巡航導彈低空突防對雷達探測效能的影響

林存坤, 張小寬, 莊亞強

(空軍工程大學防空反導學院,陜西 西安 710051)

巡航導彈低空突防對雷達探測效能的影響

林存坤, 張小寬, 莊亞強

(空軍工程大學防空反導學院,陜西 西安 710051)

根據巡航導彈巡航段飛行特點模擬導彈三種不同巡航高度時的巡航航跡,仿真導彈RCS序列隨時間的變化情況,考慮導彈低空突防時面臨的強地雜波戰場環境,估算出地雜波信號強度,仿真計算導彈在三種巡航高度下突防時雷達的探測概率。結果表明：巡航導彈低空突防時,地雜波的強度很大程度上制約了雷達的探測效能,巡航高度越低,雷達探測效能越差,越有利于導彈突防。

巡航導彈；低空突防；地雜波；雷達探測

0 引言

巡航導彈是空中力量的主要組成部分之一,較好的低空突防能力使其在現代戰爭中發揮著越來越重要的作用。巡航導彈具有飛行高度低、雷達散射截面(RCS)小等特點,雷達探測巡航導彈時面臨視距限制、強雜波中檢測、多路徑干涉等問題［1］。本文通過對地雜波和導彈RCS序列仿真,研究巡航導彈低空突防對雷達探測效能的影響。

1 巡航導彈的主要特點

巡航導彈是一種裝載了戰斗部的無人航空器,利用地形匹配制導飛行,具有射程遠、突防能力強、多用性好等特點。在巡航段,巡航馬赫數約為0.7,巡航高度為10 m～150 m。低空飛行時,由于地球曲率的影響,雷達探測距離受到視距的限制,因此預警雷達通常要提升架設高度,且雷達探測波束主瓣打地,回波中包含了大量的地雜波,探測難度較大。其次,巡航導彈雷達散射截面很小,典型的巡航導彈在L波段、S波段的RCS只有0.1 m2～0.5 m2。

2 巡航導彈RCS仿真

通常將目標RCS作為一個常量,實際目標不是均勻的散射體,其RCS不僅與雷達工作波長與極化方式有關,也與目標的姿態角、雷達視線角有關。精確仿真時,需考慮目標隨雷達視線角而變化的RCS時間序列。本文假定地面預警雷達采用P波段垂直極化波。以某型巡航導彈為例,利用FEKO電磁仿真軟件,采用MOM法計算導彈P波段電磁散射特性,得到目標全空域靜態RCS目標數據庫,全空域目標RCS分布如圖1所示。由圖可知,彈頭方向RCS較小,而彈體側向RCS較大。

假設巡航導彈巡航段做勻速直線飛行,初始位置距雷達120 km,飛行馬赫數為0.7,取三種不同的巡航高度(50 m、100 m、150 m)得到三條航跡及每條航跡下雷達視線角的實時變化情況,最后由目標全空域靜態RCS庫分別得到巡航導彈的動態RCS序列,如圖2所示。仿真中,遠程預警雷達架設海拔高度設為500 m。由圖可知,巡航高度越高,RCS相對越小,這是由于巡航高度越高,雷達波束指向巡航導彈的頭都強隱身區域,RCS值較小。

圖1 巡航導彈P波段全空域靜態RCS分布

圖2 不同巡航高度下巡航導彈RCS序列

3 雜波仿真

雷達接收到的地雜波主要是陸地表面對電磁波的散射形成的。在討論雜波對雷達的影響時,通常采用雜波后向散射系數σ0來定量描述,σ0表示單位表面面積的平均雷達散射截面,與地形、入射余角、雷達波頻段等有關［2］。本文采用Morchin提出的地雜波后向散射系數模型,這個模型既考慮不同地形對后向散射系數的影響,也考慮接近垂直入射時的鏡面反射分量,且相比常用的經典恒γ的σ0模型更為精確［3］,其表達式為

式中:λ為雷達工作波長;θ為擦地角;u=f1/2/4.7;f為雷達工作頻率,單位為GHz;A、B、為模型參數,與地形有關,經查表分別選為0.004,π/2,0.2,1。

地雜波強度σc為［4］

其中雷達分辨單元面積為

式中:c為電磁波傳播速度;τ為雷達發射脈沖寬度;θβ0.5為雷達波束俯仰半功率寬度;R為目標到雷達距離。

圖3給出了地雜波強度σc隨導彈突防的實時變化情況。由圖可知,隨著導彈與雷達距離的減小,地雜波強度出現快速增強,這主要是由于雷達波束的擦地角變大導致。導彈巡航高度越高,雜波越弱,這也與實際情況相符合。

圖3 導彈突防時地雜波強度變化

4 雷達探測模型

（1）綜合信噪比計算

不考慮多徑效應和電磁干擾,雷達接收機處理信號波及目標回波、地雜波和接收機內部噪聲［4,5］。

目標回波信號功率Pr為

式中:Pt為雷達發射功率;G為天線增益;λ為雷達工作波長;σ為目標RCS;L為雷達系統損耗。

地雜波功率Pc為

接收機內部噪聲功率Pn為

式中:k為波爾茲曼常數;Fn為接收機噪聲系數; T0為系統噪聲溫度;Bn為接收機等效噪聲帶寬。

綜合信噪比為

式中:I為雜波改善因子。

（2）探測概率計算

采用SwerlingⅣ型起伏模型［6］,檢測概率PD可由下式得到［7］。

式中:ΓI表示不完全的γ函數;np為脈沖積累個數;VT為檢測門限,可以通過Newton-Raphson方法中的遞歸公式近似得到。

使用遞歸公式可得

只有γ0需要使用式(9)計算,γi的其他值可以由下面的遞歸公式計算。

（3）雷達檢測概率仿真結果

設定遠程預警雷達參數:頻率f=435 MHz,發射功率Pt=600 k W,天線增益G=40 dB,接收機噪聲系數Fn=5 dB,系統噪聲溫度T0=496,雜波改善因子I=58 dB,發射脈沖寬度τ=50μs。不考慮系統損耗,仿真中目標初始距離雷達120 km,滿足雷達視距條件。脈沖積累個數為5,虛警概率Pf=10―6時,雷達檢測概率仿真結果如圖4所示。

圖4 雷達檢測概率

由圖4可知,在相同時刻即相同的巡航導彈到雷達的水平投影距離,巡航高度越高,雷達檢測概率越大。盡管圖2顯示巡航高度越高,目標RCS序列相對越小,即目標回波信號功率越小,但是相應的地雜波越弱,雷達檢測概率反而更大。隨著導彈與雷達距離逐漸減小,雷達檢測概率變得很小,這是由于近距離時,雜波很強,目標回波被淹沒在噪聲中。可見,相比目標RCS,雜波強度是影響雷達探測低空小目標的主要因素,盡可能提高雜波改善因子,減小雜波強度,提高信雜比,是提高雜波中檢測低空目標的關鍵。

5 結束語

本文考慮了巡航導彈低空突防時,地雜波和目標散射特性對雷達探測效能的影響,通過不同巡航高度時雷達檢測概率的仿真,得到了巡航高度越低,雷達探測越困難,越利于突防的結論,與實際情況相符。仿真結果表明,地雜波對雷達探測的影響很大,抑制雜波和雜波中檢測小目標始終是雷達界研究的熱點之一。

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Study on the Influence of Low Altitude Penetration of Cruise Missile to Radar Detection Capability

LIN Cun-kun, ZHANG Xiao-kuan, ZHUANG Ya-qiang
(Air and Missile Defense College of Air Force Engineering University, Xi'an Shaanxi 710051,China)

According to the flight feature of cruise missile in cruise phase,this paper firstly simulated cruise paths in three different flight altitudes,and then calculated the change of actual RCS series.Signal intensity of land clutter was estimated because battlefield condition with intense land clutter was taken into consideration when missile adopted low altitude penetration.At last radar detection probabilities of three cruise altitudes were calculated.The results indicate that the lower cruise altitude for cruise missile,the weaker detection capability of radar will be,and the more benefit for missile penetration.Meanwhile,the intensity of land clutter restricts the efficiency of radar detection in great degrees.

cruise missile;low altitude penetration;land clutter;radar detection

TN011

A

1671-0576(2014)04-0041-04

2014-09-08

林存坤(1989―),男,碩士;張小寬(1973―),男,副教授,博士;莊亞強(1990―),男,碩士,均從事雷達目標電磁散射特性研究。