无源干扰掩护弹道导弹末段突防研究

田志峰,齐 锋,欧阳科举

(1.电子工程学院,合肥 230037;2.解放军 73032部队,苏州 215159)

0 引 言

对雷达的无源干扰也称消极干扰,它利用本身并不产生电磁波辐射的干扰物或其它措施对雷达电磁波产生反射或吸收,破坏雷达正常工作,主要建立在利用电磁波从各种反射面上产生二次辐射现象的基础上。无源干扰技术能够从根本上破坏雷达获得目标回波,即使不能完全破坏,也能起到迷惑作用,因而具有雷达难以抗拒的干扰效果。

弹道导弹在发射后,即开始了与敌反导系统的电子对抗过程,其中主要的对抗措施包括各种无源干扰手段,如抛洒箔条形成干扰走廊等,但当弹道导弹重返大气层后,轻诱饵等无源干扰物都被过滤掉,而其仍然面临着路基低空反导系统的威胁,因此弹道导弹必须投放重诱饵来对抗陆基低空反导系统。

1 重诱饵干扰特性

重诱饵,又称低空诱饵,是指在真实弹头重返大气层进入弹道“再入段”时,释放横截面积小、密度高的“重型”诱饵。在末段飞行过程中,轻诱饵和其它弹体碎片都由于阻力原因已经被大气过滤掉,因此,施放重诱饵可以掩护弹头突防,增加反导系统的工作负荷,使其疲于对付,达到饱和。此时,反导系统中的雷达就不能处理所有的目标,其中一部分真弹头可乘机突防,完成攻击任务。

1.1 重诱饵的雷达反射面积

一般情况下,为了能真正达到欺骗陆基低空反导系统中相控阵雷达的目的,诱饵目标所显示的特性要与被掩护的真实弹头特性完全相似或部分相似,这就要求重诱饵具有与真实目标相近的雷达信号有效反射面积,且具有与真实目标相似的弹道特征参数,并能沿着真实弹头的弹道稳定飞行。大多数重诱饵都要具有与真实弹头近似的雷达反射截面,以无源天线阵为例,它主要有以下优点:

(1)信号反射的方向图较宽,模拟真实弹头的反射面积效果好;

(2)能将非雷达方向上的电磁入射波反射出去,增加反射信号强度;

(3)可按任意方式调制反射信号,使敌方雷达很难分辨真假信号;

(4)可利用连接线路内置的雷达信号放大器从本质上提高有源反射面积。

对称振子无源天线阵一般由若干个水平和垂直方向的振子组成,振子分布在离金属平板(做为反射面)λ/4距离处,在该阵列中成对的偶极子相对于反射面中心镜向对称(如图1)。所有相连单元的成对连接电线长度的一致保证了入射和反射无线电波前端的一致以及将电磁能量反射到雷达方向,使雷达能接收到明显的信号并将此信号误认为攻击目标的反射波信号。无源天线阵能产生的有效反射面积为:

式中:S为天线阵列孔径有效面积(m2),一般情况下,半波长振子构成的阵列孔径面积为S=nλ2/4,n为对称振子数;λ为入射电磁波波长(m);θ为信号入射方向与z轴夹角(°)。

图1 无源天线阵示意图

公式(1)表明,当电磁波沿法线方向垂直入射天线阵面(θ=0°)时,无源天线阵的有效反射面积最大,为:

由上述分析可以看出,无源天线阵可以通过在设计时增减振子数来改变其雷达反射面积,比较灵活。但是,无源天线阵的结构比较复杂,设计困难。

1.2 重诱饵作为无源干扰物的可行性分析

为了减小被雷达探测到的概率,起到隐蔽自己的目的,真实弹头都进行了雷达隐身设计,其雷达反射面积σm较小,可近似认为是0.5 m2。将无源天线阵的雷达反射面积式(1)与弹头的近似反射面积相比较,得到如下表达式:

式中:弹头近似反射面积σm=0.5 m2为固定值,而无源天线阵的振子数是可以根据设计需要确定的,飞行时的雷达波入射角也可以大概控制在一定数值范围内,因此可以增加振子数,,即诱饵的雷达反射面积大于弹头的反射面积,从而使反导系统在搜索到真实弹头之前搜索到重诱饵,起到掩护真实弹头的目的。

除此以外,一些其它物体的RCS(雷达反射面积)的计算公式如表1所示。

表1 几种反射器的RCS近似计算法

表中所列反射器也可作为重诱饵。例如,一般陆基低空反导系统的相控阵雷达在C波段工作,设其工作波长为6 cm,各角反射器的边长a=0.2 m,无源天线阵上的振子数为50个。则上述各反射器的最大 RCS分别为:1.86 m2、6.93 m2、1.86 m2,都大于真实弹头的雷达反射面积;而无源天线阵的平均RCS为7.065 m2,因此能在更远的距离吸引雷达对其进行跟踪。

上述分析结果表明,在弹道导弹突防过程中,无源天线阵可以作为重诱饵模拟真实弹头的反射特性。只要在设计无源天线阵等重诱饵时考虑将其雷达反射面积近似于真实弹头的雷达反射面积,或者为了吸引雷达的跟踪而使其反射面积大于真实弹头的反射面积。

重诱饵的方向性以其方向图宽度来表示。这个宽度是其有效反射面积降为最大有效反射面积一半时的角度范围。重诱饵的方向图越宽越好,以便在较宽的角度范围内对雷达都有较强的回波。试验表明,无源天线阵的方向图宽度为40°左右。

目标的雷达反射面积与入射波的波长有密切关系。研究表明,当目标尺寸与波长相近时,目标的雷达反射面积为震荡状态。大多数反导系统的相控阵雷达的工作频率为4～6 GHz,波长为5～7.5 cm,而无源天线阵重诱饵的尺寸在60 cm左右,正好处于震荡区,时隐时现的雷达反射信号能够吸引雷达对其实施探测跟踪。

2 运用无源天线阵对相控阵雷达干扰效能分析

2.1 干扰条件下相控阵雷达时间资源占用率计算模型

本节主要考虑雷达的时间资源,提出雷达时间资源占用率这一指标,其物理意义是表示在平均意义上该搜索任务对雷达时间资源所占去的份额。一般情况下,相控阵雷达采取跟踪加搜索(TAS)的工作方式:主要指利用时间分割原理以不同数据率同时完成搜索与跟踪的功能。相控阵雷达在搜索过程中发现目标之后,一方面要对该目标进行跟踪,另一方面还要继续对搜索空域进行搜索,两者是按不同数据率,即不同的搜索数据率与跟踪数据率进行的。按照文献[6]的分析,假设雷达监控区域为整个区域Ω,跟踪目标全部处于匀速运动状态,即全部处于同一种跟踪状态,跟踪过程中波束驻留时间相同,跟踪数据采样间隔时间相同。同时,在一个重复周期内,有m个波束可用于跟踪m个方向的目标,能跟踪的平均目标数目为mp。并假设相控阵雷达的波束驻留时间一定,则时间资源占用率的简化公式为:

式中:B为搜索区域的波位个数;△ts为搜索波束驻留时间;△tt为跟踪波束驻留时间;Ts i为搜索数据采样周期;Tti为跟踪数据采样周期;M为跟踪目标数。

此简化公式的物理意义为:当η≤1时,表示雷达负载处于正常工作状态,理论上可以处理出现的所有任务,但仍有可能出现极少量任务由于时间上过于冲突或雷达系统的原因被忽视;当η＞1时,雷达负载处于过载工作状态,此时将无法处理所有目标任务,进而导致其对来袭目标的拦截率的下降。

为了使无源天线阵起到干扰雷达时间资源占用率的作用,必须保证在雷达能探测到无源天线阵时将其抛出,并且分布距离较远,最好与真实弹头不在同一波束里,这样才能使相控阵雷达对各个空域进行搜索,占用其时间资源。例如,某陆基低空反导系统中相控阵雷达的波束宽度为1.5°,对导弹等目标的作用距离为90 km,则其在最远发现无源天线阵处的波束宽度为2.356 km,弹道导弹在飞行过程中抛洒重诱饵时要满足这个距离要求是可以实现的。

2.2 无源天线阵重诱饵对反导系统拦截率的影响分析

为了能直观地看出重诱饵在弹道导弹突防时起到的作用,下面将研究用解析方法计算分析弹道导弹在对反导系统实施无源干扰时反导系统拦截率的变化。

陆基低空反导系统对进攻的弹道导弹的拦截率Pl为:

式中:pl为l枚拦截弹对单弹头突防时的拦截率;m为反导系统在拦截目标时发射的拦截弹数;n1、n2为弹道进攻方发射的真实弹头数和重诱饵数。

式(5)表明,当陆基低空反导系统所装载的拦截弹数量一定时,参与突防的进攻弹头数量越多,反导系统的拦截率越低。因此,导弹攻击方可用反导系统这一弱点采用一次性多弹齐发的方法,既能加重相控阵雷达的时间资源占用率,又使反导系统中的拦截弹难以拦截全部弹头,从而部分弹头可成功突防。下面通过实例来分析这一战法的可行性。

3 实例分析

假设某导弹防御连防守一弹药库阵地,反导系统为某型陆基低空反导系统,该系统的发射车共装备16枚拦截弹(忽略其它因素影响,假设1次可以全部发射出去);设单枚进攻弹道导弹在无重诱饵掩护时,该系统中的 1枚拦截弹对其的拦截率为80%;雷达系统为多功能相控阵雷达。该雷达的扫描空间为 -30°～ 30°,波位数为 100,采用多波束技术,4个波束同时工作,同时采用脉冲积累技术,脉冲重频为150 Hz,积累数为3。1个周期可以跟踪1个目标。

导弹攻击方准备发射3枚导弹摧毁敌弹药库阵地。同时发射带有无源天线阵的重诱饵数枚,其中重诱饵数对雷达时间资源占用率和陆基反导系统拦截率的影响变化如表2所示。

根据表2中的数据变化可以看出,当没有重诱饵掩护时,相控阵雷达的时间资源占用率小于1,且拦截弹的数量多于进攻导弹数倍,因此进攻导弹几乎全部被拦截,不能突防。当进攻导弹有重诱饵掩护时,时间资源占用率逐渐变大,反导系统对突防导弹的拦截概率随重诱饵数量的增加也呈非线性减小。当真假目标数量和达到32枚时,时间资源占用率大于1,表示雷达处于超负荷工作状态,同时拦截率也降到55.28%,几乎有一半的弹头能成功突防,反导系统的拦截效能大大降低。由此可以看出,当不同类型的弹头齐射时,总的发射原则是进攻方的各种弹头和诱饵都能同时到达目标,使反导系统达到最大限度的饱和,影响其工作效能。

表2 重诱饵在弹道导弹突防中对反导系统拦截率的影响

4 结束语

本文主要研究的是无源天线阵对陆基低空反导系统相控阵雷达实施假目标干扰的干扰效果,根据相控阵雷达的工作方式与无源天线阵的雷达反射面积公式和有效干扰距离公式可知,一次性释放大量无源天线阵等重诱饵能够加大相控阵雷达的时间资源占用率,降低反导系统的拦截率。实例表明,无源天线阵在弹道导弹突防过程中能够很有效地掩护真实弹头突防。因此,无论从战术运用还是成本节约上考虑,利用无源天线阵等重诱饵来充当假目标掩护真实弹头飞行都是很好的选择。

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