基于隐身飞机支援干扰的雷达效能评估

刘占强，梁路江，王春阳，杨进帅

(空军工程大学防空反导学院，陕西 西安 710051)

基于隐身飞机支援干扰的雷达效能评估

刘占强，梁路江，王春阳，杨进帅

(空军工程大学防空反导学院，陕西西安710051)

针对现有评估方法没有考虑隐身性能与电子战能力有效结合对雷达探测效能影响的问题，提出了基于隐身飞机支援干扰的雷达效能评估方法。该方法利用平滑处理的全空域静态RCS值，结合雷达探测距离公式，仿真得到了隐身飞机全空域的雷达探测范围。然后分别以雷达最大和最小探测距离作为飞机的支援干扰距离，并在设置普通干扰机的干扰距离后，比较分析了三种干扰情况下雷达探测范围的变化 。最后定义干扰压制率，对支援干扰的压制有效性进行了量化分析。仿真分析表明，隐身飞机支援干扰战术灵活，能够有效压制雷达探测距离，为目标机提供掩护区域，实现安全突防。

隐身飞机；雷达效能；支援干扰；探测范围

0 引言

隐身飞机独特的隐身优势使其成为空地对抗中的主战装备，且用途多变、战术灵活。目前，研究电子战飞机支援干扰对雷达探测效能的影响，主要以普通干扰机为对象，通过建立支援干扰模型，仿真计算雷达被干扰压制的探测范围以评估雷达的探测性能[1-4]。但这仅是设定普通干扰机的干扰参数所展开的研究，缺乏考虑电子战飞机本身的作战性能，尤其是隐身飞机独特的隐身性能与电子战能力相结合的综合提升效果。

美军在充分考虑到电子战的实战化需求后，准备在F-22和F-35加载电子干扰设备，将其改装成具备先进电子战能力的复合性战机。但国内外尚未对隐身飞机的电子战能力进行系统的评估和详细的研究。文献[5-6]仅考虑了不同干扰条件(高度、角度)下，雷达探测效能的具体下降程度，尚未建立隐身飞机支援干扰的概念；文献[7]发现有效配置干扰机位置能够改善飞机的支援干扰性能，并对雷达的探测效能进行较为客观的评估；文献[8]基于检测概率模型，为雷达在支援干扰状态下组网融合准则的选取提供了参考。

上述研究均不是基于隐身飞机展开的，且没有考虑隐身性能与电子战能力有效结合对雷达探测效能的影响，以及支援干扰中，干扰与抗干扰的具体实施过程[9-10]。本文针对此问题，提出了基于隐身飞机支援干扰的雷达效能评估方法。

1 隐身飞机支援干扰原理

1.1 支援干扰原理

支援干扰[10]是为掩护己方目标作战，携带雷达干扰设备的电子战飞机对敌方雷达进行干扰的作战方式，目的在于掩护作战任务、保障有效兵力。根据掩护战术方式的不同，分为远距离(SOJ)、近距离(SFJ)和随队式支援干扰(ESJ)。

为准确对准雷达探测方向，实施有效干扰压制，电子战飞机装载电子支援接收机，主要依据雷达的发射信号特征判断具体的位置和参数。且支援式干扰机干扰功率大、压制频带宽，主要从雷达天线旁瓣对准干扰，使雷达无法分辨目标回波信号，达到欺骗目的。并在宽频带内形成掩护安全区域，拓展己方目标作战空间。支援式干扰机具备以下条件：1)干扰飞机规避机动能力强，能够在雷达的探测区域之外占据有利位置实施有效干扰；2)干扰飞机能够装载大功率电子干扰设备，在宽频带范围内实施有效压制；3)干扰飞机必须确保自身安全的前提下进行战术掩护，作战范围与目标特性紧密相关。

1.2 隐身飞机支援干扰优势

隐身飞机在空战中通常用作歼击机使用，在战术上也可当作干扰机使用。隐身飞机(如F-22和F-35)内部装载有干扰源，其优越的隐身性能使地面雷达的探测范围大幅度缩减，作为支援干扰具有战术上的灵活性。隐身飞机支援干扰的优势在于：一是极强的隐身性能使其具有低可探测性，雷达作用距离大幅度缩减，很难被搜索发现；二是良好的机动性能使其具有低空突防能力，雷达在有效时间内难以准确捕捉；三是相对普通干扰机而言，作为支援干扰的隐身飞机，作战空间将大幅度增加。

隐身飞机支援干扰过程如图1模拟，被掩护飞机(目标机)带有重要的作战任务，雷达主瓣对准目标机进行搜索探测，两者之间的距离为RT。隐身飞机干扰设备的主瓣对准雷达的旁瓣方向实施干扰以掩护目标机成功突防作战，此时雷达与隐身飞机的空间距离为RJ。以地面雷达为坐标原点，隐身飞机与被掩护战机(目标机)的空间夹角为θ，即为隐身飞机偏离雷达主瓣方向的夹角。

图1 隐身飞机支援干扰Fig.1 Support-jamming of Stealth Aircraft

2 支援干扰压制模型

隐身飞机的RCS是姿态角的敏感函数，不同角度对应不同的RCS值，因而雷达在各个方向探测飞机的距离并不是固定范围。隐身飞机的最大RCS值和最小RCS值分别对应雷达的最大作用距离和最小发现距离。为此，研究隐身飞机不同作用距离处实施支援干扰对雷达探测性能的影响，需要获取飞机的静态RCS数据库。

2.1 平滑处理的RCS

获取国外某型隐身飞机的静态RCS数据库。需将隐身飞机的缩比模型导入电磁计算软件(FEKO)，设置极化方式：水平极化，C波段：5.8 GHz，隐身飞机(图1所示)俯仰角(-90°～90°)，方位角(0°～360°)计算得到了全空域的静RCS数据。

微小的角度变化能够引起隐身飞机RCS较大幅度的起伏，为便于研究隐身飞机支援干扰的情况，减少RCS剧烈起伏所带来的影响，对得到的RCS数据进行平滑处理。采用±5°窗口的滑窗进行平滑，且方位角和俯仰角同步进行，窗口设置为10°×10°。

2.2 无干扰条件下的雷达探测范围

对于已知雷达散射截面积σ的目标，在无干扰条件下雷达的最大探测距离[3]可以表示为：

(1)

分析式(1)，雷达对目标的最大探测距离与雷达体制、电磁传播和目标特性等密不可分。

雷达能否检测到目标是由检测门限决定的，检测门限的设定很大程度上依据信噪比的计算，即目标信号强度与雷达系统噪声共同影响雷达的检测体制。对于雷达而言，发射功率大，系统噪声小，目标信号强，传播损失少，信噪比有效改善，雷达的探测性能自然提高。当存在支援干扰时，干扰机与雷达距离越近，干扰效果越好，信噪比显著下降，形成有效的干扰压制区，雷达探测范围缩减，性能降低。

2.3 干扰条件下的雷达探测范围

支援干扰的目的在于确保干扰飞机安全的前提下，实施大功率噪声干扰，形成干扰压制区，提供空中安全走廊，保护己方目标。在支援干扰中，干扰压制区是雷达无法探测到目标的空间，一般要求发现概率pd<0.1。压制区是雷达探测区域的一部分，在干扰区内，干扰功率与目标回波信号的功率比超过压制系数Kj；在干扰区边界上，干信比则等于压制系数。依据雷达的干扰方程能够得到压制区的压制范围和空间形状。

雷达接收到的目标回波信号功率[9]为：

(2)

式(2)中，RT是雷达对被掩护战机的探测距离；L是总的雷达系统损耗，与雷达体制有关。

单部干扰机主瓣对准雷达旁瓣实施噪声干扰时，进入雷达接收机的干扰功率[9]为：

(3)

(4)

式(4)中，Gr为雷达主瓣的接收天线增益；θ0.5为雷达主瓣宽度；K是与雷达天线特性有关的常数，一般取K=0.04～0.1；Rj为干扰机与雷达的空间距离；Δfr为雷达接收带宽；γj为干扰信号相对雷达天线的极化损失，一般取γj=0.5；Δfj为干扰信号带宽。

结合式(2)和式(3)，进入雷达接收机的目标信号和干扰信号的功率之比为：

(5)

(6)

3 仿真分析

利用平滑处理的RCS数据，在Matlab平台上仿真得到了隐身飞机RCS在俯仰角和方位角上的起伏变化如图2所示。

图2 平滑处理的静态RCSFig.2 Smooth processing static RCS

分析图2可知，经过平滑处理的RCS起伏程度缩减至25 dB左右，且方位角0～15°、345°～360°及对应俯仰角-5°～5°是飞机在鼻锥方向的强隐身区，RCS平均分布在0.01 m2左右。显然，RCS经过平滑处理起伏变化程度降低，为研究雷达对隐身飞机支援干扰时的探测范围奠定基础。

3.1 雷达作用距离范围

隐身飞机以不同姿态对雷达进行支援干扰时，雷达对隐身飞机的最大探测距离与此时姿态角所对应的RCS值有关，但是必须保证飞机足够安全(在雷达探测区域之外)的前提下才能进行干扰。为此，需要研究某型普通体制雷达对隐身飞机全空域的探测范围，以进一步确定飞机释放干扰的位置。

1)雷达对隐身飞机的探测距离

普通雷达体制参数设置如下：

结合式(1)，仿真得到了隐身飞机不同姿态角对应的雷达探测范围变化，见图3。

图3 不同姿态角的探测距离Fig.3 Detection range of different attitude angles

图3中，雷达在各个姿态角所对应的探测距离与隐身飞机的RCS起伏变化是完全一致的。其中，雷达对隐身飞机的最大探测距离是26.6 km，所对应的目标RCS是-6.080 9 dBsm；最小探测距离在11.7 km处，对应的目标RCS是-20.349 6 dBsm。即隐身飞机在距离雷达26.6 km以上的空间飞行是绝对安全的，雷达探测不到；在11.7～26.6 km的距离空间飞行，面临被发现的危险；在11.7 km以内飞行作战，会被雷达探测到。

2)雷达对目标机的探测范围

被掩护战机的RCS是10m2，依据式(1)可以得到雷达对目标机的探测范围，如图4所示。

图4 目标机的雷达探测范围Fig.4 Radar detection range of target

图4中，被掩护战机的RCS在各个角度均视为10 m2。因此，各个角度的最大作用距离范围均是67.130 9 km。

3.2 干扰条件下雷达探测距离仿真分析

为研究隐身飞机支援干扰的独特优势，分别比较普通干扰机、雷达探测隐身飞机的最大距离和最小距离时，实施支援干扰的压制效果。对于载有干扰设备的隐身飞机，干扰设备的具体参数为：

依据式(6)，结合干扰机参数，分别计算普通干扰机、隐身飞机最大距离和最小距离时的干扰压制范围。

1)普通干扰机压制范围

对于载有干扰设备的支援式电子战飞机，通常情况下，目标RCS较强，易被雷达探测到。为掩护目标机作战，通常在雷达探测范围之外实施干扰。鉴于雷达对被掩护战机的最大探测距离在67.13 km以上，选取距离雷达RJ=100 km为普通干扰机的干扰距离，并仿真得到了普通干扰机干扰前后，雷达作用距离范围在全方位的变化情况如图5所示。

图5 普通干扰机的干扰压制范围Fig.5 Jamming suppression scope of ordinary jammer

图5中，普通干扰机进行支援干扰后，雷达在各个方位的作用距离缩减至40 km以内。干扰机在雷达方位角0°的方向能够准确对准，干扰压制效果最好，且干扰机与目标机的角度θ越小，被掩护战机的可活动区域也将越大，安全性也越高。

2)隐身飞机最大距离压制范围(-6.080 9 dBsm)

结合图2和图3，能够获得雷达对隐身飞机的最大作用距离为R=26.601 km，进行干扰压制范围仿真，结果如图6所示。

图6 最大作用距离的干扰压制范围Fig.6 Jamming suppression scope of the maximum operation range

图6中，隐身飞机在雷达最大作用距离处实施干扰前后，雷达对目标的探测距离缩减至20 km以内，较普通干扰机有着更加明显的干扰压制效果。且在0°方位上的干扰压制效果最好。

3)隐身飞机最小距离压制范围(-20.349 6 dBsm)

雷达对隐身飞机的最小作用距离为R=11.7 km，即隐身飞机在该情况下的姿态角所对应的RCS值是最小的，此时雷达对隐身飞机的探测距离达到最低。且在11.7～26.6 km的作战范围内，隐身飞机尚未脱离危险区，在该区域实施支援式干扰的隐身飞机本身存在被发现的可能性。通常情况下，不建议隐身飞机在该区域冒险，但是良好的突防能力是隐身飞机的生存优势，且在隐身飞机最小作用距离处实施支援干扰的效果是最好的，见图7。

图7 最小距离的干扰压制范围Fig.7 Jamming suppression scope of the minimum detection range

图7所示，隐身飞机在雷达最小距离处实施干扰前后，雷达对目标的探测距离缩减至15 km以内，压制效果是最好的。

3.3 压制范围与压制率

为有效评估隐身飞机支援干扰对雷达探测性能的影响，对隐身飞机的压制范围和压制率进行分析。压制范围是指隐身飞机支援干扰前后，探测距离范围的缩减程度；压制率则是对压制范围的量化分析。

1)隐身飞机干扰有效性分析

图8所示是隐身飞机分别在最大距离和最小距离处的干扰压制效果图。

图8 隐身飞机干扰压制效果Fig.8 Jamming suppression effect of stealth aircraft

图8中，雷达探测隐身飞机的最大作用距离认为是飞机的安全飞行边界线，最小探测距离则是危险飞行边界线。隐身飞机在安全边界线以外飞行作战，实施支援干扰是绝对安全的，雷达探测不到目标；在安全边界线以内、危险边界线以外进行支援干扰时，一旦释放干扰的飞行姿态与所处空间位置不匹配时，将面临威胁。因此，在该区域进行支援干扰意味着风险与成功并存。

2)压制率评估

普通干扰机的干扰距离、隐身飞机最大距离和最小距离处的压制效果可以用压制率表示，定义压制率η为：

(7)

式(7)中，压制率是雷达全方位的压制有效性分析。每个方位对应不同的压制率，仿真结果如图9所示。

分析图9可得以下结论：

1)隐身飞机支援干扰比普通干扰机的干扰压制效果明显，干扰压制率至少在70%以上；而普通干扰机因其目标特性较差，易被雷达发现的限制，支援干扰的干扰压制率在50%以下。

2)干扰有效压制范围与干扰机的干扰距离有关，干扰机与雷达的距离越近，干扰压制率越高，压制效果越明显。

3)干扰机天线主瓣对准雷达天线主瓣时，即偏角θ=0°时，干扰效果最好。

图9 不同干扰模式下的压制率Fig.9 Jamming suppression ratio under different jamming modes

4 结论

本文提出了基于隐身飞机支援干扰的雷达效能评估方法。该方法主要从隐身飞机的低可探测性和强突防性能出发，通过获取平滑处理的静态RCS值，结合雷达距离公式，在得到隐身飞机的最大雷达探测距离和最小雷达发现距离后，与普通干扰机相比较，对三种干扰情况下的雷达探测距离进行了仿真分析，最后对雷达进行了干扰有效性分析和干扰

压制率求解。分析结果表明，隐身飞机支援干扰作战的时间和空间较普通干扰机灵活，能够有效干扰压制雷达的探测距离，进而为目标机提供掩护区域，实现安全突防，同时为作战双方积累电子战经验提供了一定参考。

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RadarEfficiencyEvaluationofStealthAircraftSupport-Jamming

LIU Zhanqiang, LIANG Lujiang, WANG Chunyang, YANG Jinshuai

(Air and Missile Defense College, AFEU, Xi’an 710051, China)

Aiming at the problem that the existing evaluation methods of radar detection performance without considering and combining the stealth performance and ability of electronic warfare, a method based on support-jamming of stealth aircraft was proposed. Radar detection coverage to stealth aircraft in the whole airspace was simulated by using smooth processing static RCS of stealth aircraft and radar distance formula. Then the maximum operation range and minimum detection range of radar were selected acting as jamming range of stealth aircraft, and the variation of radar detection coverage was compared and analyzed after setting jamming range of ordinary jammer. Support-jamming effectiveness was analyzed quantitatively by defining jamming suppression ratio. The simulation results show that support-jamming of stealth aircraft would have prominent jamming tactics, reduce radar detection range evidently, and provide covering area to finish safe penetration for target aircraft.

stealth aircraft; radar efficacy; support-jamming; detection coverage

2017-03-05

:刘占强(1992—)，男，甘肃武威人，硕士研究生，研究方向：隐身目标抗干扰问题的研究。E-mail:15594999820@qq.com。

TN972

：A

：1008-1194(2017)04-0077-06