舰艇投掷式干扰对抗单脉冲雷达末制导技术研究*

杨文进 厉春生 李仙茂 林 桐

(1.海军驻北京作战系统军事代表室 北京 100081)(2.海军蚌埠士官学校 蚌埠 233012) (3.海军工程大学 武汉 430033)(4.海军航空兵学院 葫芦岛 125001)

舰艇投掷式干扰对抗单脉冲雷达末制导技术研究*

杨文进1厉春生2李仙茂3林 桐4

(1.海军驻北京作战系统军事代表室 北京 100081)(2.海军蚌埠士官学校 蚌埠 233012) (3.海军工程大学 武汉 430033)(4.海军航空兵学院 葫芦岛 125001)

由于现代导弹大量采用单脉冲末制导雷达,使得传统的舰载有源角度欺骗干扰完全失去干扰效果。针对其特点,论文研究采用投掷式有源干扰诱饵对其实施干扰,从理论上证明采用这种干扰对抗单脉冲导弹可以有效保护已方舰艇,同时,也通过仿真计算证实它的有效性,并总结出了使用此干扰时的限制条件和正确的使用方法。

单脉冲; 末制导; 投掷式干扰; 舰艇反导

Class Number TN972

1 引言

现代导弹的末制导雷达也不断采用新体制,以提高其抗干扰能力,单脉冲就是末制导雷达常采用的一种抗干扰体制,它使得传统的舰载有源角度欺骗等自卫干扰完全失去干扰效果。舰艇方为了对抗单脉冲末制导导弹,必须研究采用新的干扰体制和技术[1～2]。本文拟采用投掷式有源干扰诱饵实现对此种导弹的干扰,即将干扰机装载火箭上[3],在垂直于导弹来袭方向,将火箭干扰机快速发射到离舰艇几百米处,小艇与舰艇间仍保持无线通信,通过无线通信控制火箭干扰机迅速启动并将天线指向导弹实施有源干扰[4～7]。而舰艇本身不实施干扰,只是适当调整舰艏指向,以减小舰艇的雷达截面积。

2 单脉冲末制导雷达原理及特点

单脉冲末制导雷达就水平方向而言,是在一个角平面内,同时,发射两个相同的波束,使其部分重叠,其交叠方向的中心即为等信号轴。将这两个波束同时接收到的回波信号进行比较,就可取得目标在这个平面上的角误差信号,然后将此误差电压放大变换后加到驱动电动机,控制天线向减小误差的方向运动。因为两个波束同时接收回波,故单脉冲测角获得目标角误差信息的时间可以很短,理论上讲,只要分析一个回波脉冲就可以确定角误差,所以叫“单脉冲”。它的角度测量是不依赖于信号幅度关于时间的变化,所以,无法采用幅度关于时间调制的方法对它实施角度欺骗。同时,单脉冲可以获得比圆锥扫描高得多的测角精度,故末制导雷达常采用它。单脉冲角跟踪技术种类很多。利用目标幅度信息进行角跟踪的系统称为振幅法角跟踪系统,利用相位信息进行角跟踪的系统称为相位法角跟踪系统,此外还有综合角跟踪系统等。无论是振幅法还是相位法提取角误差信息都要两个或两个以上的天线才能实现。下面以最常用的振幅和差单脉冲技术为例来研究对其干扰的方法。同样,由于方位和仰角跟踪为两套相同的系统,因此,我们仅讨论其中一个系统[8]。

图1是单平面振幅和差单脉冲系统的波束示意图。图1(a)表示天线1和天线2方向图。由图1可见天线1与天线2的方向图最大点距等信号轴的偏角等于θ0和-θ0,其方向图为

F1(θ)=F(θ0-θ)

F2(θ)=F(θ0+θ)

若空间目标瞄准轴偏角为θ,回波信号为

E=Emejωt

则天线1和天线2输出的信号为

E1=EmF(θ0-θ)ejωt

E2=EmF(θ0+θ)ejωt

天线的输出信号加到和差信号形成网络。在图2中和差信号形成网络用圆圈表示,它有两路输出,其中一路为两波束输出信号之和EΣ,另一路为两波束输出之差EΔ。

EΣ=E1+E2=Em[F(θ0-θ)+F(θ0+θ)]·ejωt

EΔ=E1-E2=Em[F(θ0-θ)-F(θ0+θ)]·ejωt

以上两式为单脉冲角跟踪系统的“和波束”、“差波束”的表达式,其形状如图1(b)、1(c)所示。

(a)两馈源形成的波束；(b)和波束；(c)差波束图1 振幅和差式单脉冲雷达波束图

设和、差两通道特性相同,即具有相同的相移及放大倍数,则中放输出信号

μΣ=K0Em[F(θ0-θ)+F(θ0+θ)]ejωIFt

μΔ=K0Em[F(θ0-θ)-F(θ0+θ)]ejωIFt

式中K0为中放放大量,ωIF为中频频率。

图2 振幅和差单脉冲系统的工作原理框图

中放输出的和、差信号加到相位检波器的输出端,相位检波器完成对和、差相乘并求平均运算,相检器输出为

*[F(θ0-θ)-F(θ0+θ)]

在θ很小时,上式中的F(θ0±θ)可以近似表示为

F(θ0±θ)≈F(θ0)(1∓μθ)

经过上述运算后得到

μpd=Kpdμθ

μpd的作用是产生一个力矩,使天线瞄准轴向着目标方向运动,最后,误差信号为零,到达稳定平衡状态[8]。

3 投掷式干扰对抗单脉冲末制导雷达的工作原理

由上面所介绍的单脉冲角跟踪系统的角误差信息提取方法可见,单脉冲角跟踪技术能从一个脉冲信号上获取角度误差信息,因而任何单点幅度调制干扰都不能对单脉冲角跟踪系统起干扰作用。下面讨论一种对单脉冲角跟踪系统干扰的有效的方法——投掷式干扰。

此处,投掷式干扰即是将干扰机装载在干扰火箭上,在垂直于导弹来袭方向,将干扰火箭快速发射到离舰艇几百米处,干扰火箭弹通过某种方式悬停在空中,干扰火箭与舰艇间仍保持无线通信,通过无线通信控制干扰机迅速展开并指向导弹实施有源干扰。

设干扰源O1(干扰诱饵),目标和O2(舰艇)相对于单脉冲天线瞄准轴线的角度分别θ1,θ2,干扰源O1、O2的角距离为Δθ,如图3、图4所示。

图3 干扰诱和目标布置图

图4 两点源方向的几何位置

干扰源O1辐射的干扰信号为

μ1=U1cosω1t

Rj为干扰到导弹的距离,Pj为干扰的功率,Gj为干扰的天线增益。

μ2=Em[F(θ0+θ2)+F(θ0-θ2)]·ejωt

Rt为舰艇到导弹的距离,Pt为末制导雷达的单波束功率,σ为舰艇的雷达截面积。则天线1接收的信号μa1,天线2接收的信号μa2分别为

μa1=U1[F(θ0-θ1)]cosω1t+Em[F(θ0+θ2)

+F(θ0-θ2)]F(θ0+θ2)cosωt

μa2=U1[F(θ0+θ1)]cosω1t+Em[F(θ0+θ2)

+F(θ0-θ2)]·F(θ0-θ2)cosωt

和信号、差信号分别为

μΣ=μa1+μa2

μΔ=μa1-μa2

μΔ=U1[F(θ0-θ1)-F(θ0+θ1)]cosω1t

+Em[F2(θ0+θ2)-F2(θ0-θ2)]cosωt

和差信号经过变频、中放(包括AGC控制),相位检波后,得到的角误差输出信号为[9]

μpd=Kpd{β[F(θ0-θ1)-F(θ0+θ1)]

+[F2(θ0+θ2)-F2(θ0-θ2)]}

(1)

式中Kpd是与和差支路放大倍数、相位检波器传输系数、U1、Em等有关的常量,β为干扰信号与目标回波信号幅度之比

当θ1,θ2较小时,天线方向图可用近似表示

F(θ0±θ)≈F(θ0)(1∓|F′(θ0)|θ)

将天线方向图近似表示式代入式(1),得

μpd=Kpd|F′(θ0)|(4θ2-2βθ1)

单脉冲角跟踪系统稳定时,可得末制导雷达指向偏离舰艇的角度为

上式说明,在采用投掷式干扰有源干扰时,当β>2,则天线瞄准轴将偏向干扰源O1(干扰诱饵小船)。此时能较好地保护舰艇,避免被导弹击中。

4 投掷式干扰的对抗效果仿真及分析

对我方干扰诱饵火箭可采用无线控制的方式,使干扰诱饵始终受控于舰船,保持正确方式的工作,确保能对导弹实施有效的干扰。设导弹到目标和干扰机的距离都为R=8km；导弹末制导雷达的参数为:Pt=50kw,Gt=30dB,单个波束宽度θ0.5=2°,两个波束的夹角Δθ=1.6°；舰艇雷达截面积σ=4000m2[10～13]。

如图5,由仿真的结果可知,干扰机的功率为几瓦时,雷达跟踪轴指向在干扰机与舰艇之间,当干扰机的逐渐增大,则功率雷达跟踪轴指向逐渐偏向干扰机,达到100W之后,雷达跟踪轴指向基本不变,基本指向干扰机。此例可见,当干扰机的功率大于几瓦,就可以达到保护舰艇安全的效果。

图5 干扰机功率与雷达指向角的关系(条件:Pj=20w)

当采用适当的干扰功率,且不变时,末制导雷达指向偏离舰艇的距离与干扰机到舰艇的距离有关,如图6所示。干扰机到舰艇的距离在一定范围内(如本例中约为0m～600m或0°～3.9°)时,末制导雷达指向偏离舰艇的距离与干扰机到舰艇的距离接近成正比关系,当超过这个范围后,干扰机与舰艇不能同处于单脉冲雷达的和波束内,此时,干扰无效,末制导雷达仍然指向舰艇或出现随机的不稳定指向。

图6 干扰机与舰艇的距离与雷达指向角的关系

5 结语

导弹末制导越来越多地采用单脉冲角跟踪技术。因此,舰艇针对单脉冲末制导导弹的对抗技术很需要我们去研究,本文从理论上证明了采用投掷式有源干扰诱饵,对单脉冲导弹进行干扰对抗可以有效保护已方舰艇。同时,推导得到了简化的计算的公式,方便于工程应用。同时,通过例子证明工程实现的可行性。

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Technology of Warship Expendable Jamming for Terminal Guidance Monopulse Radar

YANG Wenjin1LI Chunsheng2LI Xianmao3LIN Tong4

(1. The Military Representative Office of Battle System in Beijing, Beijing 100081) (2. Navy Petty Officer School in Bengbu, Bengbu 233012)(3. Naval University of Engineering, Wuhan 430033) (4. The Naval Fly Academy, Huludao 125001)

Because monopulse terminal guidance radar have been large-scale adopted to modern missile, making traditional shipboard active deception interference entirely lost jamming effect. Aiming at its characteristics, this paper uses expendable active bait to jam it, the paper proved theoretically which can effectively protect our warship to use the jamming to countermeasure the missile. At the same time, its validity is proved by simulating calculation, then summarized limit condition and correct methods for using the jamming.

monopulse, terminal guidance, expendable jamming, vessel anti-missile

2014年5月18日,

2014年6月20日 作者简介:杨文进,男,硕士,工程师,研究方向:电子信息装备监造。厉春生,男,讲师,研究方向:电子装备实验。李仙茂,男,博士研究生,高级工程师,研究方向:雷达有源干扰、电磁频谱管理。林桐,男,硕士,工程师,研究方向:电子装备管理、军事情报体系。

TN972

10.3969/j.issn1672-9730.2014.11.020