機載對映體干擾有效性分析

(海軍航空工程學院電子信息工程系,山東煙臺264001)

0 引言

遂行任務的作戰飛機在遭遇敵導彈攻擊時必須采取適當的電子對抗措施以躲避威脅。對映體干擾是對抗采用單脈沖雷達導引頭體制的主動或半主動有源空空導彈最有效的自衛干擾方式之一。對映體干擾的原理是借助多路徑傳播策略來阻礙雷達截獲干擾機平臺所在的準確位置[1]。此時攜帶干擾機的作戰飛機朝地面發射干擾信號并經地面反射至來襲目標雷達,當雷達接收到的干擾信號強度超過飛機的回波信號時,雷達會誤把位于地面以下的飛機鏡像點當作攻擊目標,從而達到欺騙目的。

實際應用時,低空飛行的飛機截獲到雷達信號后,經放大處理后向具有良好鏡面反射能力的地面發射干擾信號,引起導彈的跟蹤角誤差,使其撞向地面的干擾信號照耀場;而當地面很粗糙時,有相當部分的干擾信號能量就可能會被散射掉。而散射能量則來自更大一片區域,稱為發光面。發光面區域大小與地面粗糙度及雷達與飛機的空中幾何關系有關[2]。針對機載對映體干擾的實際應用方式,本文將對機載對映體干擾的有效作用區域,有效干擾條件以及影響對映體干擾有效性的因素進行逐一分析。

1 對映體干擾基本原理

對映體干擾是一種應用在飛機上的雷達有源角度欺騙干擾方式,對映體干擾原理如圖1所示。假設雷達信號在地面發生鏡面反射,當敵機(稱機B)用雷達照射我機(稱機A)時,機A主動降低自身高度,使機B雷達波束工作于下視狀態。同時,機A攜帶的機載自衛干擾設備接收、復制敵雷達信號并調制后形成干擾信號并由專用天線向地面發射,干擾信號被地面反射后進入機B雷達系統。此時進入機B雷達系統的干擾信號還有機A真實反射回波信號,如果干擾信號功率強于機A真實反射回波信號功率,而且干擾信號與機A真實反射回波所攜帶的一種以上信息(距離、速度、角度)之間的差別不足以使機B雷達將干擾信號和真實反射回波信號區別開,機B雷達自動增益控制系統就會跟蹤較強回波信號,也就是把目標回波方向判斷為功率較強的BG方向,將目標確定為機A在地面下的鏡像A′,而如果干擾對象機B是雷達制導導彈的話,其命中點將會是圖1中G點[3]。

圖1 對映體干擾示意圖

對映體干擾可以在遠距離使用,也可以在近距離使用。在近距離使用時,由于該干擾方式受反射角度的限制,初始狀態下干擾信號一般是從雷達天線的側面或旁瓣進入的。為了壓制住真實目標信號,將雷達從真實目標上引向反射信號,要求干擾信號必須足夠大,再考慮地面反射的損耗,對干擾機的功率要求較高,而且要求干擾機的旁瓣要小。由于近距離使用比較常見,情況也較復雜,所以本文只討論近距離使用對映體干擾的情況。

2 有效作用區域分析

由于對映體干擾的干擾信號是從地面方向進入雷達天線的,而制導雷達或雷達導引頭的天線波束一般都比較窄,因此,只有當其天線向下時,進入的干擾信號才可能足夠大,也就是說,應用這種干擾樣式時,干擾機載機應在單脈沖雷達的下方。

在圖1中,設干擾信號向地面的入射角為α,其中0°＜α＜90°,波束寬度為θj,干擾機高度為Hj,干擾對象高度為Ht?？梢钥闯?干擾信號在B點產生的干擾區域(水平寬度X)取決于干擾機天線的波束寬度θj,干擾信號入射角α以及干擾機、干擾對象高度Hj,Ht。

設A′與C之間的距離,A′與D之間的距離分別為l A′C,l A′D,則

進一步C與D之間的距離l CD由余弦定理有

假設干擾信號功率完全從干擾對象天線主瓣進入,由式(4)顯然可以看出有效作用區域X隨著Hj,Ht的增大而增大,一般Ht大于Hj,即Ht＞Hj。下面基于控制變量法對有效作用區域X隨干擾信號入射角α以及干擾信號波束寬度θj的變化情況進行討論。

如果Hj=3 km,Ht=4 km,此時有效作用區域X隨干擾信號入射角α以及干擾信號波束寬度θj的變化情況分別如圖2和圖3所示。

從圖2可以看到,在干擾信號波束寬度θj一定的情況下,隨著干擾信號入射角α的增加有效干擾區域會急劇減小。從圖3可以看到,在干擾信號入射角α一定的情況下,隨著干擾信號波束寬度θj的增大,有效干擾區域會逐漸增大。這與實際應用中得到的結果是一致的。

在圖1中進一步可以求得：

圖2 干擾信號入射角對干擾區域的影響

圖3 干擾信號波束寬度對干擾區域的影響

設干擾對象與干擾機之間的水平距離為x,當滿足D1＜x＜D2時,干擾機才可以干擾到需要干擾的目標,即要滿足下式：

當干擾機與目標飛機間的距離滿足上式時,目標飛機必定處于干擾機的有效干擾作用區域內。因此,當準備采用對映體干擾時,要根據敵我距離和我機高度、敵機高度、我機干擾波束寬度,判斷實施對映體干擾的可行性,并選擇合適的干擾時機。

3 有效干擾條件

當地面反射式欺騙干擾的干擾信號能進入干擾對象天線時,影響干擾效果的關鍵因素還是進入到被干擾雷達內的干擾功率大小。

設干擾機輸出功率為Pj,天線增益為Gj,波長為λ,載機對雷達的有效反射面積為σ;雷達天線輸出功率為Pt,天線增益為Gt,雷達天線的有效接收面積為A,通常A=λ2Gt/4π,雷達天線在受干擾方向的有效接收面積為A′,A′=λ2Gt′/4π,其中,Gt′通常采用下面的經驗公式計算[4]：

因為實際天線的方向圖在大于60°角度范圍之后,天線增益不再隨著θ的增大而減小,而是趨于一個平均穩定的增益數值,這個數值可以用θ=60°時的Gt′來計算。而當θ≤θ0.5/2時,Gt′按天線最大增益Gt來計算[5]。

圖4是干擾機波束與雷達波束位置關系示意圖。其中,θ0.5是雷達半功率點波束寬度,θ是入射干擾信號與雷達天線波束之間的夾角,因為雷達在制導狀態下一般使用銳方向天線,所以取k=0.07～0.10,干擾機到雷達的直線距離為Rt。

圖4 干擾機波束與雷達波束位置關系

根據圖1,干擾信號經地面發射后到雷達的距離為

雷達接收到的目標回波信號功率為[6]

雷達接收到的干擾信號功率為

式中,γj為干擾信號對雷達天線的極化損失,為了對各種極化形式的雷達都能有效干擾,通常取γj=0.5;γd為衡量干擾信號經地面反射后損失的等效反射系數,當反射面為光滑表面時,反射效果最好。由于地面反射系數與地形、頻率、入射角和電磁波的極化形式等參數有關,所以同樣的地面對于不同類型的雷達的影響也是不同的 。

在雷達接收端口,干擾信號和雷達回波信號的功率之比(干信比)為

式中,k,σ,PjGj,PtGt,γj,γd,θ0.5是一些相對確定的量,它們對動態變化不起作用,因此,下面僅討論Rt,Hj,Ht,θ,α對干擾效果的影響。當α小時,為了使干擾信號能進入雷達,干擾機載機和雷達間隔距離應足夠大,或兩者離地面越近越好。由式(13)可知Ka與sin2α成正比,因此α不能太小,而根據圖2和考慮地面對反射系數的影響,α也不能太大,否則干擾有效區域會變近變小。因此α應取0°～90°之間的一個中間范圍的值,在實際應用中,α由干擾機發射天線發射角度決定,通常是固定的,一般情況下,可以取α=π/4。因此,可在此基礎上確定Rt,Hj,Ht,θ的取值范圍。

假設k=0.08,載機對雷達的有效反射面積σ=5 m2,干擾機有效輻射功率為PjGj=5×106W,目標飛機雷達有效輻射功率為PtGt=8.4×109W,干擾信號對雷達天線的極化損失γj=0.5,干擾信號經地面反射后損失的等效反射系數γd=0.9,雷達半功率點波束寬度θ0.5=2°。以下就各因素對干擾效果的影響進行分析。

3.1 Rt對干擾效果的影響

干擾機載機高度Hj=3 k m,目標飛機高度Ht=4 km,干擾信號入射角α=45°,干擾信號波束寬度θj=2°,將以上數據代入式(8),得Rt的取值范圍為6.833～7.317 km。根據式(13)可以得到圖5。

圖5 干擾機與雷達間距對干擾效果的影響

從圖5可以看到,在干擾信號與雷達波束夾角θ一定的情況下,隨著干擾機與雷達間距Rt的增大,干擾效果會不斷增強。

3.2 θ對干擾效果的影響

假設條件同3.1節中一樣,根據式(13)可以得到圖6。

圖6 干擾信號與雷達波束夾角對干擾效果的影響

通過式(13)可以看出,Ka與θ2成反比,即θ越小越好。經過仿真,在圖6中同樣可以看到當干擾機與雷達間距一定時,隨著θ的減小,干擾效果會得到快速提升。由于雷達天線在初始狀態是對準干擾機的,θ小意味著干擾機載機必須低于雷達。此外,同樣道理,Hj,Ht的值也是越小越好,即對映體干擾在低空應用效果更好。

3.3 地面反射特性對干擾效果的影響[3]

(1)不同干擾機在相同地區,實施對映體干擾的效果可能不同

與其他干擾類型一樣,對映體干擾的效果,取決于進入要干擾雷達接收機的功率大小。由前面的分析可知,進入雷達的干擾信號的強度除由干擾機發射功率決定外,還由地面對干擾信號的反射特性決定,即干擾的有效性受到地面平滑程度影響。前述分析以地面是光滑的情況為前提,事實上,現實中絕對光滑的地表面是沒有的。文獻[7]已經證明：反射特性是雷達波波長λ、掠射角γ的函數?？梢?地面是否可被認為是光滑,與雷達本身特性有關,因此對不同波段雷達在相同的地區,實施對映體干擾的效果也可能不同。

(2)相同干擾機在相同地區,實施對映體干擾的效果可能不同

地球表面的覆蓋物隨季節的不同而不同,這些覆蓋物對雷達波的反射特性也不盡相同,甚至于對相同的覆蓋物,在不同的季節、不同的時間、不同的溫度以及不同的照射方向等條件下,其反射特性也有差異,分析相對復雜,到目前為止還沒有一致的結論。通常人們以水面的反射系數為標準歸一化,得到地面反射特性由好到差依次為：地面、稻田、田野、城市、森林、山地。海面也是一個非常好的反射面,其反射特性與水面相似。

4 結束語

本文主要對機載對映體干擾的有效性進行了分析。通過分析得到了影響機載對映體干擾有效作用區域,干擾效果的主要因素。通過對這些因素的定量分析,以期對各種不同條件下的對映體干擾作戰有所裨益。文中采用了控制變量法的討論方式,實際中這些因素之間是相互影響,相互制約的一個復雜體,因此應用中應該統籌考慮各個因素,在合理的取值范圍之內選擇各因素的最優組合,以達到最佳的干擾效果。

[1]SCHLEHER D C.Electronic Warfare in the Information Age[M].Norwood,MA：Artech House,1999.

[2]高彬,毛士藝,孫進平,等.對映體干擾作戰效能仿真評估[J].彈箭與制導學報,2010,30(4)：223-226.

[3]李勇,葉志銓.對映體干擾原理及影響干擾效果的因素分析[J].電子信息對抗技術,2006,21(5)：29-32.

[4]余立志,張新如,李傳杰.干擾飛機多方式干擾警戒雷達效果仿真[J].雷達科學與技術,2013,11(3)：251-254.YU Li-zhi,ZHANG Xin-ru,LI Chuan-jie.Simulation of Effect of Electronic Jamming Aircraft on Warning Radar in Multiple Jamming Modes[J].Radar Science and Technology,2013,11(3)：251-254.(in Chinese)

[5]張永順,童寧寧,趙國慶.雷達電子戰原理[M].北京：國防工業出版社,2007：90-94.

[6]侯民勝,樊曉明,洪善民.一種有效的角度欺騙干擾[J].信息化研究,2009,35(10)：6-9.

[7]丁鷺飛,耿富錄,陳建春,等.雷達原理[M].北京：電子工業出版社,2009.