机载对映体干扰有效性分析

(海军航空工程学院电子信息工程系,山东烟台264001)

0 引言

遂行任务的作战飞机在遭遇敌导弹攻击时必须采取适当的电子对抗措施以躲避威胁。对映体干扰是对抗采用单脉冲雷达导引头体制的主动或半主动有源空空导弹最有效的自卫干扰方式之一。对映体干扰的原理是借助多路径传播策略来阻碍雷达截获干扰机平台所在的准确位置[1]。此时携带干扰机的作战飞机朝地面发射干扰信号并经地面反射至来袭目标雷达,当雷达接收到的干扰信号强度超过飞机的回波信号时,雷达会误把位于地面以下的飞机镜像点当作攻击目标,从而达到欺骗目的。

实际应用时,低空飞行的飞机截获到雷达信号后,经放大处理后向具有良好镜面反射能力的地面发射干扰信号,引起导弹的跟踪角误差,使其撞向地面的干扰信号照耀场;而当地面很粗糙时,有相当部分的干扰信号能量就可能会被散射掉。而散射能量则来自更大一片区域,称为发光面。发光面区域大小与地面粗糙度及雷达与飞机的空中几何关系有关[2]。针对机载对映体干扰的实际应用方式,本文将对机载对映体干扰的有效作用区域,有效干扰条件以及影响对映体干扰有效性的因素进行逐一分析。

1 对映体干扰基本原理

对映体干扰是一种应用在飞机上的雷达有源角度欺骗干扰方式,对映体干扰原理如图1所示。假设雷达信号在地面发生镜面反射,当敌机(称机B)用雷达照射我机(称机A)时,机A主动降低自身高度,使机B雷达波束工作于下视状态。同时,机A携带的机载自卫干扰设备接收、复制敌雷达信号并调制后形成干扰信号并由专用天线向地面发射,干扰信号被地面反射后进入机B雷达系统。此时进入机B雷达系统的干扰信号还有机A真实反射回波信号,如果干扰信号功率强于机A真实反射回波信号功率,而且干扰信号与机A真实反射回波所携带的一种以上信息(距离、速度、角度)之间的差别不足以使机B雷达将干扰信号和真实反射回波信号区别开,机B雷达自动增益控制系统就会跟踪较强回波信号,也就是把目标回波方向判断为功率较强的BG方向,将目标确定为机A在地面下的镜像A′,而如果干扰对象机B是雷达制导导弹的话,其命中点将会是图1中G点[3]。

图1 对映体干扰示意图

对映体干扰可以在远距离使用,也可以在近距离使用。在近距离使用时,由于该干扰方式受反射角度的限制,初始状态下干扰信号一般是从雷达天线的侧面或旁瓣进入的。为了压制住真实目标信号,将雷达从真实目标上引向反射信号,要求干扰信号必须足够大,再考虑地面反射的损耗,对干扰机的功率要求较高,而且要求干扰机的旁瓣要小。由于近距离使用比较常见,情况也较复杂,所以本文只讨论近距离使用对映体干扰的情况。

2 有效作用区域分析

由于对映体干扰的干扰信号是从地面方向进入雷达天线的,而制导雷达或雷达导引头的天线波束一般都比较窄,因此,只有当其天线向下时,进入的干扰信号才可能足够大,也就是说,应用这种干扰样式时,干扰机载机应在单脉冲雷达的下方。

在图1中,设干扰信号向地面的入射角为α,其中0°＜α＜90°,波束宽度为θj,干扰机高度为Hj,干扰对象高度为Ht。可以看出,干扰信号在B点产生的干扰区域(水平宽度X)取决于干扰机天线的波束宽度θj,干扰信号入射角α以及干扰机、干扰对象高度Hj,Ht。

设A′与C之间的距离,A′与D之间的距离分别为l A′C,l A′D,则

进一步C与D之间的距离l CD由余弦定理有

假设干扰信号功率完全从干扰对象天线主瓣进入,由式(4)显然可以看出有效作用区域X随着Hj,Ht的增大而增大,一般Ht大于Hj,即Ht＞Hj。下面基于控制变量法对有效作用区域X随干扰信号入射角α以及干扰信号波束宽度θj的变化情况进行讨论。

如果Hj=3 km,Ht=4 km,此时有效作用区域X随干扰信号入射角α以及干扰信号波束宽度θj的变化情况分别如图2和图3所示。

从图2可以看到,在干扰信号波束宽度θj一定的情况下,随着干扰信号入射角α的增加有效干扰区域会急剧减小。从图3可以看到,在干扰信号入射角α一定的情况下,随着干扰信号波束宽度θj的增大,有效干扰区域会逐渐增大。这与实际应用中得到的结果是一致的。

在图1中进一步可以求得：

图2 干扰信号入射角对干扰区域的影响

图3 干扰信号波束宽度对干扰区域的影响

设干扰对象与干扰机之间的水平距离为x,当满足D1＜x＜D2时,干扰机才可以干扰到需要干扰的目标,即要满足下式：

当干扰机与目标飞机间的距离满足上式时,目标飞机必定处于干扰机的有效干扰作用区域内。因此,当准备采用对映体干扰时,要根据敌我距离和我机高度、敌机高度、我机干扰波束宽度,判断实施对映体干扰的可行性,并选择合适的干扰时机。

3 有效干扰条件

当地面反射式欺骗干扰的干扰信号能进入干扰对象天线时,影响干扰效果的关键因素还是进入到被干扰雷达内的干扰功率大小。

设干扰机输出功率为Pj,天线增益为Gj,波长为λ,载机对雷达的有效反射面积为σ;雷达天线输出功率为Pt,天线增益为Gt,雷达天线的有效接收面积为A,通常A=λ2Gt/4π,雷达天线在受干扰方向的有效接收面积为A′,A′=λ2Gt′/4π,其中,Gt′通常采用下面的经验公式计算[4]：

因为实际天线的方向图在大于60°角度范围之后,天线增益不再随着θ的增大而减小,而是趋于一个平均稳定的增益数值,这个数值可以用θ=60°时的Gt′来计算。而当θ≤θ0.5/2时,Gt′按天线最大增益Gt来计算[5]。

图4是干扰机波束与雷达波束位置关系示意图。其中,θ0.5是雷达半功率点波束宽度,θ是入射干扰信号与雷达天线波束之间的夹角,因为雷达在制导状态下一般使用锐方向天线,所以取k=0.07～0.10,干扰机到雷达的直线距离为Rt。

图4 干扰机波束与雷达波束位置关系

根据图1,干扰信号经地面发射后到雷达的距离为

雷达接收到的目标回波信号功率为[6]

雷达接收到的干扰信号功率为

式中,γj为干扰信号对雷达天线的极化损失,为了对各种极化形式的雷达都能有效干扰,通常取γj=0.5;γd为衡量干扰信号经地面反射后损失的等效反射系数,当反射面为光滑表面时,反射效果最好。由于地面反射系数与地形、频率、入射角和电磁波的极化形式等参数有关,所以同样的地面对于不同类型的雷达的影响也是不同的 。

在雷达接收端口,干扰信号和雷达回波信号的功率之比(干信比)为

式中,k,σ,PjGj,PtGt,γj,γd,θ0.5是一些相对确定的量,它们对动态变化不起作用,因此,下面仅讨论Rt,Hj,Ht,θ,α对干扰效果的影响。当α小时,为了使干扰信号能进入雷达,干扰机载机和雷达间隔距离应足够大,或两者离地面越近越好。由式(13)可知Ka与sin2α成正比,因此α不能太小,而根据图2和考虑地面对反射系数的影响,α也不能太大,否则干扰有效区域会变近变小。因此α应取0°～90°之间的一个中间范围的值,在实际应用中,α由干扰机发射天线发射角度决定,通常是固定的,一般情况下,可以取α=π/4。因此,可在此基础上确定Rt,Hj,Ht,θ的取值范围。

假设k=0.08,载机对雷达的有效反射面积σ=5 m2,干扰机有效辐射功率为PjGj=5×106W,目标飞机雷达有效辐射功率为PtGt=8.4×109W,干扰信号对雷达天线的极化损失γj=0.5,干扰信号经地面反射后损失的等效反射系数γd=0.9,雷达半功率点波束宽度θ0.5=2°。以下就各因素对干扰效果的影响进行分析。

3.1 Rt对干扰效果的影响

干扰机载机高度Hj=3 k m,目标飞机高度Ht=4 km,干扰信号入射角α=45°,干扰信号波束宽度θj=2°,将以上数据代入式(8),得Rt的取值范围为6.833～7.317 km。根据式(13)可以得到图5。

图5 干扰机与雷达间距对干扰效果的影响

从图5可以看到,在干扰信号与雷达波束夹角θ一定的情况下,随着干扰机与雷达间距Rt的增大,干扰效果会不断增强。

3.2 θ对干扰效果的影响

假设条件同3.1节中一样,根据式(13)可以得到图6。

图6 干扰信号与雷达波束夹角对干扰效果的影响

通过式(13)可以看出,Ka与θ2成反比,即θ越小越好。经过仿真,在图6中同样可以看到当干扰机与雷达间距一定时,随着θ的减小,干扰效果会得到快速提升。由于雷达天线在初始状态是对准干扰机的,θ小意味着干扰机载机必须低于雷达。此外,同样道理,Hj,Ht的值也是越小越好,即对映体干扰在低空应用效果更好。

3.3 地面反射特性对干扰效果的影响[3]

(1)不同干扰机在相同地区,实施对映体干扰的效果可能不同

与其他干扰类型一样,对映体干扰的效果,取决于进入要干扰雷达接收机的功率大小。由前面的分析可知,进入雷达的干扰信号的强度除由干扰机发射功率决定外,还由地面对干扰信号的反射特性决定,即干扰的有效性受到地面平滑程度影响。前述分析以地面是光滑的情况为前提,事实上,现实中绝对光滑的地表面是没有的。文献[7]已经证明：反射特性是雷达波波长λ、掠射角γ的函数。可见,地面是否可被认为是光滑,与雷达本身特性有关,因此对不同波段雷达在相同的地区,实施对映体干扰的效果也可能不同。

(2)相同干扰机在相同地区,实施对映体干扰的效果可能不同

地球表面的覆盖物随季节的不同而不同,这些覆盖物对雷达波的反射特性也不尽相同,甚至于对相同的覆盖物,在不同的季节、不同的时间、不同的温度以及不同的照射方向等条件下,其反射特性也有差异,分析相对复杂,到目前为止还没有一致的结论。通常人们以水面的反射系数为标准归一化,得到地面反射特性由好到差依次为：地面、稻田、田野、城市、森林、山地。海面也是一个非常好的反射面,其反射特性与水面相似。

4 结束语

本文主要对机载对映体干扰的有效性进行了分析。通过分析得到了影响机载对映体干扰有效作用区域,干扰效果的主要因素。通过对这些因素的定量分析,以期对各种不同条件下的对映体干扰作战有所裨益。文中采用了控制变量法的讨论方式,实际中这些因素之间是相互影响,相互制约的一个复杂体,因此应用中应该统筹考虑各个因素,在合理的取值范围之内选择各因素的最优组合,以达到最佳的干扰效果。

[1]SCHLEHER D C.Electronic Warfare in the Information Age[M].Norwood,MA：Artech House,1999.

[2]高彬,毛士艺,孙进平,等.对映体干扰作战效能仿真评估[J].弹箭与制导学报,2010,30(4)：223-226.

[3]李勇,叶志铨.对映体干扰原理及影响干扰效果的因素分析[J].电子信息对抗技术,2006,21(5)：29-32.

[4]余立志,张新如,李传杰.干扰飞机多方式干扰警戒雷达效果仿真[J].雷达科学与技术,2013,11(3)：251-254.YU Li-zhi,ZHANG Xin-ru,LI Chuan-jie.Simulation of Effect of Electronic Jamming Aircraft on Warning Radar in Multiple Jamming Modes[J].Radar Science and Technology,2013,11(3)：251-254.(in Chinese)

[5]张永顺,童宁宁,赵国庆.雷达电子战原理[M].北京：国防工业出版社,2007：90-94.

[6]侯民胜,樊晓明,洪善民.一种有效的角度欺骗干扰[J].信息化研究,2009,35(10)：6-9.

[7]丁鹭飞,耿富录,陈建春,等.雷达原理[M].北京：电子工业出版社,2009.