一种基于箔条云团散射的远距支援干扰方法

2019-08-30邱时代姚登凯赵顾颢

航空工程进展 2019年4期

邱时代，姚登凯，赵顾颢

(空军工程大学空管领航学院，西安 710051)

0 引言

航空兵部队在执行对地突防任务的过程中，通常需要使用远距支援干扰机等电子干扰设备对敌地空导弹制导雷达实施干扰，这样可以在一定程度上降低突防编队被发现和击落的风险，有效保证任务成功和飞行人员安全。

对于箔条干扰问题已有相关人员对其进行了不同程度的研究。国外对箔条干扰的研究从第二次世界大战就已经开始，包括对箔条云的建模分析[1]、RCS精准计算[2]、时变RCS密度[3]等方面，并在多次对外战争中得到了应用，取得了较好的实战效果。国内，郑贺等[4]、李敬[5]深入分析箔条云的极化和能量特性、箔条的干扰原理以及应用发展；胡华强等[6]给出机载箔条弹在不同情况下最佳使用时机的计算方法；蔡万勇等[7]建立了大气环境下的箔条运动模型；李洋等[8]针对箔条干扰对新体制雷达的干扰能力和效果不断下降的问题，提出了新的复合干扰方法；周嘉汇等[9]研究了箔条作为无源干扰的重要方式对雷达探测的影响。上述研究对于旁瓣注入干扰能量的方法效果不佳，以及箔条干扰对具备动目标显示技术的雷达干扰效果不理想的相关问题进行深入研究。

针对上述问题，本文提出一种利用箔条云团散射远距支援干扰信号的复合干扰方法，该方法使用干扰机照射突防航线上布撒的箔条云团，通过箔条云团的散射，将干扰能量从地空导弹制导雷达的主瓣注入，达成优于旁瓣注入方法的干扰效果，之后建立实施正面突防时的箔条弹多次抛洒模型，为验证该模型有效性，结合实例进行仿真验证。

1 箔条云团散射远距干扰信号实施方法

将干扰机的强干扰能力和箔条云团的强散射能力结合起来，可以将干扰机的干扰能量从雷达天线主瓣注入接收机，从而取得较好的干扰效果，同时避免低速度箔条产生的雷达回波被具有动目标显示技术的雷达滤除，从而大幅扩大应用范围。干扰机掩护突防编队的过程中，突防编队到达敌防空火力圈边界时，在制导雷达、我突防编队连线上布撒箔条云团，敌地空导弹制导雷达探测突防编队时，雷达天线主瓣必定会对准突防编队尾部的箔条云团，此时远距支援干扰飞机照射箔条云团，强干扰能量通过箔条云团的散射从雷达天线主瓣进入雷达。干扰示意图如图1所示。

图1 干扰示意图Fig.1 Schematic diagram of chaff cloud scattering distant jam signal

根据雷达原理[8]，雷达接收机接收到的突防编队的散射回波的功率为

(1)

箔条云团散射干扰机强干扰能量注入雷达天线主瓣的干扰信号功率为

(2)

式中：Pt为雷达发射功率；Gz为雷达天线主瓣增益；Gg为干扰天线主瓣增益；λ为雷达工作波长；Ar为当前状态下的雷达天线有效面积；σ为突防编队的等效散射面积；R为雷达最大探测距离；σb为箔条云团等效散射面积；D为形成的箔条云团距雷达的距离；C为干扰机距箔条云团的距离。

假设雷达接收机在信干比大于10时才能成功检测目标信号，雷达天线主瓣增益等于干扰天线主瓣增益，即Gz=Gg，除了干扰能量之外没有其他的噪声来源，此时信干比可以表示为

(3)

则雷达最大探测距离为

(4)

面向敌地空导弹制导雷达突防的过程中，干扰机所在空域、地空导弹制导雷达位置相对固定，干扰机与敌地空导弹制导雷达位置距离为L，干扰机与地空导弹制导雷达连线和突防航线之间的干扰角为θ，则雷达的最大探测距离为

(5)

假设干扰机的干扰功率Pg=100 kW，雷达发射功率Pt=100 kW，一次抛洒n颗箔条弹形成的箔条云团等效散射面积σb=40nm2，突防编队等效散射面积σ=10 m2，L=220 km，当干扰角θ=45°时，干扰机对地空导弹制导雷达进行正面突防，则雷达的最大探测距离与箔条云团距雷达的距离、箔条云团等效散射面积之间的关系如图2所示。

图2 雷达的最大探测距离与箔条云团到雷达的距离、箔条云团等效散射面积的关系Fig.2 The relation of R versus D and σb

若一远距干扰飞机从距离雷达天线L处，直接对雷达旁瓣注入干扰，Gp为雷达天线旁瓣增益，此时雷达天线有效面积变为Af，其余变量定义不变，则进入雷达接收机的干扰功率为

(6)

信干比为

(7)

此时雷达的最大探测距离为

(8)

假设带旁瓣对消技术的雷达平均旁瓣电平为Gp/Gz=-40 dB，远距支援干扰飞机距雷达L=220 km，雷达发射功率Pt=100 kW，其中突防编队的散射面积σ=10 m2，利用旁瓣对消技术可以提供约10 dB的对消比，从而进一步降低旁瓣电平，则雷达的最大探测距离与干扰功率之间的关系如图3所示。

图3 平均旁瓣电平下干扰功率与雷达最大探测距离的关系Fig.3 Relationship between interference power and radar maximum detection distance under average side lobe level

从图2～图3可以看出：利用箔条云团转发远距干扰信号实施干扰的方式能够将雷达对突防编队的探测距离大幅降低，干扰效果更好。

箔条云团转发远距支援干扰信号的干扰效果受箔条云团到雷达距离D和箔条云团等效散射面积σb的影响，箔条云团距雷达越近，等效散射面积越大，干扰效果越好。相比之下，缩短箔条云团距雷达的距离收效更好。

一次性抛洒箔条弹的数量n分别取1、3、5、7枚时，即σb为40、120、200、280 m2，雷达的最大探测距离R与箔条云团距雷达的距离D在四种箔条云团散射面积下的关系如图4所示。

图4 四种散射面积下的雷达最大探测距离与箔条云团到雷达距离的关系Fig.4 The relation between R and D in four σb

从图4可以看出：受到压制的最大雷达探测距离并不总是小于箔条云团距雷达的距离，即当箔条云团距离雷达近到一定程度后，雷达最大探测距离将大于或等于箔条云团距离雷达的距离，此时干扰是无效的。从整个突防过程来看，箔条云团等效散射面积越大越晚进入压制无效的状态，因此在实际对地突防过程中必须根据实际情况选择合适的箔条弹抛洒位置和数量。

2 基于复合干扰方法的箔条弹多次抛洒模型

实施正面突防时，突防编队飞行至敌地空导弹制导雷达探测距离边界时，突防编队抛洒若干箔条弹，后方远距支援干扰机开始照射箔条弹爆炸后产生的箔条云团，对敌地空导弹制导雷达进行干扰，压制敌地空导弹制导雷达最大探测距离，使其无法探测到突防编队。当我突防编队再次飞至敌地空导弹制导雷达被干扰压制后的最大探测距离边缘时，再次抛洒若干箔条弹缩短敌地空导弹制导雷达最大探测距离，重复上述过程直至将敌地空导弹制导雷达最大探测距离压制至要求的距离。抛洒过程如图5所示。

图5 箔条弹抛洒示意图Fig.5 Chaff cartridge throwing timing diagram

每一次抛洒箔条弹后，敌地空导弹制导雷达最大探测距离为

(9)

式中：Ri+1(i=1～n)为第i次抛洒箔条弹后某型地空导弹制导雷达的最大探测距离；Ci(i=1～n)为第i-1次抛洒箔条弹后干扰机距离箔条云团的距离。

要求将敌地空导弹制导雷达最大探测距离压制到距离K。

每一次抛洒箔条弹后，敌地空导弹制导雷达最大探测距离为

(10)

第1次抛洒箔条弹的时机应是突防编队首次飞至敌地空导弹制导雷达的未被干扰压制的探测距离边缘，即

X=R1

(11)

式中：X为突防编队距离敌地空导弹制导雷达的距离。

则突防编队向前飞行Si抛洒第i+1次箔条弹，即

Si=Ri-Ri+1

(12)

具体步骤如下：

step1初始化K、θ、Pg、Pt、σ、L、R1、j、nj；

step2第1次抛洒n1枚箔条弹的时机X=R1，计算R2，计算并输出sum1=n1，判断R2是否小于等于K，成立时进入step5；

step3第2次抛洒n2枚箔条弹的时机S1=R1-R2，计算R3，判断R3是否小于等于K，计算并输出sum2=n1+n2，成立时进入step5；

step4第j次抛洒nj枚箔条弹的时机Si=Ri-Ri+1(i=1～n)，计算Ri+2，判断Ri+2是否小于等于K，成立时计算并输出sumj=n1+n2+…+nj，成立时进入step5；

step5输出最小sumj值及其对应的n1～nj，结束。

3 实例仿真分析

为了验证该方法的有效性，对某型战机面向敌地空导弹制导雷达所在目标区突防过程进行模拟，忽略地形、天气条件的影响且假设干扰机与制导雷达位于同一水平面。假设敌某型地空导弹制导雷达的探测距离R1=200 km，发射功率Pt=100 kW，某型战机突防编队等效散射面积σ=10 m2，每一枚箔条弹的等效散射面积σb=40 m2，干扰机布置我方一侧距离敌地空导弹制导雷达L=220 km处，干扰角θ=45°，干扰机干扰功率Pg=100 kW。假设空地武器最大发射距离为60 km，要求抛洒箔条弹次数在三次以内将敌地空导弹制导雷达最大探测距离压制在60 km以内，且由于受到重量等因素的制约，飞机能携带的干扰资源有限，所以优先选择使用箔条弹数量最少、压制效果最好的方法。模拟实际情况时有三种方式。

若在整个突防过程中，突防编队只抛洒一次箔条弹，即可在敌地空导弹制导雷达初始探测距离边缘一次性最少抛洒21枚箔条弹，将雷达探测距离压缩至59.42 km，如表1所示。

表1 抛洒一次箔条弹Table 1 One time chaff cartridge throwing

若在整个突防过程中，突防编队抛洒两次箔条弹，满足要求的抛洒方法有两种，如表2所示，可以看出：两种干扰结果相差不大，采用第一种抛洒方法，使用8枚箔条弹将雷达最大探测距离压制到59.65 km，如表3所示。

表2 抛洒两次箔条弹Table 2 Two times chaff cartridge throwing

表3 两次抛洒方法中第一种箔条弹抛洒方式Table 3 The first method of chaff cartridge throwing

若在整个突防过程中，突防编队抛洒三次箔条弹，满足要求的抛洒方法有五种，如表4所示。

表4 抛洒三次箔条弹Table 4 Three times chaff cartridge throwing

从表4可以看出：最少使用箔条弹总数均为8枚，其中第二种方法能够压制的雷达探测距离最小，故采用第二种抛洒方法。使用8枚箔条弹将雷达最大探测距离压制到56.80 km，如表5所示。

表5 三次抛洒方法中第二种箔条弹抛洒方式Table 5 The second method of chaff cartridge throwing

由上述结果可知，突防过程中抛洒一次、两次、三次箔条弹，均能将雷达最大探测距离有效压制在60 km以内，但抛洒三次箔条弹方法中第二种抛洒方式使用箔条弹数量最少且干扰效果最好，可选择为最终干扰实施方案(实际干扰过程中抛洒两次箔条弹方法虽干扰效果相比较差，但达到要求的同时可以减少飞行员操作，也可选为最终实施方案)，干扰过程如图6所示。

图6 干扰过程示意图Fig.6 Schematic diagram of jam process

从图6可以看出：第一次抛洒箔条弹的时机应是在突击航线与敌地空导弹制导雷达最大探测距离边缘交汇处，即突防航线上距离敌地空导弹制导雷达200 km时，此时第一次抛洒1枚箔条弹，雷达的有效探测距离由于强干扰能量从主瓣的注入变为127.20 km；突击编队继续向前飞行72.8 km时到达雷达最大探测距离边缘，此时第二次抛洒2枚箔条弹，雷达的最大探测距离变为84.33 km；突击编队继续向前飞行42.87 km时至最大探测距离边缘第三次抛洒5枚箔条弹，此时雷达的有效探测距离变为56.80 km，小于要求的雷达最大探测距离60 km，不再继续抛洒箔条弹，突防编队可以开始实施对地突防任务。

实际作战中，要根据作战需求和突防编队实际能够装载箔条弹数量的多少，按照以上算法计算每次抛洒箔条弹的数量和位置，以取得符合实际和预期的干扰效果。