对雷达副瓣对消的无人机集群抵近式干扰效能分析

2023-07-17刘世昌龙银东薛长飘

舰船电子对抗 2023年3期

关键词：副瓣干扰机压制

刘世昌,龙银东,何斌,薛长飘

(电子信息控制重点实验室,四川成都 610036)

0 引言

随着雷达技术的不断发展,传统电子战效能面临更为严峻的挑战;同时,由于传统电子进攻系统往往基于高价值作战平台,为确保平台安全,大多在敌方威胁防区外执行任务,使得电子战效能更加难以得到保障。

当前,随着小型化无人机的迅猛发展,尤其是低成本无人机集群技术的快速发展,使得基于无人机平台的集群抵近式电子进攻作战成为可能。

美国等西方强国已开展“小精灵”(Gremlins)、“灰山鹑”(Perdix)、“低成本无人机蜂群”(LOCUST)等无人机蜂群作战项目,并进行了无人集群演示验证,探索了新的协同作战样式,形成了非对称作战能力。

敌防区内的无人机集群抵近式干扰作战,可充分利用干扰平台处于被掩护平台前方的优势,使干扰系统在能量和技术维度均获得极大的作战优势,一方面所需干扰功率将随距离呈指数下降,实现“低-零”功率干扰(距离换得功率);另一方面利用阵位带来的时间差优势,可以更好地侦收雷达信号,获得更大的干扰处理增益(距离换得技术)。因此,敌防区内的抵近作战,尤其是敌防区内的集群抵近式作战,相较于传统的电子战作战样式,将更有利于作战目的的达成[1]。

1 无人机集群抵近式干扰的优势

利用无人机集群抵近到敌防区内遂行电子战任务,是一种新颖、特殊的作战样式,随着作战理论的发展,未来无人机平台在战场上将得到越来越多的应用。无人机集群抵近式干扰相比传统干扰手段,拥有以下优势[2]。

(1) 可实现“低-零”功率干扰。由于传统干扰飞机平台与雷达距离远、传输损耗大,必须使用大功率干扰设备。假设平台从200 km抵近到2 km左右,空间损耗将减小40 dB,则干扰设备的功率需求将大大降低,只需数瓦即可。

(2) 可适应雷达的信号捷变。由于传统干扰掩护自身或身前目标,干扰信号客观上无法超前于真实回波。当雷达采用波形、频率捷变后,雷达可充分利用干扰信号始终滞后于雷达回波的特点,实现抗干扰目的。而无人抵近干扰掩护的却是身后目标,干扰信号提前于回波信号,干扰系统可根据雷达信号的变化实时生成干扰信号,实现对雷达信号捷变的有效对抗。

(3) 实现对传统反干扰措施的破解。雷达针对传统干扰,采用了如副瓣对消(SLC)等反干扰技战术,采用分布式干扰阵形后,可在空间维度有效破解反干扰措施[3]。

(4) 集群具有冗余性和灵活性。即使有少量平台被摧毁,也不会彻底丧失系统功能。同一作战任务群中的无人机,可采用不同的控制策略和协同样式,战法多变,可根据任务需求灵活调整。

(5) 干扰扇面广。可通过增加无人机数量,扩展干扰压制扇面,根据作战需求控制压制强度。

(6) 可执行危险任务。敌防空内各种防空武器组成密集火力网,对于突防的有人飞机具有极大威胁;而无人系统不用考虑人员战损,可充当防区内危险任务的先行者。

(7) 单系统架构简单。无人系统专注执行干扰任务,省去了告警、自卫等系统,同时系统任务可由多架无人系统分工协作,简化了单系统的设计,分解了系统的复杂性。

(8) 效费比高。无人系统结构简单,材料低廉,同时单载荷研发周期短,用于对抗敌方高价值的防空系统,具有极高的效费比,让敌人“不得不防,又防不起”。

2 理论分析与建模

2.1 对SLC的饱和干扰模型

SLC系统通过在副瓣方向设置多个辅助通道,对辅助通道采集副瓣信号,计算出最优权值,使得各辅助通道加权后的合成输出对消掉主通道中的干扰,输出目标回波信号[4],如图1所示。

图1 SLC系统组成框图

设Xmain(t)、X(t)分别表示t时刻在主天线和辅助天线上的采样电压矢量,且:

X(t)=(x1(t),x2(t),…,xN(t))T

(1)

式中:xi(t)(i=1,…,N)为第i个辅助天线上的采样电压;N表示采用的辅助天线数目。

权值矢量为:

W=(w1,w2,…,wN)T

(2)

辅助通道信号由最优权值加权后与主通道信号求和,得到的对消输出为:

(3)

对消剩余功率为:

Pres=E{|r(t)|2}=E{(Xmain(t)-

WTX)(Xmain(t)-WHX*)}

(4)

用LMS准则计算权值的推导过程如下:

Pres=Pmain-WHR-(WHR)*+WHMcoW

(5)

式中:Pmain=E(|Xmain(t)|2),表示主通道接收的信号功率;R=E(X*Xmain);Mco为辅助通道干扰采样协方差矩阵;Wopt为最优权值。

干扰对消比KCR直观地反映了对消前后干扰信号功率的变化:

KCR=Pmain/(Pmain-RHWopt)

(6)

因而大多数文献均以此为标准衡量SLC系统工作性能。

式(5)两边对W求梯度,使梯度为0的权值即为最优权值,得到最优权值表达式(Wiener-Hopf方程):

▽WPres=2McoW-2R

(7)

(8)

当干扰机数量大于辅助通道数时,干扰数量超过了SLC系统可对消的个数,使得协方差矩阵奇异,不可求逆,方程存在不唯一解,甚至无穷解,因此无法得到最优权值。

2.2 集群压制干扰模型

无人机集群抵近式干扰由于具备较好的侦收条件,同时因支援干扰主要用于对敌防空压制,因此可采用相参化压制干扰技术。形成压制干扰效果有效的判决条件是Pjam>Pecho,即干扰信号功率超过回波功率。

从功率维度分析,雷达收到的M个干扰机的发射功率合成结果为[5]:

(9)

式中:λ为波长;Pj为干扰功率;Gj为干扰天线增益;Gr(θ)为雷达接收方向图函数;Rj为干扰机距离。

方向图函数Gr(θ)为:

(10)

式中:θ为方位角;KCR(θ)为该角度上SLC对消比;A为阵元数;d为阵元间隔。

若M个干扰机发射功率相同,与雷达的距离相同,在空间分布角度不同,则[6]:

(11)

式中:c为常量项;φ(i)为第i个干扰信号的相位。

最理想的情况,干扰信号之间相位完全相同,合成信号的功率为:

(12)

普遍的情况,干扰信号之间相位是随机的,即φi(i=1,2,…,M)在[-π,π]上均匀分布,合成信号的功率为:

exp(jφi-jφk)=

(13)

式中:φi,i=1,2,…,M,为独立同分布的随机变量,且服从[-π,π]上的均匀分布。

利用随机过程分析理论,可得期望:

exp(jφi-jφk)]=0

(14)

可得合成信号功率的期望值为:

(15)

以M=100为例,100个线性调频信号叠加为例,幅度为1,脉宽400 μs,载频300 MHz,调频带宽100 kHz,仿真时中频采样率取10 MHz,从同一方向进入,仿真如下:

由图2可见,100(M)个完全相参信号叠加后,幅度增加100倍,功率增加10 000(M2)倍。

图2 相参叠加

由图3可见,100(M)个随机相参信号(相位差0～360°,不跨周期)叠加后,幅度增加10.2倍,功率增加104.04(约为M)倍。

图3 随机非相参叠加

图4 仿真场景图

若相位服从高斯或者瑞利分布,计算合成功率就比较困难,但该值一定是介于理想和普遍情况之间的。

3 集群压制干扰仿真试验与结果分析

仿真场景为:无人机与雷达距离3 km,按5°方位夹角等间距布阵,形成干扰掩护扇面,为后方进攻平台开辟安全走廊,干扰辐射功率为2 W,雷达频率3 GHz,发射功率65 kW,主瓣增益40 dB,SLC通道为典型值7个,掩护目标距离为50 km,雷达截面积(RCS)为2 m2。

设单架无人机处于雷达作战当面0°方位上,在典型的条件下进行单机干扰效果仿真,雷达方向图和干扰仿真效果见图5、图6(重点关注作战当面-90°～+90°)。

图5 方向图仿真

图6 单机压制干扰效果(未开SLC)

图7 单机压制干扰效果(开SLC)

图5中:曲线表示不同方位上的烧穿距离,曲线内部表示雷达的威胁区,曲线外部为战斗机突防安全区[7]。

从仿真图6中可以看出:未开SLC时,第一副瓣(5°)、第二副瓣(10°)、第三副瓣(12°)上掩护距离分别为35 km、50 km、70 km;开SLC后,第一副瓣、第二副瓣、第三副瓣上掩护距离分别为70 km、80 km、112 km。可见SLC对干扰信号的抑制作用很明显,干扰无法掩护50 km处的战斗机。

增加无人机的数量,在雷达扫描方位-20°、-15°、-10°、-5°、5°、10°、15°、20°均匀布置8架无人机,两两间距5°,雷达SLC前后的结果如图8、图9所示。

图8 对消前后方向图

图9 对消前后通道内的干扰信号

可见前后对消比差值为:-25 dB、-4 dB、-6 dB、14 dB、13 dB、-8 dB、-5 dB、-4 dB。干扰在副瓣区域增益得到了明显抬升,信号仿真表明,干扰在受到对消后仍然充满了主通道,可进入雷达信号处理环节起到干扰效果。

按干扰机之间相位差随机分布考虑,根据式(15)和天线方向图,集群干扰仿真效果如图10所示。

图10 多机压制干扰效果

可见,采用集群干扰后,由于SLC系统失效和集群干扰信号合成,干扰效果得到了明显改善,各个干扰机最强的压制区域呈现聚集效应,在50 km掩护圈形成了一个较大的压制范围(-30°～+30°)。同时,远区副瓣由于多个干扰机的集群干扰影响,也受到了较强的干扰压制,使雷达的威胁区进一步缩小(90 km),为突防飞机创造出了足够的掩护空间。