對雷達副瓣對消的無人機集群抵近式干擾效能分析

劉世昌,龍銀東,何 斌,薛長飄

(電子信息控制重點實驗室,四川 成都 610036)

0 引 言

隨著雷達技術的不斷發(fā)展,傳統(tǒng)電子戰(zhàn)效能面臨更為嚴峻的挑戰(zhàn);同時,由于傳統(tǒng)電子進攻系統(tǒng)往往基于高價值作戰(zhàn)平臺,為確保平臺安全,大多在敵方威脅防區(qū)外執(zhí)行任務,使得電子戰(zhàn)效能更加難以得到保障。

當前,隨著小型化無人機的迅猛發(fā)展,尤其是低成本無人機集群技術的快速發(fā)展,使得基于無人機平臺的集群抵近式電子進攻作戰(zhàn)成為可能。

美國等西方強國已開展“小精靈”(Gremlins)、“灰山鶉”(Perdix)、“低成本無人機蜂群”(LOCUST)等無人機蜂群作戰(zhàn)項目,并進行了無人集群演示驗證,探索了新的協(xié)同作戰(zhàn)樣式,形成了非對稱作戰(zhàn)能力。

敵防區(qū)內的無人機集群抵近式干擾作戰(zhàn),可充分利用干擾平臺處于被掩護平臺前方的優(yōu)勢,使干擾系統(tǒng)在能量和技術維度均獲得極大的作戰(zhàn)優(yōu)勢,一方面所需干擾功率將隨距離呈指數(shù)下降,實現(xiàn)“低-零”功率干擾(距離換得功率);另一方面利用陣位帶來的時間差優(yōu)勢,可以更好地偵收雷達信號,獲得更大的干擾處理增益(距離換得技術)。因此,敵防區(qū)內的抵近作戰(zhàn),尤其是敵防區(qū)內的集群抵近式作戰(zhàn),相較于傳統(tǒng)的電子戰(zhàn)作戰(zhàn)樣式,將更有利于作戰(zhàn)目的的達成[1]。

1 無人機集群抵近式干擾的優(yōu)勢

利用無人機集群抵近到敵防區(qū)內遂行電子戰(zhàn)任務,是一種新穎、特殊的作戰(zhàn)樣式,隨著作戰(zhàn)理論的發(fā)展,未來無人機平臺在戰(zhàn)場上將得到越來越多的應用。無人機集群抵近式干擾相比傳統(tǒng)干擾手段,擁有以下優(yōu)勢[2]。

(1) 可實現(xiàn)“低-零”功率干擾。由于傳統(tǒng)干擾飛機平臺與雷達距離遠、傳輸損耗大,必須使用大功率干擾設備。假設平臺從200 km抵近到2 km左右,空間損耗將減小40 dB,則干擾設備的功率需求將大大降低,只需數(shù)瓦即可。

(2) 可適應雷達的信號捷變。由于傳統(tǒng)干擾掩護自身或身前目標,干擾信號客觀上無法超前于真實回波。當雷達采用波形、頻率捷變后,雷達可充分利用干擾信號始終滯后于雷達回波的特點,實現(xiàn)抗干擾目的。而無人抵近干擾掩護的卻是身后目標,干擾信號提前于回波信號,干擾系統(tǒng)可根據(jù)雷達信號的變化實時生成干擾信號,實現(xiàn)對雷達信號捷變的有效對抗。

(3) 實現(xiàn)對傳統(tǒng)反干擾措施的破解。雷達針對傳統(tǒng)干擾,采用了如副瓣對消(SLC)等反干擾技戰(zhàn)術,采用分布式干擾陣形后,可在空間維度有效破解反干擾措施[3]。

(4) 集群具有冗余性和靈活性。即使有少量平臺被摧毀,也不會徹底喪失系統(tǒng)功能。同一作戰(zhàn)任務群中的無人機,可采用不同的控制策略和協(xié)同樣式,戰(zhàn)法多變,可根據(jù)任務需求靈活調整。

(5) 干擾扇面廣。可通過增加無人機數(shù)量,擴展干擾壓制扇面,根據(jù)作戰(zhàn)需求控制壓制強度。

(6) 可執(zhí)行危險任務。敵防空內各種防空武器組成密集火力網(wǎng),對于突防的有人飛機具有極大威脅;而無人系統(tǒng)不用考慮人員戰(zhàn)損,可充當防區(qū)內危險任務的先行者。

(7) 單系統(tǒng)架構簡單。無人系統(tǒng)專注執(zhí)行干擾任務,省去了告警、自衛(wèi)等系統(tǒng),同時系統(tǒng)任務可由多架無人系統(tǒng)分工協(xié)作,簡化了單系統(tǒng)的設計,分解了系統(tǒng)的復雜性。

(8) 效費比高。無人系統(tǒng)結構簡單,材料低廉,同時單載荷研發(fā)周期短,用于對抗敵方高價值的防空系統(tǒng),具有極高的效費比,讓敵人“不得不防,又防不起”。

2 理論分析與建模

2.1 對SLC的飽和干擾模型

SLC系統(tǒng)通過在副瓣方向設置多個輔助通道,對輔助通道采集副瓣信號,計算出最優(yōu)權值,使得各輔助通道加權后的合成輸出對消掉主通道中的干擾,輸出目標回波信號[4],如圖1所示。

圖1 SLC系統(tǒng)組成框圖

設Xmain(t)、X(t)分別表示t時刻在主天線和輔助天線上的采樣電壓矢量,且:

X(t)=(x1(t),x2(t),…,xN(t))T

(1)

式中:xi(t)(i=1,…,N)為第i個輔助天線上的采樣電壓;N表示采用的輔助天線數(shù)目。

權值矢量為:

W=(w1,w2,…,wN)T

(2)

輔助通道信號由最優(yōu)權值加權后與主通道信號求和,得到的對消輸出為:

(3)

對消剩余功率為:

Pres=E{|r(t)|2}=E{(Xmain(t)-

WTX)(Xmain(t)-WHX*)}

(4)

用LMS準則計算權值的推導過程如下:

Pres=Pmain-WHR-(WHR)*+WHMcoW

(5)

式中:Pmain=E(|Xmain(t)|2),表示主通道接收的信號功率;R=E(X*Xmain);Mco為輔助通道干擾采樣協(xié)方差矩陣;Wopt為最優(yōu)權值。

干擾對消比KCR直觀地反映了對消前后干擾信號功率的變化:

KCR=Pmain/(Pmain-RHWopt)

(6)

因而大多數(shù)文獻均以此為標準衡量SLC系統(tǒng)工作性能。

式(5)兩邊對W求梯度,使梯度為0的權值即為最優(yōu)權值,得到最優(yōu)權值表達式(Wiener-Hopf方程):

▽WPres=2McoW-2R

(7)

(8)

當干擾機數(shù)量大于輔助通道數(shù)時,干擾數(shù)量超過了SLC系統(tǒng)可對消的個數(shù),使得協(xié)方差矩陣奇異,不可求逆,方程存在不唯一解,甚至無窮解,因此無法得到最優(yōu)權值。

2.2 集群壓制干擾模型

無人機集群抵近式干擾由于具備較好的偵收條件,同時因支援干擾主要用于對敵防空壓制,因此可采用相參化壓制干擾技術。形成壓制干擾效果有效的判決條件是Pjam>Pecho,即干擾信號功率超過回波功率。

從功率維度分析,雷達收到的M個干擾機的發(fā)射功率合成結果為[5]:

(9)

式中:λ為波長;Pj為干擾功率;Gj為干擾天線增益;Gr(θ)為雷達接收方向圖函數(shù);Rj為干擾機距離。

方向圖函數(shù)Gr(θ)為:

(10)

式中:θ為方位角;KCR(θ)為該角度上SLC對消比;A為陣元數(shù);d為陣元間隔。

若M個干擾機發(fā)射功率相同,與雷達的距離相同,在空間分布角度不同,則[6]:

(11)

式中:c為常量項;φ(i)為第i個干擾信號的相位。

最理想的情況,干擾信號之間相位完全相同,合成信號的功率為:

(12)

普遍的情況,干擾信號之間相位是隨機的,即φi(i=1,2,…,M)在[-π,π]上均勻分布,合成信號的功率為:

exp(jφi-jφk)=

(13)

式中:φi,i=1,2,…,M,為獨立同分布的隨機變量,且服從[-π,π]上的均勻分布。

利用隨機過程分析理論,可得期望:

exp(jφi-jφk)]=0

(14)

可得合成信號功率的期望值為:

(15)

以M=100為例,100個線性調頻信號疊加為例,幅度為1,脈寬400 μs,載頻300 MHz,調頻帶寬100 kHz,仿真時中頻采樣率取10 MHz,從同一方向進入,仿真如下:

由圖2可見,100(M)個完全相參信號疊加后,幅度增加100倍,功率增加10 000(M2)倍。

圖2 相參疊加

由圖3可見,100(M)個隨機相參信號(相位差0～360°,不跨周期)疊加后,幅度增加10.2倍,功率增加104.04(約為M)倍。

圖3 隨機非相參疊加

圖4 仿真場景圖

若相位服從高斯或者瑞利分布,計算合成功率就比較困難,但該值一定是介于理想和普遍情況之間的。

3 集群壓制干擾仿真試驗與結果分析

仿真場景為:無人機與雷達距離3 km,按5°方位夾角等間距布陣,形成干擾掩護扇面,為后方進攻平臺開辟安全走廊,干擾輻射功率為2 W,雷達頻率3 GHz,發(fā)射功率65 kW,主瓣增益40 dB,SLC通道為典型值7個,掩護目標距離為50 km,雷達截面積(RCS)為2 m2。

設單架無人機處于雷達作戰(zhàn)當面0°方位上,在典型的條件下進行單機干擾效果仿真,雷達方向圖和干擾仿真效果見圖5、圖6(重點關注作戰(zhàn)當面-90°～+90°)。

圖5 方向圖仿真

圖6 單機壓制干擾效果(未開SLC)

圖7 單機壓制干擾效果(開SLC)

圖5中:曲線表示不同方位上的燒穿距離,曲線內部表示雷達的威脅區(qū),曲線外部為戰(zhàn)斗機突防安全區(qū)[7]。

從仿真圖6中可以看出:未開SLC時,第一副瓣(5°)、第二副瓣(10°)、第三副瓣(12°)上掩護距離分別為35 km、50 km、70 km;開SLC后,第一副瓣、第二副瓣、第三副瓣上掩護距離分別為70 km、80 km、112 km?？梢奡LC對干擾信號的抑制作用很明顯,干擾無法掩護50 km處的戰(zhàn)斗機。

增加無人機的數(shù)量,在雷達掃描方位-20°、-15°、-10°、-5°、5°、10°、15°、20°均勻布置8架無人機,兩兩間距5°,雷達SLC前后的結果如圖8、圖9所示。

圖8 對消前后方向圖

圖9 對消前后通道內的干擾信號

可見前后對消比差值為:-25 dB、-4 dB、-6 dB、14 dB、13 dB、-8 dB、-5 dB、-4 dB。干擾在副瓣區(qū)域增益得到了明顯抬升,信號仿真表明,干擾在受到對消后仍然充滿了主通道,可進入雷達信號處理環(huán)節(jié)起到干擾效果。

按干擾機之間相位差隨機分布考慮,根據(jù)式(15)和天線方向圖,集群干擾仿真效果如圖10所示。

圖10 多機壓制干擾效果

可見,采用集群干擾后,由于SLC系統(tǒng)失效和集群干擾信號合成,干擾效果得到了明顯改善,各個干擾機最強的壓制區(qū)域呈現(xiàn)聚集效應,在50 km掩護圈形成了一個較大的壓制范圍(-30°～+30°)。同時,遠區(qū)副瓣由于多個干擾機的集群干擾影響,也受到了較強的干擾壓制,使雷達的威脅區(qū)進一步縮小(90 km),為突防飛機創(chuàng)造出了足夠的掩護空間。

4 結束語

無人機集群抵近式干擾是一種新的干擾形式,是補充完善現(xiàn)有電子進攻體系的重要手段。論文通過理論分析、仿真試驗的方法對集群干擾效能進行了驗證,結果表明由于破解SLC系統(tǒng)影響和多干擾信號合成,無人機集群抵近式干擾能夠對敵副瓣對消雷達實現(xiàn)良好的干擾效果。