地面反射干扰抗反辐射导弹技术探索研究*

傅海军，吴冰，薄志华，代琦

(北京电子工程总体研究所，北京 100854)

0 引言

地面反射干扰是一种新型的雷达干扰方式。在干扰实施中，地面反射欺骗干扰机将干扰信号发射到地面，利用地面散射特性，将干扰信号反射到干扰对象方向，进入干扰对象接收机内，从而起到雷达角度欺骗的作用[1]。其主要干扰对象为制导雷达和导弹雷达导引头等。国内外针对地面反射式干扰开展了大量研究。但是目前的研究主要集中在机载干扰机对机载雷达或防空导弹等有效性理论分析方面，有少量研究考虑了具体地形对地面反射干扰效果的影响，未见面向反辐射导引头的地面反射干扰效果研究。文献[2]分析了机载干扰实施地面反射干扰即对映体干扰的原理及影响干扰效果的因素，文献[3]计算了机载对映体干扰的有效作用区域，并给出对映体干扰有效作用区域和干扰效果的影响;文献[4]建立对映体干扰作战过程的模型，并得出了镜面反射和漫反射2种地形特征下的评估模型;文献[5]分析了通过地面反射对目标进行角度欺骗的干扰样式及影响其干扰有效范围和干扰效果的各种因素。但是上述文献仅利用经验公式估计不同地形特征的散射特性及不同地形特征对干扰效能的影响，分析结果不完善;且仅针对机载地面反射干扰，相关研究结论不适用于针对反辐射导弹(anti-radiation missile，ARM)的地面反射式干扰。

因此本文针对被动反辐射导引头，建立一种基于地面反射的诱偏干扰模型，结合实际地形电磁散射特性，通过仿真计算，研究了不同地形条件下地面反射式干扰效果。研究结果可用于地面反射干扰抗空地反辐射导弹技术研究。

1 地面反射干扰原理

地面反射干扰抗反辐射导弹原理是通过发射与被保护雷达信号特征参数(包括工作频率、脉冲宽度、调制形式等)相似的干扰信号，投射到地面上，从而以假乱真，诱偏反辐射导弹偏离真目标，攻击地面反射点或反射点与被保护雷达之间的地面。地面反射干扰的工作原理如图1所示。

当被保护雷达开机后，干扰源装置开机。干扰反射信号与雷达辐射信号同时进入反辐射导弹被动导引头，则导引头测角将发生偏差。为了保证干扰地面反射信号与雷达辐射信号同时进入导引头，需要对有源诱饵和被保护雷达进行同步控制，同步时序关系如图2所示。

Sr(t)表示雷达的脉冲调制信号，Sd(t)表示地面反射干扰的脉冲调制信号，τr表示雷达调制信号的脉冲宽度，τd表示地面反射干扰的脉冲调制信号，Tr表示雷达调制信号的脉冲重复周期，Td表示地面反射干扰调制信号的脉冲重复周期。地面反射干扰与雷达信号的脉冲重复周期相同，且在被动雷达导引头处基本同步，地面反射干扰信号的脉冲宽度比雷达脉冲宽度稍宽，地面反射干扰信号的脉冲在时间上完全覆盖雷达脉冲，被动导引头稳定跟踪地面反射干扰信号与雷达合成电场等相位面的法线方向。反辐射导弹即使采用脉冲前沿跟踪或后沿跟踪，也只能跟踪到诱饵信号，攻击地面反射点。

2 仿真模型

2.1 干扰功率模型

干扰源与地面作用的发射信号，经地面散射，反辐射导引头接收信号，能量传输过程如图3所示[6]。设定虚假能量接收面Ac1垂直于R11。

根据能量守恒，干扰源发射信号到达虚假接收面Ac1的能量与到达地面的能量相等，即

(1)

到达地面的干扰信号功率密度为

(2)

因此反辐射导引头接收干扰源地面反射波的功率密度为

(3)

(4)

式中：Sr1为反辐射导引头接收干扰源地面反射波的功率密度;Pt1为干扰源发射机功率;Gt1为干扰源天线增益;Gr为反辐射导引头天线增益;σc为地面散射面积;λ为雷达波长;R11干扰源天线到地面反射点的距离;R12为地面反射点到反辐射导引头的距离;σ0为地面电磁散射系数；θy和φy为干扰源天线方位和俯仰波束宽度;ψy为干扰源入射角度。

到达反辐射导引头的地面反射干扰信号与雷达旁瓣的功率密度比为

(5)

式中：Er1和Er2分别为地面发射干扰信号电场强度和被保护雷达旁瓣信号电场强度;Pt2为雷达发射功率；Gt2为雷达远区平均旁瓣天线增益；R2为被保护雷达到反辐射导引头的距离。

设定到达反辐射导引头的地面反射干扰信号与雷达旁瓣信号的功率密度比相当，可以得出地面反射干扰源与被保护雷达源的最小发射功率比需求。

2.2 地面电磁散射模型

微粗糙度特性一般描述裸土或沙地地表微粗糙颗粒统计特性，起伏地势特性主要描述地表缓变地势起伏统计特性。因此具有地势起伏的地面，可描述为微粗糙面与缓变起伏地势粗糙面叠加。

对于微粗糙度特性，采用指数功率谱模型[7]描述：

(6)

对于起伏地势特性，采用高斯谱模型[8]描述：

(7)

式中：δh为粗糙面均方根高度，表征粗糙面起伏深度;lx和ly分别为粗糙面x和y方向的相关长度，表征粗糙面起伏频繁度;kx和ky分别为x和y方向的辐射波数。

利用功率谱函数，采用蒙特卡罗方法，在频域用功率谱对其进行滤波，再作逆快速傅里叶变换得到粗糙面的高度起伏;根据小斜率近似理论中散射振幅的不变性可以得到地表全空域电磁散射特性[9-10]。通过实验，校验地面介电常数、均方根值、相关长度等地面粗糙面描述参数;利用电磁散射近似计算，给出全空域电磁散射方向图，建立适用于地面反射干扰仿真的地面电磁散射模型。

图4所示为Ku波段小起伏地面和大起伏地面全空域VV极化电磁散射模型，小起伏地面均方根高度为1.5cm，相关长度为18cm;大起伏地面均方根高度为20 cm，相关长度为100 cm。图中方位角和俯仰角均以地面为参考线，入射角度与地面法线方向的夹角为70°;方位向电磁散射方向图为俯仰65°(即地面法线方向与散射方向的夹角)散射角条件下的全方位电磁散射方向图。

2.3 被动导引头测角模型

针对被动导引头天线波束较宽、角分辨力较差的弱点，采用模拟雷达发射干扰信号，使导引头跟踪角度偏离目标方向。两点源非相干诱偏的结果，可使导引头跟踪的方向偏离两点源连线夹角的角平分线，偏离角为[11-12]

(8)

式中：θ为导引头到两点源的张角;β=E10/E20,E10,E20分别为干扰信号和雷达电场到达导引头的电场强度。

2.4 反辐射导弹运动模型

结合国内外相关资料和数据，采用工程方法建立反辐射导弹运动模型。在被动制导段，利用被动导引头测角模型，获取导引头瞄准角度;利用当前时刻和上一时刻的瞄准角，结合飞行控制系统，采用典型空地反辐射导弹制导规律[13-14]，仿真被动制导攻击过程，形成反辐射导弹被动制导段飞行弹道。采用直角坐标和极坐标示意导弹和目标的相对位置，如图5所示。

图中M为导弹位置，A为地面反射信号点，B为被保护雷达辐射源;Δθ为两点源到达导引头的角度;vm为导弹速度方向;θ和θ′分别为当前时刻和上一时刻导引头瞄准角;nx为导弹需用过载。反辐射导弹飞行控制和最大可用过载等参数密切相关，根据最大可用过载、仿真时间间隔和反辐射导弹飞行时间等参数，可控制反辐射导弹在仿真时间间隔内可调整的最大瞄准角度[15]。

3 仿真与分析

3.1 仿真条件

设被保护雷达工作频段Ku波段，远区平均副瓣增益-3 dB。反辐射导弹横向过载nmax为9，导弹飞行速度Ma为3 。反辐射导弹战斗部有效杀伤区取25 m。导引头角分辨率为θ0.5=40°，设定当任何一个辐射源与导弹的连线与导引头瞄准线的夹角大于分辨角一半时转向被保护雷达。攻角是反辐射导弹初始瞄准方向与水平面的夹角;反辐射导弹攻角20°～70°。干扰源天线与地面反射点的距离大于反辐射导弹杀伤半径，雷达天线与地面反射点的距离D。干扰源天线采用高增益抛物面天线。干扰信号入射角和反射角与实际地面的倾角关系，如图6所示。

3.2 结果分析

根据干扰功率模型和被动导引头测角模型及地表电磁散射模型，可以得出小起伏地面最小功率需求为0。因此设置小起伏地面条件下干扰源和被保护雷达最小功率比为0，作为仿真输入条件。

图7给出小起伏地面条件下全空域干扰信号与雷达旁瓣信号功率密度比和保护空域。从图中可以看出，小起伏地面条件下功率密度最大值点出现镜像散射位置，功率密度比最大值达到12.5 dB以上，功率密度比大于0的空域即保护空域主要集中在方位135°～225°,俯仰20°～70°范围内。

图8给出大起伏地面条件下干扰信号与雷达旁瓣全空域功率密度比和保护空域。从图中可以看出，大起伏地面条件下功率密度最大值点出现镜像散射位置，功率密度比最大值达到10 dB，功率密度比大于0的空域即保护空域主要集中在方位150°～210°、俯仰25°～70°范围内。

对比小起伏地面和大起伏地面保护空域可以看出：大起伏地面表现出漫散射特征，大起伏地面全空域能量相对分散，在20°～25°的高仰角方向上干扰信号功率密度小于0，影响干扰效果。

图9所示为无干扰、大起伏地面反射干扰和小起伏地面反射干扰条件下45°攻角反辐射导弹全弹道仿真结果。反辐射导弹初始位置坐标(7 000,7 000) m，地面反射点位置坐标(0，0)，被保护雷达位置坐标(200，0) m。在无干扰条件下反辐射导弹落点坐标(200，0) m，小起伏地面反射干扰条件下反辐射导弹落点坐标为(35，0) m，大起伏地面反射干扰条件下反辐射导弹落点坐标(100,0) m。反辐射导弹被引向地面虚假反射点方向，说明干扰成功。

进一步仿真了反辐射导弹不同攻角和不同布站间距时反辐射导弹脱靶量，仿真结果如表1所示。从表1中可以看出，反辐射导弹攻角和布站间距相同的条件下，小起伏地面反射干扰引起的反辐射导弹脱靶量比大起伏地面反射干扰引起的反辐射导弹脱靶量大;地面类型和反辐射导弹攻角相同的条件下，随着布站间距的增大，反辐射导弹脱靶量增大;布站间距在大于100 m时干扰效果较好，但是布站间距太大会造成辐射源目标被反辐射导引头过早的分辨，从而可能导致干扰失败;在面临大攻角反辐射导弹攻击时大起伏地面反射干扰效果稍差。因此在实际布站中应选择小起伏地面即与干扰信号波长相比起伏较小的地面作为反射点，同时合理配置反射点，改善干扰效果。

地面类型攻角/(°)脱靶量/mD=100mD=150mD=200m小起伏地面25679411945861261657070103136大起伏地面255478904555779770202535

4 结束语

本文主要对地面反射干扰抗反辐射导弹技术进行了探索研究，建立不同起伏特性的地面反射干扰抗反辐射导弹模型，并分析了地面反射干扰抗反辐射导弹的有效性。通过本文的分析可知，通过对地面起伏特性的合理选择和地面反射点的合理布局，可以干扰反辐射导弹被动导引头，并将来袭反辐射导弹引向虚假反射点方向，从而有效保护雷达辐射源。在地面反射干扰具体参数选择中，干扰源与被保护雷达发射功率应基本相当;尽量选择小起伏地面即与干扰信号波长相比起伏较小的地面作为反射点;地面反射点与被保护雷达布站间距在大于100 m时干扰效果较好。这些研究结论可以支撑地面反射干扰抗反辐射导弹技术的后续研究。

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