单舰反导作战冲淡干扰对舰载武器系统雷达的影响
2018-06-19王少建张新如余立志
王少建,张新如,余立志
(1.解放军91791部队,北京 100070;2.海军陆战学院,广东 广州 510430;3.解放军91715部队,广东 广州 510450)
0 引 言
单舰反导作战中,由于遮蔽干扰对目标所形成的遮蔽效应,故在遮蔽区域范围内,对我舰载武器系统雷达也必将形成遮蔽造成干扰,从而影响我舰载武器的火力运用。本文中的冲淡干扰指箔条冲淡干扰。
1 冲淡干扰
冲淡干扰,是指在敌反舰导弹末制导雷达开机搜索前,我舰利用无源干扰发射装置向本舰周围发射几枚干扰火箭,在离本舰1 000 m左右处爆炸形成多个假目标,使敌反舰导弹末制导雷达“开锁”搜索时可能受骗而跟踪干扰云幕形成的假目标,以“冲淡”其对舰艇目标的搜索并降低其捕捉概率[1]。
冲淡干扰通常在反舰导弹距舰艇25 km~35 km左右实施,其布阵方式有冲2(2发弹)和冲4(4发弹)2种。由于反舰导弹距舰艇25~35 km左右才实施冲淡干扰,相对于箔条干扰诱饵的长宽来讲,研究中可将箔条干扰诱饵等效为点目标[2]。箔条干扰诱饵平均下降速度为0.2~1.1 m/s[3-5],由于在冲淡干扰过程中,箔条干扰诱饵通常均处在反舰导弹垂直波束照射范围之内,干扰诱饵在垂直方向上的运动对冲淡干扰的仿真结果不产生影响,故不考虑其垂直方向上的运动,而只考虑其在水平方向受风力作用下的影响[6]。
2 冲淡干扰诱饵刚形成时的影响
冲淡干扰对导弹来袭方向对称发射,发射距离约为1 000 m,高度约为250 m,雷达截面积约为500 m2。
(1) 冲淡干扰诱饵对警戒雷达或武器跟踪雷达形成的水平干扰扇面
冲淡干扰诱饵对警戒雷达或武器跟踪雷达形成的水平干扰扇面如图1所示。
图1 冲淡干扰形成的水平干扰扇面
若雷达天线水平波束宽度为θ,一个干扰诱饵认为是一个点目标,雷达天线增益为G,雷达天线增益在诱饵方向的增益变化情况为:
(1)
设雷达辐射功率为Pt,雷达的灵敏度为Pv,冲淡诱饵雷达截面积为σ,雷达工作波长为λ,冲淡诱饵发射距离为Rc,k为雷达波束的锐化系数,在0.04~0.1之间,则1个冲淡干扰诱饵影响雷达探测/跟踪的扇面为2θ′,如图2所示。舰载警戒雷达或武器跟踪雷达接收机接收冲淡干扰诱饵的信号回波功率为:
(2)
接收目标(反舰导弹)的信号回波功率为:
(3)
图2 单个干扰诱饵对舰载武器系统雷达的影响
(4)
干扰诱饵影响雷达水平干扰角θ′为:
(5)
例:设雷达峰值功率Pt为13.5 kW,天线增益G为30 dB,灵敏度Pv为-90 dBm,工作频率10 GHz,冲淡诱饵雷达截面积σ为500 m2,k取0.09,Kj取3,雷达水平波束宽度1.4°,垂直波束宽度16°,冲淡干扰发射距离Rc取1 000 m,则:
(6)
分别以目标距离Rt和目标雷达截面积σt为变量,用MATLAB对式(6)θ′仿真,分别如图3、图4所示(以Rt为变量时反舰导弹雷达截面积σt取0.1 m2,以σt为变量时目标距离Rt取10 000 m)。
图3 目标距离与探测/跟踪雷达θ′角的关系
图4 目标雷达截面积与探测/跟踪雷达θ′角的关系
由图3可见,当目标(反舰导弹)的雷达反射截面积一定时,随着目标(反舰导弹)距离的不断减小,冲淡干扰诱饵影响探测雷达或武器系统跟踪雷达的干扰角呈直线减小。由图4可见,当来袭目标(反舰导弹)距离一定时,随着目标(反舰导弹)雷达截面积增大,冲淡干扰诱饵影响探测或武器系统跟踪雷达的干扰角也逐渐变小,在不同目标(反舰导弹)雷达载面积为0~0.1 m2范围内,冲淡干扰诱饵影响探测或武器系统跟踪雷达的干扰角度值,随着目标的雷达截面积的增大,其下降幅度较大。
(2) 冲淡干扰诱饵对警戒雷达或武器跟踪雷达形成的垂直干扰扇面
冲淡干扰诱饵对警戒雷达或武器跟踪雷达形成的垂直干扰扇面分别如图5所示。
图5 冲淡干扰形成的垂直干扰扇面
根据上面分析,只要将雷达水平波束宽度以垂直波束宽度代替,即可计算出垂直干扰扇面,干扰诱饵影响雷达垂直干扰角φ′为:
(7)
分别以目标(反舰导弹)距离Rt和目标(反舰导弹)雷达截面积σt为变量,用MATLAB对φ′仿真,分别如图6、图7所示(以Rt为变量时反舰导弹雷达截面积σt取0.1 m2,以σt为变量时目标距离Rt取10 000 m)。
图6 目标距离与探测/跟踪雷达的φ′角关系
图7 目标雷达截面积与探测/跟踪雷达的φ′角关系
由图6、图7可见,随着目标(反舰导弹)距离的不断减小,冲淡干扰诱饵影响探测或武器系统跟踪雷达的干扰角逐渐变小;随着目标(反舰导弹)雷达截面积的增大,冲淡干扰诱饵影响探测或武器系统跟踪雷达的干扰角也逐渐变小。
根据以上分析,冲淡干扰诱饵刚形成时,能使对空警戒雷达和舰载武器系统的跟踪雷达在诱饵方向的一定扇面和仰角范围不能有效探测或跟踪其他空中目标。
3 舰艇机动过程中冲淡干扰的影响
冲淡干扰在诱饵形成后,随着舰艇的机动,诱饵箔条受风向、风速的影响和高度的下降,冲淡干扰诱饵对警戒雷达或跟踪雷达的干扰扇面和干扰仰角发生变化。
3.1 冲淡干扰诱饵对舰载武器系统雷达干扰扇面的影响
舰艇实施冲淡干扰后,通常以常速原航向航行,同时箔条诱饵以约0.5 m/s的高度下降和受风向、风速影响发生位置飘移,根据冲淡干扰的实施方法,舰艇、导弹、诱饵间的态势情况如图8所示。
图8 单舰反导冲淡干扰态势图
由图8可见,随着舰艇的机动,无论导弹是首先搜索到诱饵或舰艇并进行跟踪时,都将使舰载武器系统雷达在一定扇面无法监视跟踪来袭导弹。为考虑问题方便,设干扰诱饵与舰艇相对距离的变化不影响诱饵对雷达形成干扰扇面的大小,即认为干扰扇面是雷达波束宽度的1倍(2θ′=2θ),以导弹跟踪1号诱饵为例,诱饵对雷达形成的干扰区域情况如图8所示。
3.2 不考虑风向和风速的影响,诱饵是否对雷达跟踪导弹形成遮蔽的分析
(1) 导弹从舷角Q<45°方向来袭时,干扰诱饵不对雷达跟踪导弹形成遮蔽。
(2) 导弹从舷角45°≤Q≤135°方向来袭时,导弹来袭舷舰首方向的诱饵可能对雷达跟踪来袭导弹产生遮蔽影响;形成遮蔽的时间是舰艇航行使诱饵处在舰艇正横以后位置。
(3) 导弹从舷角Q>135°方向来袭时,导弹来袭舷的2枚诱饵都可能对雷达跟踪导弹形成遮蔽。
(4) 诱饵是否对雷达跟踪导弹产生遮蔽需要根据导弹来袭距离、诱饵发射时机、导弹飞行速度、舰艇航行速度、导弹来袭舷角、风向风速、跟踪雷达波束宽度及其特性计算确定。
例:设导弹来袭方向为正横舷角方向,来袭导弹速度vm=300 m/s,在导弹距舰艇30 km时实施冲淡干扰,冲淡干扰反应时间取12.3 s(期间导弹飞行距离按3.7 km计算),冲淡干扰按导弹来袭方向对称发射方式实施,发射距离约为1 000 m(为计算方便,其水平和垂直距离分别按700 m计算),舰艇以vs=10 m/s速度按原航行机动,雷达跟踪波束宽度θld=2°,其态势关系如图9所示,则冲淡干扰诱饵对雷达跟踪产生干扰的时间可按以下方法计算(不考虑风向风速影响)。
图9 冲淡干扰单个诱饵态势图
(8)
(9)
整理得:
(10)
即:
(11)
(12)
(13)
近似有关系式:
26 309-300t=-10ttan(θj+θld)
(14)
由于来袭导弹飞临干扰诱饵的时间为(700/sin1.56°)/300=85.7 s。当t>87.5 s后,干扰诱饵对导弹不形成遮蔽,即实施冲淡干扰后,约在67.49~85.7 s期间,干扰诱饵对雷达的跟踪产生干扰影响。
3.3 考虑风向和风速的影响,诱饵是否对雷达跟踪导弹形成遮蔽的分析
假定导弹来袭时,冲淡干扰诱饵与舰艇态势如图10所示。现仅以1号干扰诱饵为例,对冲淡干扰诱饵是否对雷达跟踪导弹形成遮蔽来进行分析。
建立如图10所示直角坐标系,舰艇初始位置为原点O,设反舰导弹距离舰艇30 km处时,舰艇以两舷各45°和135°(按“冲4”对称发射)发射冲淡干扰诱饵,发射距离(Rf)约为1 000 m,舰艇发射干扰诱饵到诱饵形成所用时间τ为12.5 s,则当干扰诱饵形成后,导弹飞临舰艇的时间应为87.5 s。当导弹飞行到B1点时,冲淡干扰诱饵刚好形成,设导弹来袭舷角为Q,导弹飞行速度为vm,风向为θ,左舷为正,右舷为负,风速为vw,舰速为vs,且假定舰艇航向及航速受风力影响可忽略不计。
图10 单舰冲淡干扰受风影响态势图
由此可得OB1的距离为Rm=30 000-12.5vm,则在时间t内,舰艇由原点O航行至A点,此时反舰导弹由B1点飞至B2点,当1号干扰诱饵受风力影响从C1点飘移至C2点,且C2点正好为直线AB2上的点时,则1号干扰诱饵对舰艇武器系统跟踪雷达跟踪反舰导弹形成遮蔽。
反舰导弹从B1点飞行至B2点的运动方程为:
(14)
冲淡干扰诱饵从C1点飘移至C2点的运动方程为:
(15)
舰艇从原点O航行至A点的运动方程为:
(16)
则直线AB2的方程为:
(17)
经整理可得:
(18)
将C2点代入式(17)中可得:
(19)
设导弹来袭舷角Q为300°(即左舷60°),导弹飞行速度vm为300 m/s,舰艇航速度vs为10 m/s;用MATLAB分别对式(19)中不同风向角θ和风速vw进行仿真,将已知参数代入式(19)中,其方程可简化为:
(20)
可进一步简化方程为:
t2(260vwcosθ-160vwsinθ+2 600)+t(13 125vwsinθ-22 733vwcosθ-298 030)+6 792 856=0
(21)
以不同风向角θ为变量时,设风速vw为4 m/s时,对冲淡干扰诱饵遮蔽时的时间t进行仿真,其仿真如图11所示。
图11 风向与冲淡干扰诱饵形成遮蔽时间的关系
由图11可见,冲淡干扰诱饵形成的遮蔽时间,在风向角为156°两边分布的值基本上成对称形状,在对称的中间有一段时间值是相同的。在同一风向角下有2个时间值时,表示冲淡干扰诱饵形成遮蔽的起始时间和结束时间;而在同一风向角只有1个时间值时,则表示冲淡干扰诱饵在该风向角处只在此时刻产生遮蔽影响,遮蔽时间为1个时刻点,而并不产生连续的遮蔽时间。从仿真图中可以得到,在风向角为0°~142°之间,随着风向角不断增大,冲淡干扰诱饵所形成遮蔽的连续时间渐渐变小;而在风向角为171°~360°之间,则随着风向角不断增大,冲淡干扰诱饵所形成遮蔽的连续时间渐渐变大。
以不同的风速vw为变量时,设风向角θ为10°,对冲淡干扰诱饵形成遮蔽的时间t进行仿真,其方程可进一步简化为:
t2(256vw-28vw+2 600)+t(2 279vw-22 388vw-298 030)+6 792 856=0
(22)
其仿真图如图12所示。
图12 风速与冲淡干扰诱饵形成遮蔽时间的关系
由于来袭导弹从B1点飞临到O点所需时间为87.5 s,当冲淡干扰诱饵在本仿真设定的条件下,对跟踪雷达形成遮蔽的时间t>87.5 s时,虽时间值仍为方程的解,但来袭导弹已飞过舰艇的初始位置点O点,在B1O线段的延长线之上,此时间冲淡干扰诱饵并不对跟踪雷达产生遮蔽影响,故此时的遮蔽时间值的解应舍去。由图12可见,在给定的条件下,冲淡干扰诱饵形成连续遮蔽的时间在t<87.5 s之前,为连续遮蔽时间段;在t>87.5 s之后,冲淡干扰诱饵形成遮蔽的时间为遮蔽时间点。随着风速的不断增大,冲淡干扰诱饵对跟踪雷达形成遮蔽的时间点也逐渐提前。
设舰艇航速vs保持不变为10 m/s,风向θ为10°,风速vw为4 m/s;分别以不同的导弹来袭舷角Q和导弹飞行速度vm为变量,用MATLAB对式(18)中t进行仿真,将已知参数代入式(19)中,以不同导弹来袭舷角Q为变量时,设导弹飞行速度vm为300 m/s,对冲淡干扰诱饵遮蔽时的时间t进行仿真,其方程可进一步简化为:
t2(-13.9vmsinQ-0.7vmcosQ-7)+t(533.3vmsinQ+698.3vmcosQ+
417 000sinQ+21 000cosQ+7 071)+(sinQ+cosQ)(8 838.8vm-21 213 000)=0
(23)
其仿真图形如图13所示。为便于分析,将图13局部进行放大可得图14。
图13 来袭导弹舷角与冲淡干扰诱饵形成遮蔽时间的关系1
图14 来袭导弹舷角与冲淡干扰诱饵形成遮蔽时间的关系2
由图14可见,随着导弹来袭舷角的不同,冲淡干扰诱饵形成的遮蔽时间分为3个部分:0°~233°之间,冲淡干扰诱饵产生遮蔽的时间都处于0~87.5 s之外,则此段时间的解并不满足开始的时间设定值0≤t≤87.5 s,即在导弹来袭舷角0°~233°之间,冲淡干扰诱饵对舰载武器系统雷达并不形成遮蔽影响;在导弹来袭舷角233°~255°之间,冲淡干扰诱饵对舰载武器系统雷达形成遮蔽的时间只有唯一值,即来袭导弹正好在各舷角时形成各遮蔽时刻点;在导弹来袭舷角256°~316°之间,冲淡干扰诱饵形成遮蔽的时间为一连续时间;在导弹来袭舷角316°~360°之间,t不满足时间设定要求,冲淡干扰诱饵对舰载武器系统雷达不形成遮蔽影响。
以导弹飞行速度vm为变量时,设导弹来袭舷角Q为300°(即左舷60°),对冲淡干扰诱饵形成遮蔽的时间t进行仿真,其方程可进一步简化为:
t2(11.6vm-7)+t(-112.7vm-343.6)-
0.4(8 838.8vm-21 213 000)=0
(24)
其仿真图形如图15所示。
图15 来袭导弹速度与冲淡干扰诱饵形成遮蔽时间的关系
由图15可见,在来袭导弹速度在300 m/s~678 m/s范围内,冲淡干扰诱饵对舰载武器系统雷达在该方位探测或跟踪形成遮蔽影响,且遮蔽时间随着来袭导弹速度的不断增大而变小;而在678 m/s~1 000 m/s范围内,冲淡干扰诱饵所形成遮蔽的时间只为一个时间点,且随着来袭导弹速度的增大,冲淡干扰诱饵形成遮蔽的时间也逐渐提前。
同理,2号冲淡干扰诱饵对于舰艇左舷来袭导弹舷角45°~135°方向内的导弹,也具有相同的遮蔽影响。
4 结束语
干扰诱饵对探测警戒雷达、跟踪雷达产生影响出现的时间与舰艇航行速度、导弹来袭舷角、导弹飞行速度、风向风速以及实施冲淡干扰的时机有关。
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