非等密度箔條走廊及其干擾效果的改善

王洪迅,葉廣強,王紅衛,喬慶剛

(1.空軍工程大學 工程學院,西安 710038,2.陸軍航空兵學院,北京 101123)

1 引 言

在大機群對預定目標進行突防攻擊時,常采用箔條走廊掩護攻擊機群。由于箔條走廊制造簡單、成本低、使用方便、通用性強,因此目前仍然是突防的重要掩護手段之一。

目前許多文獻對箔條干擾走廊的應用、提高其干擾效能進行了分析。文獻[1-2]解釋了箔條對雷達的干擾原理;文獻[3]研究了大氣環境下箔條機械運動特性;文獻[4]介紹干擾走廊的一般原理與設計方法;文獻[5-8]從各種環境,針對不同類型雷達討論了干擾走廊的戰術應用及效果;文獻[9-14]從干擾走廊對電磁波進行衰減的角度展開,分析了箔條干擾走廊對各種雷達的干擾效能。但是這些文獻在對箔條走廊的研究中,均存在一個相同的假設條件,即箔條走廊處處均勻,也就是箔條走廊的箔條密度處處相同。

但考慮到實際戰術應用情況,多數條件下雷達電磁波對于箔條干擾走廊是傾斜照射的。在前述假設條件下,會對箔條干擾走廊的干擾效果造成顯著的影響。本文從雷達電磁波傾斜照射這一實際條件出發,修正了箔條干擾走廊對電磁波的作用模型。

2 傳統箔條走廊分析

如圖1所示,為了掩護攻擊飛機T,將大量具有一定長度和頻率響應特性的箔條拋灑在空中形成箔條走廊,從而遮蔽雷達R對T的探測。可以看出,雷達電磁波對于箔條干擾走廊是傾斜照射的。

圖1 普通箔條走廊干擾示意圖Fig.1 Common chaff corridor jamming sketch

對雷達而言,鋪設箔條走廊后,傳統上其接收信號有兩種:一種是目標直接回波PRTR,即目標直接反射雷達波所形成的回波信號,與目標特性有關;另外一種是箔條直接回波PRCR,即箔條直接反射所形成的回波信號,與箔條特性有關。

由文獻[1-2]可知,雷達接收的目標直接回波的功率為

箔條直接回波的功率為

定義壓制系數為 kCT=PRCR/PRTR,式(1)和式(2)代入并化簡可得:

通常認為 RRT≈RRC,因此:

式中,PR為雷達輻射功率,GR為發射天線增益,σT為目標截面積,RRT為目標 T到雷達R的距離,RRC為箔條到雷達的距離;σC、σT分別為箔條、目標有效反射面積,hc為箔條走廊厚度,n為箔條走廊箔條密度。

3 雷達傾斜入射的影響

由于雷達電磁波傾斜入射,會對箔條云的兩個參數產生影響,一個是箔條有效反射面積σC,另外一個是箔條云對雷達電磁波的衰減參數e-2n(0.17λ2)hc。

3.1 對箔條有效反射面積的影響

箔條有效反射面積 σC一般定義為雷達分辨單元內箔條數量,雷達分辨單元一般與雷達波束方位角 、俯仰角 φ、距離 R、脈沖寬度 WPW四個因素有關。由于雷達傾斜入射,雷達到箔條走廊不同位置的距離不同,因此箔條走廊上不同位置的有效反射面積 σC也不盡相同。通常地面雷達脈寬WPW數值相對較大,約為數十至幾百微秒,對應距離為數公里或數十公里,因此本文仿真中暫不考慮雷達波束的縱向距離分辨的限制。

如圖2所示,設雷達坐標為(L,0),其波束正對目標,其波束俯仰角為θ,箔條走廊從左至右,其入端(遠離雷達端)坐標為(0,0),出端(靠近雷達端)坐標為(x,0),箔條走廊底層高度為H,厚度為hc,目標坐標為(xT,yT)。

圖2 箔條走廊干擾幾何關系Fig.2 Geometry in chaff corridor

根據幾何關系可得:

解之可得:

3.2 對箔條走廊衰減參數的影響

箔條走廊衰減參數為e-2n(0.17λ2)hc,這個結果實際上是在雷達電磁波垂直照射情況下的分析結果。當雷達電磁波為傾斜入射,雷達電磁波所經途徑實際上并非干擾走廊的厚度,而是斜徑l(見圖2)。根據幾何關系,所經過的斜徑長度為:l=hc/sinθ。因此該衰減參數應修正為

4 公式修正與仿真

4.1 壓制系數修正

綜上所述,考慮雷達傾斜照射的情況下,壓制系數應修正為

為便于分析,將壓制系數歸一化,采用相對壓制系數。以箔條干擾走廊入端(遠離雷達端)為參照,定義箔條走廊入端壓制系數為

定義歸一化的相對壓制系數為

解之可得:

考慮到sinθ=H/RRC,并且只考慮箔條走廊的影響 ,σT≈σT0,則 :

4.2 等密度箔條走廊壓制效果

假設距雷達橫坐標L=100 km,從原點上方H=6 km處開始布設箔條走廊,對雷達進行壓制干擾。當箔條走廊處處密度相等時,仿真圖形如圖3和圖4所示。其中圖3為歸一化壓制系數量值隨干擾走廊位置的變化,圖4為歸一化壓制系數按dB計算的結果。

圖3 歸一化壓制系數量值變化示意圖Fig.3 Unitary blanket index linear curve

圖4 歸一化壓制系數指數變化示意圖Fig.4 Unitary blanket index exponential curve

顯然,在干擾走廊處處等密度的前提下,隨著箔條走廊向雷達的逼近,其歸一化壓制系數越來越小,仿真中當箔條走廊鋪設經過雷達上方時,其歸一化壓制系數按dB計算降至-26.66 dB。也就是說,箔條走廊距離雷達越近的地方,歸一化壓制系數越小,壓制效果就越差。因此在鋪設等密度箔條走廊時,若按靠近雷達最近的位置計算所需箔條數量,將造成箔條的極大浪費;而若按距離雷達最遠的位置計算所需箔條數量,將可能達不到所需的壓制效果。

4.3 一種非等密度箔條走廊壓制效果

若要維持箔條走廊壓制效果,需要維持整個走廊的壓制系數基本不變,因此需要改變箔條走廊的厚度或者密度。一般情況下鋪設箔條走廊的載機勻速飛行,改變走廊密度較為容易實現。

為了找出影響壓制效果的主要因素,仍然假設箔條走廊處處等密度,長度為80 km,計算公式(13)及其中的平方項k1和指數項k2,結果如圖5所示。

圖5 相對壓制系數的量值變化Fig.5 Blanket index′s relative factor curves

圖5中從上到下3條曲線分別為k2、k1、 k的變化情況。從圖中可以看出,對歸一化壓制系數影響最大的是平方項,因此若令箔條密度的變化為平方項的倒數將可能使歸一化壓制系數有較大的改善。根據幾何關系可知:

在題設條件下,箔條相對密度變化曲線如圖6所示。

圖6 改進的箔條密度變化曲線Fig.6 Chaff density′s curve of upgrade

按公式(14)控制箔條密度所形成的箔條走廊,其歸一化壓制系數如圖7所示,可見整個箔條干擾走廊雖然各處的歸一化壓制系數仍然不同,但是其量值相對變化僅僅從1變化到1.25,而且是距離雷達越近,其壓制效果也越好,比較圖3而言有很大改善。

圖7 改進箔條走廊歸一化壓制系數量值Fig.7 Unitary blanket index curve of upgrade

5 結束語

影響箔條走廊壓制效果的因素很多,如天氣、風速、雷達頻率特性、布陣情況等,箔條走廊布設時需要對這些因素綜合考量。本文從理論上指出密度對箔條走廊壓制效果有很大的影響,傳統的走廊布設方式會使得干擾走廊距離雷達越近,壓制效果越差。通過改變箔條密度,并找到一個箔條密度變化曲線,可以達到既不浪費箔條又可維持箔條走廊壓制效果的目的。對于從雷達旁側鋪設箔條走廊進行遮蔽干擾的情況也可進行類似分析,進而得出類似結果。對多部雷達進行壓制干擾時,需要針對雷達的頻段、位置、威力區域等,對相應頻段箔條的密度按照上述方式區別分析。

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