基于擴(kuò)展目標(biāo)的單脈沖多普勒雷達(dá)導(dǎo)引頭相干干擾

莫翠瓊 戴幻堯 陳秋菊 王正 趙晶

(1.電子工程學(xué)院,合肥 230037;2.中國(guó)洛陽(yáng)電子裝備試驗(yàn)中心,洛陽(yáng) 471003;3.中國(guó)人民解放軍95868部隊(duì),北京 100076)

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基于擴(kuò)展目標(biāo)的單脈沖多普勒雷達(dá)導(dǎo)引頭相干干擾

莫翠瓊1戴幻堯2陳秋菊1王正1趙晶3

(1.電子工程學(xué)院,合肥 230037;2.中國(guó)洛陽(yáng)電子裝備試驗(yàn)中心,洛陽(yáng) 471003;3.中國(guó)人民解放軍95868部隊(duì),北京 100076)

傳統(tǒng)兩點(diǎn)源相干干擾是基于質(zhì)點(diǎn)模型產(chǎn)生與回波相位相干的干擾信號(hào),相應(yīng)地用于驗(yàn)證干擾效果的導(dǎo)引頭仿真平臺(tái)往往僅進(jìn)行功能級(jí)仿真. 然而,當(dāng)被掩護(hù)目標(biāo)為擴(kuò)展目標(biāo)時(shí),利用質(zhì)點(diǎn)模型無(wú)法產(chǎn)生與目標(biāo)回波相干的信號(hào)導(dǎo)致干擾效果下降. 針對(duì)該問(wèn)題,研究了基于擴(kuò)展目標(biāo)的相干干擾新方法,基于被掩護(hù)目標(biāo)電磁散射特性將入射信號(hào)與同頻點(diǎn)相應(yīng)姿態(tài)角下的目標(biāo)散射函數(shù)進(jìn)行卷積,充分保留目標(biāo)特性對(duì)信號(hào)相位的調(diào)制信息,從而產(chǎn)生與擴(kuò)展目標(biāo)回波具有穩(wěn)定相位關(guān)系的干擾信號(hào). 設(shè)計(jì)了脈沖多普勒(Pulse Doppler,PD)雷達(dá)導(dǎo)引頭相干視頻仿真模型及六自由度彈道模型,以完成精確的閉環(huán)仿真試驗(yàn)評(píng)估. 試驗(yàn)結(jié)果表明,通過(guò)目標(biāo)距離像特性近似目標(biāo)散射函數(shù)來(lái)生成PD導(dǎo)引頭相干干擾信號(hào)時(shí),角度誘偏效果相比傳統(tǒng)干擾大幅度提高,方位、俯仰的框架誤差角可達(dá)到十度的量級(jí).

相干干擾;PD導(dǎo)引頭;一維距離像;相干視頻仿真

DOI 10.13443/j.cjors.2015110901

引 言

相干兩點(diǎn)源干擾[1-2],是針對(duì)單脈沖多普勒(Pulse Doppler,PD)雷達(dá)導(dǎo)引頭實(shí)施干擾的傳統(tǒng)方法. 即在目標(biāo)外布設(shè)干擾源,接收到敵方雷達(dá)信號(hào)后直接進(jìn)行射頻存儲(chǔ),然后調(diào)制為與點(diǎn)目標(biāo)回波有恒定相位關(guān)系及相近幅度的信號(hào)[3-4]. 對(duì)相對(duì)于雷達(dá)分辨率為小尺寸的目標(biāo),依據(jù)這種方法產(chǎn)生的相干干擾可以取得較好效果. 但在實(shí)際作戰(zhàn)中,艦船這類(lèi)相對(duì)于雷達(dá)分辨率為大尺寸的目標(biāo),其回波相位不僅受傳播路徑影響,還將受目標(biāo)自身復(fù)雜的散射特性調(diào)制. 此時(shí),目標(biāo)上搭載的電子支援設(shè)備(Electronic Support Measures,ESM)如簡(jiǎn)單按質(zhì)點(diǎn)模型產(chǎn)生干擾,將無(wú)法與回波相干. 針對(duì)這一問(wèn)題,本文研究了基于擴(kuò)展目標(biāo)的相干干擾技術(shù). 以被掩護(hù)目標(biāo)的電磁散射特性獲取為前提,將入射信號(hào)與相應(yīng)姿態(tài)角下的目標(biāo)一維高分辨距離像進(jìn)行卷積,從而保留目標(biāo)散射特性對(duì)信號(hào)相位的影響,在此基礎(chǔ)上產(chǎn)生與擴(kuò)展目標(biāo)回波具有穩(wěn)定相位關(guān)系的干擾信號(hào). 相應(yīng)地,在傳統(tǒng)方法中,用于驗(yàn)證干擾效果的雷達(dá)導(dǎo)引頭仿真平臺(tái)往往進(jìn)行功能級(jí)仿真[5-6],不會(huì)再現(xiàn)雷達(dá)信號(hào)的相干處理全過(guò)程. 本文設(shè)計(jì)了PD雷達(dá)導(dǎo)引頭相干視頻信號(hào)級(jí)仿真模型及六自由度彈道模型,采用精確的閉環(huán)仿真平臺(tái)驗(yàn)證干擾效果;干擾效果驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)表明,與基于質(zhì)點(diǎn)模型的相干干擾相比,基于擴(kuò)展目標(biāo)的相干干擾技術(shù)具有更好的誘偏效果.

1 相干兩點(diǎn)源干擾基本原理

相干兩點(diǎn)源是在導(dǎo)彈導(dǎo)引頭的跟蹤波束內(nèi),于目標(biāo)附近設(shè)置干擾源,且干擾源的干擾信號(hào)到達(dá)導(dǎo)引頭雷達(dá)接收機(jī)時(shí)與回波信號(hào)有穩(wěn)定的相位關(guān)系(即相位相干). 相干兩點(diǎn)源干擾原理如圖1所示[7].

假設(shè)兩點(diǎn)源AB與P點(diǎn)相垂直時(shí),A和B輻射到P的信號(hào)無(wú)波程差,如果傾斜一個(gè)Ψ角時(shí)則產(chǎn)生波程差,即相位不一致,該誤差則為

(1)

式中: θ′為兩點(diǎn)源產(chǎn)生的相干干擾所引起的雷達(dá)定位誤差; a為兩點(diǎn)源信號(hào)幅度比; Ψ為兩點(diǎn)源的連線(xiàn)與雷達(dá)的垂線(xiàn)夾角.

圖1 相干兩點(diǎn)源干擾原理

根據(jù)式(1),相干干擾可以在雷達(dá)天線(xiàn)口面形成信號(hào)相位波前畸變,導(dǎo)致雷達(dá)產(chǎn)生錯(cuò)誤跟蹤,相干兩點(diǎn)源干擾單脈沖雷達(dá)在理論上是可行的,其指向角偏向與干擾信號(hào)和回波信號(hào)的相位差及幅度比等因素有關(guān). 但實(shí)際上,當(dāng)雷達(dá)入射波具有一定帶寬時(shí),對(duì)艦船這類(lèi)擴(kuò)展目標(biāo),其回波是雷達(dá)發(fā)射信號(hào)經(jīng)過(guò)目標(biāo)復(fù)雜的散射函數(shù)調(diào)制后的結(jié)果,其到達(dá)天線(xiàn)口面時(shí)的信號(hào)相位很難與基于質(zhì)點(diǎn)模型產(chǎn)生的點(diǎn)源相干干擾信號(hào)保持穩(wěn)定關(guān)系.

2 基于擴(kuò)展目標(biāo)的相干干擾技術(shù)

艦船目標(biāo)尺寸常達(dá)幾十米甚至百米以上,當(dāng)導(dǎo)引頭入射信號(hào)具有一定帶寬時(shí),艦船目標(biāo)回波相位將受到散射函數(shù)調(diào)制. 相應(yīng)地,干擾機(jī)偵測(cè)到導(dǎo)引頭的入射信號(hào)時(shí),須先與目標(biāo)散射函數(shù)進(jìn)行匹配處理,以保留散射函數(shù)對(duì)相位的影響. 但實(shí)際中目標(biāo)散射函數(shù)影響因素眾多,如目標(biāo)本身的結(jié)構(gòu)、雷達(dá)載頻、波束等,一般很難得到. 理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量證明[8],在高頻區(qū),目標(biāo)總的電磁散射可認(rèn)為是某些局部位置上電磁散射的合成,這些局部的散射源即多散射中心.對(duì)雷達(dá)導(dǎo)引頭而言,若為單脈沖角跟蹤體

制,天線(xiàn)波束中心始終對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)或在目標(biāo)附近,因此在遠(yuǎn)距離下,目標(biāo)方向的天線(xiàn)增益可以近似認(rèn)為恒定. 在這種情況下,如果給定工作頻率及姿態(tài)角,可以利用目標(biāo)一維距離像來(lái)描述與仿真目標(biāo)徑向上的散射點(diǎn)分布[9].

2.1 標(biāo)一維高分辨距離像模板庫(kù)

本文以目標(biāo)三維CAD模型為基礎(chǔ),利用電磁計(jì)算軟件FEKO建立全姿態(tài)角一維距離像模板庫(kù)[10]. 圖2分別為兩類(lèi)艦船三維CAD模型示意圖,其中圖2(a)為某補(bǔ)給艦?zāi)Ｐ?圖2(b)為具有一定隱身功能的艦船模型.圖3(a)為圖2(a)中模型在1.00°姿態(tài)角下的一維距離像，圖3(b)為圖2(b)中模型在1.00°姿態(tài)角下的一維距離像.

(a) 某補(bǔ)給艦船模型 (b) 具有一定隱身功能的某艦船模型圖2 目標(biāo)三維CAD模型

(a) 某補(bǔ)給艦一維距離像 (b) 具有一定隱身功能的某艦一維距離像圖3 某目標(biāo)1.00°姿態(tài)角下的一維距離像(帶寬140 MHz,頻率17.4 Hz)

圖4 基于擴(kuò)展目標(biāo)的單脈沖多普勒導(dǎo)引頭相干干擾生成流程

在每個(gè)姿態(tài)角下寬帶信號(hào)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行照射,利用FEKO算得該頻域內(nèi)不同頻點(diǎn)的目標(biāo)響應(yīng),然后通過(guò)逆快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform,FFT)可以獲得該姿態(tài)角下的一維距離像.

2.2 相干干擾信號(hào)生成流程

為完整產(chǎn)生相干干擾信號(hào),需要多種因素配合,主要包括:目標(biāo)散射特性特征:即全姿態(tài)角距離像的提取和建模,以用于卷積運(yùn)算;艦載ESM系統(tǒng)偵察到PD導(dǎo)引頭的入射信號(hào),以用于信號(hào)重構(gòu);卷積操作,將重構(gòu)出的PD導(dǎo)引頭輻射信號(hào)與目標(biāo)距離像模板進(jìn)行卷積,以保證干擾信號(hào)也能體現(xiàn)艦船目標(biāo)散射特性;卷積操作完成后,為達(dá)到相干干擾的效果,還需要附加相移、頻移,按照式(1)中的指向角誤差計(jì)算公式來(lái)選取附加相移、時(shí)延等參數(shù).圖4給出了基于擴(kuò)展目標(biāo)的單脈沖多普勒導(dǎo)引頭相干干擾執(zhí)行流程.

3 干擾對(duì)抗仿真實(shí)驗(yàn)

在單脈沖多普勒雷達(dá)導(dǎo)引頭相干視頻仿真與六自由度彈道解算平臺(tái)的基礎(chǔ)上,本文分別選擇了無(wú)干擾條件下的理想場(chǎng)景、基于質(zhì)點(diǎn)模型的相干干擾場(chǎng)景及基于擴(kuò)展目標(biāo)的相干干擾場(chǎng)景等進(jìn)行干擾對(duì)抗試驗(yàn),每種場(chǎng)景進(jìn)行同一初始條件下100次蒙特卡洛實(shí)驗(yàn),其結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)后取均值,以比對(duì)參照分析.

在相干視頻閉環(huán)彈道仿真中,導(dǎo)彈在發(fā)射坐標(biāo)系內(nèi)的初始位置(0,200 m,-400 m),初始速度矢量為(400 m/s,0,0),初始航向角、俯仰角和滾動(dòng)角均為0,加速度矢量為(0,0,0),角速度矢量為(0,0,0). 目標(biāo)在發(fā)射系內(nèi)的目標(biāo)初始位置為(7 000 m,0,0);目標(biāo)艦船長(zhǎng)度150 m,角閃爍系數(shù)取為0.35. 彈體滾動(dòng)、方位、俯仰通道的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為56.7, 3 996, 3 983 kg·m2,初始質(zhì)量為1 030 kg,推力為6 350 N,制導(dǎo)律計(jì)算環(huán)節(jié)中的滯后時(shí)間常數(shù)為0.2 s,自動(dòng)駕駛儀環(huán)節(jié)中的滯后時(shí)間常數(shù)為0.03 s,比例導(dǎo)引系數(shù)5.0,彈道解算積分步長(zhǎng)1 ms. 雷達(dá)導(dǎo)引頭的平均發(fā)射功率350 W,工作載波頻率15.8 GHz,脈沖寬度2.0 μs,發(fā)射綜合損耗1.8 dB,接收綜合損耗3.2 dB,大氣傳輸綜合損耗值1.0 dB,最大工作距離35 km,接收機(jī)熱噪聲系數(shù)6.8 dB;導(dǎo)引頭采用HPRF波形(準(zhǔn)連續(xù)波波形),重頻為320 kHz,相參處理子脈沖數(shù)為512,接收機(jī)中頻頻率2 MHz,系統(tǒng)采樣頻率10 MHz,工作幀周期40 ms,其中循環(huán)探測(cè)時(shí)間為32 ms,共分為四個(gè)子周期,每個(gè)周期時(shí)長(zhǎng)8 ms,在每個(gè)子周期內(nèi)要完成512個(gè)相干視頻采樣值的選取(即A/D采樣速率為64 kHz).

3.1 基于質(zhì)點(diǎn)模型的相干干擾對(duì)抗試驗(yàn)仿真

試驗(yàn)場(chǎng)景考慮基于質(zhì)點(diǎn)模型的相干干擾的相關(guān)參數(shù),如表1所示,從而構(gòu)建典型的點(diǎn)源相干干擾對(duì)抗試驗(yàn)場(chǎng)景.

表1 基于質(zhì)點(diǎn)模型的相干干擾

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下:最終的脫靶量為78.8 m. 圖5為基于質(zhì)點(diǎn)模型的相干干擾下的三維攻防對(duì)抗態(tài)勢(shì)圖.

圖5 基于質(zhì)點(diǎn)模型的相干干擾下三維攻防對(duì)抗態(tài)勢(shì)

圖6給出了基于質(zhì)點(diǎn)模型的相干干擾下下的導(dǎo)引頭方位、俯仰框架誤差角提取曲線(xiàn)測(cè)量值與真實(shí)值之間的比對(duì).通過(guò)以上兩圖看出,當(dāng)采用基于質(zhì)點(diǎn)模型的相干干擾時(shí),具有一定的干擾效果. 但從脫靶量與目標(biāo)尺寸的比較來(lái)看,在基于質(zhì)點(diǎn)模型的相干干擾情況下,仍有可能對(duì)目標(biāo)造成毀傷.

(a) 方位框架誤差角提取曲線(xiàn)

(b) 俯仰框架誤差角提取曲線(xiàn)圖6 基于質(zhì)點(diǎn)模型的相干干擾下的導(dǎo)引頭框架誤差角提取曲線(xiàn)

圖7 基于擴(kuò)展目標(biāo)的相干干擾下的三維攻防對(duì)抗態(tài)勢(shì)圖

3.2 基于擴(kuò)展目標(biāo)的相干干擾試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)場(chǎng)景設(shè)置以無(wú)干擾條件下工作場(chǎng)景設(shè)置為基礎(chǔ),干擾相關(guān)參數(shù)與點(diǎn)源相干干擾條件下完全相同,不同之處僅在于干擾信號(hào)生成流程按照基于擴(kuò)展目標(biāo)的相干干擾信號(hào)生成流程執(zhí)行. 圖7為基于擴(kuò)展目標(biāo)的相干干擾下的三維攻防對(duì)抗態(tài)勢(shì)圖，相干干擾的脫靶量為143.5 m.圖8給出了基于擴(kuò)展目標(biāo)的相干干擾下的導(dǎo)引頭方位、俯仰框架誤差角提取曲線(xiàn)測(cè)量值與真實(shí)值之間的對(duì)比.

(a) 方位框架誤差角提取曲線(xiàn)

(b) 俯仰框架誤差角提取曲線(xiàn)圖8 基于擴(kuò)展目標(biāo)的相干干擾下的導(dǎo)引頭框架誤差角提取曲線(xiàn)

從脫靶量結(jié)果可看出,當(dāng)通過(guò)目標(biāo)距離像特性近似目標(biāo)散射函數(shù)來(lái)生成PD導(dǎo)引頭相干干擾信號(hào)時(shí),誘騙效果比基于質(zhì)點(diǎn)模型的相干干擾有一定提高,當(dāng)開(kāi)始實(shí)施干擾后,方位、俯仰的框架誤差角出現(xiàn)震蕩. 從脫靶量與目標(biāo)尺寸的比較來(lái)看,在基于擴(kuò)展目標(biāo)的相干干擾情況下,導(dǎo)彈命中點(diǎn)能夠被有效誘騙至目標(biāo)尺寸之外.

4 結(jié) 論

從仿真實(shí)驗(yàn)中可看出,當(dāng)通過(guò)目標(biāo)一維距離像近似目標(biāo)散射函數(shù)來(lái)生成PD導(dǎo)引頭相干干擾信號(hào),能夠達(dá)到較好的誘騙效果,具體的誘騙距離與相干干擾參數(shù)設(shè)置均密切相關(guān),可借助PD導(dǎo)引頭相干視頻仿真與六自由度彈道解算平臺(tái)的基礎(chǔ)上進(jìn)行多次閉環(huán)仿真,以便定量分析各干擾參數(shù)對(duì)導(dǎo)引頭的影響效應(yīng),為實(shí)際作戰(zhàn)提供依據(jù)與指導(dǎo). 實(shí)際作戰(zhàn)中,受系統(tǒng)精度和導(dǎo)彈-目標(biāo)-干擾機(jī)平臺(tái)位置關(guān)系等各種誤差源因素影響,形成精確的相干干擾信號(hào)非常困難. 今后,將進(jìn)一步研究時(shí)間同步及相位控制技術(shù)以及誤差對(duì)相干干擾效果的影響.

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莫翠瓊 (1964-),女,安徽人,教授,碩士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)槔走_(dá)對(duì)抗與雷達(dá)信號(hào)處理.

戴幻堯 (1982-),男,吉林人,博士,助理研究員,研究方向?yàn)槔走_(dá)極化技術(shù)與新型電子攻擊技術(shù).

陳秋菊 (1982-),女,博士,現(xiàn)為電子工程學(xué)院講師,目前研究方向?yàn)槔走_(dá)對(duì)抗與雷達(dá)信號(hào)處理.

The coherent jamming approach based on extended target of monopulse PD seeker

MO Cuiqiong1DAI Huanyao2CHEN Qiuju1WANG Zheng1ZHAO Jing3

(1.ElectronicEngineeringInstitution,Hefei230037,China; 2.LuoyangElectronicEquipmentTestingCenter,Luoyang471003,China; 3.Unit95868ofPLA,Beijing100076,China)

The current research on coherent jamming of mono-pulse pulse Doppler(PD) seeker focuses on coherent dual point-sources jamming, which is based on the particle model to produce jamming signal. Accordingly, the simulation system to verify jamming efficiency is simplified to functional simulation. However, when the target under protection is an extended one, the jamming method based on particle model is invalidated. To solve this problem, a novel coherent jamming method based on extended target model is proposed. According to the 3D CAD model of ship targets, the high resolution range profile (HRRP) templates at full azimuth angles are calculated. The jamming signals coherent with echoes are by convolution HRRP templates to radar transmitted signals, which fully preserves target property modulation information on signal phase. In order to evaluate the effect, the PD seeker is discussed in six degree of freedom trajectory simulation of the closed loop (PDRS) for coherent video signal level. Experiment result shows that the proposed method has better angle deception jamming effect which produces the jamming signal by using target range profile to approximate target scattering function. The azimuth and elevation frame angle error can reach up to about ten degree level.

coherent jamming; PD seeker; target scattering characteristics; coherent video simulation

10.13443/j.cjors.2015110901

2015-11-09

國(guó)家自然科學(xué)基金(No.61301236)

TN 95

A

1005-0388(2016)04-0731-06

莫翠瓊, 戴幻堯, 陳秋菊, 等. 基于擴(kuò)展目標(biāo)的單脈沖多普勒雷達(dá)導(dǎo)引頭相干干擾[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào),2016,31(4):731-736.

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聯(lián)系人： 莫翠瓊 E-mail: mocuiqiong@sina.com