張 樂(lè),苗雨晴,李蘇杭,劉 釗,付寶偉,王勛寶

(1.上海機(jī)電工程研究所,上海 201109;2.上海復(fù)合材料科技有限公司,上海 201112)

半主動(dòng)尋的制導(dǎo)武器攔截超低空目標(biāo)時(shí),彈上導(dǎo)引頭的跟蹤情況主要與雙目標(biāo)的(目標(biāo)和鏡像)多普勒頻差、功率差、彈目/彈鏡的角度差以及陸/海面反射情況等因素相關(guān)[1]。如何合理地規(guī)避海面超低空目標(biāo)的多路徑效應(yīng),避免導(dǎo)引頭接收機(jī)受干涉回波影響產(chǎn)生錯(cuò)鎖目標(biāo)鏡像的現(xiàn)象是當(dāng)前防空武器研究的重點(diǎn)方向。

1 干涉原因分析

通過(guò)分析低空情況下半主動(dòng)導(dǎo)引頭接收機(jī)制發(fā)現(xiàn),照射器波束到目標(biāo)處的信號(hào)由兩部分組成：照射器直射到目標(biāo)的信號(hào)和照射信號(hào)經(jīng)地(海)面反射到目標(biāo)的信號(hào)(圖1給出鏡面反射示意圖),照射信號(hào)在照射路徑I→T和I→O2→T產(chǎn)生干涉,使照射器波瓣分裂,嚴(yán)重時(shí)干涉點(diǎn)在目標(biāo)處的增益下降可超過(guò)20 dB,使得導(dǎo)引頭回波信號(hào)的信噪比下降,同時(shí)超低空目標(biāo)反射多路徑T→M和T→O1→M的干涉,使得引頭測(cè)角產(chǎn)生誤差。上述干涉效應(yīng)將嚴(yán)重影響半主動(dòng)體制防空武器對(duì)超低空目標(biāo)的攔截效果[2]。

圖1 照射多路徑示意圖

2 鏡像目標(biāo)抑制策略

2.1 海面低空彈道抑制法

布魯斯特角定義為反射系數(shù)對(duì)應(yīng)的最小擦地角,如果彈目視線角按照大于布魯斯特角攻擊目標(biāo)則可獲得對(duì)鏡像目標(biāo)的最大抑制[3]。

設(shè)ρ為地/海面反射系數(shù),定義為反射點(diǎn)附近發(fā)射場(chǎng)強(qiáng)能量與入射電場(chǎng)能量之比,影響反射系數(shù)的因素有鏡面反射系數(shù)ρo、地/海面粗糙度系數(shù)ρs和地球曲率影響系數(shù)D,即ρ=ρo·ρs·D,一般近程防空武器可忽略地球曲率的影響，設(shè)D=1。

計(jì)算模型如下:

ρ=ρo·ρs·D

(1)

(2)

式中，εc為地/海介電常數(shù),β為擦地角。

(3)

式中,σh為地/海面起伏的標(biāo)準(zhǔn)偏差,λ為雷達(dá)波長(zhǎng)。

因此,反射系數(shù)與地/海面的地/海介電常數(shù)εc和地/海面起伏的標(biāo)準(zhǔn)偏差σh有關(guān)。

地/海介電常數(shù)εc與頻率有關(guān),對(duì)于陸地還與潮濕度有關(guān),假設(shè)雷達(dá)波段為X,查看雷達(dá)設(shè)計(jì)手冊(cè)可知[4]:戈壁條件下εc=1.83-i0.13;對(duì)于海水，εc與鹽度、溫度有關(guān)。假設(shè)鹽度為35%,查資料得到0 ℃時(shí),εc=58.8-i40。對(duì)于海面20 ℃時(shí)X波段海水介電常數(shù)采用εc=60.7-i33.1,一級(jí)海情,σh=0.03 m。反射系數(shù)仿真結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由圖2可知,海面布魯斯特角約為7°,陸面布魯斯特角約為36°,反射系數(shù)的增益大于30 dB,與攔截陸地超低空目標(biāo)相比,攔截海面超低空目標(biāo)時(shí)導(dǎo)彈可采用低空彈道來(lái)減小鏡像帶來(lái)的干涉影響。

圖2 X波段陸地和海面反射系數(shù)圖

2.2 定仰角抑制波瓣分裂法

導(dǎo)彈接收的回波功率主要由照射器增益、波長(zhǎng)、功率,目標(biāo)RCS及彈目、雷目間的距離決定[5]。

目標(biāo)回波能量為

(4)

因?yàn)檎丈淦鞯牟ò攴至?上面的Gt(γ)不能只從查照射器天線方向圖得到,它是路徑IT和IO2T方向上的照射器增益的矢量合成(見(jiàn)圖1),計(jì)算如下:

路徑IT方向上的增益可以寫(xiě)成Gt(Δθ1)ejφ1,路徑IO2T方向的增益可寫(xiě)成Gt(Δθ2)ρejφ2。其中,φ1=2πRt/λ,φ2=2πRtl/λ+π,ρ為反射系數(shù)。

不限角時(shí)，

(5)

限角Ψ時(shí)，

(6)

(7)

通過(guò)數(shù)學(xué)模型開(kāi)展對(duì)不同目標(biāo)高度同一照射器不同安裝高度的調(diào)整,觀測(cè)記錄不同距離段增益變化情況如圖3所示。

圖3 不同照射器高度、不同目標(biāo)高度對(duì)能量凹口的影響

由圖3可見(jiàn),超低空狀態(tài)下,照射天線高度越高,干涉頻率越高;目標(biāo)高度越低,干涉頻率越低,干涉凹口越深,在干涉點(diǎn)處回波功率降低,可能導(dǎo)致導(dǎo)引頭丟失目標(biāo)。根據(jù)目標(biāo)高度適時(shí)調(diào)整照射天線高低、限角的方法可改善照射雷達(dá)干涉的問(wèn)題。

2.3 典型彈道下仿真驗(yàn)證

建立數(shù)學(xué)模型:超低空條件下導(dǎo)引頭接收的目標(biāo)和鏡像功率表述如下[6-7]：

(8)

式中，

(9)

針對(duì)目標(biāo)高度為50 m,通過(guò)設(shè)置導(dǎo)彈的高拋角度及照射器仰角高度對(duì)典型彈道開(kāi)展暗室半實(shí)物仿真,通過(guò)采集導(dǎo)引頭接收的回波功率和鏡像功率、彈目與鏡像的多普勒頻差、彈目與鏡像角度差等數(shù)據(jù),具體分析超低空下鏡像目標(biāo)對(duì)導(dǎo)彈截獲的影響及相關(guān)應(yīng)對(duì)策略。仿真情況如圖4、圖5所示(圖4彈道角度5°、照射器仰角1.2°,圖5彈道角度9°、照射器仰角1.8°)。

圖4 彈道角度5°,照射器仰角1.2°條件下彈道仿真情況

圖5 彈道角度9°,照射器仰角1.8°條件下彈道仿真情況

通過(guò)對(duì)比圖4a)和圖5a)以及圖4d)和圖5d)可知，目標(biāo)高度越低,回波功率和鏡像功率差值越低。導(dǎo)引頭截獲靈敏度一致的條件下,高度越低,導(dǎo)引頭受干涉影響的時(shí)間越長(zhǎng),嚴(yán)重條件下導(dǎo)引頭可能全程無(wú)法區(qū)分真實(shí)目標(biāo)和鏡像目標(biāo),通過(guò)調(diào)整照射仰角高度鏡像目標(biāo)的回波會(huì)出現(xiàn)能量跌落的現(xiàn)象,此時(shí)對(duì)導(dǎo)引頭的多路徑干涉影響也會(huì)減弱。對(duì)比圖4c)和圖5c)以及圖4d)和圖5d)可知,目標(biāo)高差50 m的情況下回波-鏡像視線角度差、回波-鏡像功率差,差別不大,角度差在0.5°以內(nèi)可以滿足制導(dǎo)控制精度的要求。開(kāi)展照射器定仰角設(shè)置后,通過(guò)圖5b)可見(jiàn)，在4 s～8 s的時(shí)候回波-鏡像功率差逐漸拉大為上升趨勢(shì),利于導(dǎo)引頭對(duì)目標(biāo)和鏡像的判別。

綜上,目標(biāo)與鏡像功率隨著目標(biāo)距離的變化規(guī)律,雖然在遠(yuǎn)距離段此時(shí)彈目與彈鏡之間的張角在1°以內(nèi),通過(guò)合理控制初始截獲時(shí)間,避免給導(dǎo)彈裝訂鏡像目標(biāo)的到位角度,保證導(dǎo)彈前半程按照預(yù)定彈道向目標(biāo)飛行。隨著目標(biāo)的臨近,鏡像與目標(biāo)功率差達(dá)到 6 dB且迅速增大,4 s之后目標(biāo)與鏡像的功率差逐漸分離,針對(duì)超低空目標(biāo)通過(guò)控制導(dǎo)彈彈道高拋角度，采用超低空定仰角、導(dǎo)彈截獲延時(shí)的策略(控制導(dǎo)彈導(dǎo)引頭開(kāi)始截獲的時(shí)間),可顯著改善超低空鏡像目標(biāo)的影響,實(shí)現(xiàn)鏡像與目標(biāo)的分離,規(guī)避導(dǎo)引頭錯(cuò)鎖目標(biāo)鏡像的事件,進(jìn)而提高半主動(dòng)制導(dǎo)武器的攔截效果。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于半主動(dòng)制導(dǎo)防空武器攔截超低空目標(biāo)存在鏡面干涉帶來(lái)多路徑的效應(yīng),通過(guò)對(duì)彈道飛行角度的控制、照射器定仰角的設(shè)置并配合導(dǎo)引頭延時(shí)截獲的策略,可規(guī)避導(dǎo)彈錯(cuò)鎖的現(xiàn)象,進(jìn)一步提高超低空目標(biāo)的攔截效果。