箔条配比算法

蔡 蒨,张为华

(1.国防科技大学航天与材料工程学院,湖南长沙 410073; 2.中船重工集团公司第710研究所,湖北宜昌 443003)

箔条配比算法

蔡 蒨1,2,张为华1

(1.国防科技大学航天与材料工程学院,湖南长沙 410073; 2.中船重工集团公司第710研究所,湖北宜昌 443003)

箔条干扰武器采用经验公式装填箔条种类和数量,箔条没有被充分利用,干扰频段没有被有效覆盖,减少干扰武器效能.为解决箔条干扰武器箔条配比问题,分析箔条的物理特性,结合干扰频段要求、反舰导弹常用的频率点等特征,提出粗匹配和细调整相结合的箔条配比算法;根据配比算法,建立快速和有效箔条配比仿真平台.通过实验验证此算法和平台的有效性.

干扰;箔条配比;仿真模型;反舰导弹

0 引言

在第二次世界大战期间,箔条成为一种重要的干扰材料.第四次中东战争中海战证明箔条干扰在保卫舰船免遭飞航式反舰导弹袭击方面具有优越的性能,因而世界各国的舰艇都迅速装备各种性能优良的箔条干扰设备.箔条干扰是由投放在空中的、大量随机分布的、金属散射体产生的散射波对雷达造成的干扰.箔条通常由金属箔切成的条、镀金属的介质或直接由金属丝等制成.随着箔条材料及工艺的进步,投放设备和方法的完善,与1945年相比,现在1 kg箔条所达到的雷达截面增大10倍.大量使用的箔条的长度半波长金属丝是从天线技术中的对称半波偶极振子引用过来的.半波偶极子对电磁波谐振散射最强,同时其材料也最省.文献[1-4]研究箔条对反舰导弹干扰效果的仿真模型,文献[5-6]研究雷达箔条杂波的仿真,文献[7]搭建箔条干扰的仿真环境,可以对末制导雷达工作流程进行仿真.文献[8-11]介绍常用的主要干扰方式,如冲淡式、质心式和箔条幕干扰等.

根据箔条物理特点,采取自动寻找匹配频点和手动调整相结合的箔条配比算法,节省箔条配比时间,提高不同长度箔条的使用效能,采用相对质量最少的箔条得到优化的箔条配比结果.

1 箔条特性及干扰分析

箔条自身的物理特性直接影响其干扰效果.箔条半波长辐射效率的影响因素包括箔条长度选取条件、箔条的极化特性和箔条的雷达截面特性.

1.1 辐射效率

箔条作为再辐射的偶极天线,其辐射效率ηA为

式中:PΩ为热损耗功率;Pr为辐射功率;RΩ为热损耗电阻;Rr为辐射电阻;IAm为天线上驻波波腹处的电流振幅.

由式(1)知:天线的辐射效率与热损耗电阻和辐射电阻的比值成反比.当辐射电阻为定值时,应尽量减少热损耗电阻,以提高天线的辐射效率.一般采用导电性能良好的金属作为箔条的导电层和降低表面粗糙度的方法减少热损耗电阻,提高箔条的有效利用率.

在仿真平台中,将辐射效率的影响概率归集到箔条的利用率中.

1.2 箔条长度

箔条云由一根根箔条构成,单根箔条的性能影响整个箔条云的干扰效果.当箔条使雷达频率处于谐振状态时,能够达到最好的干扰效果.谐振状态与箔条直径和长度有关,因此在频率、箔条直径一定的情况下,只需要计算箔条长度.

箔条长度L[12]为

式中:d为箔条直径;λ为波长;[·]为缩短系数.

箔条谐振长度取决于工作频率和直径,首先确定工作波长,选择箔条直径;然后计算其谐振长度(箔条长度).

箔条半径 a的取值范围[12]为

式(3)可作为选取箔条半径的判别式,但是半径一般从箔条生产厂家提供的参数选取得到.

在实际应用过程中,在满足箔条直、表面光滑、强度和刚度的情况下,应尽量减少箔条半径,以增加箔条的装填量,扩大箔条的布放面积,得到更大的雷达反射截面积.

在仿真平台中有3种箔条半径,箔条长度根据式(2)计算得到.

1.3 雷达截面特性

半波长箔条雷达截面取决于入射波方向的相对指向,也取决于接收散射信号的方法[13].当探测方向确定后,箔条雷达截面是角度的函数[14].单一箔条在第一谐振点处的雷达截面可表示为3种情况.

(1)随机取向箔条.如果代表在所有箔条取向上平均箔条雷达截面,则

式中:f为频率.

(2)水平取向箔条.如果σ∥代表水平箔条在水平面内所有可能的箔条取向上平均雷达截面,如同被水平极化雷达所看到,则

(3)垂直取向箔条.如果σ⊥代表垂直取向箔条雷达截面,如同被垂直极化雷达在箔条的同样高度所看到,则

在仿真平台中,单根箔条的反射系数根据文献[6]提供的数据得到.

2 箔条配比算法

2.1 粗匹配算法

粗匹配算法主要包括箔条种类个数选取、每种箔条数量预估和箔条频点预估.粗匹配算法步骤:

(1)确定配比频点数,设干扰频段为[f1,f2],中心频率为 f0=(f2+f1)/2,频带宽度为Δf=f2-f1,带宽与中心频率比值为,则所需箔条种类数量为;其中,Δff为频点处的平均带宽,一般取为15%～20%,表示取整.

(2)分析干扰频段范围,判断此区域内是否含有目前导弹常用的末制导波段(10,15,35 GHz等),如果含有,则将其设定为一个配比频点.

(3)在干扰区域两端选择2个频点,如果其与步骤(2)中选择的频点重复,则去掉1个重复频点.

(4)计算所选取的频点数 N(N≤N′(N′为允许的最多频点数)),相对规定指标所需的箔条数 Mj(j=1,2,…,N)为

式中:VRCS为规定的RCS(雷达反射截面积)值;p1为损失系数;p2为扩散率.在粗选阶段认为每种箔条的扩散率相同.

(5)根据每种箔条的长度 lj(j=1,2,…,N),测试波长λi(i=1,2,…,M)和箔条的直径 dj(j=1,2,…,N),得到系数 K(lj/λi,A)(根据图1查得,A=lj/dj,当 L/λ>1.40 时,统一取归一化的σ/λ2为 0.01),由计算每种箔条对应不同频点处的RCS值.

(6)求取已有箔条对应的 RCS累加值,得到不同频点处RCS累加值.

(7)计算迭代图的凹点,并将凹点设置为新的频点,返回步骤(5)计算取凹点,直到频点数满足 N为止.

图1 偶极子归一化的雷达截面积σ/λ2与L/λ的关系曲线

2.2 细匹配算法

细匹配算法是在粗匹配的基础上,根据箔条长短不同设置不同的扩散率.根据RCS累加值拟合曲线调整频点位置和箔条数量,达到使箔条曲线尽量平整(即波峰和波谷差尽量小),使用箔条质量尽量小.此过程属于人工调整过程.

3 仿真平台

粗匹配部分包括:

(1)指标参数输入区,包括厘米波冲淡、质心指标输入,毫米波冲淡、质心输入和预度输入;

(2)多路径效应选择区,选择是否考虑多路径效应;

(3)厘米波频率设定区,设定干扰频段范围;

(4)毫米波频段设定区,设定干扰频段范围;

(5)配比需求条件输入区,设定箔条利用率和扩散率;

(6)箔条直径选择区,设定箔条选择不同直径的长度范围.

精确调整部分包括:

(1)频点设置,调整粗匹配的频点;

(2)箔条数量设置,调整箔条数量;

(3)箔条长度设置,调整箔条长度;

(4)箔条扩散率设置,根据实际情况调整每种箔条的扩散率;

(5)质量计算,计算每种箔条所需的质量.

在仿真平台框架的右下角可以显示粗匹配和精确调整时所需箔条的总质量.

4 实验

通过实验验证仿真平台的有效性.设干扰频段为10～22 GHz和50 GHz,指标均为RCS(3 000 m2).粗匹配部分各种箔条的扩散率相等,2倍箔条长度大于40时采用粗波条,2倍箔条长度小于25时采用细箔条,其他采用细箔条.在实验中不考虑多路径效应.

根据粗匹配算法,计算得到5种箔条能较好地满足匹配要求(见图2).红色‘＊’表示所选频点,黑色‘＊’表示干扰频段端点;纵坐标表示RCS值,绿色曲线表示叠加后曲线,蓝色曲线表示种箔条在此干扰频段内产生的RCS值,绿色直线为指标要求值.

由图2可知,在10～22 GHz内虽然频点处RCS值满足指标要求,但是在整个干扰频段内存在凹点,远小于指标值,50 GHz处RCS值小于指标,且波峰和波谷的差值也相对较大,需要进行精确调整.

5种箔条精确调整匹配结果见图3.由图3可知:调整后的箔条波峰谷差更小,匹配整个RCS曲线满足指标要求,质量增加0.066 8 kg.

图2 5种箔条粗匹配结果

图3 5种箔条精确调整匹配结果

在箔条的实际配比计算中,根据配比需求,有时需要减少箔条的种类或减轻箔条的质量或得到相对较平滑的RCS拟合曲线,不断调整箔条配比所需的种类和数量.采用6种箔条精确调整匹配结果见图4,其中箔条质量为10.653 kg,需要的箔条质量小于图2和图3配比需求.由图4可知,箔条种类增加一种,峰谷差减少,使用的箔条质量减轻.

采用4种箔条精确调整匹配结果见图5,其中箔条质量为10.729 kg.由图5可知,4种箔条满足配比要求,但是波峰谷差增大,箔条质量增加.

图4 6种箔条精确调整匹配结果

图5 4种箔条精确调整匹配结果

由实验结果可知:(1)根据粗配比方法可以得到箔条较好配比所需的箔条种类数、数量和所需箔条的质量;(2)增加箔条种类可以使配比曲线更加平滑,有效减少波峰谷差,但会增加箔条的质量;(3)较小箔条数量使得配比曲线变得更加陡峭,增加波峰谷差,同时增加箔条的质量;(4)工程上主要是在箔条质量、种类和配比曲线的平滑度之间协调,寻找优化配比结果.

5 结束语

分析箔条半波长辐射效率的影响因素、长度选取条件、极化特性和雷达截面特性,以及每种特性在箔条配比中的作用,给出粗匹配和细匹配相结合的箔条配比算法,建立配比仿真平台,验证配比算法的有效性.

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Chaff match algorithm/2011,35(2):99-103

CA IQian1,2,ZHANGWei-hua1
(1.College of Aerospace and M aterials Engineering,N ationa l University of Defense Technology,Changsha,H unan 410073,China;2.710 Research Institute,China Shipbuilding Corporation,Yichang,H ubei 443003,China)

Chaff,as the main interference materials fo r the radar-guided anti-ship m issiles,has been w idely used,but the quantities and types of the chaff are filled in the chaff jamming weapon using the experienced fo rmula.The chaff has not been fully used.The jamm ing frequency is not covered.The efficiency of the weapon has been reduced.The chaff match is the key technology in the chaff jamming weapon.For solving the p roblem of the chaff match in the chaff jamming weapon,thematch method using the rough match and meticulous adjusting is p roposed based on the physical features of the chaff,jamming frequency range and the usual f requency dotsof the anti-ship missiles.And the fast,valid simulation model of the chaff match is built.The validity of themodel and themodel itself are tested acco rding to the experiments.

jamm ing;chaff match;sim ulation model;anti-ship missile

TN 972

A

1000-1891(2011)02-0099-05

2010-09-10;审稿人:叶秀芬;编辑:任志平

蔡 蒨(1971-),男,博士生,研究员,主要从事无源光电对抗方面的研究.