微型空射诱饵任务载荷系统设计与工作状态分析

陈美杉，曾维贵，李湉雨

（海军航空大学岸防兵学院，山东烟台 264001）

0 引言

防空武器系统抗干扰能力的逐步提升对电子对抗设备的性能提出了更高要求，传统的箔条干扰会因多普勒效应而降低干扰效果，电子对抗吊舱会降低飞行器的灵敏度而且对跟踪干扰源模式的导弹无能为力，内部干扰系统的升级优化率和普适性都比较低，于是美军在20 世纪90 年代提出发展空投式诱饵以填补能力空白，微型空射诱饵（Minia‑ture Air-Launched Decoy，MALD）应运而生［1］。该款诱饵历经20 余年发展，现已发展有多种型号，因技术限制加之早期对其关注度不够，我国在这方面起步较晚。所以本文从MALD 的功能特点和作战模式角度出发，提出MALD 任务载荷系统组成方案，并对任务载荷的工作状态进行了仿真分析。

1 微型空射诱饵简介

1.1 微型空射诱饵主要型号及作战模式

1.1.1 主要型号

目前MALD 主要发展有4 种型号［2-7］：1）基本型MALD，主要载荷为信号增强子系统（SAS），该系统可模拟美军及其盟友的主战飞机雷达信号特征，用于诱骗敌防空雷达开机甚至误判，暴露敌重要防空节点位置，消耗高成本防空弹或诱骗防空导弹弹载跟踪雷达，掩护高成本巡航（反舰）导弹突防；2）干扰型MALD-J，载荷方面增加了有源雷达干扰机，增加了双向数据链功能，可抵近飞行对敌防空雷达或对导引头实施主动干扰，瘫痪敌防空体系，并完成战场态势的信息传输和共享；3）多用途载荷型MALD-X，可搭载通用战斗部或者其他类型载荷（如通信中继、传感器、特制电子战载荷等），以提高情报搜集、监视侦察、担负靶机、反辐射攻击等能力；4）模块化设计型号MALD-V，采用先进模块化设计，使产品更新换代灵活，该型号旨在实现功能的全面跃升。

静态存储状态下的MALD 如图1 所示。

1.1.2 作战模式

MALD 通常由载机在防区外大批量投放，对敌防空体系进行一系列压制，被刺激开机的雷达会成为反辐射武器的活靶子；同时MALD 形成的假目标会消耗大量高成本防空弹，干扰型MALD 集群使用会对防空雷达网形成整体压制，降低其作战效能，为后续突防武器扫清障碍。

图1 微型空射诱饵Fig.1 Miniature air-launched decoy

作战模式想定图如图2 所示。

图2 微型空射诱饵作战模式Fig.2 Operation pattern of MALD

1.2 微型空射诱饵基本性能参数

MALD 从设计之初，美军就将其定位为一款防区外发射的诱饵弹，以最大限度保护载机。MALD的基本性能参数见表1。

表1 MALD 基本性能参数Tab.1 Basic performance index of MALD

2 MALD 任务载荷系统设计

空射诱饵弹的任务载荷本质上是一种宽频带的有源雷达干扰机，包含雷达接收机、发射机和收发天线。有源干扰的基本原理是发射适当的干扰信号进入雷达接设备，以此破坏或扰乱雷达对目标回波信号的检测［8］。MALD 作为一种多功能的电子战装备，需具备多种干扰手段和对干扰资源的管理能力，以适应复杂战场中的雷达对抗。所以本节从MALD 功能特点出发，首先提出MALD 任务载荷系统的设计要求，之后给出任务载荷部分的系统设计方案。

2.1 MALD 任务载荷系统设计要求

MALD 工作时，通过天线接收截获敌方的雷达信号并传送至接收机，立刻检测出接收信号的频率、辐射源方位和脉内参数等信息。这一方面通过与存储信息的比对确定辐射源的基本特征，起到情报侦察作用；另一方面通过系统处理将接收的信号增强放大，使之产生与载机雷达回波特性相似的欺骗信号，由天线发射出去，进而起到诱骗敌防空雷达的目标。所以从美军对于MALD 的功能定义和可能的作战运用角度看，MALD 任务载荷系统应具备下述几个基本的特征：采用综合射频体制；覆盖频带宽；较高灵敏度。

2.2 MALD 任务载荷系统设计方案

MALD 是一款可覆盖大部分地面/舰载防空警戒雷达、火控雷达和弹载雷达工作频段的宽频带综合射频诱饵。该型有源诱饵具备被动信号侦察、典型目标模拟、有源欺骗干扰、有源压制干扰等功能，干扰样式多样，结构紧凑，功能参数可重新配置升级，能够有效对抗各种先进体制雷达系统。

在设计层面，应重点考虑MALD 的特有性能，注重与以往干扰机的本质区别，突出侦察、干扰的战术管理功能，能够以作战任务为导向，综合利用先验信息、辐射特征数据库、被动探测数据对作战场景中辐射源进行实时动态分析与描述，并形成最优的干扰策略和干扰配置参数进行干扰对抗。一方面该诱饵系统可作为辅助突击干扰武器，在防区内有效压制敌陆上防空反导编队（海上防空反导系统）的雷达系统，扰乱并降低其防空反导系统的作战效能；另一方面，该诱饵系统可以伴飞或近距支援巡航导弹或载机突防，充当战场“消耗品”。

MALD 任务载荷的系统组成如图3 所示。

图3 任务载荷系统基本组成Fig.3 Basic composition of mission payload

MALD 载荷系统由宽带多元阵列天线、微波收发组件、多通道中频接收机、高速信号采集与分选、实时干扰波形产生、战术任务管理、信号精细分选识别、电源模块等组成。诱饵系统的工作模式和参数由战术任务管理模块进行配置和管理，可根据作战任务和场景工作于被动侦察、转发干扰、有源压制干扰或者同时多种模式。诱饵系统通过宽带多元阵列天线接收空间辐射源信号，并由微波前端的高速信号采集与预处理模块完成对信号的高速采样及初步信号调理功能［9］。信号精细分选识别模块在任务管理模块的配合下负责对被截获辐射源信号的精细化分选与识别。实时干扰波形产生模块根据战术管理计算机传输的干扰策略和干扰参数产生相应的干扰信号，并通过微波收发组件的上变频通道进行变频、放大，最终通过天线辐射出去。

3 MALD 任务载荷工作状态分析

本节以MALD 任务载荷系统的基本框架为依托，进一步讨论MALD 载荷部分的工作状态。

3.1 MALD 干扰防空雷达基本场景想定

为方便分析，考虑一枚基本型MALD 与载机伴飞突防，诱骗防空雷达探测跟踪这一基本情况。

MALD 作为一种空投式的干扰机，有效辐射功率（Effective Radiated Power，ERP）是描述其性能的一个非常重要的参数［10-11］。ERP 与MALD 的发射功率PD存在如下关系：

式中：PER为有效辐射功率；LD为MALD 的系统损耗；GD为MALD 辐射方向的增益。

同一般的雷达对抗一样，选择干信比（干扰信号/真实信号）来衡量MALD 对雷达的干扰效果。为方便分析，现做如下假设：防空雷达始终以天线的最大辐射方向对准目标（载机），MALD 始终以天线最大辐射方向对准防空雷达。此时，得到任意时刻雷达、目标和MALD 之间的位置关系图，如图4 所示。

图4 位置关系图Fig.4 Position diagram

跟踪雷达接收到的目标回波信号功率PTR可以表示为

式中：PT为雷达的发射功率；GT为雷达天线主瓣方向上的增益；σ为目标的雷达反射截面积；λ为雷达辐射信号的波长；RTR为雷达和目标之间的距离。

MALD 的干扰信号功率与雷达到MALD 的距离有关，这里用RDR表示。MALD 在抵近飞行的过程中RDR发生变化，其工作模式也会发生相应的变化。根据前期的分析，其可能有两种基本的工作模式：线性转发工作模式和功率饱和工作模式［12-14］：

1）线性转发工作模式。转发式干扰系统又被称作恒增益系统，这种工作方式下，接收天线将接收到的雷达信号传送到幅度和相位调制模块，经过调制模块调制后，送入功放模块，经放大后由发射天线发射出去。当MALD 处于线性转发工作模式时，可以将其视为功率的恒增益转发器。

2）功率饱和工作模式。功率饱和工作模式可以看作是一个恒定功率系统，也就是说当MALD 在线性转发模式下功率增大到一个饱和值后，其功率不再随RDR而变化，即要求被存储复制再生的信号电平能够使发射机产生最大功率输出，而与被截获信号的电平无关。当MALD 处于功率饱和的工作模式时，认定其干扰功率是固定不变的。

既然MALD 存在两种基本的工作模式，那么两种工作模式之间必然存在一个转换距离，定义工作模式转换时刻MALD 与防空雷达的距离为MALD的转换距离。当MALD 处于功率饱和工作状态下，存在一个距离，当MALD 在这个工作距离时，在J/S满足一定条件下，雷达接收到的真实目标的信号的回波功率同接收到MALD 干扰信号的回波功率相等，这个距离为烧穿距离。转换距离与烧穿距离对理解MALD 任务载荷工作状态有着重要意义。

以下就从MALD 的两种工作模式和两种工作模式带来的两个距离概念入手，探究MALD 任务载荷的工作状态。

3.2 线性转发工作模式

当MALD 与雷达的距离比较远时，诱饵接收到的雷达信号的功率会比较小，此时若达不到MALD接收机的灵敏度（系统最小可分辨信号的强度），则诱饵弹不会对接收到的信号进行放大处理，即诱饵弹无法进入干扰模式。如果MALD 所截获的雷达信号高于系统的灵敏度，则诱饵可将接收到的雷达信号进行放大、调制和转发，这时可以将其看作一个恒增益的系统［14-15］。

MALD 天线的有效孔径用AD表示，有

式中：GD为MALD 天线的增益；θ为偏离MALD 天线中轴的角度。

MALD 所截获的雷达发射信号功率用PDr表示，则有

式中：GT(φ)为雷达天线方向图函数；φ为偏离雷达天线的轴线方向角度；LP为传播损耗；RDR为雷达与MALD 之间的距离。

因为已经确定了MALD 在此工作模式下为恒增益系统，用GDS表示诱饵弹系统的增益，MALD发射的干扰功率PD为

雷达接收到的干扰信号功率用PRr表示，有

式中：AR为雷达接收天线指向MALD 方向上的有效孔径，且有

那么，根据式（2）和式（6）就可以得到雷达接收端的干信比了，有

3.3 功率饱和工作模式

当MALD 与雷达的距离越来越近时，随着其所截获的雷达信号功率越来越大，如果继续保持线性工作模式，诱饵的输出干扰功率也会越来越大，这不符合实际情况。实际上，当上述情况出现时，MALD 会在某一临界点实现功率饱和，达到一个最大输出功率，这就是MALD 的功率饱和工作模式。

在这种工作状态下，假定MALD 的最大输出功率为PDmax，则雷达接收到的干扰信号功率为

根据式（2）和式（9），可得该工作模式下雷达接收端的干信比为

3.4 转换距离和烧穿距离

为了进一步研究MALD 的工作状态，需要利用转换距离和烧穿距离的概念，对其进行简单的动态分析。

通过对式（10）的观察可知，在做进一步分析之前，需要明确阵列天线的增益值。为方便分析，作如下约定：MALD 与目标同时处于雷达的主瓣内且φ=0，MALD 的最大辐射方向也同样对准雷达，且有RDR=RTR。

根据第2 节中给出的任务载荷设计方案，MALD 采用阵列天线。对阵列天线参数进行初步设计，通过查阅资料并结合经验公式［15-16］，得到

假设MALD 天线设计参数：Ae=0.019 2 m2（边长为160 mm×120 mm 的矩形孔径），λ=0.05 m（取中心频率7 GHz），N=12（4×3 排列），d=40 mm，则得到最大增益G（单位dB）为

考虑到式（11）、式（8）可以写成

式（10）可以写成

在模式转换工作距离上，式（12）等于式（13），有

此时的RDR便是MALD 从线性工作状态转换到饱和功率状态的转换距离，从表达式可以看出，转换距离的平方与MALD 的系统增益GDS成正比，与最大发射功率PDmax成反比。

假定MALD 系统增益为GDS=50 dB，σ=1 m2，PT=30 dB，GT=23 dB，f=3 GHz，Lp=1，则最大发射功率PDmax与转换距离RDR之间的关系如图5 实线所示。

取防空雷达接收机灵敏度为10 dB，即式（13）中的J/S≥10，

同样使用上述仿真参数，对式（16）进行仿真分析的结果如图5 虚线所示。

图5 模式转换距离/烧穿距离与最大发射功率的关系Fig.5 Relationship between mode switching distance/burn out distance and maximum transmitted power

从仿真结果可以看出：

1）当最大发射功率PDmax=1 W 时，转换距离为11.4 km，即在MALD 与防空雷达距离11.4 km 时，MALD 任务载荷的工作状态由线性转发转换至功率饱和模式。随着最大发射功率的增大，转换距离变小。在实际应用中，可以根据不同的战场环境，设计MALD 载荷指标，以满足作战需求。

2）当最大发射功率PDmax=1 W 时，烧穿距离为4.5 km，即MALD 与防空雷达距离大于4.5 km 时，MALD 具备干扰能力。当距离小于4.5 km 时，MALD 将失效。该仿真结果可以为MALD 具体作战运用提供理论支撑。

这里需要指出的是，上述分析是理论状态，实际情况下，射频综合诱饵的发射功率并不能保证从雷达天线主瓣进入，也可能从旁瓣进入干扰，此时转换距离和烧穿距离的计算值也要偏大一些。

4 结束语

本文从微型空射诱饵的功能特点出发，提出了诱饵弹任务载荷的系统组成方案，并在该方案基础上，进一步研究其工作状态。一方面为后续研仿工作奠定基础；另一方面为从技术层面理解微型空射诱饵作战运用提供理论支撑。微型空射诱饵近年来逐步受到广泛关注，美空军已批量采购，美海军型号也已定型，作为美军一款多功能电子战武器，它具有十分强大的综合射频对抗能力和极其丰富的作战应用模式，必将在未来战场发挥突防“倍增器”和战场“清道夫”作用。