高分辨力下的箔条云质心干扰模型
2015-03-25商乐
商 乐
(解放军91404部队，秦皇岛 066001)
高分辨力下的箔条云质心干扰模型
商 乐
(解放军91404部队，秦皇岛 066001)
雷达目标识别能力的提高是当前和今后对雷达干扰的主要挑战。描述了导弹末制导雷达分辨单元与箔条云之间随着风向、风速动态变化的几何关系，阐述了处于雷达分辨单元内的箔条云与舰船对末制导雷达的共同作用，定量地分析了对反舰导弹的干扰效果。该研究能够用于箔条干扰试验、训练以及战法研究中的效果评估。
箔条云；末制导雷达；质心干扰；目标识别
0 引 言
计算机仿真技术作为一种辅助试验手段，在军事领域得到了广泛应用，进行箔条质心式干扰效果试验的计算机仿真，可以人为设置各种不同风速、风向、航速、航向、导弹来袭方位、机动方向、用弹量等条件，而且可以反复进行仿真试验，通过大量的理论分析和仿真试验结果分析制定的电子对抗系统及无源干扰分系统设计定型试验试验大纲，减少了试验用弹量，缩短了试验周期，节约了试验消耗，使试验水平上了新台阶[1]。
将仿真所需的目标舰在海上实际环境中运动的各种参数进行统计、整理，建立目标舰运动模型；对导弹的飞行速度和运动矢量建立方程形成导弹运动模型；对雷达天线波束方向图进行合成，建立末制导雷达角跟踪模型；通过对箔条云、导弹、目标舰三者的运动关系分析，由雷达方程推出质心干扰数学模型；根据有关无源干扰效果试验评定准则建立干扰评价模型。上述模型的有机结合即形成计算机仿真试验的主体。
1 现有质点模型的方法与弊端
1.1 无源干扰原理
舰船自卫中用得最多的是将箔条作为雷达诱饵，以干扰敌攻击机、导弹雷达对舰船的瞄准。实战表明，箔条对飞航式反舰导弹的干扰特别有效，而且更经济、更灵活，已成为现代舰艇广泛采用的电子对抗设备。箔条对飞航式反舰导弹进行干扰的基本原理是，当舰上侦察和探测设备发现导弹的来袭之后，立即由舰上迎着导弹来袭方向发射快速离舰散开的箔条弹，使之和舰船都处于导弹寻的雷达的分辨单元内，从而使导弹跟踪到比舰船回波强得多的箔条云团的回波上。箔条发射后，舰船应立即根据导弹的方向、舰船的航向、航速以及风速、风向等进行快速的机动，以避开导弹对舰船的跟踪。而箔条云团是在导弹和舰船之间，弹上的逻辑系统将首先截获距离近的箔条信号。箔条弹应具有大的雷达截面，能在宽频段内大于被掩护舰艇的雷达截面，例如要掩护中轻型舰艇，箔条弹的雷达截面就应达到数千平方米，甚至一万多平方米。
质心干扰的前提是目标舰已经被敌导弹的末制导雷达跟踪，在舰载雷达侦察告警设备侦收到敌导弹的末制导雷达信号后，自动告警并将此威胁信号自动输送给无源干扰发射控制台。无源干扰控制台根据舰载平台提供的风向、风速、航向、航速和雷达侦察告警设备提供的告警参数确定无源干扰方案，适时控制发射箔条干扰弹，布放箔条云假目标。末制导雷达由跟踪目标舰转而跟踪目标舰和箔条云的能量中心，并逐步过渡到跟踪目标舰或箔条云。跟踪目标舰的结果是该舰被导弹击中，跟踪箔条云则箔条干扰成功。质心干扰仿真试验就是通过计算机技术将上述质心干扰过程在计算机上复现[2-3]。
1.2 现有模型的弊端
在某箔条质心干扰仿真中(如图1所示)，设干扰云等效能量中心位于箔条云团的几何中心。在导弹远距离跟踪时,箔条云的几何宽度小于末制导雷达波束宽度,此时可将箔条云按点目标处理。但随着导弹的飞行,使箔条云与导弹之间的距离缩小,点目标将会逐步变为面目标,此时箔条云的雷达截面(RCS) 就很难确定。为简化模型,计算中仍将干扰云按点目标处理[4]。随着末制导雷达精度的提高，点目标无论如何都不能反映实际情况中雷达分辨单元与箔条云的交互过程。所以,该假定下的任何仿真及其结果都是没有意义的。
图1 质心干扰机理
单纯的箔条质心干扰原理模型仅仅能够描述低分辨力雷达在箔条云完全处于雷达分辨单元内的干扰效果，随着雷达分辨力的提高，箔条云体积的增加，基于质心干扰原理的模型并不能完全反映箔条云与雷达之间动态交互的过程，以及自然环境(主要是风向、风速等)对干扰效果的影响。
2 高分辨力下的箔条质心干扰
将雷达分辨单元引入到箔条质心干扰的原理图中，如图2所示。通过精确描述导弹末制导雷达分辨单元与箔条云之间随着风向、风速动态变化的几何关系，分析说明处于雷达分辨单元内的箔条云与舰船对末制导雷达的共同作用，定量地分析对反舰导弹的干扰效果。
图2 带有雷达分辨单元的质心干扰机理
2.1 箔条云雷达截面数学模型
箔条弹投放后形成箔条云，箔条云形成后，总雷达截面可表示为：由于箔条云中信号衰减，位于箔条云中的箔条不能接收同一位置上的独立箔条所能接收的信号能量[4]。因此云中箔条呈现的RCS小于独立箔条RCS，如果箔条云的表面和箔条云内深度x之间的所有箔条的贡献被计算的话，则可以证明雷达照射箔条云的每单位面积总的RCS为:
σa(x)=1-exp(-neσ0x)
(1)
式中:σa(x)为箔条云到深度x的每单位面积达到的截面；ne为每单位体积内的有效箔条数。
当neσ0x为大时，箔条云或者很密或者很厚，σa(x)趋于1，而箔条云的RCS非常接近于雷达照射的投影面积。对于小的neσ0x值(箔条充分散开),则：
σa(x)≈neσ0x
(2)
乘积nex表示具有单位横截面积和单位长度为x的体积中有效箔条的总数。在设计箔条中，有效箔条RCS是按有意义的雷达分辨单元(RRC)包含的RCS。如果箔条云大于RRC体积，则：
σ=Aθø[1-exp(-neσ0l)]
(3)
与有意义的RCS有关的雷达波束横截面积(水平波束宽度为f(θ)，垂直波束宽度为f(φ))；而l为平行于天线轴的RRC的长度。
如果箔条云小于RRC，则：
σ=Ac[1-exp(-neσ0l)]
(4)
式中：Ac为垂直于天线轴的箔条云投影面积。
其中箔条云的质心为体积的中心[4]。
2.2 反舰导弹模型
反舰导弹仿真模型主要是指与导弹相关的雷达导引头模型,弹体运动学、动力学模型和制导控制系统模型[5]。其基本框架如图3所示。
图3 导弹模型基本框架
雷达导引头主要用于实现导弹对目标的自动搜索、捕捉和跟踪，向导弹的引导系统输出角度、距离和多普勒信息。虽然有时候(例如采用比例引导时)距离和多普勒信息是冗余的，但先进导引技术需要距离或多普勒(距离变化率)信息。
根据导引头获得的目标运动参数，引导系统以某种引导方法规划导弹导向目标的导弹质心运动轨迹，并根据导弹自身状态，解算出导弹飞行过程中速度矢量的变化，包括速度的切向变化和法向变化。导弹的导引系统并不是瞬时对目标参数作出响应的，而是由有限长的响应时间控制整个过程，称为引导时间常数，它是影响脱靶距离的主要参数。所以这里将引导时间常数作为引导系统的内部输入变量。
控制系统模型接收来自导弹的空间位置、姿态信息(x,y,z;φ,υ,γ)和引导系统的控制信息，解算出舵偏角δf、δh、δq。
弹体运动模型接收导弹控制信息(主要是俯仰、航向和倾斜3个通道的舵偏角δf、δh、δq)，与导弹初始参数共同作用，进行导弹空间位置和相关姿态的数据解算。
2.3 无源干扰交互模型
箔条云交互关系模型：描述箔条云与末制导雷达分辨单元之间的几何关系，如图4所示。同理，舰船与雷达分辨单元的几何关系图也同样考虑。这样，舰船模型必须考虑下列要素：舰船的长度、宽度以及箔条弹发射装置的位置等。 舰船、箔条云与末制导雷达分辨单元的动态变化关系如图5所示，说明了箔条干扰的详细过程。
图4 箔条云与雷达分辨单元几何关系图
图5 雷达分辨单元中的舰船、箔条云
通过精确描述导弹末制导雷达分辨单元与箔条云之间随着风向、风速动态变化的几何关系，分析说明处于雷达分辨单元内的箔条云与舰船对末制导雷达的共同作用，从而能够定量地分析对反舰导弹的干扰效果。
图6 雷达分辨单元中舰船、箔条云的关系
从图6可以看出,要使舰船先逃逸出雷达的分辨单元,弹载雷达对箔条云进行跟踪, 就必须满足d>e(即舰船RCS 小于箔条RCS), 继而保证当舰船、导弹、箔条云之间达到临界关系时, 舰船可以先出雷达分辨单元。
在以d>e为条件的前提下,当g
2.4 效果评估模型
因为很多导弹都具有近炸引信，所以干扰效果的评估模型需要将导弹与舰船之间的最小距离作为干扰效果评估的主要指标。如果该最小距离大于导弹的威力范围，则可以认为干扰成功；否则失败。
3 特点分析
与现有质点模型相比，高分辨力下的箔条云质心干扰模型具有下列特点和优势：(1)分析箔条云、舰船与雷达分辨单元的几何关系，更加细致地描述它们之间的交互过程和动态变化;(2)基于箔条云、舰船与雷达分辨单元的相互作用，评估箔条云对末制导雷达的干扰效果。
4 结束语
对于模型，当前对电子战(EW)的认识不足可能会局限EW模型的研究。模型能力的透彻理解，以及对这些模型的单个能力怎么结合成系统能力的理解，是完成系统目的的关键。
对于试验和评估，现有评估问题的关键并不在于对数据的处理和评估，而在于对试验评估过程的认识不足。应该认识到：虽然评估通常滞后于试验，但应进行各种努力减少这种滞后。试验活动前缺乏评估分析必然使得试验评估活动面临种种问题。美国国防部的文献中突出强调了试验前评估分析的作用。试验前分析用来预测可能发生的各种情况下的试验结果，并预测它们对于系统性能的价值。试验前分析也用来决定试验条件和试验顺序。
[1] 王雪松.现代雷达电子战系统建模与仿真[M].北京：电子工业出版社，2010.
[2] 陈静.雷达箔条干扰原理[M].北京：国防工业出版社，2007.
[3] 陈静.雷达无源干扰原理[M].北京：国防工业出版社，2009.
[4] 高东华.箔条质心干扰发射机动决策仿真研究[J].舰船科学技术,2003，25(5)：63.
[5] 雷虎民.导弹制导与控制原理[M].北京：国防工业出版社，2009.
Chaff Cloud Centroid Jamming Model under High Resolution Condition
SHANG Le
(Unit 91404 of PLA,Qinhuangdao 066001,China)
Improvement of radar target identification capability is the main challenge to present and future radar jamming.This paper describes the geometric relation between resolution element of missile terminal guidance radar and chaff cloud with the dynamic variation of wind direction and wind speed,expatiates the common action of chaff cloud and ship to terminal guidance radar in radar resolution element,quantitatively analyzes the jamming effect to anti-ship missile.The research can be used for the chaff jamming test,training and effect evaluation in tactics research.
chaff cloud;terminal guidance radar;centroid jamming;target identification
2014-11-10
TN972.41
A
CN32-1413(2015)04-0085-04
10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.04.022
