無線電引信近場海背景特性試驗研究

田浩 趙志江 郭垠昊

摘要：????? 引信的低空性能是空空導彈超低空作戰(zhàn)效能優(yōu)劣的關(guān)鍵要素， 特別是在近場海背景下， 更需要對無線電引信的能力特性進行評估。 本文基于多尺寸粗糙海面模型， 運用物理光學法和物理繞射法及四道復合散射預測方法， 首先建立了海面目標電磁散射場及復合散射回波的理論模型。 接著， 仿真分析了不同波段、 不同海情、 不同交會狀況下， 無線電引信的海背景回波， 以及與目標的復合散射回波特性。 最后， 通過開展對海面的低空掛飛近距回波特性試驗， 以及對海面與目標復合的回波特性試驗， 獲得無線電引信的海背景回波數(shù)據(jù)， 并與仿真結(jié)果進行對比分析。 結(jié)果顯示， 多普勒回波幅度仿真與實測結(jié)果基本一致。

關(guān)鍵詞：???? 無線電引信； 海背景； 抗干擾； 回波特性; 海面目標

中圖分類號：??? ?TJ43? ??文章編號：??? ?1673-5048（2023）04-0085-06

文獻標識碼：??? A? ? DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2022.0238

0引言

空空導彈的一個重要組成部分就是引信， 引信主要是通過平臺、 環(huán)境和目標等信息， 為彈藥的勤務和彈道安全提供強有力的保障， 并根據(jù)預先設(shè)計的彈藥起爆控制裝置進行起爆控制。

當前存在的主要威脅目標常利用低空和超低空掠地掠海來實施突防。 空空導彈在遭遇反掠海低空、 超低空飛行目標時， 海面背景有較強的反射作用， 產(chǎn)生較強的海雜波干擾， 影響引信的低空作戰(zhàn)能力， 引信會同時探測到目標的回波信號和海面回波信號。 為了精確高效攔截低空、 超低空飛行目標， 要求引信具有在強海雜波背景干擾下的識別能力。

對于無線電引信近距探測來說， 引信波束為扇形波束， 對海面是局部近距探測， 與遠距雷達的海背景特性不同。 無線電引信海背景回波特性研究是抗海雜波干擾的基礎(chǔ)， 為無線電引信抗低空、 超低空海雜波干擾的設(shè)計與驗證提供依據(jù)， 對提高導彈反超低空目標性能具有重要意義。

本文以無線電引信的近場海背景特性試驗研究為主， 通過構(gòu)建海背景試驗條件， 開展對海面的低空掛飛近距回波特性試驗， 以及對海面與目標復合的回波特性試驗， 獲得無線電引信的海背景回波數(shù)據(jù)， 并與仿真試驗結(jié)果對比， 驗證仿真模型的有效性。

1回波特性理論

作為精確制導武器海背景目標檢測的重要領(lǐng)域， 對海雜波的研究方法目前有經(jīng)典海雜波模型和海雜波分形特性兩類， 二者分別以傳統(tǒng)統(tǒng)計學和混沌動力學為基礎(chǔ)。 在將海面細分為無限小隨機運動的組合后， 即可采用統(tǒng)計學原理建立包含韋布爾分布、 對數(shù)正態(tài)分布和瑞利分布等類型的常用雜波統(tǒng)計模型。 上述幾類模型除了僅能開展單脈沖檢測的局限外， 在模擬雜波方面也缺乏時間和空間相關(guān)性。 為解決這一問題， 1976年， Jakeman創(chuàng)新性地提出了基于K分布的電磁散射統(tǒng)計模型， 隨之國內(nèi)外統(tǒng)計模型研究學者逐步將研究重點轉(zhuǎn)向該分布模型的仿真方法、 參數(shù)估計方面。 對于雷達雜波的仿真方法， 采用較多的有零記憶非線性變換法（ZMNL）、 球不變隨機過程法（SIRP）和隨機微分方程法（SDE）， 但SDE法的研究深度和應用廣度遠不及前面兩種。 此外， 通過對IPIX雷達實測數(shù)據(jù)的分析， 加拿大學者提出了一種新的基于TSALLIS分布的海雜波建模方法［1-6］。

雖然傳統(tǒng)統(tǒng)計模型在海雜波仿真和分析方面不僅結(jié)果較為準確， 而且使用方便、 應用范圍廣， 但由于該模型來自于經(jīng)驗和數(shù)據(jù)擬合的固有屬性， 其在反應雜波形成的物理機理方面不免捉襟見肘。 隨著分形概念的提出和理論體系的迭代更新， 其在證券市場分析、 圖像分析處理等眾多領(lǐng)域脫穎而出。 一直到Jaggard等研究人員在研究電磁波和分形表面相互作用時， 發(fā)現(xiàn)散射波中存有部分散射表面的分形特征后， 分形法才打開了在雷達信號處理方向的應用之門。 1993年， Morrison首次采用分形法對海雜波分形維進行估計， 隨后圍繞單一分形開展了眾多研究。 2000年， 杜干在其博士論文中完成了海雜波多重分形分析， 并據(jù)此提出了海面目標檢測方法； 在此基礎(chǔ)上， Gao深入分析了海雜波的多重分形的特性并建立了對應模型［7-11］。

粗糙海面電磁散射特性仿真主要由解析近似和數(shù)值計算兩類方法， 具體而言， 前者主要有微擾法［12］ 、 KA近似-半確定面元法［13］ 、 小斜率近似法［14-15］ 、 基爾霍夫近似法［16-17］ 等； 后者主要有時域有限差分法、 有限元法、 矩量法等。 數(shù)值計算方法計算大尺度粗糙海面計算效率低下， 不適用于引信海面回波計算。

微擾法是基于瑞利假設(shè)建立起來的， 該方法首先通過求解邊界條件得到遠場傳輸?shù)奈粗穹?再將未知振幅進行平面波疊加得到散射場。 微擾法雖然可以求解大入射角下的散射， 但受瑞利誤差的固有影響， 其只能用于計算表面起伏強度小于入射波長的情況。 KA近似-半確定面元法在描述海面時， 采用的是雙尺度粗糙模型， 即小毛細波疊加在大尺度重力波上， 一系列頻率連續(xù)的小尺度正弦波成分疊加在一起成為毛細波， 采用KA結(jié)合半確定面元的方法計算海面散射回波， 能夠得到較精確的結(jié)果。 小斜率近似法， 以級數(shù)展開為基礎(chǔ)， 用一系列的級數(shù)展開與疊加得到粗糙表面的斜率， 適用于較小均方根斜率的隨機粗糙海面。 基爾霍夫近似法是一種經(jīng)典的高頻方法， 該方法實際上是基于物理光學近似法。

基于隨機介質(zhì)中的電磁散射理論、 隨機粗糙面與目標的復合散射機理， 利用互易性原理、 迭代策略、 射線尋跡思想、 電磁場計算的近似方法、 數(shù)值方法、 混合方法以及相關(guān)并行技術(shù)， 建立實際海洋環(huán)境與典型軍事目標復合電磁散射理論模型， 獲取實際海洋環(huán)境中軍事目標的后向RCS、 時域回波、 多普勒譜等雷達特征信號。

建模方法如下：

（1） 基于現(xiàn)有的海譜模型（PM譜、 JONSWAP譜、 Elfouhail譜等）， 采用線性濾波方法結(jié)合試驗測量數(shù)據(jù)建立不同海況下實際動態(tài)海面的幾何模型； 同時， 建立大尺度重力波上由小尺度毛細波調(diào)制的雙尺度海洋表面模型。 根據(jù)波浪破碎概率和白冠覆蓋率， 將Longtank模型和卷浪模型與動態(tài)海面模型進行疊加， 得到高海情下考慮波浪破碎現(xiàn)象的復雜海面模型。 建立實際色散海水的雙Debye介電參數(shù)模型； 對于具有一定碎波覆蓋率的海面， 基于氣泡或水滴的密度、 粒子譜分布、 覆蓋率， 獲取體積比以及粒子有效介電常數(shù)， 結(jié)合Maxwell-Garnett混合介質(zhì)模型等效介質(zhì)理論， 獲得含白浪和碎波區(qū)域海面的等效介電參數(shù)模型。

（2） 對于1～2級低海情， 海面高度起伏遠小于入射波長， 采用微擾法（SPM）研究微起伏海面的電磁散射特性； 3級中等海情， 不存在破碎波情況下， 利用錐形波修正基爾霍夫近似（KA）和一階小斜率近似（SSA-1）方法研究海面電磁散射； 采用高階微擾法、 高階基爾霍夫近似、 SSA-II研究高海情下海面的電磁散射問題， 重點考慮遮擋效應和多重散射效應對海面電磁散射的影響。

（3） 首先結(jié)合物理繞射（PTD）與改進等效電流近似（MECA）， 完成目標散射場計算； 再利用雙尺度面元模型對大尺寸海面電磁散射場進行預估； 接著， 基于反射系數(shù)修正法及四路徑鏡向等效思想， 對粗糙面上每個鏡向反射單元的復反射系數(shù)進行計算， 得到四路徑復合散射預估方法； 最后， 對目標和海面的復合散射回波進行模擬。

對于目標與海面的復合散射， 目標散射場由四種路徑的散射場構(gòu)成： ①目標本身對入射波產(chǎn)生的散射； ②海面對目標散射場的二次反射產(chǎn)生的場； ③海面反射場經(jīng)過目標二次散射產(chǎn)生的場； ④目標散射場經(jīng)海面反射再次經(jīng)過目標的散射場。

在這4條路徑中， 路徑①為目標直接散射場， 路徑②、 ③、 ④體現(xiàn)了目標與海面的耦合作用， 這3條路徑散射場的和稱為耦合場。 將上述四部分的散射場矢量疊加， 得到半空間目標散射場， 再疊加海面散射場， 即可得到半空間復合散射的總散射場， 表示為

Etotal=Eplane+EPath－1+EPath-2+EPath－3+EPath－4

（4） 基于互易性定理和多路徑散射思想， 研究動態(tài)海面與運動目標之間耦合散射的物理機理， 采用雙級準靜態(tài)方法建立考慮實際動態(tài)海面與運動目標復合模型的后向電磁散射回波信號， 分析不同海況、 目標參數(shù)下復合散射Doppler、 耦合散射Doppler的變化規(guī)律。

2回波特性試驗設(shè)計

2.1對海面的低空掛飛近距回波特性試驗

試驗時將無線電近距回波特性裝置通過專門研制的支架固定在飛機下方， 飛機按照設(shè)定的高度和路線掠海面飛行， 用專用工控機記錄飛行過程中對海面的無線電回波信號， 使用GPS和攝像頭輔助記錄高度和海況信息。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

試驗時， 將GPS放置于駕駛艙內(nèi)并固定好， 保持靜止。 GPS全程記錄飛行高度、 位置、 速度信息， 與無線電回波特性測試裝置信號同時記錄作為“時間-位置”參考。

試驗中， 載機飛行路線如圖2～3所示， 海面照片如圖4所示。

2.2對海面與目標復合的回波特性試驗

對海面與目標復合的回波特性試驗在造波池水面上進行。 造波池水面照片如圖5所示。 模擬海浪的譜

型包括規(guī)則波和不規(guī)則波： 規(guī)則波為波高0.5 m的正弦波， 根據(jù)運動方向分為標準規(guī)則波和45°規(guī)則波（與標準規(guī)則波的運動方向相差45°）； 不規(guī)則波的波高和波長不定， 最大波高0.5 m， 分為東海波和南海波。

利用造波池區(qū)域作為試驗有效區(qū)域。 用單根細鋼絲繩在造波池的上方形成引信產(chǎn)品運動軌道， 鋼絲繩一端在地面上生根， 另一端用吊車吊鉤吊起形成所需俯仰角度。 引信兩端加過渡段， 連接成引信運載飛行體。 把鋼絲繩穿過引信二艙殼體和過渡段， 將引信運載飛行體安裝在運動軌道上， 通過氟塑料滑塊與鋼絲繩形成摩擦運動。

待造波池產(chǎn)生規(guī)定的模擬海浪后， 試驗人員在地面用牽引繩控制引信沿鋼絲繩軌道以一定速度從造波池的一端運動到另一端， 完成一次數(shù)據(jù)采集， 以獲取在低空條件下引信對海情的回波信號。

試驗示意圖如圖6所示。

2.3試驗數(shù)據(jù)

在低海情下， 獲得引信波束大入射角斜照射海面時不同彈目距離條件下的引信多普勒回波實測信號， 如圖7所示。? 引信對低海情海面大入射角斜照射時回波相對較小， 引信對目標回波幅度受彈目距離調(diào)制作用， 圖中鼓包為目標的多普勒回波， 回波幅度隨距離增大而減小。

3海雜波背景回波試驗采集數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對比

在低海情（1～2級）下， 海面回波實測結(jié)果如圖8所示， 圖8（a）為模擬海面條件下的引信回波實測結(jié)果， 圖8（b）為正弦規(guī)則波條件下的引信回波實測結(jié)果。

從圖中可以看出， 隨著引信高度的不斷降低， 海面照射區(qū)域減少， 但由于引信與海面距離接近， 所以回波幅度依然呈上升趨勢。 由于海面是不規(guī)則波， 整個高度范圍內(nèi)回波幅度會出現(xiàn)輕微震蕩， 正弦規(guī)則波具有隨高度減小而一直增大的趨勢。

引信波束垂直海面， 仿真計算不同海情引信多普勒回波幅度， 計算結(jié)果如圖9所示。

導彈反超空目標時采用俯沖攻擊方式， 從高到低逐漸接近海面的過程中， 回波幅度受距離、 海情和入射角的調(diào)制。 從仿真結(jié)果可以看出， 引信波束垂直海面時， 不同海情條件下引信的回波區(qū)別較大， 低級別海情的引信回波幅度比高級別海情的引信回波幅度大。 可以解釋為： 海面散射以表面鏡像散射分量為主， 電磁散射貢獻主要來自引信波束垂直的海面局部； 垂直入射時， 海情越高， 垂直于引信波束的海表面部分越少， 海表面的散射回波就越弱； 大入射角時， 海情越高， 垂直于波束的海表面部分越多， 海表面的散射回波就越強。

由低海情（1～2級）下的實測海面回波（圖8）與仿真海面回波（圖9（a）～（b））對比分析可知： 仿真回波與實測回波隨引信高度的變化趨勢一致， 隨海面高度的減小而增大， 且回波幅度基本吻合， 在距海面高度1～4 m下引信回波幅度約為5～6 Vpp， 驗證了海背景引信回波仿真計算模型的準確性。

4結(jié)論

引信是空空導彈的重要組成部分， 空空導彈的低空性能主要取決于導彈的制導和引戰(zhàn)兩大系統(tǒng)， 制導系統(tǒng)對于抗海背景的要求是非常高的， 同樣， 引信的低空性能也是空空導彈超低空性能的關(guān)鍵部分。 現(xiàn)代戰(zhàn)爭中空空導彈的海面應用逐步增多， 因此無線電引信的抗海背景干擾能力尤為重要， 引信抗干擾能力的提高能提升武器裝備的作戰(zhàn)能力， 對目標實現(xiàn)精準判斷和精確打擊。

本文通過開展對海面的低空掛飛近距回波特性試驗， 在預定海域完成了多次“V”形的下降爬升飛行測試， 獲得完整的海面近距回波特性實測數(shù)據(jù)。 在造波池水面上開展對海面與目標復合的回波特性試驗， 模擬海浪的譜型包括規(guī)則波和不規(guī)則波， 獲得了目標域海面復合散射回波特性數(shù)據(jù)。

研究結(jié)果表明， 不同海情條件下引信的回波區(qū)別較大， 低級別海情條件下垂直入射的波束較多， 因而低級別海情的引信回波幅度比高級別海情的引信回波幅度大。 高級別海情由于波浪起伏較大， 引信回波也出現(xiàn)了較大的震蕩。 通過與實測海面回波對比分析， 仿真引信回波與實測引信回波隨引信高度的變化趨勢一致， 驗證了海背景引信回波仿真計算模型的準確性， 可以用于引信海背景回波計算。

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Experimental Research on the Near Field Sea Background Characteristic of Radio Fuze

Tian Hao1*， Zhao Zhijiang2， Guo Yinhao3

（1.China Airborne Missile Academy， Luoyang 471009， China;

2.Military Representative Organization of the Army Aviation in Beijing， Beijing 100000， China;

3. Military Representative Organization of the Army Aviation in Luoyang Distrcit， Luoyang 471009， China）

[HT]Abstract： The low altitude performance of the fuze is the key factor for the combat effectiveness of airtoair missile at ultralow altitude. Especially， it is more necessary to evaluate the capability characteristics of the radio fuze in the nearfield sea background. Firstly， based on the rough sea surface model， the theoretical models of the electromagnetic scattering field and the composite scattering echo of sea surface targets are established by using the methods of physical optics， physical diffraction and fourchannel composite scattering prediction. Secondly， the sea background echo of the radio fuze and the composite scattering echo of the target are simulated and analyzed under different wave bands， different sea conditions and different rendezvous conditions. The sea background echo data of the radio fuze is obtained by carrying out the low altitude flying shortrange echo characteristic test on the sea surface and the compound echo characteristic test on the sea surface and the target. The comparison of the results between the tests and simulations shows that the Doppler echo amplitudes are basically consistent.

Key words： radio fuze； sea background； antiinterference； echo characteristic; sea sufrace target