地面反射干擾抗反輻射導(dǎo)彈技術(shù)探索研究*

傅海軍，吳冰，薄志華，代琦

(北京電子工程總體研究所，北京 100854)

0 引言

地面反射干擾是一種新型的雷達(dá)干擾方式。在干擾實(shí)施中，地面反射欺騙干擾機(jī)將干擾信號(hào)發(fā)射到地面，利用地面散射特性，將干擾信號(hào)反射到干擾對(duì)象方向，進(jìn)入干擾對(duì)象接收機(jī)內(nèi)，從而起到雷達(dá)角度欺騙的作用[1]。其主要干擾對(duì)象為制導(dǎo)雷達(dá)和導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭等。國(guó)內(nèi)外針對(duì)地面反射式干擾開(kāi)展了大量研究。但是目前的研究主要集中在機(jī)載干擾機(jī)對(duì)機(jī)載雷達(dá)或防空導(dǎo)彈等有效性理論分析方面，有少量研究考慮了具體地形對(duì)地面反射干擾效果的影響，未見(jiàn)面向反輻射導(dǎo)引頭的地面反射干擾效果研究。文獻(xiàn)[2]分析了機(jī)載干擾實(shí)施地面反射干擾即對(duì)映體干擾的原理及影響干擾效果的因素，文獻(xiàn)[3]計(jì)算了機(jī)載對(duì)映體干擾的有效作用區(qū)域，并給出對(duì)映體干擾有效作用區(qū)域和干擾效果的影響;文獻(xiàn)[4]建立對(duì)映體干擾作戰(zhàn)過(guò)程的模型，并得出了鏡面反射和漫反射2種地形特征下的評(píng)估模型;文獻(xiàn)[5]分析了通過(guò)地面反射對(duì)目標(biāo)進(jìn)行角度欺騙的干擾樣式及影響其干擾有效范圍和干擾效果的各種因素。但是上述文獻(xiàn)僅利用經(jīng)驗(yàn)公式估計(jì)不同地形特征的散射特性及不同地形特征對(duì)干擾效能的影響，分析結(jié)果不完善;且僅針對(duì)機(jī)載地面反射干擾，相關(guān)研究結(jié)論不適用于針對(duì)反輻射導(dǎo)彈(anti-radiation missile，ARM)的地面反射式干擾。

因此本文針對(duì)被動(dòng)反輻射導(dǎo)引頭，建立一種基于地面反射的誘偏干擾模型，結(jié)合實(shí)際地形電磁散射特性，通過(guò)仿真計(jì)算，研究了不同地形條件下地面反射式干擾效果。研究結(jié)果可用于地面反射干擾抗空地反輻射導(dǎo)彈技術(shù)研究。

1 地面反射干擾原理

地面反射干擾抗反輻射導(dǎo)彈原理是通過(guò)發(fā)射與被保護(hù)雷達(dá)信號(hào)特征參數(shù)(包括工作頻率、脈沖寬度、調(diào)制形式等)相似的干擾信號(hào)，投射到地面上，從而以假亂真，誘偏反輻射導(dǎo)彈偏離真目標(biāo)，攻擊地面反射點(diǎn)或反射點(diǎn)與被保護(hù)雷達(dá)之間的地面。地面反射干擾的工作原理如圖1所示。

當(dāng)被保護(hù)雷達(dá)開(kāi)機(jī)后，干擾源裝置開(kāi)機(jī)。干擾反射信號(hào)與雷達(dá)輻射信號(hào)同時(shí)進(jìn)入反輻射導(dǎo)彈被動(dòng)導(dǎo)引頭，則導(dǎo)引頭測(cè)角將發(fā)生偏差。為了保證干擾地面反射信號(hào)與雷達(dá)輻射信號(hào)同時(shí)進(jìn)入導(dǎo)引頭，需要對(duì)有源誘餌和被保護(hù)雷達(dá)進(jìn)行同步控制，同步時(shí)序關(guān)系如圖2所示。

Sr(t)表示雷達(dá)的脈沖調(diào)制信號(hào)，Sd(t)表示地面反射干擾的脈沖調(diào)制信號(hào)，τr表示雷達(dá)調(diào)制信號(hào)的脈沖寬度，τd表示地面反射干擾的脈沖調(diào)制信號(hào)，Tr表示雷達(dá)調(diào)制信號(hào)的脈沖重復(fù)周期，Td表示地面反射干擾調(diào)制信號(hào)的脈沖重復(fù)周期。地面反射干擾與雷達(dá)信號(hào)的脈沖重復(fù)周期相同，且在被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭處基本同步，地面反射干擾信號(hào)的脈沖寬度比雷達(dá)脈沖寬度稍寬，地面反射干擾信號(hào)的脈沖在時(shí)間上完全覆蓋雷達(dá)脈沖，被動(dòng)導(dǎo)引頭穩(wěn)定跟蹤地面反射干擾信號(hào)與雷達(dá)合成電場(chǎng)等相位面的法線(xiàn)方向。反輻射導(dǎo)彈即使采用脈沖前沿跟蹤或后沿跟蹤，也只能跟蹤到誘餌信號(hào)，攻擊地面反射點(diǎn)。

2 仿真模型

2.1 干擾功率模型

干擾源與地面作用的發(fā)射信號(hào)，經(jīng)地面散射，反輻射導(dǎo)引頭接收信號(hào)，能量傳輸過(guò)程如圖3所示[6]。設(shè)定虛假能量接收面Ac1垂直于R11。

根據(jù)能量守恒，干擾源發(fā)射信號(hào)到達(dá)虛假接收面Ac1的能量與到達(dá)地面的能量相等，即

(1)

到達(dá)地面的干擾信號(hào)功率密度為

(2)

因此反輻射導(dǎo)引頭接收干擾源地面反射波的功率密度為

(3)

(4)

式中：Sr1為反輻射導(dǎo)引頭接收干擾源地面反射波的功率密度;Pt1為干擾源發(fā)射機(jī)功率;Gt1為干擾源天線(xiàn)增益;Gr為反輻射導(dǎo)引頭天線(xiàn)增益;σc為地面散射面積;λ為雷達(dá)波長(zhǎng);R11干擾源天線(xiàn)到地面反射點(diǎn)的距離;R12為地面反射點(diǎn)到反輻射導(dǎo)引頭的距離;σ0為地面電磁散射系數(shù)；θy和φy為干擾源天線(xiàn)方位和俯仰波束寬度;ψy為干擾源入射角度。

到達(dá)反輻射導(dǎo)引頭的地面反射干擾信號(hào)與雷達(dá)旁瓣的功率密度比為

(5)

式中：Er1和Er2分別為地面發(fā)射干擾信號(hào)電場(chǎng)強(qiáng)度和被保護(hù)雷達(dá)旁瓣信號(hào)電場(chǎng)強(qiáng)度;Pt2為雷達(dá)發(fā)射功率；Gt2為雷達(dá)遠(yuǎn)區(qū)平均旁瓣天線(xiàn)增益；R2為被保護(hù)雷達(dá)到反輻射導(dǎo)引頭的距離。

設(shè)定到達(dá)反輻射導(dǎo)引頭的地面反射干擾信號(hào)與雷達(dá)旁瓣信號(hào)的功率密度比相當(dāng)，可以得出地面反射干擾源與被保護(hù)雷達(dá)源的最小發(fā)射功率比需求。

2.2 地面電磁散射模型

微粗糙度特性一般描述裸土或沙地地表微粗糙顆粒統(tǒng)計(jì)特性，起伏地勢(shì)特性主要描述地表緩變地勢(shì)起伏統(tǒng)計(jì)特性。因此具有地勢(shì)起伏的地面，可描述為微粗糙面與緩變起伏地勢(shì)粗糙面疊加。

對(duì)于微粗糙度特性，采用指數(shù)功率譜模型[7]描述：

(6)

對(duì)于起伏地勢(shì)特性，采用高斯譜模型[8]描述：

(7)

式中：δh為粗糙面均方根高度，表征粗糙面起伏深度;lx和ly分別為粗糙面x和y方向的相關(guān)長(zhǎng)度，表征粗糙面起伏頻繁度;kx和ky分別為x和y方向的輻射波數(shù)。

利用功率譜函數(shù)，采用蒙特卡羅方法，在頻域用功率譜對(duì)其進(jìn)行濾波，再作逆快速傅里葉變換得到粗糙面的高度起伏;根據(jù)小斜率近似理論中散射振幅的不變性可以得到地表全空域電磁散射特性[9-10]。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，校驗(yàn)地面介電常數(shù)、均方根值、相關(guān)長(zhǎng)度等地面粗糙面描述參數(shù);利用電磁散射近似計(jì)算，給出全空域電磁散射方向圖，建立適用于地面反射干擾仿真的地面電磁散射模型。

圖4所示為Ku波段小起伏地面和大起伏地面全空域VV極化電磁散射模型，小起伏地面均方根高度為1.5cm，相關(guān)長(zhǎng)度為18cm;大起伏地面均方根高度為20 cm，相關(guān)長(zhǎng)度為100 cm。圖中方位角和俯仰角均以地面為參考線(xiàn)，入射角度與地面法線(xiàn)方向的夾角為70°;方位向電磁散射方向圖為俯仰65°(即地面法線(xiàn)方向與散射方向的夾角)散射角條件下的全方位電磁散射方向圖。

2.3 被動(dòng)導(dǎo)引頭測(cè)角模型

針對(duì)被動(dòng)導(dǎo)引頭天線(xiàn)波束較寬、角分辨力較差的弱點(diǎn)，采用模擬雷達(dá)發(fā)射干擾信號(hào)，使導(dǎo)引頭跟蹤角度偏離目標(biāo)方向。兩點(diǎn)源非相干誘偏的結(jié)果，可使導(dǎo)引頭跟蹤的方向偏離兩點(diǎn)源連線(xiàn)夾角的角平分線(xiàn)，偏離角為[11-12]

(8)

式中：θ為導(dǎo)引頭到兩點(diǎn)源的張角;β=E10/E20,E10,E20分別為干擾信號(hào)和雷達(dá)電場(chǎng)到達(dá)導(dǎo)引頭的電場(chǎng)強(qiáng)度。

2.4 反輻射導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)模型

結(jié)合國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料和數(shù)據(jù)，采用工程方法建立反輻射導(dǎo)彈運(yùn)動(dòng)模型。在被動(dòng)制導(dǎo)段，利用被動(dòng)導(dǎo)引頭測(cè)角模型，獲取導(dǎo)引頭瞄準(zhǔn)角度;利用當(dāng)前時(shí)刻和上一時(shí)刻的瞄準(zhǔn)角，結(jié)合飛行控制系統(tǒng)，采用典型空地反輻射導(dǎo)彈制導(dǎo)規(guī)律[13-14]，仿真被動(dòng)制導(dǎo)攻擊過(guò)程，形成反輻射導(dǎo)彈被動(dòng)制導(dǎo)段飛行彈道。采用直角坐標(biāo)和極坐標(biāo)示意導(dǎo)彈和目標(biāo)的相對(duì)位置，如圖5所示。

圖中M為導(dǎo)彈位置，A為地面反射信號(hào)點(diǎn)，B為被保護(hù)雷達(dá)輻射源;Δθ為兩點(diǎn)源到達(dá)導(dǎo)引頭的角度;vm為導(dǎo)彈速度方向;θ和θ′分別為當(dāng)前時(shí)刻和上一時(shí)刻導(dǎo)引頭瞄準(zhǔn)角;nx為導(dǎo)彈需用過(guò)載。反輻射導(dǎo)彈飛行控制和最大可用過(guò)載等參數(shù)密切相關(guān)，根據(jù)最大可用過(guò)載、仿真時(shí)間間隔和反輻射導(dǎo)彈飛行時(shí)間等參數(shù)，可控制反輻射導(dǎo)彈在仿真時(shí)間間隔內(nèi)可調(diào)整的最大瞄準(zhǔn)角度[15]。

3 仿真與分析

3.1 仿真條件

設(shè)被保護(hù)雷達(dá)工作頻段Ku波段，遠(yuǎn)區(qū)平均副瓣增益-3 dB。反輻射導(dǎo)彈橫向過(guò)載nmax為9，導(dǎo)彈飛行速度Ma為3 。反輻射導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部有效殺傷區(qū)取25 m。導(dǎo)引頭角分辨率為θ0.5=40°，設(shè)定當(dāng)任何一個(gè)輻射源與導(dǎo)彈的連線(xiàn)與導(dǎo)引頭瞄準(zhǔn)線(xiàn)的夾角大于分辨角一半時(shí)轉(zhuǎn)向被保護(hù)雷達(dá)。攻角是反輻射導(dǎo)彈初始瞄準(zhǔn)方向與水平面的夾角;反輻射導(dǎo)彈攻角20°～70°。干擾源天線(xiàn)與地面反射點(diǎn)的距離大于反輻射導(dǎo)彈殺傷半徑，雷達(dá)天線(xiàn)與地面反射點(diǎn)的距離D。干擾源天線(xiàn)采用高增益拋物面天線(xiàn)。干擾信號(hào)入射角和反射角與實(shí)際地面的傾角關(guān)系，如圖6所示。

3.2 結(jié)果分析

根據(jù)干擾功率模型和被動(dòng)導(dǎo)引頭測(cè)角模型及地表電磁散射模型，可以得出小起伏地面最小功率需求為0。因此設(shè)置小起伏地面條件下干擾源和被保護(hù)雷達(dá)最小功率比為0，作為仿真輸入條件。

圖7給出小起伏地面條件下全空域干擾信號(hào)與雷達(dá)旁瓣信號(hào)功率密度比和保護(hù)空域。從圖中可以看出，小起伏地面條件下功率密度最大值點(diǎn)出現(xiàn)鏡像散射位置，功率密度比最大值達(dá)到12.5 dB以上，功率密度比大于0的空域即保護(hù)空域主要集中在方位135°～225°,俯仰20°～70°范圍內(nèi)。

圖8給出大起伏地面條件下干擾信號(hào)與雷達(dá)旁瓣全空域功率密度比和保護(hù)空域。從圖中可以看出，大起伏地面條件下功率密度最大值點(diǎn)出現(xiàn)鏡像散射位置，功率密度比最大值達(dá)到10 dB，功率密度比大于0的空域即保護(hù)空域主要集中在方位150°～210°、俯仰25°～70°范圍內(nèi)。

對(duì)比小起伏地面和大起伏地面保護(hù)空域可以看出：大起伏地面表現(xiàn)出漫散射特征，大起伏地面全空域能量相對(duì)分散，在20°～25°的高仰角方向上干擾信號(hào)功率密度小于0，影響干擾效果。

圖9所示為無(wú)干擾、大起伏地面反射干擾和小起伏地面反射干擾條件下45°攻角反輻射導(dǎo)彈全彈道仿真結(jié)果。反輻射導(dǎo)彈初始位置坐標(biāo)(7 000,7 000) m，地面反射點(diǎn)位置坐標(biāo)(0，0)，被保護(hù)雷達(dá)位置坐標(biāo)(200，0) m。在無(wú)干擾條件下反輻射導(dǎo)彈落點(diǎn)坐標(biāo)(200，0) m，小起伏地面反射干擾條件下反輻射導(dǎo)彈落點(diǎn)坐標(biāo)為(35，0) m，大起伏地面反射干擾條件下反輻射導(dǎo)彈落點(diǎn)坐標(biāo)(100,0) m。反輻射導(dǎo)彈被引向地面虛假反射點(diǎn)方向，說(shuō)明干擾成功。

進(jìn)一步仿真了反輻射導(dǎo)彈不同攻角和不同布站間距時(shí)反輻射導(dǎo)彈脫靶量，仿真結(jié)果如表1所示。從表1中可以看出，反輻射導(dǎo)彈攻角和布站間距相同的條件下，小起伏地面反射干擾引起的反輻射導(dǎo)彈脫靶量比大起伏地面反射干擾引起的反輻射導(dǎo)彈脫靶量大;地面類(lèi)型和反輻射導(dǎo)彈攻角相同的條件下，隨著布站間距的增大，反輻射導(dǎo)彈脫靶量增大;布站間距在大于100 m時(shí)干擾效果較好，但是布站間距太大會(huì)造成輻射源目標(biāo)被反輻射導(dǎo)引頭過(guò)早的分辨，從而可能導(dǎo)致干擾失敗;在面臨大攻角反輻射導(dǎo)彈攻擊時(shí)大起伏地面反射干擾效果稍差。因此在實(shí)際布站中應(yīng)選擇小起伏地面即與干擾信號(hào)波長(zhǎng)相比起伏較小的地面作為反射點(diǎn)，同時(shí)合理配置反射點(diǎn)，改善干擾效果。

地面類(lèi)型攻角/(°)脫靶量/mD=100mD=150mD=200m小起伏地面25679411945861261657070103136大起伏地面255478904555779770202535

4 結(jié)束語(yǔ)

本文主要對(duì)地面反射干擾抗反輻射導(dǎo)彈技術(shù)進(jìn)行了探索研究，建立不同起伏特性的地面反射干擾抗反輻射導(dǎo)彈模型，并分析了地面反射干擾抗反輻射導(dǎo)彈的有效性。通過(guò)本文的分析可知，通過(guò)對(duì)地面起伏特性的合理選擇和地面反射點(diǎn)的合理布局，可以干擾反輻射導(dǎo)彈被動(dòng)導(dǎo)引頭，并將來(lái)襲反輻射導(dǎo)彈引向虛假反射點(diǎn)方向，從而有效保護(hù)雷達(dá)輻射源。在地面反射干擾具體參數(shù)選擇中，干擾源與被保護(hù)雷達(dá)發(fā)射功率應(yīng)基本相當(dāng);盡量選擇小起伏地面即與干擾信號(hào)波長(zhǎng)相比起伏較小的地面作為反射點(diǎn);地面反射點(diǎn)與被保護(hù)雷達(dá)布站間距在大于100 m時(shí)干擾效果較好。這些研究結(jié)論可以支撐地面反射干擾抗反輻射導(dǎo)彈技術(shù)的后續(xù)研究。

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