半主动体制防空武器对低空目标镜像应对策略*

张 乐,苗雨晴,李苏杭,刘 钊,付宝伟,王勋宝

(1.上海机电工程研究所,上海 201109;2.上海复合材料科技有限公司,上海 201112)

半主动寻的制导武器拦截超低空目标时,弹上导引头的跟踪情况主要与双目标的(目标和镜像)多普勒频差、功率差、弹目/弹镜的角度差以及陆/海面反射情况等因素相关[1]。如何合理地规避海面超低空目标的多路径效应,避免导引头接收机受干涉回波影响产生错锁目标镜像的现象是当前防空武器研究的重点方向。

1 干涉原因分析

通过分析低空情况下半主动导引头接收机制发现,照射器波束到目标处的信号由两部分组成：照射器直射到目标的信号和照射信号经地(海)面反射到目标的信号(图1给出镜面反射示意图),照射信号在照射路径I→T和I→O2→T产生干涉,使照射器波瓣分裂,严重时干涉点在目标处的增益下降可超过20 dB,使得导引头回波信号的信噪比下降,同时超低空目标反射多路径T→M和T→O1→M的干涉,使得引头测角产生误差。上述干涉效应将严重影响半主动体制防空武器对超低空目标的拦截效果[2]。

图1 照射多路径示意图

2 镜像目标抑制策略

2.1 海面低空弹道抑制法

布鲁斯特角定义为反射系数对应的最小擦地角,如果弹目视线角按照大于布鲁斯特角攻击目标则可获得对镜像目标的最大抑制[3]。

设ρ为地/海面反射系数,定义为反射点附近发射场强能量与入射电场能量之比,影响反射系数的因素有镜面反射系数ρo、地/海面粗糙度系数ρs和地球曲率影响系数D,即ρ=ρo·ρs·D,一般近程防空武器可忽略地球曲率的影响，设D=1。

计算模型如下:

ρ=ρo·ρs·D

(1)

(2)

式中，εc为地/海介电常数,β为擦地角。

(3)

式中,σh为地/海面起伏的标准偏差,λ为雷达波长。

因此,反射系数与地/海面的地/海介电常数εc和地/海面起伏的标准偏差σh有关。

地/海介电常数εc与频率有关,对于陆地还与潮湿度有关,假设雷达波段为X,查看雷达设计手册可知[4]:戈壁条件下εc=1.83-i0.13;对于海水，εc与盐度、温度有关。假设盐度为35%,查资料得到0 ℃时,εc=58.8-i40。对于海面20 ℃时X波段海水介电常数采用εc=60.7-i33.1,一级海情,σh=0.03 m。反射系数仿真结构如图2所示。

由图2可知,海面布鲁斯特角约为7°,陆面布鲁斯特角约为36°,反射系数的增益大于30 dB,与拦截陆地超低空目标相比,拦截海面超低空目标时导弹可采用低空弹道来减小镜像带来的干涉影响。

图2 X波段陆地和海面反射系数图

2.2 定仰角抑制波瓣分裂法

导弹接收的回波功率主要由照射器增益、波长、功率,目标RCS及弹目、雷目间的距离决定[5]。

目标回波能量为

(4)

因为照射器的波瓣分裂,上面的Gt(γ)不能只从查照射器天线方向图得到,它是路径IT和IO2T方向上的照射器增益的矢量合成(见图1),计算如下:

路径IT方向上的增益可以写成Gt(Δθ1)ejφ1,路径IO2T方向的增益可写成Gt(Δθ2)ρejφ2。其中,φ1=2πRt/λ,φ2=2πRtl/λ+π,ρ为反射系数。

不限角时，

(5)

限角Ψ时，

(6)

(7)

通过数学模型开展对不同目标高度同一照射器不同安装高度的调整,观测记录不同距离段增益变化情况如图3所示。

图3 不同照射器高度、不同目标高度对能量凹口的影响

由图3可见,超低空状态下,照射天线高度越高,干涉频率越高;目标高度越低,干涉频率越低,干涉凹口越深,在干涉点处回波功率降低,可能导致导引头丢失目标。根据目标高度适时调整照射天线高低、限角的方法可改善照射雷达干涉的问题。

2.3 典型弹道下仿真验证

建立数学模型:超低空条件下导引头接收的目标和镜像功率表述如下[6-7]：

(8)

式中，

(9)

针对目标高度为50 m,通过设置导弹的高抛角度及照射器仰角高度对典型弹道开展暗室半实物仿真,通过采集导引头接收的回波功率和镜像功率、弹目与镜像的多普勒频差、弹目与镜像角度差等数据,具体分析超低空下镜像目标对导弹截获的影响及相关应对策略。仿真情况如图4、图5所示(图4弹道角度5°、照射器仰角1.2°,图5弹道角度9°、照射器仰角1.8°)。

图4 弹道角度5°,照射器仰角1.2°条件下弹道仿真情况

图5 弹道角度9°,照射器仰角1.8°条件下弹道仿真情况

通过对比图4a)和图5a)以及图4d)和图5d)可知，目标高度越低,回波功率和镜像功率差值越低。导引头截获灵敏度一致的条件下,高度越低,导引头受干涉影响的时间越长,严重条件下导引头可能全程无法区分真实目标和镜像目标,通过调整照射仰角高度镜像目标的回波会出现能量跌落的现象,此时对导引头的多路径干涉影响也会减弱。对比图4c)和图5c)以及图4d)和图5d)可知,目标高差50 m的情况下回波-镜像视线角度差、回波-镜像功率差,差别不大,角度差在0.5°以内可以满足制导控制精度的要求。开展照射器定仰角设置后,通过图5b)可见，在4 s～8 s的时候回波-镜像功率差逐渐拉大为上升趋势,利于导引头对目标和镜像的判别。

综上,目标与镜像功率随着目标距离的变化规律,虽然在远距离段此时弹目与弹镜之间的张角在1°以内,通过合理控制初始截获时间,避免给导弹装订镜像目标的到位角度,保证导弹前半程按照预定弹道向目标飞行。随着目标的临近,镜像与目标功率差达到 6 dB且迅速增大,4 s之后目标与镜像的功率差逐渐分离,针对超低空目标通过控制导弹弹道高抛角度，采用超低空定仰角、导弹截获延时的策略(控制导弹导引头开始截获的时间),可显著改善超低空镜像目标的影响,实现镜像与目标的分离,规避导引头错锁目标镜像的事件,进而提高半主动制导武器的拦截效果。

3 结束语

基于半主动制导防空武器拦截超低空目标存在镜面干涉带来多路径的效应,通过对弹道飞行角度的控制、照射器定仰角的设置并配合导引头延时截获的策略,可规避导弹错锁的现象,进一步提高超低空目标的拦截效果。