艦艇投擲式干擾對抗單脈沖雷達末制導技術研究*

楊文進 厲春生 李仙茂 林 桐

(1.海軍駐北京作戰系統軍事代表室 北京 100081)(2.海軍蚌埠士官學校 蚌埠 233012) (3.海軍工程大學 武漢 430033)(4.海軍航空兵學院 葫蘆島 125001)

艦艇投擲式干擾對抗單脈沖雷達末制導技術研究*

楊文進1厲春生2李仙茂3林 桐4

(1.海軍駐北京作戰系統軍事代表室 北京 100081)(2.海軍蚌埠士官學校 蚌埠 233012) (3.海軍工程大學 武漢 430033)(4.海軍航空兵學院 葫蘆島 125001)

由于現代導彈大量采用單脈沖末制導雷達,使得傳統的艦載有源角度欺騙干擾完全失去干擾效果。針對其特點,論文研究采用投擲式有源干擾誘餌對其實施干擾,從理論上證明采用這種干擾對抗單脈沖導彈可以有效保護已方艦艇,同時,也通過仿真計算證實它的有效性,并總結出了使用此干擾時的限制條件和正確的使用方法。

單脈沖; 末制導; 投擲式干擾; 艦艇反導

Class Number TN972

1 引言

現代導彈的末制導雷達也不斷采用新體制,以提高其抗干擾能力,單脈沖就是末制導雷達常采用的一種抗干擾體制,它使得傳統的艦載有源角度欺騙等自衛干擾完全失去干擾效果。艦艇方為了對抗單脈沖末制導導彈,必須研究采用新的干擾體制和技術[1～2]。本文擬采用投擲式有源干擾誘餌實現對此種導彈的干擾,即將干擾機裝載火箭上[3],在垂直于導彈來襲方向,將火箭干擾機快速發射到離艦艇幾百米處,小艇與艦艇間仍保持無線通信,通過無線通信控制火箭干擾機迅速啟動并將天線指向導彈實施有源干擾[4～7]。而艦艇本身不實施干擾,只是適當調整艦艏指向,以減小艦艇的雷達截面積。

2 單脈沖末制導雷達原理及特點

單脈沖末制導雷達就水平方向而言,是在一個角平面內,同時,發射兩個相同的波束,使其部分重疊,其交疊方向的中心即為等信號軸。將這兩個波束同時接收到的回波信號進行比較,就可取得目標在這個平面上的角誤差信號,然后將此誤差電壓放大變換后加到驅動電動機,控制天線向減小誤差的方向運動。因為兩個波束同時接收回波,故單脈沖測角獲得目標角誤差信息的時間可以很短,理論上講,只要分析一個回波脈沖就可以確定角誤差,所以叫“單脈沖”。它的角度測量是不依賴于信號幅度關于時間的變化,所以,無法采用幅度關于時間調制的方法對它實施角度欺騙。同時,單脈沖可以獲得比圓錐掃描高得多的測角精度,故末制導雷達常采用它。單脈沖角跟蹤技術種類很多。利用目標幅度信息進行角跟蹤的系統稱為振幅法角跟蹤系統,利用相位信息進行角跟蹤的系統稱為相位法角跟蹤系統,此外還有綜合角跟蹤系統等。無論是振幅法還是相位法提取角誤差信息都要兩個或兩個以上的天線才能實現。下面以最常用的振幅和差單脈沖技術為例來研究對其干擾的方法。同樣,由于方位和仰角跟蹤為兩套相同的系統,因此,我們僅討論其中一個系統[8]。

圖1是單平面振幅和差單脈沖系統的波束示意圖。圖1(a)表示天線1和天線2方向圖。由圖1可見天線1與天線2的方向圖最大點距等信號軸的偏角等于θ0和-θ0,其方向圖為

F1(θ)=F(θ0-θ)

F2(θ)=F(θ0+θ)

若空間目標瞄準軸偏角為θ,回波信號為

E=Emejωt

則天線1和天線2輸出的信號為

E1=EmF(θ0-θ)ejωt

E2=EmF(θ0+θ)ejωt

天線的輸出信號加到和差信號形成網絡。在圖2中和差信號形成網絡用圓圈表示,它有兩路輸出,其中一路為兩波束輸出信號之和EΣ,另一路為兩波束輸出之差EΔ。

EΣ=E1+E2=Em[F(θ0-θ)+F(θ0+θ)]·ejωt

EΔ=E1-E2=Em[F(θ0-θ)-F(θ0+θ)]·ejωt

以上兩式為單脈沖角跟蹤系統的“和波束”、“差波束”的表達式,其形狀如圖1(b)、1(c)所示。

(a)兩饋源形成的波束；(b)和波束；(c)差波束圖1 振幅和差式單脈沖雷達波束圖

設和、差兩通道特性相同,即具有相同的相移及放大倍數,則中放輸出信號

μΣ=K0Em[F(θ0-θ)+F(θ0+θ)]ejωIFt

μΔ=K0Em[F(θ0-θ)-F(θ0+θ)]ejωIFt

式中K0為中放放大量,ωIF為中頻頻率。

圖2 振幅和差單脈沖系統的工作原理框圖

中放輸出的和、差信號加到相位檢波器的輸出端,相位檢波器完成對和、差相乘并求平均運算,相檢器輸出為

*[F(θ0-θ)-F(θ0+θ)]

在θ很小時,上式中的F(θ0±θ)可以近似表示為

F(θ0±θ)≈F(θ0)(1?μθ)

經過上述運算后得到

μpd=Kpdμθ

μpd的作用是產生一個力矩,使天線瞄準軸向著目標方向運動,最后,誤差信號為零,到達穩定平衡狀態[8]。

3 投擲式干擾對抗單脈沖末制導雷達的工作原理

由上面所介紹的單脈沖角跟蹤系統的角誤差信息提取方法可見,單脈沖角跟蹤技術能從一個脈沖信號上獲取角度誤差信息,因而任何單點幅度調制干擾都不能對單脈沖角跟蹤系統起干擾作用。下面討論一種對單脈沖角跟蹤系統干擾的有效的方法——投擲式干擾。

此處,投擲式干擾即是將干擾機裝載在干擾火箭上,在垂直于導彈來襲方向,將干擾火箭快速發射到離艦艇幾百米處,干擾火箭彈通過某種方式懸停在空中,干擾火箭與艦艇間仍保持無線通信,通過無線通信控制干擾機迅速展開并指向導彈實施有源干擾。

設干擾源O1(干擾誘餌),目標和O2(艦艇)相對于單脈沖天線瞄準軸線的角度分別θ1,θ2,干擾源O1、O2的角距離為Δθ,如圖3、圖4所示。

圖3 干擾誘和目標布置圖

圖4 兩點源方向的幾何位置

干擾源O1輻射的干擾信號為

μ1=U1cosω1t

Rj為干擾到導彈的距離,Pj為干擾的功率,Gj為干擾的天線增益。

μ2=Em[F(θ0+θ2)+F(θ0-θ2)]·ejωt

Rt為艦艇到導彈的距離,Pt為末制導雷達的單波束功率,σ為艦艇的雷達截面積。則天線1接收的信號μa1,天線2接收的信號μa2分別為

μa1=U1[F(θ0-θ1)]cosω1t+Em[F(θ0+θ2)

+F(θ0-θ2)]F(θ0+θ2)cosωt

μa2=U1[F(θ0+θ1)]cosω1t+Em[F(θ0+θ2)

+F(θ0-θ2)]·F(θ0-θ2)cosωt

和信號、差信號分別為

μΣ=μa1+μa2

μΔ=μa1-μa2

μΔ=U1[F(θ0-θ1)-F(θ0+θ1)]cosω1t

+Em[F2(θ0+θ2)-F2(θ0-θ2)]cosωt

和差信號經過變頻、中放(包括AGC控制),相位檢波后,得到的角誤差輸出信號為[9]

μpd=Kpd{β[F(θ0-θ1)-F(θ0+θ1)]

+[F2(θ0+θ2)-F2(θ0-θ2)]}

(1)

式中Kpd是與和差支路放大倍數、相位檢波器傳輸系數、U1、Em等有關的常量,β為干擾信號與目標回波信號幅度之比

當θ1,θ2較小時,天線方向圖可用近似表示

F(θ0±θ)≈F(θ0)(1?|F′(θ0)|θ)

將天線方向圖近似表示式代入式(1),得

μpd=Kpd|F′(θ0)|(4θ2-2βθ1)

單脈沖角跟蹤系統穩定時,可得末制導雷達指向偏離艦艇的角度為

上式說明,在采用投擲式干擾有源干擾時,當β>2,則天線瞄準軸將偏向干擾源O1(干擾誘餌小船)。此時能較好地保護艦艇,避免被導彈擊中。

4 投擲式干擾的對抗效果仿真及分析

對我方干擾誘餌火箭可采用無線控制的方式,使干擾誘餌始終受控于艦船,保持正確方式的工作,確保能對導彈實施有效的干擾。設導彈到目標和干擾機的距離都為R=8km；導彈末制導雷達的參數為:Pt=50kw,Gt=30dB,單個波束寬度θ0.5=2°,兩個波束的夾角Δθ=1.6°；艦艇雷達截面積σ=4000m2[10～13]。

如圖5,由仿真的結果可知,干擾機的功率為幾瓦時,雷達跟蹤軸指向在干擾機與艦艇之間,當干擾機的逐漸增大,則功率雷達跟蹤軸指向逐漸偏向干擾機,達到100W之后,雷達跟蹤軸指向基本不變,基本指向干擾機。此例可見,當干擾機的功率大于幾瓦,就可以達到保護艦艇安全的效果。

圖5 干擾機功率與雷達指向角的關系(條件:Pj=20w)

當采用適當的干擾功率,且不變時,末制導雷達指向偏離艦艇的距離與干擾機到艦艇的距離有關,如圖6所示。干擾機到艦艇的距離在一定范圍內(如本例中約為0m～600m或0°～3.9°)時,末制導雷達指向偏離艦艇的距離與干擾機到艦艇的距離接近成正比關系,當超過這個范圍后,干擾機與艦艇不能同處于單脈沖雷達的和波束內,此時,干擾無效,末制導雷達仍然指向艦艇或出現隨機的不穩定指向。

圖6 干擾機與艦艇的距離與雷達指向角的關系

5 結語

導彈末制導越來越多地采用單脈沖角跟蹤技術。因此,艦艇針對單脈沖末制導導彈的對抗技術很需要我們去研究,本文從理論上證明了采用投擲式有源干擾誘餌,對單脈沖導彈進行干擾對抗可以有效保護已方艦艇。同時,推導得到了簡化的計算的公式,方便于工程應用。同時,通過例子證明工程實現的可行性。

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Technology of Warship Expendable Jamming for Terminal Guidance Monopulse Radar

YANG Wenjin1LI Chunsheng2LI Xianmao3LIN Tong4

(1. The Military Representative Office of Battle System in Beijing, Beijing 100081) (2. Navy Petty Officer School in Bengbu, Bengbu 233012)(3. Naval University of Engineering, Wuhan 430033) (4. The Naval Fly Academy, Huludao 125001)

Because monopulse terminal guidance radar have been large-scale adopted to modern missile, making traditional shipboard active deception interference entirely lost jamming effect. Aiming at its characteristics, this paper uses expendable active bait to jam it, the paper proved theoretically which can effectively protect our warship to use the jamming to countermeasure the missile. At the same time, its validity is proved by simulating calculation, then summarized limit condition and correct methods for using the jamming.

monopulse, terminal guidance, expendable jamming, vessel anti-missile

2014年5月18日,

2014年6月20日 作者簡介:楊文進,男,碩士,工程師,研究方向:電子信息裝備監造。厲春生,男,講師,研究方向:電子裝備實驗。李仙茂,男,博士研究生,高級工程師,研究方向:雷達有源干擾、電磁頻譜管理。林桐,男,碩士,工程師,研究方向:電子裝備管理、軍事情報體系。

TN972

10.3969/j.issn1672-9730.2014.11.020