無(wú)人機(jī)機(jī)載拋投式有源誘餌效能分析

導(dǎo)讀：無(wú)人機(jī)機(jī)載拋投式有源誘餌是一種新型自衛(wèi)式有源干擾系統(tǒng)。通過(guò)拋投有源誘餌，可在一定時(shí)間內(nèi)模擬載機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性，利用全向天線(xiàn)接收雷達(dá)信號(hào)，對(duì)雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行存儲(chǔ)調(diào)制、放大轉(zhuǎn)發(fā)，產(chǎn)生射頻干擾，使雷達(dá)無(wú)法穩(wěn)定地跟蹤無(wú)人機(jī)，提高了無(wú)人機(jī)的生存能力。在分析機(jī)載拋投式有源誘餌系統(tǒng)的組成、工作原理的基礎(chǔ)上，對(duì)干擾信號(hào)儲(chǔ)頻調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)效能進(jìn)行了仿真，可對(duì)后續(xù)系統(tǒng)的研制提供一定的參考和借鑒。

現(xiàn)代空戰(zhàn)環(huán)境中敵我雙方在電磁空間中展開(kāi)激烈的斗爭(zhēng)，雷達(dá)對(duì)抗已然成為主角。隨著先進(jìn)雷達(dá)技術(shù)的迅速發(fā)展，傳統(tǒng)的雷達(dá)對(duì)抗手段效能日趨下降，對(duì)無(wú)人機(jī)的戰(zhàn)場(chǎng)生存力帶來(lái)了巨大的威脅。在雷達(dá)對(duì)抗與反對(duì)抗激烈博弈的背景下，需要進(jìn)一步提高無(wú)人機(jī)電子對(duì)抗能力。

如果雷達(dá)對(duì)飛機(jī)實(shí)現(xiàn)跟蹤，意味著已經(jīng)滿(mǎn)足了導(dǎo)彈的發(fā)射條件，具有了對(duì)無(wú)人機(jī)摧毀性殺傷威脅。因此破壞敵方雷達(dá)對(duì)無(wú)人機(jī)的穩(wěn)定跟蹤可提高無(wú)人機(jī)的生存力。

目前針對(duì)雷達(dá)與導(dǎo)彈跟蹤的對(duì)抗手段主要包括有源干擾、無(wú)源干擾以及機(jī)動(dòng)手段，這些現(xiàn)有手段在對(duì)抗新體制雷達(dá)以及雷達(dá)制導(dǎo)導(dǎo)彈時(shí)存在很大的局限性：

(1) 機(jī)載有源干擾的局限性。隨著各種新體制雷達(dá)的快速發(fā)展，雷達(dá)信號(hào)波形復(fù)雜多變，干擾設(shè)備難以偵測(cè)到雷達(dá)信號(hào)；同時(shí)雷達(dá)采用相參信號(hào)處理，對(duì)于干擾信號(hào)具有很好的抑制作用；另外，雷達(dá)具有主動(dòng)被動(dòng)跟蹤工作模式，當(dāng)檢測(cè)到大功率干擾信號(hào)時(shí)，雷達(dá)將采用被動(dòng)跟蹤模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)干擾源的穩(wěn)定跟蹤；并且采用單脈沖測(cè)角體制，使得單點(diǎn)源的有源干擾難以形成角度欺騙，因此機(jī)載有源干擾系統(tǒng)難以對(duì)雷達(dá)實(shí)施有效干擾。

(2) 機(jī)載無(wú)源干擾的局限性。目前，機(jī)載無(wú)源干擾主要是箔條干擾。箔條干擾只是被動(dòng)的反射雷達(dá)輻射的電磁波，在投放后箔條運(yùn)動(dòng)特性與飛機(jī)差異較大，雷達(dá)能夠輕易地將箔條干擾信號(hào)與戰(zhàn)機(jī)回波信號(hào)區(qū)分開(kāi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤。

由此可見(jiàn)，傳統(tǒng)的雷達(dá)對(duì)抗手段難以破壞先進(jìn)體制雷達(dá)對(duì)飛機(jī)的跟蹤，拋投式有源誘餌是一種新型雷達(dá)對(duì)抗手段，能夠有效破壞雷達(dá)對(duì)無(wú)人機(jī)的穩(wěn)定跟蹤，大幅度提高無(wú)人機(jī)的戰(zhàn)場(chǎng)生存能力。

系統(tǒng)組成

誘餌彈采用模組化設(shè)計(jì)，由前向天線(xiàn)、環(huán)向天線(xiàn)、誘餌體、折疊尾翼、后向天線(xiàn)等五部分組成，誘餌彈內(nèi)部包含了射頻信號(hào)收發(fā)模塊、射頻信號(hào)存儲(chǔ)器、干擾產(chǎn)生器、電池等部分。

誘餌彈

誘餌彈飛行穩(wěn)定裝置采用尾翼穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，當(dāng)誘餌彈放入彈倉(cāng)時(shí)，其尾翼收攏。當(dāng)誘餌彈出倉(cāng)后，尾翼依靠材料彈性展開(kāi)。對(duì)于尾翼穩(wěn)定的誘餌彈，質(zhì)心在前，阻心在后，因空氣阻力產(chǎn)生的穩(wěn)定力矩會(huì)使誘餌的姿態(tài)趨于水平。誘餌彈在飛行過(guò)程，自動(dòng)對(duì)來(lái)襲導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭實(shí)施有源誘偏干擾，使得來(lái)襲導(dǎo)彈偏離載機(jī)，以實(shí)現(xiàn)載機(jī)的自衛(wèi)。誘餌彈體外形結(jié)構(gòu)如圖1所示。

為提高誘餌彈內(nèi)部的結(jié)構(gòu)空間利用效率，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，誘餌彈內(nèi)部模塊采用圓餅狀疊層設(shè)計(jì)模式。誘餌彈體內(nèi)部由干擾產(chǎn)生模塊、射頻接收模塊、射頻發(fā)射模塊、儲(chǔ)頻模塊、電池模塊等五部分組成。

圖1 誘餌彈體外形結(jié)構(gòu)示意圖

射頻接收、發(fā)射模塊

彈射式自衛(wèi)有源誘餌彈在干擾技術(shù)上，擬采用有源干擾體制，通過(guò)誘餌彈的收發(fā)天線(xiàn)偵收敵導(dǎo)引頭信號(hào)，將信號(hào)進(jìn)行有源復(fù)制，通過(guò)信號(hào)調(diào)制及功率放大后通過(guò)天線(xiàn)輻射出去，形成目標(biāo)點(diǎn)跡，對(duì)敵來(lái)襲導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭實(shí)施有源干擾，擾亂其正常方位探測(cè)，阻止其對(duì)目標(biāo)的跟蹤捕獲。

誘餌彈的射頻接收模塊主要接收前向、環(huán)向、向后天線(xiàn)的射頻信號(hào)，經(jīng)方位選通器進(jìn)行收發(fā)信號(hào)方位選取，通過(guò)限幅放大、濾波、增益控制、功分等處理形成進(jìn)入儲(chǔ)頻模塊前的基準(zhǔn)射頻信號(hào)，一路用于射頻信號(hào)存儲(chǔ)，一路形成檢波信號(hào)用于干擾波形控制產(chǎn)生電路。

誘餌彈的射頻發(fā)射模塊主要接收儲(chǔ)頻送出的干擾射頻信號(hào)，經(jīng)濾波、放大、功分等電路形成一路反饋延時(shí)信號(hào)及一路干擾發(fā)射信號(hào)，反饋延時(shí)信號(hào)通過(guò)單刀雙擲開(kāi)關(guān)再次進(jìn)入接收通道形成基準(zhǔn)射頻信號(hào)，干擾發(fā)射信號(hào)則通過(guò)功率放大器及單刀三擲開(kāi)關(guān)送入相應(yīng)的發(fā)射天線(xiàn)，其組成框圖如圖3。

圖2 射頻收、發(fā)模塊框圖

天線(xiàn)模塊

天線(xiàn)模塊主要由前向天線(xiàn)、環(huán)向天線(xiàn)、后向天線(xiàn)組成，接收360°方位、俯仰空間內(nèi)威脅信號(hào)，發(fā)射干擾信號(hào)。其方向圖仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 天線(xiàn)方向圈

工作原理

拋投式有源誘餌的工作過(guò)程如圖4所示。拋投式有源誘餌利用載機(jī)的干擾彈發(fā)射裝置發(fā)射，利用誘餌的飛行能力模擬載機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性，對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)進(jìn)行接收儲(chǔ)頻調(diào)制，實(shí)現(xiàn)有源欺騙干擾。

性能分析

飛行特性分析

為使誘餌彈具有良好的飛行穩(wěn)定性，其穩(wěn)定儲(chǔ)備量必須至少在10%～30%，穩(wěn)定儲(chǔ)備量計(jì)算公式如下：

圖4 機(jī)載拋投式有源誘餌工作過(guò)程

式中，xp為彈體阻力中心至彈頂?shù)慕^對(duì)距離；xs為彈體質(zhì)心至彈頂?shù)慕^對(duì)距離；l為彈體的全長(zhǎng)。

xp的計(jì)算公式如式(3) 所示：

式中，Yk為彈體引起的升力；xpw為尾翼引起的升力；xpw為尾翼中點(diǎn)至彈頂?shù)慕^對(duì)距離，依照誘餌彈結(jié)構(gòu)，有xpw=19.32cm；Y為全彈的升力。

Yk、Ypw、Y的計(jì)算公式如方程組(3) 所示：

式中，Ck為彈體的空氣阻力系數(shù)；Cpw為尾翼的空氣阻力系數(shù)，；Sk為彈體的特征面積；Spw為尾翼的特征面積。

根據(jù)上述公式，在穩(wěn)定儲(chǔ)備量為25%時(shí)，計(jì)算得尾翼長(zhǎng)度為18cm，誘餌彈具有更高的穩(wěn)定儲(chǔ)備量，在高空飛行中更加穩(wěn)定。

當(dāng)誘餌被釋放后，可對(duì)誘餌的飛行距離進(jìn)行估算。

在水平方向，誘餌受空氣阻力的影響，其運(yùn)動(dòng)方程如式(4) ：

空氣阻力計(jì)算公式如下：

在豎直方向，誘餌受空氣阻力和重力的影響，其運(yùn)動(dòng)方程如下 ：

取戰(zhàn)斗機(jī)的飛行速度為320m/s，誘餌的發(fā)射速度為40m/s，空氣密度為0.2265kg/m3，空氣阻力系數(shù)Cx為1.0，Cy為0.8，誘餌質(zhì)量為1kg。積分得：

橫向距離差為

圖5 誘餌與載機(jī)的總距離z隨時(shí)間的變化關(guān)系

干擾效能分析

光纖儲(chǔ)頻的信號(hào)存儲(chǔ)方式可分為三種：全脈沖儲(chǔ)頻、示樣脈沖儲(chǔ)頻和準(zhǔn)示樣脈沖儲(chǔ)頻。

全脈沖儲(chǔ)頻方式是當(dāng)輸入信號(hào)脈沖寬度小于儲(chǔ)頻電路的最大可儲(chǔ)頻信號(hào)長(zhǎng)度時(shí)，儲(chǔ)頻電路將輸入信號(hào)的所有信息完整的儲(chǔ)頻下來(lái)，可以達(dá)到輸入與輸出直接的頻率誤差接近為零，保證輸入與輸出信號(hào)之間的相干性。但是全脈沖儲(chǔ)頻方式在建立儲(chǔ)頻階段，需要覆蓋輸入雷達(dá)信號(hào)的最大脈寬，因此其所需的儲(chǔ)頻時(shí)間非常長(zhǎng)，在希望及時(shí)發(fā)射干擾信號(hào)時(shí)，很難做到收發(fā)隔離。

圖6 示樣及準(zhǔn)示樣儲(chǔ)頻模式圖

示樣脈沖儲(chǔ)頻方式是當(dāng)存在雷達(dá)信號(hào)輸入時(shí)，系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行截取一段并儲(chǔ)存的儲(chǔ)頻方式。由于對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行了截取，因此用于存儲(chǔ)的信號(hào)長(zhǎng)度較短，但是由于截取得到的信號(hào)寬度很難做到同輸入信號(hào)周期成整倍關(guān)系，所以被截取的脈沖首尾相位很難連續(xù)，這將造成系統(tǒng)輸出產(chǎn)生相位差。另外，示樣脈沖儲(chǔ)頻方式往往只能用于頻率恒定的信號(hào)，當(dāng)輸入信號(hào)是調(diào)制過(guò)的信號(hào)(如線(xiàn)性調(diào)頻信號(hào)或相位編碼信號(hào)等) 時(shí)，截取得到的信號(hào)會(huì)丟失一部分原信號(hào)的調(diào)制信息，此時(shí)儲(chǔ)頻電路輸出的信號(hào)同原雷達(dá)信號(hào)有較大差別，敵方雷達(dá)很容易識(shí)別出干擾信號(hào)。

準(zhǔn)示樣儲(chǔ)頻方式是通過(guò)對(duì)輸入信號(hào)的間歇采樣及間歇發(fā)射信號(hào)，有效地避免了全脈沖儲(chǔ)頻中收發(fā)無(wú)法隔離的問(wèn)題。儲(chǔ)頻電路接收信號(hào)時(shí)，將設(shè)備的發(fā)射端斷開(kāi)，接收天線(xiàn)同儲(chǔ)頻電路相連，這樣可以有效地避免發(fā)射端的旁路對(duì)接收信號(hào)的影響；當(dāng)電路發(fā)射時(shí)，將設(shè)備的發(fā)射端同接收天線(xiàn)相連，并與儲(chǔ)頻電路斷開(kāi)，防止高功率的發(fā)射信號(hào)對(duì)儲(chǔ)頻信號(hào)產(chǎn)生影響。光纖儲(chǔ)頻在使用這種方式時(shí)，將儲(chǔ)存幾段時(shí)間內(nèi)的輸入信號(hào)，提高了儲(chǔ)頻信號(hào)及后期的干擾信號(hào)同接收到的敵方雷達(dá)信號(hào)的相干性，而且可以通過(guò)調(diào)節(jié)矩形窗的寬度來(lái)控制每次的采樣時(shí)間，來(lái)保證儲(chǔ)頻信號(hào)可以獲得較小的延遲時(shí)間。

圖7 雷達(dá)脈沖壓縮結(jié)果和干擾信號(hào)壓縮結(jié)果

圖8 雷達(dá)信號(hào)與干擾信號(hào)疊加后的脈壓結(jié)果

拋投式有源誘餌采用以?xún)?chǔ)頻為核心的相參干擾技術(shù)，通過(guò)對(duì)雷達(dá)信號(hào)的接收、儲(chǔ)頻、調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)，對(duì)雷達(dá)形成有源欺騙干擾。信號(hào)儲(chǔ)頻調(diào)制轉(zhuǎn)發(fā)效果仿真分析如圖7和圖8所示。

結(jié)束語(yǔ)

拋投式有源誘餌是一種先進(jìn)的雷達(dá)對(duì)抗手段，成本低、體積小，可在箔條彈的位置進(jìn)行原位替換，對(duì)載機(jī)平臺(tái)的改裝簡(jiǎn)單，可迅速形成干擾能力，有效破壞導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭對(duì)無(wú)人機(jī)的穩(wěn)定跟蹤，大幅度提高無(wú)人機(jī)的戰(zhàn)場(chǎng)生存力。