基于扩展目标的单脉冲多普勒雷达导引头相干干扰

莫翠琼 戴幻尧 陈秋菊 王正 赵晶

(1.电子工程学院,合肥 230037;2.中国洛阳电子装备试验中心,洛阳 471003;3.中国人民解放军95868部队,北京 100076)



基于扩展目标的单脉冲多普勒雷达导引头相干干扰

莫翠琼1戴幻尧2陈秋菊1王正1赵晶3

(1.电子工程学院,合肥 230037;2.中国洛阳电子装备试验中心,洛阳 471003;3.中国人民解放军95868部队,北京 100076)

传统两点源相干干扰是基于质点模型产生与回波相位相干的干扰信号,相应地用于验证干扰效果的导引头仿真平台往往仅进行功能级仿真. 然而,当被掩护目标为扩展目标时,利用质点模型无法产生与目标回波相干的信号导致干扰效果下降. 针对该问题,研究了基于扩展目标的相干干扰新方法,基于被掩护目标电磁散射特性将入射信号与同频点相应姿态角下的目标散射函数进行卷积,充分保留目标特性对信号相位的调制信息,从而产生与扩展目标回波具有稳定相位关系的干扰信号. 设计了脉冲多普勒(Pulse Doppler,PD)雷达导引头相干视频仿真模型及六自由度弹道模型,以完成精确的闭环仿真试验评估. 试验结果表明,通过目标距离像特性近似目标散射函数来生成PD导引头相干干扰信号时,角度诱偏效果相比传统干扰大幅度提高,方位、俯仰的框架误差角可达到十度的量级.

相干干扰;PD导引头;一维距离像;相干视频仿真

DOI 10.13443/j.cjors.2015110901

引 言

相干两点源干扰[1-2],是针对单脉冲多普勒(Pulse Doppler,PD)雷达导引头实施干扰的传统方法. 即在目标外布设干扰源,接收到敌方雷达信号后直接进行射频存储,然后调制为与点目标回波有恒定相位关系及相近幅度的信号[3-4]. 对相对于雷达分辨率为小尺寸的目标,依据这种方法产生的相干干扰可以取得较好效果. 但在实际作战中,舰船这类相对于雷达分辨率为大尺寸的目标,其回波相位不仅受传播路径影响,还将受目标自身复杂的散射特性调制. 此时,目标上搭载的电子支援设备(Electronic Support Measures,ESM)如简单按质点模型产生干扰,将无法与回波相干. 针对这一问题,本文研究了基于扩展目标的相干干扰技术. 以被掩护目标的电磁散射特性获取为前提,将入射信号与相应姿态角下的目标一维高分辨距离像进行卷积,从而保留目标散射特性对信号相位的影响,在此基础上产生与扩展目标回波具有稳定相位关系的干扰信号. 相应地,在传统方法中,用于验证干扰效果的雷达导引头仿真平台往往进行功能级仿真[5-6],不会再现雷达信号的相干处理全过程. 本文设计了PD雷达导引头相干视频信号级仿真模型及六自由度弹道模型,采用精确的闭环仿真平台验证干扰效果;干扰效果验证实验表明,与基于质点模型的相干干扰相比,基于扩展目标的相干干扰技术具有更好的诱偏效果.

1 相干两点源干扰基本原理

相干两点源是在导弹导引头的跟踪波束内,于目标附近设置干扰源,且干扰源的干扰信号到达导引头雷达接收机时与回波信号有稳定的相位关系(即相位相干). 相干两点源干扰原理如图1所示[7].

假设两点源AB与P点相垂直时,A和B辐射到P的信号无波程差,如果倾斜一个Ψ角时则产生波程差,即相位不一致,该误差则为

(1)

式中: θ′为两点源产生的相干干扰所引起的雷达定位误差; a为两点源信号幅度比; Ψ为两点源的连线与雷达的垂线夹角.

图1 相干两点源干扰原理

根据式(1),相干干扰可以在雷达天线口面形成信号相位波前畸变,导致雷达产生错误跟踪,相干两点源干扰单脉冲雷达在理论上是可行的,其指向角偏向与干扰信号和回波信号的相位差及幅度比等因素有关. 但实际上,当雷达入射波具有一定带宽时,对舰船这类扩展目标,其回波是雷达发射信号经过目标复杂的散射函数调制后的结果,其到达天线口面时的信号相位很难与基于质点模型产生的点源相干干扰信号保持稳定关系.

2 基于扩展目标的相干干扰技术

舰船目标尺寸常达几十米甚至百米以上,当导引头入射信号具有一定带宽时,舰船目标回波相位将受到散射函数调制. 相应地,干扰机侦测到导引头的入射信号时,须先与目标散射函数进行匹配处理,以保留散射函数对相位的影响. 但实际中目标散射函数影响因素众多,如目标本身的结构、雷达载频、波束等,一般很难得到. 理论计算和实验测量证明[8],在高频区,目标总的电磁散射可认为是某些局部位置上电磁散射的合成,这些局部的散射源即多散射中心.对雷达导引头而言,若为单脉冲角跟踪体

制,天线波束中心始终对准目标或在目标附近,因此在远距离下,目标方向的天线增益可以近似认为恒定. 在这种情况下,如果给定工作频率及姿态角,可以利用目标一维距离像来描述与仿真目标径向上的散射点分布[9].

2.1 标一维高分辨距离像模板库

本文以目标三维CAD模型为基础,利用电磁计算软件FEKO建立全姿态角一维距离像模板库[10]. 图2分别为两类舰船三维CAD模型示意图,其中图2(a)为某补给舰模型,图2(b)为具有一定隐身功能的舰船模型.图3(a)为图2(a)中模型在1.00°姿态角下的一维距离像，图3(b)为图2(b)中模型在1.00°姿态角下的一维距离像.

(a) 某补给舰船模型 (b) 具有一定隐身功能的某舰船模型图2 目标三维CAD模型

(a) 某补给舰一维距离像 (b) 具有一定隐身功能的某舰一维距离像图3 某目标1.00°姿态角下的一维距离像(带宽140 MHz,频率17.4 Hz)

图4 基于扩展目标的单脉冲多普勒导引头相干干扰生成流程

在每个姿态角下宽带信号对目标进行照射,利用FEKO算得该频域内不同频点的目标响应,然后通过逆快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)可以获得该姿态角下的一维距离像.

2.2 相干干扰信号生成流程

为完整产生相干干扰信号,需要多种因素配合,主要包括:目标散射特性特征:即全姿态角距离像的提取和建模,以用于卷积运算;舰载ESM系统侦察到PD导引头的入射信号,以用于信号重构;卷积操作,将重构出的PD导引头辐射信号与目标距离像模板进行卷积,以保证干扰信号也能体现舰船目标散射特性;卷积操作完成后,为达到相干干扰的效果,还需要附加相移、频移,按照式(1)中的指向角误差计算公式来选取附加相移、时延等参数.图4给出了基于扩展目标的单脉冲多普勒导引头相干干扰执行流程.

3 干扰对抗仿真实验

在单脉冲多普勒雷达导引头相干视频仿真与六自由度弹道解算平台的基础上,本文分别选择了无干扰条件下的理想场景、基于质点模型的相干干扰场景及基于扩展目标的相干干扰场景等进行干扰对抗试验,每种场景进行同一初始条件下100次蒙特卡洛实验,其结果进行统计后取均值,以比对参照分析.

在相干视频闭环弹道仿真中,导弹在发射坐标系内的初始位置(0,200 m,-400 m),初始速度矢量为(400 m/s,0,0),初始航向角、俯仰角和滚动角均为0,加速度矢量为(0,0,0),角速度矢量为(0,0,0). 目标在发射系内的目标初始位置为(7 000 m,0,0);目标舰船长度150 m,角闪烁系数取为0.35. 弹体滚动、方位、俯仰通道的转动惯量分别为56.7, 3 996, 3 983 kg·m2,初始质量为1 030 kg,推力为6 350 N,制导律计算环节中的滞后时间常数为0.2 s,自动驾驶仪环节中的滞后时间常数为0.03 s,比例导引系数5.0,弹道解算积分步长1 ms. 雷达导引头的平均发射功率350 W,工作载波频率15.8 GHz,脉冲宽度2.0 μs,发射综合损耗1.8 dB,接收综合损耗3.2 dB,大气传输综合损耗值1.0 dB,最大工作距离35 km,接收机热噪声系数6.8 dB;导引头采用HPRF波形(准连续波波形),重频为320 kHz,相参处理子脉冲数为512,接收机中频频率2 MHz,系统采样频率10 MHz,工作帧周期40 ms,其中循环探测时间为32 ms,共分为四个子周期,每个周期时长8 ms,在每个子周期内要完成512个相干视频采样值的选取(即A/D采样速率为64 kHz).

3.1 基于质点模型的相干干扰对抗试验仿真

试验场景考虑基于质点模型的相干干扰的相关参数,如表1所示,从而构建典型的点源相干干扰对抗试验场景.

表1 基于质点模型的相干干扰

实验结果如下:最终的脱靶量为78.8 m. 图5为基于质点模型的相干干扰下的三维攻防对抗态势图.

图5 基于质点模型的相干干扰下三维攻防对抗态势

图6给出了基于质点模型的相干干扰下下的导引头方位、俯仰框架误差角提取曲线测量值与真实值之间的比对.通过以上两图看出,当采用基于质点模型的相干干扰时,具有一定的干扰效果. 但从脱靶量与目标尺寸的比较来看,在基于质点模型的相干干扰情况下,仍有可能对目标造成毁伤.

(a) 方位框架误差角提取曲线

(b) 俯仰框架误差角提取曲线图6 基于质点模型的相干干扰下的导引头框架误差角提取曲线

图7 基于扩展目标的相干干扰下的三维攻防对抗态势图

3.2 基于扩展目标的相干干扰试验结果分析

试验场景设置以无干扰条件下工作场景设置为基础,干扰相关参数与点源相干干扰条件下完全相同,不同之处仅在于干扰信号生成流程按照基于扩展目标的相干干扰信号生成流程执行. 图7为基于扩展目标的相干干扰下的三维攻防对抗态势图，相干干扰的脱靶量为143.5 m.图8给出了基于扩展目标的相干干扰下的导引头方位、俯仰框架误差角提取曲线测量值与真实值之间的对比.

(a) 方位框架误差角提取曲线

(b) 俯仰框架误差角提取曲线图8 基于扩展目标的相干干扰下的导引头框架误差角提取曲线

从脱靶量结果可看出,当通过目标距离像特性近似目标散射函数来生成PD导引头相干干扰信号时,诱骗效果比基于质点模型的相干干扰有一定提高,当开始实施干扰后,方位、俯仰的框架误差角出现震荡. 从脱靶量与目标尺寸的比较来看,在基于扩展目标的相干干扰情况下,导弹命中点能够被有效诱骗至目标尺寸之外.

4 结 论

从仿真实验中可看出,当通过目标一维距离像近似目标散射函数来生成PD导引头相干干扰信号,能够达到较好的诱骗效果,具体的诱骗距离与相干干扰参数设置均密切相关,可借助PD导引头相干视频仿真与六自由度弹道解算平台的基础上进行多次闭环仿真,以便定量分析各干扰参数对导引头的影响效应,为实际作战提供依据与指导. 实际作战中,受系统精度和导弹-目标-干扰机平台位置关系等各种误差源因素影响,形成精确的相干干扰信号非常困难. 今后,将进一步研究时间同步及相位控制技术以及误差对相干干扰效果的影响.

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莫翠琼 (1964-),女,安徽人,教授,硕士生导师,研究方向为雷达对抗与雷达信号处理.

戴幻尧 (1982-),男,吉林人,博士,助理研究员,研究方向为雷达极化技术与新型电子攻击技术.

陈秋菊 (1982-),女,博士,现为电子工程学院讲师,目前研究方向为雷达对抗与雷达信号处理.

The coherent jamming approach based on extended target of monopulse PD seeker

MO Cuiqiong1DAI Huanyao2CHEN Qiuju1WANG Zheng1ZHAO Jing3

(1.ElectronicEngineeringInstitution,Hefei230037,China; 2.LuoyangElectronicEquipmentTestingCenter,Luoyang471003,China; 3.Unit95868ofPLA,Beijing100076,China)

The current research on coherent jamming of mono-pulse pulse Doppler(PD) seeker focuses on coherent dual point-sources jamming, which is based on the particle model to produce jamming signal. Accordingly, the simulation system to verify jamming efficiency is simplified to functional simulation. However, when the target under protection is an extended one, the jamming method based on particle model is invalidated. To solve this problem, a novel coherent jamming method based on extended target model is proposed. According to the 3D CAD model of ship targets, the high resolution range profile (HRRP) templates at full azimuth angles are calculated. The jamming signals coherent with echoes are by convolution HRRP templates to radar transmitted signals, which fully preserves target property modulation information on signal phase. In order to evaluate the effect, the PD seeker is discussed in six degree of freedom trajectory simulation of the closed loop (PDRS) for coherent video signal level. Experiment result shows that the proposed method has better angle deception jamming effect which produces the jamming signal by using target range profile to approximate target scattering function. The azimuth and elevation frame angle error can reach up to about ten degree level.

coherent jamming; PD seeker; target scattering characteristics; coherent video simulation

10.13443/j.cjors.2015110901

2015-11-09

国家自然科学基金(No.61301236)

TN 95

A

1005-0388(2016)04-0731-06

莫翠琼, 戴幻尧, 陈秋菊, 等. 基于扩展目标的单脉冲多普勒雷达导引头相干干扰[J]. 电波科学学报,2016,31(4):731-736.

MO C Q, DAI H Y,CHEN Q J, et al. The coherent jamming approach based on extended target of monopulse PD seeker[J]. Chinese journal of radio science,2016,31(4):731-736. (in Chinese). DOI: 10.13443/j.cjors.2015110901

联系人： 莫翠琼 E-mail: mocuiqiong@sina.com