半主動體制防空武器對低空目標鏡像應(yīng)對策略*

張 樂,苗雨晴,李蘇杭,劉 釗,付寶偉,王勛寶

(1.上海機電工程研究所,上海 201109;2.上海復(fù)合材料科技有限公司,上海 201112)

半主動尋的制導(dǎo)武器攔截超低空目標時,彈上導(dǎo)引頭的跟蹤情況主要與雙目標的(目標和鏡像)多普勒頻差、功率差、彈目/彈鏡的角度差以及陸/海面反射情況等因素相關(guān)[1]。如何合理地規(guī)避海面超低空目標的多路徑效應(yīng),避免導(dǎo)引頭接收機受干涉回波影響產(chǎn)生錯鎖目標鏡像的現(xiàn)象是當前防空武器研究的重點方向。

1 干涉原因分析

通過分析低空情況下半主動導(dǎo)引頭接收機制發(fā)現(xiàn),照射器波束到目標處的信號由兩部分組成：照射器直射到目標的信號和照射信號經(jīng)地(海)面反射到目標的信號(圖1給出鏡面反射示意圖),照射信號在照射路徑I→T和I→O2→T產(chǎn)生干涉,使照射器波瓣分裂,嚴重時干涉點在目標處的增益下降可超過20 dB,使得導(dǎo)引頭回波信號的信噪比下降,同時超低空目標反射多路徑T→M和T→O1→M的干涉,使得引頭測角產(chǎn)生誤差。上述干涉效應(yīng)將嚴重影響半主動體制防空武器對超低空目標的攔截效果[2]。

圖1 照射多路徑示意圖

2 鏡像目標抑制策略

2.1 海面低空彈道抑制法

布魯斯特角定義為反射系數(shù)對應(yīng)的最小擦地角,如果彈目視線角按照大于布魯斯特角攻擊目標則可獲得對鏡像目標的最大抑制[3]。

設(shè)ρ為地/海面反射系數(shù),定義為反射點附近發(fā)射場強能量與入射電場能量之比,影響反射系數(shù)的因素有鏡面反射系數(shù)ρo、地/海面粗糙度系數(shù)ρs和地球曲率影響系數(shù)D,即ρ=ρo·ρs·D,一般近程防空武器可忽略地球曲率的影響，設(shè)D=1。

計算模型如下:

ρ=ρo·ρs·D

(1)

(2)

式中，εc為地/海介電常數(shù),β為擦地角。

(3)

式中,σh為地/海面起伏的標準偏差,λ為雷達波長。

因此,反射系數(shù)與地/海面的地/海介電常數(shù)εc和地/海面起伏的標準偏差σh有關(guān)。

地/海介電常數(shù)εc與頻率有關(guān),對于陸地還與潮濕度有關(guān),假設(shè)雷達波段為X,查看雷達設(shè)計手冊可知[4]:戈壁條件下εc=1.83-i0.13;對于海水，εc與鹽度、溫度有關(guān)。假設(shè)鹽度為35%,查資料得到0 ℃時,εc=58.8-i40。對于海面20 ℃時X波段海水介電常數(shù)采用εc=60.7-i33.1,一級海情,σh=0.03 m。反射系數(shù)仿真結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由圖2可知,海面布魯斯特角約為7°,陸面布魯斯特角約為36°,反射系數(shù)的增益大于30 dB,與攔截陸地超低空目標相比,攔截海面超低空目標時導(dǎo)彈可采用低空彈道來減小鏡像帶來的干涉影響。

圖2 X波段陸地和海面反射系數(shù)圖

2.2 定仰角抑制波瓣分裂法

導(dǎo)彈接收的回波功率主要由照射器增益、波長、功率,目標RCS及彈目、雷目間的距離決定[5]。

目標回波能量為

(4)

因為照射器的波瓣分裂,上面的Gt(γ)不能只從查照射器天線方向圖得到,它是路徑IT和IO2T方向上的照射器增益的矢量合成(見圖1),計算如下:

路徑IT方向上的增益可以寫成Gt(Δθ1)ejφ1,路徑IO2T方向的增益可寫成Gt(Δθ2)ρejφ2。其中,φ1=2πRt/λ,φ2=2πRtl/λ+π,ρ為反射系數(shù)。

不限角時，

(5)

限角Ψ時，

(6)

(7)

通過數(shù)學(xué)模型開展對不同目標高度同一照射器不同安裝高度的調(diào)整,觀測記錄不同距離段增益變化情況如圖3所示。

圖3 不同照射器高度、不同目標高度對能量凹口的影響

由圖3可見,超低空狀態(tài)下,照射天線高度越高,干涉頻率越高;目標高度越低,干涉頻率越低,干涉凹口越深,在干涉點處回波功率降低,可能導(dǎo)致導(dǎo)引頭丟失目標。根據(jù)目標高度適時調(diào)整照射天線高低、限角的方法可改善照射雷達干涉的問題。

2.3 典型彈道下仿真驗證

建立數(shù)學(xué)模型:超低空條件下導(dǎo)引頭接收的目標和鏡像功率表述如下[6-7]：

(8)

式中，

(9)

針對目標高度為50 m,通過設(shè)置導(dǎo)彈的高拋角度及照射器仰角高度對典型彈道開展暗室半實物仿真,通過采集導(dǎo)引頭接收的回波功率和鏡像功率、彈目與鏡像的多普勒頻差、彈目與鏡像角度差等數(shù)據(jù),具體分析超低空下鏡像目標對導(dǎo)彈截獲的影響及相關(guān)應(yīng)對策略。仿真情況如圖4、圖5所示(圖4彈道角度5°、照射器仰角1.2°,圖5彈道角度9°、照射器仰角1.8°)。

圖4 彈道角度5°,照射器仰角1.2°條件下彈道仿真情況

圖5 彈道角度9°,照射器仰角1.8°條件下彈道仿真情況

通過對比圖4a)和圖5a)以及圖4d)和圖5d)可知，目標高度越低,回波功率和鏡像功率差值越低。導(dǎo)引頭截獲靈敏度一致的條件下,高度越低,導(dǎo)引頭受干涉影響的時間越長,嚴重條件下導(dǎo)引頭可能全程無法區(qū)分真實目標和鏡像目標,通過調(diào)整照射仰角高度鏡像目標的回波會出現(xiàn)能量跌落的現(xiàn)象,此時對導(dǎo)引頭的多路徑干涉影響也會減弱。對比圖4c)和圖5c)以及圖4d)和圖5d)可知,目標高差50 m的情況下回波-鏡像視線角度差、回波-鏡像功率差,差別不大,角度差在0.5°以內(nèi)可以滿足制導(dǎo)控制精度的要求。開展照射器定仰角設(shè)置后,通過圖5b)可見，在4 s～8 s的時候回波-鏡像功率差逐漸拉大為上升趨勢,利于導(dǎo)引頭對目標和鏡像的判別。

綜上,目標與鏡像功率隨著目標距離的變化規(guī)律,雖然在遠距離段此時彈目與彈鏡之間的張角在1°以內(nèi),通過合理控制初始截獲時間,避免給導(dǎo)彈裝訂鏡像目標的到位角度,保證導(dǎo)彈前半程按照預(yù)定彈道向目標飛行。隨著目標的臨近,鏡像與目標功率差達到 6 dB且迅速增大,4 s之后目標與鏡像的功率差逐漸分離,針對超低空目標通過控制導(dǎo)彈彈道高拋角度，采用超低空定仰角、導(dǎo)彈截獲延時的策略(控制導(dǎo)彈導(dǎo)引頭開始截獲的時間),可顯著改善超低空鏡像目標的影響,實現(xiàn)鏡像與目標的分離,規(guī)避導(dǎo)引頭錯鎖目標鏡像的事件,進而提高半主動制導(dǎo)武器的攔截效果。

3 結(jié)束語

基于半主動制導(dǎo)防空武器攔截超低空目標存在鏡面干涉帶來多路徑的效應(yīng),通過對彈道飛行角度的控制、照射器定仰角的設(shè)置并配合導(dǎo)引頭延時截獲的策略,可規(guī)避導(dǎo)彈錯鎖的現(xiàn)象,進一步提高超低空目標的攔截效果。