隊(duì) 河南新鄉(xiāng) 453000)

0 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)實(shí)踐表明，武裝直升機(jī)是奪取低空/超低空制空權(quán)最有效的武器之一，而裝備毫米波火控雷達(dá)的武裝直升機(jī)的戰(zhàn)場(chǎng)感知能力、火力打擊能力和作戰(zhàn)效能都會(huì)大幅度提高。美軍對(duì)配備了APG-78“長(zhǎng)弓”毫米波火控雷達(dá)的AH-64D進(jìn)行試驗(yàn)評(píng)估后認(rèn)為：與不裝備火控雷達(dá)的原型機(jī)AH-64A相比，AH-64D的戰(zhàn)場(chǎng)生存能力提高了7倍，殺傷威力提高了4倍，戰(zhàn)場(chǎng)效能提高了28倍[1]。

毫米波火控雷達(dá)具有波束窄、分辨率高、可用頻帶寬、抗多徑效應(yīng)及抗干擾能力強(qiáng)、體積小和重量輕等優(yōu)點(diǎn)，能夠在雨天、霧天以及多種復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下工作，具有全天候作戰(zhàn)能力?；谶@些優(yōu)勢(shì)，目前直升機(jī)載火控雷達(dá)大多數(shù)選用毫米波段。由于火控雷達(dá)設(shè)計(jì)方案和技術(shù)體制不同，探測(cè)的盲區(qū)和范圍也不一樣。例如：調(diào)頻連續(xù)波體制的雷達(dá)能夠測(cè)量幾米的目標(biāo)，幾乎沒(méi)有盲區(qū)，但是很難同時(shí)兼容數(shù)十公里的遠(yuǎn)距離目標(biāo)；線性調(diào)頻脈沖多普勒雷達(dá)(PD雷達(dá))能夠探測(cè)遠(yuǎn)距離目標(biāo)，但是由于PD雷達(dá)固有體制的缺陷，如主瓣雜波盲區(qū)和高度雜波盲區(qū)等，對(duì)于主發(fā)射脈沖內(nèi)的目標(biāo)則鞭長(zhǎng)莫及，這種雷達(dá)受某些微波器件性能的限制，會(huì)產(chǎn)生額外的距離盲區(qū)。同時(shí)，由于雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)的不同，還會(huì)產(chǎn)生距離、速度模糊。

武裝直升機(jī)的作戰(zhàn)環(huán)境比較嚴(yán)酷，復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境對(duì)毫米波火控雷達(dá)使用性能產(chǎn)生直接的影響，這些因素主要有自然環(huán)境和人為干擾等。本文重點(diǎn)對(duì)直升機(jī)載火控雷達(dá)盲區(qū)計(jì)算方法和復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的影響進(jìn)行分析。

1 直升機(jī)載火控雷達(dá)盲區(qū)分析

由于戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境、電磁波傳播特性、目標(biāo)速度和雷達(dá)性能等原因，會(huì)造成直升機(jī)載火控雷達(dá)在某些空域范圍無(wú)法探測(cè)到目標(biāo)，從而產(chǎn)生探測(cè)盲區(qū)，主要包括波束覆蓋盲區(qū)、機(jī)身遮擋盲區(qū)、距離模糊盲區(qū)和徑向速度盲區(qū)。

1.1 波束覆蓋盲區(qū)

由于受到掃描波束角度限制，產(chǎn)生了火控雷達(dá)探測(cè)的頂空盲區(qū)和低空盲區(qū)，如圖1所示?；鹂乩走_(dá)波束覆蓋盲區(qū)的范圍計(jì)算方法為

(1)

圖1 直升機(jī)載火控雷達(dá)波束覆蓋盲區(qū)

其中，Δh為目標(biāo)與載機(jī)的相對(duì)高度差；φ為雷達(dá)波束俯仰角，Rblind為距離盲區(qū)范圍。

1.2 機(jī)身旋翼遮擋盲區(qū)

直升機(jī)載火控雷達(dá)通常安裝在桅桿頂部，受到機(jī)身和旋翼遮擋，形成了探測(cè)盲區(qū)。

1)機(jī)身遮擋盲區(qū)

在火控雷達(dá)下視條件下，由于直升機(jī)機(jī)體空間遮擋，在俯仰方向會(huì)形成機(jī)身遮擋盲區(qū)。

2)旋翼遮擋盲區(qū)

直升機(jī)旋翼會(huì)對(duì)火控雷達(dá)探測(cè)造成一定影響。由于旋翼、機(jī)體距離天線很近，當(dāng)電磁波從這些部位直接反射回時(shí)，接收機(jī)尚處于關(guān)閉狀態(tài)，這種干擾不會(huì)影響的雷達(dá)性能；需要考慮干擾能量經(jīng)地面反射后，回到接收天線，遇到旋翼遮擋引起的干擾。由于旋翼寬度有限，干擾并非一直存在，而是伴隨旋翼轉(zhuǎn)動(dòng)。采用近區(qū)場(chǎng)分析法，根據(jù)Maxwell方程計(jì)算天線在旋翼上的感生電流以及旋翼的干擾功率電平。

采用矩形脈沖近似為

Si(f)=τidMi[sin(πτif)/πτif]2

(2)

采用三角形脈沖近似為

Si(f)=τidMi[sin(πτif)/πτif]4

(3)

其中，τi第ι個(gè)旋翼調(diào)制持續(xù)期為

(4)

dMi=τi/Tm=τiFm

(5)

其中，W為旋翼寬度，L為旋翼長(zhǎng)度，n為旋翼轉(zhuǎn)速，F(xiàn)m為調(diào)制信號(hào)的脈沖重復(fù)頻率，nb為旋翼數(shù)。

1.3 距離模糊盲區(qū)

火控雷達(dá)距離模糊與脈沖重復(fù)頻率有關(guān)，距離模糊盲區(qū)長(zhǎng)度與發(fā)射信號(hào)脈沖寬度相關(guān)[1-2]。以美軍“長(zhǎng)弓阿帕奇”直升機(jī)為例，其“長(zhǎng)弓”火控雷達(dá)采用了收發(fā)公用天線，當(dāng)發(fā)射機(jī)發(fā)射脈沖信號(hào)時(shí)，接收機(jī)處于關(guān)閉狀態(tài)，雷達(dá)無(wú)法接收回波信號(hào)，由此產(chǎn)生距離模糊盲區(qū)。

1.4 徑向速度盲區(qū)

徑向速度盲區(qū)主要由多普勒效應(yīng)而產(chǎn)生。設(shè)直升機(jī)以速度VR水平飛行，雷達(dá)天線主波束下俯角為φ，雷達(dá)在各方向上的波束寬度為θ，波長(zhǎng)為λ。當(dāng)徑向速度小于某個(gè)值Vmin時(shí)，一些特定回波頻率與地面雜波頻率重合，并淹沒(méi)有用信號(hào)，這些回波信號(hào)包括主瓣雜波、旁瓣雜波、高度雜波和目標(biāo)回波[1,3]，如圖2所示。

圖2 雷達(dá)雜波及目標(biāo)回波示意圖

1)目標(biāo)1以速度Vt1從正迎頭方向飛來(lái)，多普勒頻移為2|VR|+|Vt1|/λcosψ，由于載機(jī)與目標(biāo)的夾角ψ很小，因此回波頻移大于旁瓣雜波的最大頻移2|VR|/λ，回波信號(hào)落入無(wú)雜波區(qū)，火控雷達(dá)對(duì)此類目標(biāo)的探測(cè)性能最好。

2)目標(biāo)2以速度Vt2沿載機(jī)速度的垂直方向飛過(guò)，目標(biāo)徑向運(yùn)動(dòng)速度為0，回波落入主瓣雜波區(qū)，并直接被濾除。由于主雜波頻譜和雷達(dá)抑制濾波都有相應(yīng)帶寬，由此產(chǎn)生了徑向速度盲區(qū)。

3)目標(biāo)3和目標(biāo)4分別以小于和大于載機(jī)速度，與載機(jī)同向飛行，多普勒頻移為[2(|VR|-|Vt1|)/λ]cosψ，回波信號(hào)落入旁瓣雜波區(qū)。與迎頭方向進(jìn)入的目標(biāo)相比，火控雷達(dá)對(duì)此類目標(biāo)的檢測(cè)能力有所降低。

2 自然環(huán)境對(duì)毫米波火控雷達(dá)的影響

2.1 大氣衰減的影響

與可見(jiàn)光和紅外相比，毫米波在微雨和霧天條件下具有較少的損耗，因而可以在微雨和霧天進(jìn)行探測(cè)[4]。空氣水分凝結(jié)物(如雨、霧、雪、霜、云等)也會(huì)引起附加的衰減，但是，對(duì)于霧而言，除非能見(jiàn)度很低(例如低于100m)，一般引起的損耗(與溫度有關(guān))較小；由于其范圍有限，云的衰減量通常也很小；由于其介電常數(shù)比液體水小得多，卷冰云引起的衰減也很小，冰的衰減可以忽略。與光波相比，毫米波在傳播窗口處由于大氣吸收和衰減產(chǎn)生的損耗相對(duì)較低，因此在惡劣氣象條件下毫米波比光電探測(cè)器更為有效。毫米波頻段的大氣和傳播特性見(jiàn)表1所示。

表1 毫米波頻段的大氣和傳播特性[5]

降雨會(huì)對(duì)毫米波造成衰減，并降低雷達(dá)作用距離。在雨中探測(cè)目標(biāo)時(shí)，由降雨形成的后向散射回波，會(huì)影響雷達(dá)的探測(cè)性能，降低接收信號(hào)的信噪比。不同氣象條件下信噪比與雷達(dá)作用距離的關(guān)系如圖3所示[6]。

圖3 信噪比與距離的關(guān)系

典型氣象條件下雷達(dá)作用距離的計(jì)算方法為

(6)

(7)

其中，Pt為發(fā)射功率；λ為雷達(dá)工作波長(zhǎng)；Bn為接收機(jī)噪聲帶寬；Fn為系統(tǒng)噪聲系數(shù)；L1為射頻損耗；Latm為大氣衰減，Latm=100.2αR，其中α為衰減系數(shù)；G0為天線波束中心增益；σ為目標(biāo)雷達(dá)截面積；T0為環(huán)境溫度；R為雷達(dá)目標(biāo)距離；k為波爾茲曼常數(shù)(1.38×10-23J/K)。

2.2 戰(zhàn)場(chǎng)煙霧的影響

毫米波通過(guò)空中微粒(如灰塵、煙塵及戰(zhàn)場(chǎng)遮蔽物)會(huì)引起衰減，但懸浮在大氣中煙塵的數(shù)量，在140GHz以下所產(chǎn)生的衰減難以察覺(jué)[3]。因此，與紅外、激光相比，毫米波受戰(zhàn)場(chǎng)煙霧、煙塵的影響很小。

2.3 雜波的影響

雷達(dá)雜波是地形、地物、海浪、云雨等產(chǎn)生的回波，包括地雜波、海雜波和氣象雜波。直升機(jī)經(jīng)常采用低空、超低空作戰(zhàn)方式，目標(biāo)背景較為復(fù)雜，往往存在嚴(yán)重的地物雜波。這些地雜波由位置相對(duì)固定、運(yùn)動(dòng)變化較小、形狀不規(guī)則的地物形成，如植被、丘陵、巖石、耕地、房屋、橋梁、塔架等。

地雜波對(duì)雷達(dá)探測(cè)性能的影響主要是目標(biāo)檢測(cè)概率、目標(biāo)虛警概率、雷達(dá)作用距離等。受到地雜波的影響，雷達(dá)作用距離為

(8)

其中，σ為目標(biāo)有效散射面積；V為地雜波回波功率，S/V為信雜比正是目標(biāo)和雜波的有效雷達(dá)截面積之比；ΔR為距離分辨率；θ為雷達(dá)波束與水平面的夾角；θ0.5為波束寬度；σ0為地面平均單位有效散射率。

3 人為干擾對(duì)毫米波火控雷達(dá)的影響

3.1 有源干擾的影響

有源干擾主要有壓制式干擾和各類角度、速度、距離欺騙式干擾等。由于毫米波火控雷達(dá)波束窄，實(shí)現(xiàn)波束對(duì)準(zhǔn)干擾的難度較大，有源干擾主要為副瓣干擾。

1)壓制式干擾

受到壓制性干擾時(shí)，增強(qiáng)干擾強(qiáng)度會(huì)降低雷達(dá)探測(cè)能力，導(dǎo)致無(wú)法檢測(cè)目標(biāo)信號(hào)，無(wú)法正常跟蹤目標(biāo)，此時(shí)雷達(dá)的最大作用距離為

(9)

其中，Pr為雷達(dá)發(fā)射功率，PJ為干擾機(jī)發(fā)射功率，Gr為雷達(dá)天線主瓣方向增益，Gj為干擾天線增益，σ為目標(biāo)的雷達(dá)截面積，K為方向增益系數(shù)，Kj為雷達(dá)壓制系數(shù)，γ為干擾信號(hào)對(duì)雷達(dá)天線的極化系數(shù)，θ為雷達(dá)與目標(biāo)連線和雷達(dá)與干擾機(jī)連線之間的夾角，θ0.5為天線波瓣寬度，RJ為雷達(dá)距干擾機(jī)的距離，H為目標(biāo)高度?？梢钥闯觯c無(wú)干擾的雷達(dá)距離方程相比，壓制性干擾會(huì)降低雷達(dá)作用距離，影響雷達(dá)使用效果。

2)欺騙式干擾

欺騙式干擾通過(guò)采用與真實(shí)目標(biāo)特性相近的假目標(biāo)和信息，干擾雷達(dá)的目標(biāo)檢測(cè)和跟蹤系統(tǒng)，使雷達(dá)無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量目標(biāo)參數(shù)，以達(dá)到迷惑和擾亂雷達(dá)檢測(cè)和跟蹤的目的。欺騙式干擾主要作用于雷達(dá)的跟蹤模塊，產(chǎn)生跟蹤誤差或跟蹤假目標(biāo)，進(jìn)而丟失真正目標(biāo)。

3.2 無(wú)源干擾對(duì)毫米波火控雷達(dá)的影響

無(wú)源干擾是利用發(fā)射裝置投放毫米波干擾物，對(duì)毫米波波束進(jìn)行散射、反射或吸收電磁波，擾亂電磁波傳播途徑，并改變其散射特性或形成假目標(biāo)和干擾屏障。目前常用的毫米波無(wú)源干擾主要有：毫米波箔條/箔片、氣溶膠、角反射器、毫米波吸收材料、毫米波等離子體等[7-8]。由于無(wú)源干擾可不必事先測(cè)定毫米波火控雷達(dá)的工作頻率，因而能夠?qū)ζ鋵?shí)施有效干擾。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)研究了直升機(jī)載火控雷達(dá)的探測(cè)盲區(qū)，給出了不同類型盲區(qū)分析計(jì)算方法，分析了戰(zhàn)場(chǎng)自然環(huán)境和人為干擾(有源干擾和無(wú)源干擾)等對(duì)火控雷達(dá)使用的影響。其中，在霧霾、小雨、小雪等氣象條件下，雷達(dá)作用距離變化不大；但是在大雨、大霧等惡劣天氣時(shí)，受到物理特性影響，雷達(dá)作用距離會(huì)有較大衰減。戰(zhàn)場(chǎng)煙塵煙霧對(duì)雷達(dá)使用的影響較小，一般可以忽略，但地物雜波會(huì)對(duì)雷達(dá)探測(cè)產(chǎn)生影響，可通過(guò)設(shè)置不同背景的檢測(cè)門(mén)限來(lái)抵消雜波影響。

無(wú)源干擾和有源干擾會(huì)對(duì)毫米波火控雷達(dá)造成不同程度的影響。其中，對(duì)于角度、速度等欺騙式干擾，可通過(guò)信號(hào)及數(shù)據(jù)處理自動(dòng)進(jìn)行對(duì)抗；對(duì)于壓制、阻塞、掃頻、轉(zhuǎn)發(fā)式干擾等，可通過(guò)自動(dòng)調(diào)頻、隨機(jī)調(diào)頻、非相參積累、大范圍調(diào)頻來(lái)對(duì)抗。