田浩 趙志江 郭垠昊

摘要：????? 引信的低空性能是空空導(dǎo)彈超低空作戰(zhàn)效能優(yōu)劣的關(guān)鍵要素， 特別是在近場(chǎng)海背景下， 更需要對(duì)無線電引信的能力特性進(jìn)行評(píng)估。 本文基于多尺寸粗糙海面模型， 運(yùn)用物理光學(xué)法和物理繞射法及四道復(fù)合散射預(yù)測(cè)方法， 首先建立了海面目標(biāo)電磁散射場(chǎng)及復(fù)合散射回波的理論模型。 接著， 仿真分析了不同波段、 不同海情、 不同交會(huì)狀況下， 無線電引信的海背景回波， 以及與目標(biāo)的復(fù)合散射回波特性。 最后， 通過開展對(duì)海面的低空掛飛近距回波特性試驗(yàn)， 以及對(duì)海面與目標(biāo)復(fù)合的回波特性試驗(yàn)， 獲得無線電引信的海背景回波數(shù)據(jù)， 并與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。 結(jié)果顯示， 多普勒回波幅度仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果基本一致。

關(guān)鍵詞：???? 無線電引信； 海背景； 抗干擾； 回波特性; 海面目標(biāo)

中圖分類號(hào)：??? ?TJ43? ??文章編號(hào)：??? ?1673-5048（2023）04-0085-06

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：??? A? ? DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2022.0238

0引言

空空導(dǎo)彈的一個(gè)重要組成部分就是引信， 引信主要是通過平臺(tái)、 環(huán)境和目標(biāo)等信息， 為彈藥的勤務(wù)和彈道安全提供強(qiáng)有力的保障， 并根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的彈藥起爆控制裝置進(jìn)行起爆控制。

當(dāng)前存在的主要威脅目標(biāo)常利用低空和超低空掠地掠海來實(shí)施突防。 空空導(dǎo)彈在遭遇反掠海低空、 超低空飛行目標(biāo)時(shí)， 海面背景有較強(qiáng)的反射作用， 產(chǎn)生較強(qiáng)的海雜波干擾， 影響引信的低空作戰(zhàn)能力， 引信會(huì)同時(shí)探測(cè)到目標(biāo)的回波信號(hào)和海面回波信號(hào)。 為了精確高效攔截低空、 超低空飛行目標(biāo)， 要求引信具有在強(qiáng)海雜波背景干擾下的識(shí)別能力。

對(duì)于無線電引信近距探測(cè)來說， 引信波束為扇形波束， 對(duì)海面是局部近距探測(cè)， 與遠(yuǎn)距雷達(dá)的海背景特性不同。 無線電引信海背景回波特性研究是抗海雜波干擾的基礎(chǔ)， 為無線電引信抗低空、 超低空海雜波干擾的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證提供依據(jù)， 對(duì)提高導(dǎo)彈反超低空目標(biāo)性能具有重要意義。

本文以無線電引信的近場(chǎng)海背景特性試驗(yàn)研究為主， 通過構(gòu)建海背景試驗(yàn)條件， 開展對(duì)海面的低空掛飛近距回波特性試驗(yàn)， 以及對(duì)海面與目標(biāo)復(fù)合的回波特性試驗(yàn)， 獲得無線電引信的海背景回波數(shù)據(jù)， 并與仿真試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比， 驗(yàn)證仿真模型的有效性。

1回波特性理論

作為精確制導(dǎo)武器海背景目標(biāo)檢測(cè)的重要領(lǐng)域， 對(duì)海雜波的研究方法目前有經(jīng)典海雜波模型和海雜波分形特性兩類， 二者分別以傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)學(xué)和混沌動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)。 在將海面細(xì)分為無限小隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的組合后， 即可采用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理建立包含韋布爾分布、 對(duì)數(shù)正態(tài)分布和瑞利分布等類型的常用雜波統(tǒng)計(jì)模型。 上述幾類模型除了僅能開展單脈沖檢測(cè)的局限外， 在模擬雜波方面也缺乏時(shí)間和空間相關(guān)性。 為解決這一問題， 1976年， Jakeman創(chuàng)新性地提出了基于K分布的電磁散射統(tǒng)計(jì)模型， 隨之國(guó)內(nèi)外統(tǒng)計(jì)模型研究學(xué)者逐步將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)向該分布模型的仿真方法、 參數(shù)估計(jì)方面。 對(duì)于雷達(dá)雜波的仿真方法， 采用較多的有零記憶非線性變換法（ZMNL）、 球不變隨機(jī)過程法（SIRP）和隨機(jī)微分方程法（SDE）， 但SDE法的研究深度和應(yīng)用廣度遠(yuǎn)不及前面兩種。 此外， 通過對(duì)IPIX雷達(dá)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析， 加拿大學(xué)者提出了一種新的基于TSALLIS分布的海雜波建模方法［1-6］。

雖然傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)模型在海雜波仿真和分析方面不僅結(jié)果較為準(zhǔn)確， 而且使用方便、 應(yīng)用范圍廣， 但由于該模型來自于經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)擬合的固有屬性， 其在反應(yīng)雜波形成的物理機(jī)理方面不免捉襟見肘。 隨著分形概念的提出和理論體系的迭代更新， 其在證券市場(chǎng)分析、 圖像分析處理等眾多領(lǐng)域脫穎而出。 一直到Jaggard等研究人員在研究電磁波和分形表面相互作用時(shí)， 發(fā)現(xiàn)散射波中存有部分散射表面的分形特征后， 分形法才打開了在雷達(dá)信號(hào)處理方向的應(yīng)用之門。 1993年， Morrison首次采用分形法對(duì)海雜波分形維進(jìn)行估計(jì)， 隨后圍繞單一分形開展了眾多研究。 2000年， 杜干在其博士論文中完成了海雜波多重分形分析， 并據(jù)此提出了海面目標(biāo)檢測(cè)方法； 在此基礎(chǔ)上， Gao深入分析了海雜波的多重分形的特性并建立了對(duì)應(yīng)模型［7-11］。

粗糙海面電磁散射特性仿真主要由解析近似和數(shù)值計(jì)算兩類方法， 具體而言， 前者主要有微擾法［12］ 、 KA近似-半確定面元法［13］ 、 小斜率近似法［14-15］ 、 基爾霍夫近似法［16-17］ 等； 后者主要有時(shí)域有限差分法、 有限元法、 矩量法等。 數(shù)值計(jì)算方法計(jì)算大尺度粗糙海面計(jì)算效率低下， 不適用于引信海面回波計(jì)算。

微擾法是基于瑞利假設(shè)建立起來的， 該方法首先通過求解邊界條件得到遠(yuǎn)場(chǎng)傳輸?shù)奈粗穹?再將未知振幅進(jìn)行平面波疊加得到散射場(chǎng)。 微擾法雖然可以求解大入射角下的散射， 但受瑞利誤差的固有影響， 其只能用于計(jì)算表面起伏強(qiáng)度小于入射波長(zhǎng)的情況。 KA近似-半確定面元法在描述海面時(shí)， 采用的是雙尺度粗糙模型， 即小毛細(xì)波疊加在大尺度重力波上， 一系列頻率連續(xù)的小尺度正弦波成分疊加在一起成為毛細(xì)波， 采用KA結(jié)合半確定面元的方法計(jì)算海面散射回波， 能夠得到較精確的結(jié)果。 小斜率近似法， 以級(jí)數(shù)展開為基礎(chǔ)， 用一系列的級(jí)數(shù)展開與疊加得到粗糙表面的斜率， 適用于較小均方根斜率的隨機(jī)粗糙海面。 基爾霍夫近似法是一種經(jīng)典的高頻方法， 該方法實(shí)際上是基于物理光學(xué)近似法。

基于隨機(jī)介質(zhì)中的電磁散射理論、 隨機(jī)粗糙面與目標(biāo)的復(fù)合散射機(jī)理， 利用互易性原理、 迭代策略、 射線尋跡思想、 電磁場(chǎng)計(jì)算的近似方法、 數(shù)值方法、 混合方法以及相關(guān)并行技術(shù)， 建立實(shí)際海洋環(huán)境與典型軍事目標(biāo)復(fù)合電磁散射理論模型， 獲取實(shí)際海洋環(huán)境中軍事目標(biāo)的后向RCS、 時(shí)域回波、 多普勒譜等雷達(dá)特征信號(hào)。

建模方法如下：

（1） 基于現(xiàn)有的海譜模型（PM譜、 JONSWAP譜、 Elfouhail譜等）， 采用線性濾波方法結(jié)合試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)建立不同海況下實(shí)際動(dòng)態(tài)海面的幾何模型； 同時(shí)， 建立大尺度重力波上由小尺度毛細(xì)波調(diào)制的雙尺度海洋表面模型。 根據(jù)波浪破碎概率和白冠覆蓋率， 將Longtank模型和卷浪模型與動(dòng)態(tài)海面模型進(jìn)行疊加， 得到高海情下考慮波浪破碎現(xiàn)象的復(fù)雜海面模型。 建立實(shí)際色散海水的雙Debye介電參數(shù)模型； 對(duì)于具有一定碎波覆蓋率的海面， 基于氣泡或水滴的密度、 粒子譜分布、 覆蓋率， 獲取體積比以及粒子有效介電常數(shù)， 結(jié)合Maxwell-Garnett混合介質(zhì)模型等效介質(zhì)理論， 獲得含白浪和碎波區(qū)域海面的等效介電參數(shù)模型。

（2） 對(duì)于1～2級(jí)低海情， 海面高度起伏遠(yuǎn)小于入射波長(zhǎng)， 采用微擾法（SPM）研究微起伏海面的電磁散射特性； 3級(jí)中等海情， 不存在破碎波情況下， 利用錐形波修正基爾霍夫近似（KA）和一階小斜率近似（SSA-1）方法研究海面電磁散射； 采用高階微擾法、 高階基爾霍夫近似、 SSA-II研究高海情下海面的電磁散射問題， 重點(diǎn)考慮遮擋效應(yīng)和多重散射效應(yīng)對(duì)海面電磁散射的影響。

（3） 首先結(jié)合物理繞射（PTD）與改進(jìn)等效電流近似（MECA）， 完成目標(biāo)散射場(chǎng)計(jì)算； 再利用雙尺度面元模型對(duì)大尺寸海面電磁散射場(chǎng)進(jìn)行預(yù)估； 接著， 基于反射系數(shù)修正法及四路徑鏡向等效思想， 對(duì)粗糙面上每個(gè)鏡向反射單元的復(fù)反射系數(shù)進(jìn)行計(jì)算， 得到四路徑復(fù)合散射預(yù)估方法； 最后， 對(duì)目標(biāo)和海面的復(fù)合散射回波進(jìn)行模擬。

對(duì)于目標(biāo)與海面的復(fù)合散射， 目標(biāo)散射場(chǎng)由四種路徑的散射場(chǎng)構(gòu)成： ①目標(biāo)本身對(duì)入射波產(chǎn)生的散射； ②海面對(duì)目標(biāo)散射場(chǎng)的二次反射產(chǎn)生的場(chǎng)； ③海面反射場(chǎng)經(jīng)過目標(biāo)二次散射產(chǎn)生的場(chǎng)； ④目標(biāo)散射場(chǎng)經(jīng)海面反射再次經(jīng)過目標(biāo)的散射場(chǎng)。

在這4條路徑中， 路徑①為目標(biāo)直接散射場(chǎng)， 路徑②、 ③、 ④體現(xiàn)了目標(biāo)與海面的耦合作用， 這3條路徑散射場(chǎng)的和稱為耦合場(chǎng)。 將上述四部分的散射場(chǎng)矢量疊加， 得到半空間目標(biāo)散射場(chǎng)， 再疊加海面散射場(chǎng)， 即可得到半空間復(fù)合散射的總散射場(chǎng)， 表示為

Etotal=Eplane+EPath－1+EPath-2+EPath－3+EPath－4

（4） 基于互易性定理和多路徑散射思想， 研究動(dòng)態(tài)海面與運(yùn)動(dòng)目標(biāo)之間耦合散射的物理機(jī)理， 采用雙級(jí)準(zhǔn)靜態(tài)方法建立考慮實(shí)際動(dòng)態(tài)海面與運(yùn)動(dòng)目標(biāo)復(fù)合模型的后向電磁散射回波信號(hào)， 分析不同海況、 目標(biāo)參數(shù)下復(fù)合散射Doppler、 耦合散射Doppler的變化規(guī)律。

2回波特性試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1對(duì)海面的低空掛飛近距回波特性試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)將無線電近距回波特性裝置通過專門研制的支架固定在飛機(jī)下方， 飛機(jī)按照設(shè)定的高度和路線掠海面飛行， 用專用工控機(jī)記錄飛行過程中對(duì)海面的無線電回波信號(hào)， 使用GPS和攝像頭輔助記錄高度和海況信息。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

試驗(yàn)時(shí)， 將GPS放置于駕駛艙內(nèi)并固定好， 保持靜止。 GPS全程記錄飛行高度、 位置、 速度信息， 與無線電回波特性測(cè)試裝置信號(hào)同時(shí)記錄作為“時(shí)間-位置”參考。

試驗(yàn)中， 載機(jī)飛行路線如圖2～3所示， 海面照片如圖4所示。

2.2對(duì)海面與目標(biāo)復(fù)合的回波特性試驗(yàn)

對(duì)海面與目標(biāo)復(fù)合的回波特性試驗(yàn)在造波池水面上進(jìn)行。 造波池水面照片如圖5所示。 模擬海浪的譜

型包括規(guī)則波和不規(guī)則波： 規(guī)則波為波高0.5 m的正弦波， 根據(jù)運(yùn)動(dòng)方向分為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則波和45°規(guī)則波（與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則波的運(yùn)動(dòng)方向相差45°）； 不規(guī)則波的波高和波長(zhǎng)不定， 最大波高0.5 m， 分為東海波和南海波。

利用造波池區(qū)域作為試驗(yàn)有效區(qū)域。 用單根細(xì)鋼絲繩在造波池的上方形成引信產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)軌道， 鋼絲繩一端在地面上生根， 另一端用吊車吊鉤吊起形成所需俯仰角度。 引信兩端加過渡段， 連接成引信運(yùn)載飛行體。 把鋼絲繩穿過引信二艙殼體和過渡段， 將引信運(yùn)載飛行體安裝在運(yùn)動(dòng)軌道上， 通過氟塑料滑塊與鋼絲繩形成摩擦運(yùn)動(dòng)。

待造波池產(chǎn)生規(guī)定的模擬海浪后， 試驗(yàn)人員在地面用牽引繩控制引信沿鋼絲繩軌道以一定速度從造波池的一端運(yùn)動(dòng)到另一端， 完成一次數(shù)據(jù)采集， 以獲取在低空條件下引信對(duì)海情的回波信號(hào)。

試驗(yàn)示意圖如圖6所示。

2.3試驗(yàn)數(shù)據(jù)

在低海情下， 獲得引信波束大入射角斜照射海面時(shí)不同彈目距離條件下的引信多普勒回波實(shí)測(cè)信號(hào)， 如圖7所示。? 引信對(duì)低海情海面大入射角斜照射時(shí)回波相對(duì)較小， 引信對(duì)目標(biāo)回波幅度受彈目距離調(diào)制作用， 圖中鼓包為目標(biāo)的多普勒回波， 回波幅度隨距離增大而減小。

3海雜波背景回波試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比

在低海情（1～2級(jí)）下， 海面回波實(shí)測(cè)結(jié)果如圖8所示， 圖8（a）為模擬海面條件下的引信回波實(shí)測(cè)結(jié)果， 圖8（b）為正弦規(guī)則波條件下的引信回波實(shí)測(cè)結(jié)果。

從圖中可以看出， 隨著引信高度的不斷降低， 海面照射區(qū)域減少， 但由于引信與海面距離接近， 所以回波幅度依然呈上升趨勢(shì)。 由于海面是不規(guī)則波， 整個(gè)高度范圍內(nèi)回波幅度會(huì)出現(xiàn)輕微震蕩， 正弦規(guī)則波具有隨高度減小而一直增大的趨勢(shì)。

引信波束垂直海面， 仿真計(jì)算不同海情引信多普勒回波幅度， 計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

導(dǎo)彈反超空目標(biāo)時(shí)采用俯沖攻擊方式， 從高到低逐漸接近海面的過程中， 回波幅度受距離、 海情和入射角的調(diào)制。 從仿真結(jié)果可以看出， 引信波束垂直海面時(shí)， 不同海情條件下引信的回波區(qū)別較大， 低級(jí)別海情的引信回波幅度比高級(jí)別海情的引信回波幅度大。 可以解釋為： 海面散射以表面鏡像散射分量為主， 電磁散射貢獻(xiàn)主要來自引信波束垂直的海面局部； 垂直入射時(shí)， 海情越高， 垂直于引信波束的海表面部分越少， 海表面的散射回波就越弱； 大入射角時(shí)， 海情越高， 垂直于波束的海表面部分越多， 海表面的散射回波就越強(qiáng)。

由低海情（1～2級(jí)）下的實(shí)測(cè)海面回波（圖8）與仿真海面回波（圖9（a）～（b））對(duì)比分析可知： 仿真回波與實(shí)測(cè)回波隨引信高度的變化趨勢(shì)一致， 隨海面高度的減小而增大， 且回波幅度基本吻合， 在距海面高度1～4 m下引信回波幅度約為5～6 Vpp， 驗(yàn)證了海背景引信回波仿真計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。

4結(jié)論

引信是空空導(dǎo)彈的重要組成部分， 空空導(dǎo)彈的低空性能主要取決于導(dǎo)彈的制導(dǎo)和引戰(zhàn)兩大系統(tǒng)， 制導(dǎo)系統(tǒng)對(duì)于抗海背景的要求是非常高的， 同樣， 引信的低空性能也是空空導(dǎo)彈超低空性能的關(guān)鍵部分。 現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中空空導(dǎo)彈的海面應(yīng)用逐步增多， 因此無線電引信的抗海背景干擾能力尤為重要， 引信抗干擾能力的提高能提升武器裝備的作戰(zhàn)能力， 對(duì)目標(biāo)實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)判斷和精確打擊。

本文通過開展對(duì)海面的低空掛飛近距回波特性試驗(yàn)， 在預(yù)定海域完成了多次“V”形的下降爬升飛行測(cè)試， 獲得完整的海面近距回波特性實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。 在造波池水面上開展對(duì)海面與目標(biāo)復(fù)合的回波特性試驗(yàn)， 模擬海浪的譜型包括規(guī)則波和不規(guī)則波， 獲得了目標(biāo)域海面復(fù)合散射回波特性數(shù)據(jù)。

研究結(jié)果表明， 不同海情條件下引信的回波區(qū)別較大， 低級(jí)別海情條件下垂直入射的波束較多， 因而低級(jí)別海情的引信回波幅度比高級(jí)別海情的引信回波幅度大。 高級(jí)別海情由于波浪起伏較大， 引信回波也出現(xiàn)了較大的震蕩。 通過與實(shí)測(cè)海面回波對(duì)比分析， 仿真引信回波與實(shí)測(cè)引信回波隨引信高度的變化趨勢(shì)一致， 驗(yàn)證了海背景引信回波仿真計(jì)算模型的準(zhǔn)確性， 可以用于引信海背景回波計(jì)算。

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Experimental Research on the Near Field Sea Background Characteristic of Radio Fuze

Tian Hao1*， Zhao Zhijiang2， Guo Yinhao3

（1.China Airborne Missile Academy， Luoyang 471009， China;

2.Military Representative Organization of the Army Aviation in Beijing， Beijing 100000， China;

3. Military Representative Organization of the Army Aviation in Luoyang Distrcit， Luoyang 471009， China）

[HT]Abstract： The low altitude performance of the fuze is the key factor for the combat effectiveness of airtoair missile at ultralow altitude. Especially， it is more necessary to evaluate the capability characteristics of the radio fuze in the nearfield sea background. Firstly， based on the rough sea surface model， the theoretical models of the electromagnetic scattering field and the composite scattering echo of sea surface targets are established by using the methods of physical optics， physical diffraction and fourchannel composite scattering prediction. Secondly， the sea background echo of the radio fuze and the composite scattering echo of the target are simulated and analyzed under different wave bands， different sea conditions and different rendezvous conditions. The sea background echo data of the radio fuze is obtained by carrying out the low altitude flying shortrange echo characteristic test on the sea surface and the compound echo characteristic test on the sea surface and the target. The comparison of the results between the tests and simulations shows that the Doppler echo amplitudes are basically consistent.

Key words： radio fuze； sea background； antiinterference； echo characteristic; sea sufrace target