浮空式角反射體陣列布放間隔尋優(yōu)研究

王　聘, 胡生亮, 姚　強(qiáng), 張　俊

(1.海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院, 湖北 武漢　430033;2.齊齊哈爾建華機(jī)械有限公司, 黑龍江 齊齊哈爾　161000)

隨著反艦導(dǎo)彈導(dǎo)引頭技術(shù)的不斷升級(jí),箔條干擾技術(shù)日益受到挑戰(zhàn)。作為一種無源干擾器材,浮空式角反射體在極化、頻寬、起伏等特性方面與艦艇相似度較高,在對(duì)抗具有箔條識(shí)別能力的反艦導(dǎo)彈導(dǎo)引頭方面有明顯優(yōu)勢(shì),其典型代表有以色列“維扎德(Wizard)”反雷達(dá)假目標(biāo)[1]、丹麥“PW216 Mod2”箔條/角反射體復(fù)合干擾彈[2]、法國(guó)“希爾蒙(Sealem)”角反射體誘餌[3]以及德國(guó)“舷外角反射體(OCR)” 誘餌[4]。

目前,國(guó)內(nèi)外尚未發(fā)現(xiàn)浮空式角反射體實(shí)際作戰(zhàn)使用的相關(guān)記載,本文借鑒箔條的作戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)[5],在空中連續(xù)投射多枚浮空式角反射體干擾彈,以形成目標(biāo)特性與艦艇較相似的浮空式角反射體陣列,對(duì)來襲導(dǎo)彈實(shí)施無源干擾。由于布放間隔會(huì)影響浮空式角反射體陣列的RCS幅值和徑向尺寸,為提高干擾成功概率,本文以6個(gè)垂直邊長(zhǎng)為0.5m的浮空式角反射體組成的陣列為研究對(duì)象,從RCS幅值入手,結(jié)合散射中心合成算法和CST軟件對(duì)其布放間隔進(jìn)行優(yōu)選研究,旨在不改變角反射體個(gè)數(shù)的條件下,提高浮空式角反射體陣列的RCS幅值,從而增大干擾勝算。其研究思路可為浮空式角反射體干擾彈的實(shí)際布放使用提供理論參考,具有一定的軍事應(yīng)用價(jià)值。

1　散射中心合成算法

文獻(xiàn)[6-8]中提出,多枚漂浮式角反射體布放到海面上之后,由于受到作戰(zhàn)海區(qū)的海水流速、流向、風(fēng)速、風(fēng)向等環(huán)境條件影響,多個(gè)角反射體的位置區(qū)域大致可看成一個(gè)以原點(diǎn)O為中心的橢圓范圍。類比漂浮式角反射體,多枚浮空式角反射體發(fā)射到空中后所覆蓋的空域可近似為一個(gè)以原點(diǎn)O為中心的橢球。由于反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)開機(jī)時(shí)與角反射體群的距離比較遠(yuǎn),滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件,照射目標(biāo)的入射波可以近似看成平面波[6],此時(shí),只需考慮投影在同一水平面上的角反射體之間的間隔帶來的影響。則角反射體群的態(tài)勢(shì)如圖1所示。

圖1中,多枚角反射體大致分布在一個(gè)以原點(diǎn)O為中心的XOY平面上的橢圓范圍內(nèi)。n個(gè)角反射體落點(diǎn)的坐標(biāo)分別為(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)。其中θ為俯仰角,φ為方位角。

根據(jù)文獻(xiàn)[6-8]提出的散射中心合成算法可知,當(dāng)反艦導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭發(fā)射的電磁波沿F(θ,φ)方向入射時(shí),角反射體群總的散射面積可以認(rèn)為是這n個(gè)角反射體散射中心貢獻(xiàn)的相干合成[9]。且總散射面積滿足：

(1)

式中,Si為指定雷達(dá)波入射方向上單個(gè)角反射體作用下的散射面積;ri為每個(gè)角反射體與雷達(dá)接收機(jī)之間的距離;c為光速;f為雷達(dá)波頻率;λ為波長(zhǎng)。

由于在遠(yuǎn)場(chǎng)條件下,入射雷達(dá)波可以近似看成是平面波,設(shè)原點(diǎn)O到反艦導(dǎo)彈的距離為r0,式(1)中任意角反射體到反艦導(dǎo)彈的距離ri可以看成是r0與該角反射體和原點(diǎn)O在入射方向上投影距離差Δri的和。將上述關(guān)系代入式(1),可得

(2)

設(shè)第i個(gè)角反射體坐標(biāo)Pi=(xi,yi,0),入射方向?yàn)閚=(sinθ·cosφ, sinθ·sinφ, cosθ),利用圖1給出的幾何關(guān)系模型,可推出投影距離差Δri的計(jì)算公式。

Δri=dot(Pi,n)=xisinθcosφ+yisinθsinφ

(3)

式中,dot(·,·)表示兩向量的內(nèi)積。

2　基于CST的單個(gè)浮空式角反射體全向RCS數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

對(duì)浮空式角反射體陣列RCS進(jìn)行混合預(yù)估時(shí),首先需要獲取單個(gè)角反射體的RCS,然后利用散射中心合成算法將各角反射體的RCS貢獻(xiàn)量相干疊加,從而得到角反射體群的RCS。由于浮空式角反射體采用雙棱錐形結(jié)構(gòu),其8個(gè)三角形三面角反射體共點(diǎn),目前在理論上還未推導(dǎo)出其全向RCS表達(dá)式,因此,本文采用CST電磁仿真軟件獲取單個(gè)角反射體的全向RCS數(shù)據(jù)庫。

2.1　CST電磁仿真軟件簡(jiǎn)介

CST目前是全球最大的純電磁場(chǎng)仿真軟件公司。其工作室套裝(CST STUDIO SUITE)是面向3D電磁場(chǎng)、電路、溫度和結(jié)構(gòu)應(yīng)力設(shè)計(jì)工程師的一款專業(yè)仿真軟件包,包含七個(gè)工作室子軟件,集成在同一用戶界面內(nèi),可以為用戶提供完整的系統(tǒng)級(jí)和部件級(jí)的數(shù)值仿真分析。與業(yè)界另一種常用的電磁仿真軟件FEKO相比,CST對(duì)于電大、電極大目標(biāo)在保證計(jì)算精度的同時(shí),仿真效率要顯著高于FEKO。

軟件覆蓋整個(gè)電磁頻段,一共提供了7個(gè)完備的時(shí)域和頻域全波算法。仿真自帶全新的理想邊界擬合技術(shù)和薄片技術(shù),與其他傳統(tǒng)的仿真器相比,在精度上有數(shù)量級(jí)的提高。為了取得更好的求解效果,該軟件提供了4種不同的求解器,用在各自最適合的應(yīng)用領(lǐng)域。由于瞬態(tài)求解器對(duì)絕大多數(shù)的高頻應(yīng)用都極為有效,并包含有最新的多級(jí)子網(wǎng)技術(shù),能夠提高網(wǎng)格劃分效率,極大加快仿真速度,對(duì)復(fù)雜器件尤為有效,因此本文采用該求解器進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

2.2　單個(gè)浮空式角反射體全向RCS數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

浮空式角反射體采用標(biāo)準(zhǔn)的雙棱錐形結(jié)構(gòu),本文首先利用Solidworks建模軟件建立垂直邊長(zhǎng)為0.5m的單個(gè)浮空式角反射體三維模型,然后將該模型導(dǎo)入CST軟件進(jìn)行仿真?？紤]到反艦導(dǎo)彈飛行高度及末制導(dǎo)雷達(dá)開機(jī)距離,假定電磁波水平照射角反射體,即俯仰角θ=90°;同時(shí)設(shè)置電磁波以水平極化方式入射,頻率f=10GHz,模式為單站散射,算法為彈跳射線法(Shooting and Bouncing Rays, SBR),方位角φ∈[0°,360°](步長(zhǎng)1°),仿真界面如圖2所示。最終,仿真得到單個(gè)浮空式角反射體的全向RCS數(shù)據(jù)庫,并將其利用圖像形式表示,結(jié)果如圖3所示。

可見,由于結(jié)構(gòu)上嚴(yán)格的對(duì)稱性,浮空式角反射體全向RCS隨方位角以90°為周期規(guī)則變化,在同一周期內(nèi),入射角度不同,其RCS會(huì)有很大的差異,這也說明浮空式角反射體不同的朝向?qū)﹃嚵械腞CS具有很大的影響,因此,本文在研究過程中將朝向考慮在內(nèi)。

3　基于散射中心合成算法的浮空式角反射體布放間隔尋優(yōu)

雷達(dá)制導(dǎo)反艦導(dǎo)彈主要是通過目標(biāo)的電磁散射特性對(duì)目標(biāo)進(jìn)行分選與跟蹤,而RCS幅值是度量目標(biāo)二次散射功率的一個(gè)重要的物理量[10]。由公式(2)可知,影響角反射體陣列RCS幅值的因素主要包括單個(gè)角反射體的RCS和角反射體之間的布放間隔d,角反射體的尺寸和入射電磁波頻率一定時(shí),其RCS也隨之固定,因此本文僅考慮布放間隔的影響,并根據(jù)RCS幅值對(duì)其布放間隔進(jìn)行尋優(yōu)。

3.1　浮空式角反射體布放態(tài)勢(shì)建模

在實(shí)際反導(dǎo)作戰(zhàn)中,為使角反射體陣列最大限度的模擬目標(biāo)艦艇徑向尺寸,通常會(huì)沿艦艇縱軸(即艦的首尾線)方向布放角反射體陣列,然后艦艇沿原方向快速機(jī)動(dòng)駛離。由于浮空式角反射體下降速度慢,且忽略風(fēng)向、風(fēng)速的影響,可認(rèn)為角反射體陣列在反艦導(dǎo)彈逼近之前始終平行于艦艇縱軸方向。

為保證作戰(zhàn)的靈活性,浮空式角反射體干擾彈電子引信通過編程設(shè)定,理論上可實(shí)現(xiàn)任意間隔的布放,因此,不妨假設(shè)各角反射體之間的布放間隔一致,但浮空式角反射體在展開、浮空過程中,受各種因素的影響,其朝向是隨機(jī)的。為簡(jiǎn)化尋優(yōu)過程,本文限定角反射體的個(gè)數(shù)為6個(gè),相鄰角反射體之間的間距d∈{5,10,15,20,25,30,35,40},單位為(m),各個(gè)角反射體的朝向ζ∈{0,360°},電磁波入射方位角φ∈{0,180°}。

基于上述假設(shè),構(gòu)建浮空式角反射體布放態(tài)勢(shì)模型。定義直角坐標(biāo)系X軸與目標(biāo)艦艇縱軸平行,指向艦首方向;Y軸與艦橫軸平行,指向左舷;Z軸垂直于甲板面,指向天頂。定義浮空式角反射體陣列整體與目標(biāo)艦艇縱軸平行,各角反射體均豎立布放且間隔相同,但朝向隨機(jī)。定義俯仰角θ為反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)電磁波入射方向的反方向與Z軸的夾角,方位角φ為電磁波入射方向的反方向在XOY平面上的投影與X軸的夾角。綜上所述,浮空式角反射體布放態(tài)勢(shì)如圖4所示。

3.2　浮空式角反射體布放間隔尋優(yōu)

根據(jù)上述浮空式角反射體布放態(tài)勢(shì)模型,基于散射中心合成算法對(duì)角反射體陣列布放間隔進(jìn)行尋優(yōu),其流程圖如圖5所示。為貼近真實(shí)環(huán)境,在計(jì)算浮空式角反射體陣列RCS時(shí),首先采用rand函數(shù)從單個(gè)角反射體全向RCS數(shù)據(jù)庫中隨機(jī)選取6種態(tài)勢(shì)賦予該6個(gè)角反射體,然后利用散射中心合成算法快速預(yù)估某一入射方位角下該陣列的RCS值,重復(fù)上述工作1000次,得到角反射體陣列RCS在該入射角度下的平均值。隨后,重復(fù)上述方法,計(jì)算某一布放間隔下方位角φ從0～180°變化時(shí)角反射體陣列的RCS,對(duì)上述結(jié)果求均值,即可得到該布放間隔下浮空式角反射體陣列的RCS幅值,最后,通過比較不同布放間隔下浮空式角反射體陣列的RCS幅值,即可優(yōu)選出較佳的布放間隔。

為對(duì)比朝向?qū)欠瓷潴w陣列RCS的影響,繪制布放間隔為30m時(shí)6個(gè)角反射體朝向隨機(jī)與朝向一致兩種情況下角反射體陣列RCS幅值隨方位角φ的變化曲線,結(jié)果如圖6(a)、6(b)所示。

對(duì)比圖6(a)、6(b)可明顯看出,當(dāng)角反射體的朝向被打亂時(shí),可以打破雙棱錐形角反射體固有的周期性,使RCS隨方位變化趨于無規(guī)律性,從而更加逼近艦艇的RCS方位特性,同時(shí),其RCS起伏特性隨方位變化也相對(duì)較平穩(wěn),表現(xiàn)出更好的全向性。因此,仿真時(shí)打亂角反射體的朝向,可使仿真結(jié)果更趨于真實(shí)作戰(zhàn)環(huán)境,仿真結(jié)果也更有說服力。

最后,繪制浮空式角反射體陣列的RCS幅值隨布放間隔變化曲線如圖7所示。

圖7中,浮空式角反射體陣列RCS幅值隨布放間隔的變化曲線有明顯的起伏,且分別在d=15m和30m時(shí)出現(xiàn)峰值,其中,當(dāng)角反射體之間的布放間隔d為15m時(shí),浮空式角反射體陣列的RCS最大,最大為1285m2,根據(jù)上述尋優(yōu)準(zhǔn)則,對(duì)于本文所研究的浮空式角反射體模型,d=15m即為尋優(yōu)得到的布放間隔。

4　結(jié)束語

本文從提高浮空式角反射體陣列RCS幅值的角度出發(fā),利用散射中心合成算法對(duì)角反射體之間的布放間隔進(jìn)行了尋優(yōu),其研究思路和結(jié)論可為實(shí)際反導(dǎo)作戰(zhàn)中浮空式角反射體陣列的布放提供一定的參考借鑒?？紤]到篇幅限制,本文僅對(duì)布放間隔進(jìn)行了研究,未來反導(dǎo)作戰(zhàn)中,為達(dá)到更好的干擾效果,還需要將布放間隔、角反射體的個(gè)數(shù)等因素綜合考慮在內(nèi),并結(jié)合擬保護(hù)艦艇的目標(biāo)特性,對(duì)浮空式角反射體的布放態(tài)勢(shì)進(jìn)行尋優(yōu),這也是筆者后續(xù)研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

根據(jù)變頻器所帶泵機(jī)功率大小并且檢測(cè)中間直流回路中的電流、電壓值，并在其中串聯(lián)合適的電容，儲(chǔ)存多余的能量，可以提升回路承受過電壓的能力，也可選用較大容量的變頻器應(yīng)對(duì)電網(wǎng)電壓瞬時(shí)升高，但是要考慮變頻器所帶泵機(jī)的功率，以防造成資金上的浪費(fèi)。