張放　何憲鋒

摘要：? ? ? 主動雷達型空空導彈在海面背景下視攻擊低空或超低空飛行目標時， 由于海面對雷達波的反射作用， 導引頭始終受到多路徑干擾的影響。 該影響將導致導彈的制導精度下降甚至脫靶。 本文對多路徑干擾影響導彈制導精度的過程進行了理論分析， 并結(jié)合其他文獻中的研究成果對導彈攻擊過程中受到的各類影響進行了定量化建模及仿真。 最終從理論分析及仿真結(jié)果出發(fā)， 對未來主動雷達型空空導彈在此種環(huán)境下能夠采用的技術(shù)措施進行了探討。

關鍵詞：? ? ?空空導彈;? 多路徑干擾;? 目標攻擊; 主動雷達型

中圖分類號：? ? ?TJ765.4; TP391.9文獻標識碼：? ? A文章編號：? ? ?1673-5048（2020）02-0059-05

0引言

雷達在海面背景下探測低空目標時， 由于多路徑效應影響， 其對目標的探測將出現(xiàn)威力下降、 跟蹤中斷等現(xiàn)象[1-3]。 而主動雷達型空空導彈在海面背景下攻擊目標時， 由于導引頭發(fā)射出的無線電波需經(jīng)由目標及海面的多次反射后才能被導引頭接收， 因此其對目標的測量將不可避免地受到海面造成的多路徑效應影響。 在這一方面， 國內(nèi)相關研究者對雷達導引頭所受影響過程開展了理論分析， 并通過數(shù)字仿真進行了定量分析[4-6]。

導引頭在海面背景下攻擊目標時所受到的影響將造成導彈的制導精度下降， 嚴重時將導致導彈脫靶。 針對此問題， 開展了艦空導彈在海面背景下對目標攻擊能力的仿真研究， 并取得了一定成績[7-8]。 本文對海面背景下主動雷達型空空導彈對目標的末端攻擊情況進行了分析及仿真， 并給出了減小海面多路徑效應影響的可能改進方向。

1多路徑效應影響原理分析

海面多路徑效應產(chǎn)生的最主要影響為鏡像目標， 主要發(fā)生在目標距離海面較低， 且海面平坦條件下。 與視覺觀測相似， 低空（與海面相對高度小于1 km）或超低空（與海面相對高度小于100 m）飛行的目標會以海面為對稱面， 形成一個與真實目標相似的鏡像目標， 其實質(zhì)為電磁波通過海面反射所形成的虛像[9-11]。

當探測雷達照射目標時， 其所發(fā)射的電磁波經(jīng)目標、 海面兩次反射后被雷達接收， 等效為在海面下方另外有一個鏡像目標存在， 形成所謂的“鏡像目標”。 圖1為鏡像目標產(chǎn)生的原理示意圖， 圖中， 鏡像目標傳播路徑為ACBA。

經(jīng)典的“四路徑模型”包括直達路徑ACA， 鏡像目標傳播路徑ACBA，? ABCA，? ABCBA。 直達路徑ACA對應的目標位置為真實目標位置C; 路徑ACBA對應的目標位置為C1， 其角度、 多普勒頻移和波程差相對真實目標都有偏離。 其余兩條路徑對應的目標位置分別為C及C1， 但其波程差將進一步偏離真實目標， 同時由于經(jīng)過了多次反射， 其信號幅值小于前兩條路徑產(chǎn)生的信號幅值， 為簡化起見， 在本文所做工作中未做考慮。

對導引頭來說， 鏡像路徑和直達路徑夾角小于波束寬度時， 鏡像對導引系統(tǒng)的影響較大。 鏡像目標影響導引系統(tǒng)， 需滿足以下條件：

a. 當鏡像回波和目標回波交替出現(xiàn)時， 鏡像能量高于檢測門限;

b. 當鏡像回波和目標回波同時出現(xiàn)時， 目標回波幅度相對于鏡像回波壓制比不高， 且目標和鏡像在頻域不可分開。

低空下視攻擊目標時， 在直達路徑ACA和路徑ACBA波程差相差不大的條件下， 如果鏡像不出主波束且能量足夠大， 導引頭對不同信號的跟蹤過程如圖2所示。

圖2中， “跟蹤目標”表示此時導引頭跟蹤的信號為目標回波信號， “跟蹤合成”表示此時導引頭跟蹤的信號為目標回波和鏡像目標回波信號的合成信號， “跟蹤鏡像”表示此時導引頭跟蹤的信號為經(jīng)由路徑ACBA反射回導引頭的鏡像目標信號。 需要注意的是， 在實際導彈攻擊過程中， 導引頭的跟蹤過程可能在圖2跟蹤過程的任何時刻開始， 其起點取決于導引頭首次截獲目標的時刻。

航空兵器2020年第27卷第2期張放， 等： 多路徑干擾條件下主動雷達空空導彈對目標攻擊能力分析及仿真另外還需要考慮的是， 圖2中所反映的“跟蹤目標”及“跟蹤鏡像”的時間長度取決于目標回波與鏡像目標回波的波程差， 在鏡像目標能夠產(chǎn)生影響的條件下， 目標距海面高度往往較小， 因此波程差帶來的回波時間差異僅為微秒級。 這一時間遠遠小于導引頭秒級的遮擋周期及毫秒級的信號處理周期， 因此對于導引頭的跟蹤來講， 可以認為在鏡像目標回波信號消失前， 導引頭均在跟蹤合成信號。

2多路徑效應對目標信息測量的影響分析

在空空導彈攻擊海面目標時， 海面反射無線電波產(chǎn)生多路徑效應導致了鏡像目標的產(chǎn)生。 而對于導引頭的測量而言， 在其無法分辨真實目標及鏡像目標的條件下， 鏡像目標回波的幅值及所處的位置決定了導引頭視在目標的位置， 并將對導引頭的測量值造成影響。

由上述可知， 鏡像目標所處的位置為真實目標以海面為對稱面的海面下方， 其回波幅值將由海面的后向反射系數(shù)決定， 通過查詢文獻[12-14]， 給出后向反射系數(shù)與擦地角之間的關系曲線， 如圖3所示。

從圖3可以看出， 海面反射系數(shù)同時受到海情及擦地角兩個不同因素的綜合影響。 為保證仿真結(jié)果的可信性， 在仿真條件中需要指明海情條件， 同時在導彈攻擊過程仿真中， 需要按照計算得出的擦地角實時給出海面后向反射系數(shù)， 從而針對不同海面后向反射系數(shù)給出鏡像目標回波幅值大小， 評估合成目標、 鏡像目標與真實目標之間的相對關系。

當海面后向反射系數(shù)等于1時， 鏡像目標與真實目標回波幅值相等， 此時合成目標所處位置為真實目標與鏡像目標連線與海面的交點處。 當海面后向反射系數(shù)大于1時， 鏡像目標回波幅值大于真實目標的回波幅值， 因此合成目標將偏向鏡像目標所處位置。 當海面后向反射系數(shù)小于1時， 鏡像目標回波幅值小于真實目標回波幅值， 因此合成目標將偏向真實目標所處位置。

由圖3曲線可以發(fā)現(xiàn)， 由于海面反射系數(shù)始終小于1， 因此鏡像目標的回波幅值始終小于真實目標的回波信號幅值， 導致導引頭跟蹤的合成目標始終處于海面之上并接近于真實目標。 結(jié)合導引頭跟蹤過程可以發(fā)現(xiàn)， 導引頭跟蹤時首先將短暫跟蹤真實目標， 之后跟蹤合成得到的視在目標， 最終短暫跟蹤鏡像目標。 同時隨著彈目距離的接近， 鏡像目標與真實目標之間的張角將逐漸增大。

綜合上述分析可以認為， 當真實目標與鏡像目標在導引頭視線上的投影角度小于導引頭視場角時， 導引頭測量得到的角度信息為合成得到的視在目標的角度信息。 而如果真實目標與鏡像目標在導引頭視線上投影得到的角度差大于導引頭視場角， 由于導引頭之前跟蹤的合成目標偏向于真實目標， 因此可以認為鏡像目標回波無法被導引頭接收到， 不再對導引頭測量造成影響。

3多路徑效應對制導精度影響的仿真分析

比例導引法是指導彈在攻擊目標的過程中， 導彈速度矢量的旋轉(zhuǎn)角速度與目標線的旋轉(zhuǎn)角速度成比例的一種導引方法， 其基本數(shù)學形式為

其優(yōu)點是： 在比例系數(shù)K選擇適當?shù)那疤嵯拢?導彈彈道前段較為彎曲， 能夠充分利用導彈的機動能力; 彈道后段較為平直， 使導彈具有較為充裕的動力裕度。 只要參數(shù)選擇適當， 就可以使全彈道上需用法向過載均小于可用法向過載， 因而其彈道較為平滑， 有利于發(fā)揮導彈的動力性能。 在技術(shù)實施上實現(xiàn)比例導引法也較為容易， 因此， 空空、 地空等自動瞄準制導的導彈都采用比例導引法。 其缺點是： 命中目標時的需用法向過載與命中點的導彈速度和導彈的攻擊方向有直接關系[15]。

該導引律需要對目標視線的旋轉(zhuǎn)角速度進行測量， 而在海面背景下存在多路徑效應時， 由于導引頭跟蹤目標過程中的視在目標為真實目標與鏡像目標的合成目標。 因此在海面背景下直到鏡像目標移出導引頭視場角之前， 導引頭測量得到的旋轉(zhuǎn)角速度均為合成目標的視線角速度。 而在鏡像目標移出導引頭視場角時， 由于跟蹤點在高度上發(fā)生跳變， 因此測量的視線方向也將出現(xiàn)跳變， 對應的視線角速度將出現(xiàn)一個尖峰， 并導致彈道出現(xiàn)波動。 如果該現(xiàn)象在導彈攻擊目標過程中出現(xiàn)時刻與導彈遇靶時刻較為接近， 則此時制導控制系統(tǒng)無法有效消除制導誤差， 并將導致制導精度出現(xiàn)下降。

在考慮上述因素后， 將鏡像目標所在位置、 鏡像目標回波幅值及視在目標所在位置的計算算法引入原有仿真模型中， 針對同一發(fā)射條件下、 目標飛行高度不同時的制導精度進行計算仿真， 并將制導精度小于一定值的仿真結(jié)果視為攻擊成功。

攻擊條件為載機飛行高度3 km， 發(fā)射馬赫數(shù)0.8， 目標飛行高度20～300 m， 飛行馬赫數(shù)0.8， 發(fā)射距離22 km， 迎頭攻擊， 目標全程不機動。 仿真條件下的典型彈道軌跡如圖4所示。

從仿真結(jié)果來看， 在發(fā)射條件一定時， 目標的飛行高度將直接影響導彈的攻擊成功率， 具體體現(xiàn)為攻擊成功率隨目標飛行高度降低而下降， 1級海情下的仿真數(shù)據(jù)曲線如圖5所示。

造成該現(xiàn)象的原因為： 在真實目標飛行高度較低時， 其與鏡像目標之間的距離也較近， 鏡像目標移出導引頭視場的時間更為靠后， 因此留給制導控制系統(tǒng)消除制導誤差的時間也更短， 并導致制導誤差散布的增加及攻擊成功概率的下降。

需要注意的是， 在目標飛行高度進一步降低時， 雖然鏡像目標移出視場時間進一步推后， 但鏡像目標與真實目標的距離也進一步減小， 因此也減少了需要消除的制導誤差。 從這一點上來講， 該規(guī)律在其他高度層上是否成立尚需要進一步分析。

4結(jié)論及建議

從本文分析可知， 在主動雷達型空空導彈攻擊低空或超低空飛行目標的過程中， 由于海面環(huán)境造成的多路徑效應， 將會導致導引頭測量精度下降， 進而導致制導精度下降。

針對上述影響因素， 需要通過其他技術(shù)手段減弱甚至消除導引頭在測量目標信息時所受的影響， 或通過彈道設計補償鏡像目標帶來的制導誤差散布的增加， 從而在目標飛行高度較低的條件下抑制可能出現(xiàn)的制導誤差波動。

為改善導引頭測量品質(zhì)， 可針對性地改進導引頭信號處理算法， 采用新型信號處理技術(shù)減小海面雜波影響， 或?qū)б^進行低旁瓣改進， 進一步抑制多路徑效應[16]。 另外還可以采取布儒斯特角彈道攻擊目標， 盡可能減小海面的反射系數(shù)， 從而降低鏡像目標帶來的影響[17-19]。

為了抑制制導誤差的波動， 可以對目標信息進行濾波， 并在目標角度出現(xiàn)跳變時對制導律算法進行針對性設計， 盡可能減小消除制導誤差所需的時間[19]。

參考文獻：

[1] 宋偉， 婁亮. 海面多路徑效應對雷達探測性能的影響分析[J].計算機測量與控制， 2018， 26（6）： 110-112.

Song Wei， Lou Liang. Influence Analysis of Sea Surface Multipath Effect on Radar Detection Capability[J]. Computer Measurement & Control， 2018， 26（6）： 110-112.（in Chinese）

[2] 崔嵩， 李巖， 鄭昌. 海面多路徑效應對艦載雷達探測低空目標的影響[J]. 艦船電子工程， 2009， 29（1）： 104-106.

Cui Song， Li Yan， Zheng Chang. Sea Surface MultiChannel Footpath Effect Deal with the Influence of LowAltitude Target to the Shipboard Radar[J]. Ship Electronic Engineering， 2009， 29（1）： 104-106.（in Chinese）

[3] 王利軍， 朱和平， 郭建明， 等. 多徑條件下雷達探測巡航導彈的性能研究[J].雷達科學與技術(shù)， 2010， 8（3）： 204-208.

Wang Lijun， Zhu Heping， Guo Jianming， et al. Research on Performance of Radar Detecting Cruise Missile in Multipath[J]. Radar Science and Technology， 2010， 8（3）： 204-208.（in Chinese）

[4] 劉潔慧， 鄭學合， 孫麗. 主動雷達導引頭低空多路徑效應的數(shù)學仿真分析[J].現(xiàn)代防御技術(shù)， 2007， 35（3）： 82-85.

Liu Jiehui， Zheng Xuehe， Sun Li. Analysis of Simulation on the Active Seeker Low Altitude MultiPath Problem[J]. Modern Defence Technology， 2007， 35（3）： 82-85.（in Chinese）

[5] 段世忠， 周蔭清， 張孟， 等.主動雷達導引頭多路徑效應的數(shù)字仿真[J]. 北京航空航天大學學報， 2002， 28（4）： 447-450.

Duan Shizhong， Zhou Yinqing， Zhang Meng， et al. Numerical Simulation of Multipath Effect of Active Radar Seeker[J].Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics， 2002， 28（4）： 447-450.（in Chinese）

[6] 張恒， 李青山， 張克舟， 等.多路徑效應下脈沖多普勒雷達導引頭性能研究[J]. 現(xiàn)代防御技術(shù)， 2014， 42（4）： 92-97.

Zhang Heng， Li Qingshan，Zhang Kezhou，? et al.Research on Influence of Multipath Effect on Performance of Pulse Doppler Radar Seeker[J]. Modern Defence Technology， 2014， 42（4）： 92-97.（in Chinese）

[7] 斗計華， 陸永紅， 鐘志通. 艦空導彈抗擊反艦導彈脫靶量分析[J]. 指揮控制與仿真， 2010， 32（5）： 105-107.

Dou Jihua， Lu Yonghong， Zhong Zhitong. Reseach on ShiptoAir Missile Miss Distance Against AntiShip Missile[J]. Command Control & Simulation， 2010， 32（5）： 105-107.（in Chinese）

[8] 施貴寧， 陳軍文， 皮德寶.半主動式導彈低空多路徑效應的計算[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù)， 2000， 22（4）： 39-41.

Shi Guining， Chen Junwen， Pi Debao. The Calculation of Multipath Effect for SemiActive Radar Homing Missile[J]. Systems Engineering and Electronics， 2000， 22（4）： 39-41.（in Chinese）

[9] 王利軍， 郭建明， 郝晶. 多徑效應對雷達探測低空巡航導彈的影響[J].雷達科學與技術(shù)， 2010， 8（1）： 7-10， 14.

Wang Lijun， Guo Jianming， Hao Jing. The Influence of MultiPath Effect on Low Altitude Cruise Missile Detection in Radar[J]. Radar Science and Technology， 2010， 8（1）： 7-10， 14.（in Chinese）

[10] 劉以安， 鄧亮， 鐘娟， 等.雷達電磁信號的多徑傳播仿真研究[J]. 計算機仿真， 2005， 22（6）：15-19.

Liu Yian， Deng Liang， Zhong Juan， et al. Study of MultiPath Propagation Simulation of Radar Signal[J]. Computer Simulation， 2005， 22（6）： 15-19.（in Chinese）

[11] 袁興鵬， 張金全， 楊立永. 海面雷達信號環(huán)境多路徑效應建模與仿真技術(shù)研究[J].艦船電子對抗， 2013， 36（6）： 68-72.

Yuan Xingpeng，? Zhang Jinquan，? Yang Liyong.? Research into Modeling and Simulation Technologies of MultiPath Effect of Sea Surface Radar Signal Environment[J].Shipboard Electronic Countermeasure， 2013， 36（6）： 68-72.（in Chinese）

[12] 蘇益德， 路明， 臧偉.無線電引信海面后向散射系數(shù)仿真分析[J]. 兵器裝備工程學報， 2017， 38（5）： 52-55， 60.

Su Yide， Lu Ming， Zang Wei. Simulation and Analysis of the Sea Surface Backscattering Coefficient for Radio Fuze[J]. Journal of? Ordnance Equipment Engineering， 2017， 38（5）： 52-55， 60.（in Chinese）

[13] 王曉晨， 萬劍華， 張振華， 等.小入射角下海浪后向散射系數(shù)不對稱性和各向異性分析驗證[J]. 海洋學報（中文版）， 2016， 38（11）： 43-48.

Wang Xiaochen， Wan Jianhua， Zhang Zhenhua， et al. Analysis and Validation of Wave Backscatter Coefficients Asymmetry and Anisotropy at Low Incidence Angle[J].Acta Oceanologica Sinica， 2016， 38（11）： 43-48.（in Chinese）

[14] 任紅霞， 姬光榮， 吳庚坤. 海雜波后向散射系數(shù)經(jīng)驗模型研究[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù)， 2014（19）： 69-71.

Ren Hongxia， Ji Guangrong， Wu Gengkun. Empirical Model Research on Backscatter Coefficient of Sea Clutter[J]. Modern Electronics Technique， 2014（19）： 69-71.（in Chinese）

[15] 錢杏芳， 林瑞雄， 趙亞男. 導彈飛行力學[M].北京： 北京理工大學出版社， 2000.

Qian Xingfang， Lin Ruixiong， Zhao Yanan. Missile Flight Aerodynamics[M]. Beijing： Beijing Institute of Technology Press， 2000.（in Chinese）

[16] 吳灝， 范紅旗， 付強. 低距離旁瓣雷達系統(tǒng)設計方法綜述[J].航空兵器， 2015（4）： 3-7，15.

Wu Hao， Fan Hongqi， Fu Qiang. Overview of Design Methods for Radar System with Low Range Sidelobes[J]. Aero Weaponry， 2015（4）： 3-7，15.（in Chinese）

[17] 馬帥， 王旭剛， 王中原， 等.帶初始前置角和末端攻擊角約束的偏置比例導引律設計以及剩余飛行時間估計[J]. 兵工學報， 2019， 40（1）： 68-78.

Ma Shuai， Wang Xugang， Wang Zhongyuan， et al. BPNG Law with Arbitrary Initial Lead Angle and Terminal Impact Angle Constraint and TimetoGo Estimation[J]. Acta Armamentarii， 2019， 40（1）： 68-78.（in Chinese）

[18] 付主木， 曹晶， 張金鵬， 等. 帶落角和落點約束的空地導彈最優(yōu)制導律設計[J]. 航空兵器， 2014（1）： 3-6.

Fu Zhumu， Cao Jing， Zhang Jinpeng， et al. Design of Optimal Guidance Law with Impact Angle and Final Position Constraints for AirtoGround Missile[J]. Aero Weaponry， 2014（1）： 3-6.（in Chinese）

[19] 陳峰， 何廣軍， 熊思宇. 考慮布儒斯特角約束的復合積分制導律設計[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù)， 2018， 40（8）： 1824-1831.

Chen Feng， He Guangjun， Xiong Siyu. Composite Integral Guidance Law Designed with Brewster Angle Constraint[J]. Systems Engineering and Electronics， 2018， 40（8）： 1824-1831.（in Chinese）

Abstract： When the active radar airtoair missile attacks on the target flying at low altitude or ultralow altitude in the sea background， the seeker is always affected by multipath interference due to the reflection of the sea surface to the radar wave. This effect will lead to decline of the missiles guidance accuracy? or even offtarget. In this paper， through the theoretical analysis of the process of multipath interference affecting the guidance accuracy of the missile， and combined with the research results in other references， the quantitative modeling and simulation of the impact on the missile attack process are carried out. Finally， based on the theoretical analysis and simulation results， the technical measures that can be used in the future active radar airtoair missile in this environment are discussed.

Key words： airtoair missile; multipath interference; target attack; active radar type