林存坤, 張小寬, 莊亞強(qiáng)

(空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院,陜西 西安 710051)

巡航導(dǎo)彈低空突防對雷達(dá)探測效能的影響

林存坤, 張小寬, 莊亞強(qiáng)

(空軍工程大學(xué)防空反導(dǎo)學(xué)院,陜西 西安 710051)

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

巡航導(dǎo)彈；低空突防；地雜波；雷達(dá)探測

0 引言

巡航導(dǎo)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(xiàn)代戰(zhàn)爭中發(fā)揮著越來越重要的作用。巡航導(dǎo)彈具有飛行高度低、雷達(dá)散射截面(RCS)小等特點(diǎn),雷達(dá)探測巡航導(dǎo)彈時面臨視距限制、強(qiáng)雜波中檢測、多路徑干涉等問題［1］。本文通過對地雜波和導(dǎo)彈RCS序列仿真,研究巡航導(dǎo)彈低空突防對雷達(dá)探測效能的影響。

1 巡航導(dǎo)彈的主要特點(diǎn)

巡航導(dǎo)彈是一種裝載了戰(zhàn)斗部的無人航空器,利用地形匹配制導(dǎo)飛行,具有射程遠(yuǎn)、突防能力強(qiáng)、多用性好等特點(diǎn)。在巡航段,巡航馬赫數(shù)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(dá)探測距離受到視距的限制,因此預(yù)警雷達(dá)通常要提升架設(shè)高度,且雷達(dá)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(dǎo)彈雷達(dá)散射截面很小,典型的巡航導(dǎo)彈在L波段、S波段的RCS只有0.1 m2～0.5 m2。

2 巡航導(dǎo)彈RCS仿真

通常將目標(biāo)RCS作為一個常量,實(shí)際目標(biāo)不是均勻的散射體,其RCS不僅與雷達(dá)工作波長與極化方式有關(guān),也與目標(biāo)的姿態(tài)角、雷達(dá)視線角有關(guān)。精確仿真時,需考慮目標(biāo)隨雷達(dá)視線角而變化的RCS時間序列。本文假定地面預(yù)警雷達(dá)采用P波段垂直極化波。以某型巡航導(dǎo)彈為例,利用FEKO電磁仿真軟件,采用MOM法計算導(dǎo)彈P波段電磁散射特性,得到目標(biāo)全空域靜態(tài)RCS目標(biāo)數(shù)據(jù)庫,全空域目標(biāo)RCS分布如圖1所示。由圖可知,彈頭方向RCS較小,而彈體側(cè)向RCS較大。

假設(shè)巡航導(dǎo)彈巡航段做勻速直線飛行,初始位置距雷達(dá)120 km,飛行馬赫數(shù)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(dá)視線角的實(shí)時變化情況,最后由目標(biāo)全空域靜態(tài)RCS庫分別得到巡航導(dǎo)彈的動態(tài)RCS序列,如圖2所示。仿真中,遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)架設(shè)海拔高度設(shè)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(dá)波束指向巡航導(dǎo)彈的頭都強(qiáng)隱身區(qū)域,RCS值較小。

圖1 巡航導(dǎo)彈P波段全空域靜態(tài)RCS分布

圖2 不同巡航高度下巡航導(dǎo)彈RCS序列

3 雜波仿真

雷達(dá)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(dá)的影響時,通常采用雜波后向散射系數(shù)σ0來定量描述,σ0表示單位表面面積的平均雷達(dá)散射截面,與地形、入射余角、雷達(dá)波頻段等有關(guān)［2］。本文采用Morchin提出的地雜波后向散射系數(shù)模型,這個模型既考慮不同地形對后向散射系數(shù)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(jīng)典恒γ的σ0模型更為精確［3］,其表達(dá)式為

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

地雜波強(qiáng)度σc為［4］

其中雷達(dá)分辨單元面積為

式中:c為電磁波傳播速度;τ為雷達(dá)發(fā)射脈沖寬度;θβ0.5為雷達(dá)波束俯仰半功率寬度;R為目標(biāo)到雷達(dá)距離。

圖3給出了地雜波強(qiáng)度σc隨導(dǎo)彈突防的實(shí)時變化情況。由圖可知,隨著導(dǎo)彈與雷達(dá)距離的減小,地雜波強(qiáng)度出現(xiàn)快速增強(qiáng),這主要是由于雷達(dá)波束的擦地角變大導(dǎo)致。導(dǎo)彈巡航高度越高,雜波越弱,這也與實(shí)際情況相符合。

圖3 導(dǎo)彈突防時地雜波強(qiáng)度變化

4 雷達(dá)探測模型

（1）綜合信噪比計算

不考慮多徑效應(yīng)和電磁干擾,雷達(dá)接收機(jī)處理信號波及目標(biāo)回波、地雜波和接收機(jī)內(nèi)部噪聲［4,5］。

目標(biāo)回波信號功率Pr為

式中:Pt為雷達(dá)發(fā)射功率;G為天線增益;λ為雷達(dá)工作波長;σ為目標(biāo)RCS;L為雷達(dá)系統(tǒng)損耗。

地雜波功率Pc為

接收機(jī)內(nèi)部噪聲功率Pn為

式中:k為波爾茲曼常數(shù);Fn為接收機(jī)噪聲系數(shù); T0為系統(tǒng)噪聲溫度;Bn為接收機(jī)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(shù);np為脈沖積累個數(shù);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(dá)檢測概率仿真結(jié)果

設(shè)定遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)參數(shù):頻率f=435 MHz,發(fā)射功率Pt=600 k W,天線增益G=40 dB,接收機(jī)噪聲系數(shù)Fn=5 dB,系統(tǒng)噪聲溫度T0=496,雜波改善因子I=58 dB,發(fā)射脈沖寬度τ=50μs。不考慮系統(tǒng)損耗,仿真中目標(biāo)初始距離雷達(dá)120 km,滿足雷達(dá)視距條件。脈沖積累個數(shù)為5,虛警概率Pf=10―6時,雷達(dá)檢測概率仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 雷達(dá)檢測概率

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

5 結(jié)束語

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

［1］王利軍,郭建明,高春明,等.常規(guī)地基雷達(dá)探測巡航導(dǎo)彈問題研究［J］.航天電子對抗,2009,25 (6):8-10.

［2］付愛啟,李建勛,糕真福,等.基于后向散射系數(shù)模型的雜波仿真與信號重構(gòu)［J］.航天電子對抗, 2010,26(5):26-30.

［3］潘亮,付強(qiáng),張軍.一種地雜波譜的計算與仿真方法［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù),2005,27(4):586-590.

［4］范玉珠,張為華,謝道成.巡航彈飛行環(huán)境對跟蹤照射雷達(dá)探測性能影響仿真分析［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報,2008,20(15):3927-3930.

［5］原慧,陶建鋒,安磊.復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境雷達(dá)探測模型研究［J］.計算機(jī)測量與控制,2012,20(11): 2999-3004.

［6］戴海樹,葉波峰,李俠,等.一種探測巡航導(dǎo)彈的雷達(dá)能力評估方法［J］.中國電子科學(xué)研究院學(xué)報,2008,3(4):403-406.

［7］Bassem R.Mahafza,Atef Z.Elsherbeni.雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計MATLAB仿真［M］.北京:電子工業(yè)出版社,2009.

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(qiáng)(1990―),男,碩士,均從事雷達(dá)目標(biāo)電磁散射特性研究。