多路径干扰条件下主动雷达空空导弹对目标攻击能力分析及仿真

张放　何宪锋

摘要：      主动雷达型空空导弹在海面背景下视攻击低空或超低空飞行目标时， 由于海面对雷达波的反射作用， 导引头始终受到多路径干扰的影响。 该影响将导致导弹的制导精度下降甚至脱靶。 本文对多路徑干扰影响导弹制导精度的过程进行了理论分析， 并结合其他文献中的研究成果对导弹攻击过程中受到的各类影响进行了定量化建模及仿真。 最终从理论分析及仿真结果出发， 对未来主动雷达型空空导弹在此种环境下能够采用的技术措施进行了探讨。

关键词：     空空导弹;  多路径干扰;  目标攻击; 主动雷达型

中图分类号：     TJ765.4; TP391.9文献标识码：    A文章编号：     1673-5048（2020）02-0059-05

0引言

雷达在海面背景下探测低空目标时， 由于多路径效应影响， 其对目标的探测将出现威力下降、 跟踪中断等现象[1-3]。 而主动雷达型空空导弹在海面背景下攻击目标时， 由于导引头发射出的无线电波需经由目标及海面的多次反射后才能被导引头接收， 因此其对目标的测量将不可避免地受到海面造成的多路径效应影响。 在这一方面， 国内相关研究者对雷达导引头所受影响过程开展了理论分析， 并通过数字仿真进行了定量分析[4-6]。

导引头在海面背景下攻击目标时所受到的影响将造成导弹的制导精度下降， 严重时将导致导弹脱靶。 针对此问题， 开展了舰空导弹在海面背景下对目标攻击能力的仿真研究， 并取得了一定成绩[7-8]。 本文对海面背景下主动雷达型空空导弹对目标的末端攻击情况进行了分析及仿真， 并给出了减小海面多路径效应影响的可能改进方向。

1多路径效应影响原理分析

海面多路径效应产生的最主要影响为镜像目标， 主要发生在目标距离海面较低， 且海面平坦条件下。 与视觉观测相似， 低空（与海面相对高度小于1 km）或超低空（与海面相对高度小于100 m）飞行的目标会以海面为对称面， 形成一个与真实目标相似的镜像目标， 其实质为电磁波通过海面反射所形成的虚像[9-11]。

当探测雷达照射目标时， 其所发射的电磁波经目标、 海面两次反射后被雷达接收， 等效为在海面下方另外有一个镜像目标存在， 形成所谓的“镜像目标”。 图1为镜像目标产生的原理示意图， 图中， 镜像目标传播路径为ACBA。

经典的“四路径模型”包括直达路径ACA， 镜像目标传播路径ACBA，  ABCA，  ABCBA。 直达路径ACA对应的目标位置为真实目标位置C; 路径ACBA对应的目标位置为C1， 其角度、 多普勒频移和波程差相对真实目标都有偏离。 其余两条路径对应的目标位置分别为C及C1， 但其波程差将进一步偏离真实目标， 同时由于经过了多次反射， 其信号幅值小于前两条路径产生的信号幅值， 为简化起见， 在本文所做工作中未做考虑。

对导引头来说， 镜像路径和直达路径夹角小于波束宽度时， 镜像对导引系统的影响较大。 镜像目标影响导引系统， 需满足以下条件：

a. 当镜像回波和目标回波交替出现时， 镜像能量高于检测门限;

b. 当镜像回波和目标回波同时出现时， 目标回波幅度相对于镜像回波压制比不高， 且目标和镜像在频域不可分开。

低空下视攻击目标时， 在直达路径ACA和路径ACBA波程差相差不大的条件下， 如果镜像不出主波束且能量足够大， 导引头对不同信号的跟踪过程如图2所示。

图2中， “跟踪目标”表示此时导引头跟踪的信号为目标回波信号， “跟踪合成”表示此时导引头跟踪的信号为目标回波和镜像目标回波信号的合成信号， “跟踪镜像”表示此时导引头跟踪的信号为经由路径ACBA反射回导引头的镜像目标信号。 需要注意的是， 在实际导弹攻击过程中， 导引头的跟踪过程可能在图2跟踪过程的任何时刻开始， 其起点取决于导引头首次截获目标的时刻。

航空兵器2020年第27卷第2期张放， 等： 多路径干扰条件下主动雷达空空导弹对目标攻击能力分析及仿真另外还需要考虑的是， 图2中所反映的“跟踪目标”及“跟踪镜像”的时间长度取决于目标回波与镜像目标回波的波程差， 在镜像目标能够产生影响的条件下， 目标距海面高度往往较小， 因此波程差带来的回波时间差异仅为微秒级。 这一时间远远小于导引头秒级的遮挡周期及毫秒级的信号处理周期， 因此对于导引头的跟踪来讲， 可以认为在镜像目标回波信号消失前， 导引头均在跟踪合成信号。

2多路径效应对目标信息测量的影响分析

在空空导弹攻击海面目标时， 海面反射无线电波产生多路径效应导致了镜像目标的产生。 而对于导引头的测量而言， 在其无法分辨真实目标及镜像目标的条件下， 镜像目标回波的幅值及所处的位置决定了导引头视在目标的位置， 并将对导引头的测量值造成影响。

由上述可知， 镜像目标所处的位置为真实目标以海面为对称面的海面下方， 其回波幅值将由海面的后向反射系数决定， 通过查询文献[12-14]， 给出后向反射系数与擦地角之间的关系曲线， 如图3所示。

从图3可以看出， 海面反射系数同时受到海情及擦地角两个不同因素的综合影响。 为保证仿真结果的可信性， 在仿真条件中需要指明海情条件， 同时在导弹攻击过程仿真中， 需要按照计算得出的擦地角实时给出海面后向反射系数， 从而针对不同海面后向反射系数给出镜像目标回波幅值大小， 评估合成目标、 镜像目标与真实目标之间的相对关系。

当海面后向反射系数等于1时， 镜像目标与真实目标回波幅值相等， 此时合成目标所处位置为真实目标与镜像目标连线与海面的交点处。 当海面后向反射系数大于1时， 镜像目标回波幅值大于真实目标的回波幅值， 因此合成目标将偏向镜像目标所处位置。 当海面后向反射系数小于1时， 镜像目标回波幅值小于真实目标回波幅值， 因此合成目标将偏向真实目标所处位置。

由图3曲线可以发现， 由于海面反射系数始终小于1， 因此镜像目标的回波幅值始终小于真实目标的回波信号幅值， 导致导引头跟踪的合成目标始终处于海面之上并接近于真实目标。 结合导引头跟踪过程可以发现， 导引头跟踪时首先将短暂跟踪真实目标， 之后跟踪合成得到的视在目标， 最终短暂跟踪镜像目标。 同时随着弹目距离的接近， 镜像目标与真实目标之间的张角将逐渐增大。

综合上述分析可以认为， 当真实目标与镜像目标在导引头视线上的投影角度小于导引头视场角时， 导引头测量得到的角度信息为合成得到的视在目标的角度信息。 而如果真实目标与镜像目标在导引头视线上投影得到的角度差大于导引头视场角， 由于导引头之前跟踪的合成目标偏向于真实目标， 因此可以认为镜像目标回波无法被导引头接收到， 不再对导引头测量造成影响。

3多路径效应对制导精度影响的仿真分析

比例导引法是指导弹在攻击目标的过程中， 导弹速度矢量的旋转角速度与目标线的旋转角速度成比例的一种导引方法， 其基本数学形式为

其优点是： 在比例系数K选择适当的前提下， 导弹弹道前段较为弯曲， 能够充分利用导弹的机动能力; 弹道后段较为平直， 使导弹具有较为充裕的动力裕度。 只要参数选择适当， 就可以使全弹道上需用法向过载均小于可用法向过载， 因而其弹道较为平滑， 有利于发挥导弹的动力性能。 在技术实施上实现比例导引法也较为容易， 因此， 空空、 地空等自动瞄准制导的导弹都采用比例导引法。 其缺点是： 命中目标时的需用法向过载与命中点的导弹速度和导弹的攻击方向有直接关系[15]。

该导引律需要对目标视线的旋转角速度进行测量， 而在海面背景下存在多路径效应时， 由于导引头跟踪目标过程中的视在目标为真实目标与镜像目标的合成目标。 因此在海面背景下直到镜像目标移出导引头视场角之前， 导引头测量得到的旋转角速度均为合成目标的视线角速度。 而在镜像目标移出导引头视场角时， 由于跟踪点在高度上发生跳变， 因此测量的视线方向也将出现跳变， 对应的视线角速度将出现一个尖峰， 并导致弹道出现波动。 如果该现象在导弹攻击目标过程中出现时刻与导弹遇靶时刻较为接近， 则此时制导控制系统无法有效消除制导误差， 并将导致制导精度出现下降。

在考虑上述因素后， 将镜像目标所在位置、 镜像目标回波幅值及视在目标所在位置的计算算法引入原有仿真模型中， 针对同一发射条件下、 目标飞行高度不同时的制导精度进行计算仿真， 并将制导精度小于一定值的仿真结果视为攻击成功。

攻击条件为载机飞行高度3 km， 发射马赫数0.8， 目标飞行高度20～300 m， 飞行马赫数0.8， 发射距离22 km， 迎头攻击， 目标全程不机动。 仿真条件下的典型弹道轨迹如图4所示。

从仿真结果来看， 在发射条件一定时， 目标的飞行高度将直接影响导弹的攻击成功率， 具体体现为攻击成功率随目标飞行高度降低而下降， 1级海情下的仿真数据曲线如图5所示。

造成该现象的原因为： 在真实目标飞行高度较低时， 其与镜像目标之间的距离也较近， 镜像目标移出导引头视场的时间更为靠后， 因此留给制导控制系统消除制导误差的时间也更短， 并导致制导误差散布的增加及攻击成功概率的下降。

需要注意的是， 在目标飞行高度进一步降低时， 虽然镜像目标移出视场时间进一步推后， 但镜像目标与真实目标的距离也进一步减小， 因此也减少了需要消除的制导误差。 从这一点上来讲， 该规律在其他高度层上是否成立尚需要进一步分析。

4结论及建议

从本文分析可知， 在主动雷达型空空导弹攻击低空或超低空飞行目标的过程中， 由于海面环境造成的多路径效应， 将会导致导引头测量精度下降， 进而导致制导精度下降。

针对上述影响因素， 需要通过其他技术手段减弱甚至消除导引头在测量目标信息时所受的影响， 或通过弹道设计补偿镜像目标带来的制导误差散布的增加， 从而在目标飞行高度较低的条件下抑制可能出现的制导误差波动。

为改善导引头测量品质， 可针对性地改进导引头信号处理算法， 采用新型信号处理技术减小海面杂波影响， 或对导引头进行低旁瓣改进， 进一步抑制多路径效应[16]。 另外还可以采取布儒斯特角弹道攻击目标， 尽可能减小海面的反射系数， 从而降低镜像目标带来的影响[17-19]。

为了抑制制导误差的波动， 可以对目标信息进行滤波， 并在目标角度出现跳变时对制导律算法进行针对性设计， 尽可能减小消除制导误差所需的时间[19]。

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Abstract： When the active radar airtoair missile attacks on the target flying at low altitude or ultralow altitude in the sea background， the seeker is always affected by multipath interference due to the reflection of the sea surface to the radar wave. This effect will lead to decline of the missiles guidance accuracy  or even offtarget. In this paper， through the theoretical analysis of the process of multipath interference affecting the guidance accuracy of the missile， and combined with the research results in other references， the quantitative modeling and simulation of the impact on the missile attack process are carried out. Finally， based on the theoretical analysis and simulation results， the technical measures that can be used in the future active radar airtoair missile in this environment are discussed.

Key words： airtoair missile; multipath interference; target attack; active radar type