地对空雷达干扰系统可掩护的目标RCS研究*

董豪豪,刘雅奇,齐 锋,龚 燕

(电子工程学院,合肥 230037)

0 引言

现代空袭兵器对电子信息系统依赖性较强。基于这个特点,地对空雷达干扰系统可以对空袭兵器的雷达进行干扰,从而保护地面重要目标。系统的主要作战对象为机载轰瞄雷达、机载导弹制导雷达和弹载末制导雷达,为了干扰压制这些作战对象,常常将系统的多个干扰站协同配置。而要更好地运用部署系统,首先需要对地对空雷达干扰效果进行量化分析。

目前,现有文献对地对空雷达干扰效果量化分析主要集中在“干扰压制区”上。文献[1]研究了在地对空雷达干扰系统干扰下的以机载雷达为中心的干扰掩护区。文献[2]分析了不同空间功率合成情形下的系统多站协同对机载雷达干扰压制区。文献[3]讨论了不同天线波束下地对空雷达干扰系统单部干扰机对机载雷达的干扰暴露区差异。当地对空雷达干扰系统被用来掩护地面重要目标时,常常会被关注一个问题:系统能掩护多大雷达截面积的地面目标。而“干扰压制区”无法直观地反映这一问题。因此文中根据系统的任务,提出“可掩护的目标RCS”这一量化指标。

1 对机载、弹载雷达的干扰压制系数

根据功率准则,量化分析地对空雷达干扰效果离不开干扰压制系数。目前,机载、弹载雷达大量使用脉冲多普勒体制。PD雷达广泛运用了不同雷达技术优点。如运用脉冲压缩技术实现了很高的距离分辨率;运用脉冲多普勒锐化技术实现很高的方位分辨率[4-5];运用多普勒处理技术(合成孔径技术)实现高分辨率地图测绘[6];运用多模式脉冲多普勒技术(相控阵雷达技术)实现了多目标跟踪、远作用距离以及同时完成目标搜索、识别、捕获和跟踪等多种功能[7]。文中主要研究对常规脉冲雷达和PD雷达的干扰压制系数。由文献[8]可知,对常规脉冲雷达的干扰方程为:

(1)

其中,参数的含义见文献[8]。

由雷达方程可知,雷达接收到的回波信号功率为:

(2)

多普勒雷达在信号处理时,由于脉冲遮挡和距离相接跨越的影响会使回波信号功率下降,将这些影响折算到接收机输入端功率为[9]:

(3)

式中：ds为回波脉冲占空比,ds=Ts·fr,Ts为发射遮挡后脉冲宽度,fr为脉冲重复频率。

经过距离波门选通及多普勒滤波器的影响,到达输入端的干扰功率也会降低。那么实际到达输入端的干扰功率为:

(4)

式中：Bn为脉冲多普勒雷达窄带滤波器带宽,Bm为干扰机频谱宽度,dG为距离门的占空比系数,dG=TG·fr,TG为雷达距离波门宽度。则对脉冲多普勒雷达的干扰方程可表示为:

(5)

对比式(1),可以看做对脉冲多普勒雷达的压制系数为:

(6)

2 系统可掩护的目标RCS模型

2.1 可掩护的目标RCS模型构建

防空作战中,往往无法预知敌空袭兵器的来袭方向。为了全方位地掩护地面重要目标,常常将地对空雷达干扰系统的多个干扰站呈环形部署在被掩护目标周围,各个干扰站各自扼守一定范围的方位角。假设地对空雷达干扰系统有n个干扰站,则每个站需要扼守的方位角范围为:

(7)

各个地对空雷达干扰站干扰空袭兵器雷空间位置关系如图1所示。地面被掩护目标中心位于原点。

则由图1空间关系可建立数学模型:

(8)

式中:kj为对不同体制雷达干扰的压制系数;σ为地面目标的雷达截面积;H为空袭兵器飞行高度;d为干扰站到目标中心的距离;α为空袭兵器来袭方向,干扰站与被掩护目标中心连线方向为零度方位角;Gt(θ)为雷达天线在干扰机连线方向的增益,具体计算模型见文献[10],其他参数含义同上文。由模型(8)可以得到暴露半径Dt(α)与来袭方向α的关系式,因而可以得到干扰暴露区如图2所示。

由图2可知,干扰暴露区是关于被掩护目标中心与干扰站连线对称的。由上文可知,地对空雷达干扰系统单个干扰站需要扼守的方位角范围为β。则结合图2,在β方位角范围内,最大的暴露半径为Dt(β/2)。为了在β方位角范围内可靠地掩护地面目标,则只需要满足条件:

Dt(β/2)≤Rmin

(9)

式中：Rmin为战术上要求的最小干扰距离,若空袭兵器与目标中心的距离小于Rmin时还未发现锁定目标,就会丧失攻击机会。

由模型(8)可以得出,当α=β/2时,暴露半径Dt(β/2)与被掩护目标的雷达截面积σ的关系式为:

(10)

式中：A为干扰方程常量,记为:

(11)

分析式(10)可知,被掩护目标雷达截面积σ是暴露半径Dt(β/2)的递增函数。当Dt(β/2)取最大值Rmin时,可相应得到σ的最大值,记为σmax。即地对空雷达干扰系统可有效掩护的最大目标雷达截面积为σmax。

2.2 Rmin计算模型

对于不同作战对象,战术上要求的最小干扰距离是不同的[11]。地对空雷达干扰系统的主要作战对象是机载轰瞄雷达、机载导弹制导雷达和弹载末制导雷达。

1)干扰机载轰瞄雷达时

此时,Rmin是指轰炸机的投弹距离,与轰炸机的轰炸方式有关。

水平轰炸时,Rmin的计算公式如下:

(12)

式中:vh为轰炸机水平飞行速度;tp为轰炸机投弹前的瞄准准备时间。

俯冲轰炸时,Rmin的计算公式如下:

Rmin=vdcosθ(T+tp)

(13)

式中：时间T可以由以下公式求出:

H=vdsinθT+1/2gT2

(14)

式中：vd为轰炸机俯冲飞行速度;θ为轰炸机俯冲方向延长线与地面的夹角。

2)干扰机载导弹制导雷达时

此时,机载导弹制导雷达的工作情形可分为:发射后不管和发射后继续跟踪。

发射后不管的工作情形时,Rmin的计算公式如下:

(15)

发射后继续跟踪的工作情形时,Rmin的计算公式如下:

(16)

3)干扰弹载末制导雷达时

干扰弹载末制导雷达时,Rmin即为末制导雷达开始工作时距离被掩护目标的距离。

3 仿真实例

假设地对空雷达干扰系统有九部干扰站呈环形部署在被掩护目标周围。则单个干扰站需要扼守的方位角范围为β=40°。干扰站的干扰机性能参数如表1所示。

表1 干扰机性能参数

选取机载轰瞄雷达为作战对象,轰炸机采用水平轰炸的方式。取轰炸机的飞行速度为600 m/s,投弹前的瞄准准备时间为2 s。则由式(12)可以得出战术上要求的最小干扰距离为22.2 km。

若机载轰瞄雷达为常规脉冲体制雷达,雷达的性能参数如表2。对常规脉冲雷达的干扰压制系数kj0取经验数值3。

表2 雷达性能参数

分别取干扰站到目标中心的距离d为:2 km和4 km,则由式(10)可得仿真结果如图3所示。

由图3可以看出,当Dt(20°)取值22.2 km,d=2 km时,σ为19000 m2;d=4 km时,σ为5 050 m2。配置距离为2 km时可掩护的目标RCS明显大于配置距离为4 km时的情形。也就是说,干扰站配置距离越近,地对空雷达干扰系统可掩护的目标RCS越大。

若机载轰瞄雷达为脉冲多普勒体制,取TS为0.5 μs,TG为1 μs,fr为80 kHz,Bn为1 kHz,其他性能参数同上文。则由式(6)和式(10)可得仿真结果如图4。

由图4可知,令Dt(20°)取值22.2 km,当d为2 km时,σ为6 345 m2;当d为4 km时,σ为1 700 m2。因而可以看出,干扰PD雷达时,上文得到的结论同样成立。取d为3 km,其他参数一致,对比对常规脉冲雷达、PD雷达的干扰效果,仿真结果如图5所示。

由图5可以看出,当干扰站与目标中心配置距离相同时,地对空雷达干扰系统干扰机载常规脉冲雷达时可掩护的目标RCS明显大于其干扰机载PD雷达时的情形,也就是说干扰PD体制雷达的难度更大。通过上述结论可知,当敌空袭兵器雷达为脉冲多普勒体制时,为了掩护目标截面积更大的目标,可以缩小干扰站与目标中心的距离。

4 结论

文中提出了地对空雷达干扰系统可掩护的目标RCS计算模型,建模过程中,在分析系统多个干扰站协同防空的基础上,考虑了对作战对象不同体制雷达的干扰压制系数和对不同作战对象的战术要求最小干扰距离。通过仿真实例分析得到,干扰同一体制机载、弹载雷达时,干扰站配置距离越近可掩护的目标RCS越大;当干扰站配置距离相同时,干扰常规脉冲雷达时可掩护的目标RCS明显大于干扰PD体制雷达时的情形。研究结果可用于地对空雷达干扰系统干扰效果评估和指导其运用。