王 琦，劉明春

(1. 海軍92941部隊93分隊,遼寧 葫蘆島 125001;2. 海軍航空工程學院,山東 煙臺 264001)

基于艦載雷達照射的箔條云散射功率分析

王 琦1，劉明春2

(1. 海軍92941部隊93分隊,遼寧 葫蘆島 125001;2. 海軍航空工程學院,山東 煙臺 264001)

在無源干擾中,箔條云因其具有全頻段、干擾能力強等特點而被廣泛采用?？罩心繕税l(fā)射箔條彈對艦空導彈武器系統(tǒng)跟蹤制導雷達影響非常嚴重。首先分析了箔條云散射原理,研究了基于艦載雷達照射的箔條云散射功率數學模型,該模型考慮了不同體積單元回波起伏,給出箔條云散射功率的直觀計算方法,將該模型轉化為雷達徑向上隨機積分形式。最后,通過仿真分析,給出了不同距離段箔條云散射功率變化情況,并與點目標散射功率進行了對比,闡明了箔條云散射功率的變化規(guī)律,為分析箔條云的散射特性提供了簡便可行的方法。

艦載雷達;箔條云;散射功率

現代戰(zhàn)爭條件下,無源干擾相對有源干擾而言,具有價格低廉、使用方便、干擾范圍廣和技術成熟等優(yōu)勢。箔條干擾作為重要的無源干擾樣式,因其具有全頻段、對任意體制的雷達均具備干擾能力，干擾效果明顯等特點,在無源干擾中被廣泛應用[1]。目前國內對箔條干擾特性的研究主要從單根箔條散射特性和箔條云整體的運動特性、功率譜等角度分析,在數學原理上,上述分析方法比較復雜,缺少對箔條云功率散射特性定量直觀研究[2-4]。本文主要研究艦載雷達在對箔條云進行照射后,雷達接收機實際接收的箔條云反射功率的變化情況,并分析了箔條云對艦載雷達跟蹤性能的影響,提出了對抗箔條云干擾的措施。

1 箔條云散射原理分析

常用的箔條是半波長金屬絲,為線散射體,當電磁波照射箔條時,在交變電磁場作用下,箔條表面產生感應電動勢和感應電流,根據麥克斯韋電磁波傳播理論,交變電磁場將向空間繼續(xù)傳播。

實際戰(zhàn)場條件下,對反艦導彈類目標,箔條彈主要應用在干擾敵方來襲導彈導引頭對目標的捕獲或跟蹤方面[5],主要干擾方式為質心干擾、沖淡干擾和轉移干擾等;對空中目標而言,箔條彈主要應用在掩護己方目標的大范圍箔條走廊干擾[6]和掩護己方飛機的箔條假目標或箔條誘餌干擾,箔條誘餌或假目標要求在一段時間內具有和真實目標相近的飛行特征,如回波起伏特性,飛行速度、飛行高度等,強的箔條假目標干擾能夠達到以假亂真的目的,同時箔條云回波強度要大于真實目標回波強度,有可能導致跟蹤制導雷達接收機飽和,從而有效掩護己方目標[7]。箔條彈由發(fā)射至空中炸開到形成箔條云分為非成熟期和成熟期。非成熟期是指箔條從箔條彈中炸開但還沒有完全擴散開的時期。在這一時期,箔條密度急劇減小,雷達后向散射截面急劇增大,其空間分布是不均勻和時變的,不具有干擾能力。成熟期是指箔條充分擴散后無論密度還是雷達后向散射截面都達到相對穩(wěn)定的時期,成熟期的箔條云才具有防護目標的能力。

2 箔條云散射數學模型

箔條云由大量電偶極子組成,在空間上各個電偶極子取向、速度均呈隨機分布,當艦載雷達發(fā)射的電磁波照射箔條云時,一種情況是箔條云內各個箔條對電磁波散射后,直接被接收機接收,散射過程如圖1所示。

圖1 箔條云單次散射示意圖

另外一種情況是艦載雷達發(fā)射電磁波在箔條云內經各個箔條多次散射后,被雷達接收機接收,電磁波散射過程如圖2所示。

圖2 箔條云多次散射示意圖

箔條云多次散射回波功率數學模型更加復雜,在箔條云完全散開時,大多數箔條均對入射電磁波進行一次散射,然后直接被雷達接收機接收,因此本文僅研究箔條云單次散射回波功率的數學模型。

當電磁波照射箔條云時,由于箔條的散射和吸收效應,單根箔條實際入射波功率可表示為:

(1)

(2)

其中,Pt為雷達發(fā)射功率,Gt為雷達天線增益,R為箔條雷達間距離,γ為衰減因子,ρ為箔條云內箔條數密度,σr為單根箔條平均RCS,s為積分變量。

(3)

為研究箔條云整體散射特性,可將箔條云劃分為不同的體積單元[8],將不同體積單元箔條云散射回波進行合成,得到整個箔條云的電磁散射特性。電磁波照射箔條云不同體積單元時,該體積單元內箔條散射至雷達處的功率[9]可表示為

(4)

其中,σb為dV體積單元處箔條后向散射RCS。

σb=0.151λ2

(5)

在每一個體積單元中,假設每一個體積單元足夠大,其中包括足夠多的電偶極子,則這個體積單元散射

的回波信號幅度可表示為零均值復高斯過程,不同體積單元箔條云散射信號幅度相互獨立,可用隨機積分的形式表示。根據以上分析,雷達實際接收的特定體積單元回波信號功率可表示為

(6)

其中,NR為零均值復高斯白噪聲,實部與虛部正交,不同體積單元NR相互對立。

利用式(6)通過體積積分計算整個箔條云散射回波信號在數學上不容易實現,可將箔條云不同體積單元轉化為雷達徑向上的積分:

對艦載雷達而言,箔條云均位于遠距離段,在該距離上,箔條云基本位于雷達波束內,式(7)中忽略了天線波束形狀變化引起的增益損失,G為波束主瓣對準目標時的天線最大增益。

3 仿真結果

假設艦載雷達發(fā)射功率Pt為100kW,發(fā)射信號波長為6cm,天線增益為40dB,箔條云與艦載雷達距離范圍為100km～200km,箔條云半徑為100m,箔條云內箔條數量為108。式(7)中積分為特殊積分,無法直接利用數值積分進行計算,可利用Matlab進行近似計算。艦載雷達接收的箔條云散射回波信號功率變化范圍如圖3所示。根據雷達方程,假設目標RCS為2m2,當目標與艦載雷達距離范圍為100km～200km,目標散射功率變化情況如圖4所示。

圖3 不同距離箔條云散射回波功率變化

圖4 不同距離點目標散射回波功率變化

4 仿真結果分析

圖3中x軸為箔條云與艦載雷達距離R,y軸為箔條云直徑r變化,z軸為不同距離、不同直徑的箔條云反射功率Pr變化情況,圖4中x軸為點目標與艦載雷達距離R,y軸為不同距離點目標反射功率Pr變化情況。

根據仿真結果,可得如下結論:

1)當箔條云與艦載雷達距離由100km變化至200km時,箔條云散射回波信號功率變化約為6dB,2m2點目標在相同距離段功率變化約為12dB,上述差別可由二者數學模型上的差別得出:雷達方程中,點目標散射回波信號功率與R4成反比;式(7)中箔條云散射回波功率近似與R3成反比,

2)在圖3中,特定距離上箔條云散射回波信號功率在徑向上積分時由于高斯白噪聲的影響,會產生一定的起伏,隨著徑向積分距離的增加,式(7)的仿真結果逐漸趨近于一常數,即整個箔條云的回波散射功率。

3)從散射功率上看,在相同距離上箔條云散射回波信號比2m2散射回波信號強約100dB。在如此高的強干擾背景下,要實現對弱目標的檢測是非常困難的。如果雷達接收機能夠成功檢測目標信號,在箔條云回波信號強度比目標信號強度高100dB情況下,箔條云

反射回波很可能造成雷達接收機飽和而失去正常工作能力(一般雷達接收機的動態(tài)范圍約為80dB左右)。在武器系統(tǒng)試驗中,可根據本文提出的箔條云散射功率模型合理設計箔條云的大小和發(fā)射距離,從而考核武器系統(tǒng)抗箔條干擾能力。

5 結束語

箔條云散射情況一直是國內外理論研究的重點,本文從箔條云散射特性出發(fā),給出了箔條云散射功率的數學模型,結合艦載雷達照射的特點,將該模型轉化為雷達徑向上的隨機積分形式,能夠通過計算機仿真方法直接計算不同距離、不同體積的箔條云團散射回波功率,為復雜電磁環(huán)境下武器系統(tǒng)干擾環(huán)境的構建和干擾強度分析提供了有力的工具。

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Scattering Power Analysis of Chaff Cloud Echo on Shipboard Radar Emitting

WANG Qi1， LIU Ming-chun2

(1. Navy 92941 Troop， 93 Unit, Huludao 125001;(2. Naval Aeronautic and Astronautic University, Yantai 264001, China)

Chaff cloud has the characteristics of the whole frequency and effectiveness in passive jamming. Chaff rocket emitted from aerial carrier has bad effect on tracking-and-guiding radar of ship-to-air missile weapon system. Firstly, the chaff cloud scattering theory is analyzed. And then the stochastic integral maths model of chaff cloud power is advanced considered of different volume echo amplitude fluctuating, the range profile integral maths model is advanced for convenience analyzing. The result shows the maths model can be correctly used to calculate the chaff cloud echo power for estimating its scatter characteristics.

shipboard radar; chaff cloud; scattering characteristics

1673-3819(2017)01-0098-03

2016-07-31

王 琦(1976-),女,四川仁壽人,碩士,高級工程師,研究方向為導彈武器系統(tǒng)試驗。 劉明春(1983-),男,助理工程師。

TN958；E917

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2017.01.021

修回日期： 2016-10-18