箔條配比算法

蔡 蒨,張為華

(1.國防科技大學航天與材料工程學院,湖南長沙 410073; 2.中船重工集團公司第710研究所,湖北宜昌 443003)

箔條配比算法

蔡 蒨1,2,張為華1

(1.國防科技大學航天與材料工程學院,湖南長沙 410073; 2.中船重工集團公司第710研究所,湖北宜昌 443003)

箔條干擾武器采用經驗公式裝填箔條種類和數量,箔條沒有被充分利用,干擾頻段沒有被有效覆蓋,減少干擾武器效能.為解決箔條干擾武器箔條配比問題,分析箔條的物理特性,結合干擾頻段要求、反艦導彈常用的頻率點等特征,提出粗匹配和細調整相結合的箔條配比算法;根據配比算法,建立快速和有效箔條配比仿真平臺.通過實驗驗證此算法和平臺的有效性.

干擾;箔條配比;仿真模型;反艦導彈

0 引言

在第二次世界大戰期間,箔條成為一種重要的干擾材料.第四次中東戰爭中海戰證明箔條干擾在保衛艦船免遭飛航式反艦導彈襲擊方面具有優越的性能,因而世界各國的艦艇都迅速裝備各種性能優良的箔條干擾設備.箔條干擾是由投放在空中的、大量隨機分布的、金屬散射體產生的散射波對雷達造成的干擾.箔條通常由金屬箔切成的條、鍍金屬的介質或直接由金屬絲等制成.隨著箔條材料及工藝的進步,投放設備和方法的完善,與1945年相比,現在1 kg箔條所達到的雷達截面增大10倍.大量使用的箔條的長度半波長金屬絲是從天線技術中的對稱半波偶極振子引用過來的.半波偶極子對電磁波諧振散射最強,同時其材料也最省.文獻[1-4]研究箔條對反艦導彈干擾效果的仿真模型,文獻[5-6]研究雷達箔條雜波的仿真,文獻[7]搭建箔條干擾的仿真環境,可以對末制導雷達工作流程進行仿真.文獻[8-11]介紹常用的主要干擾方式,如沖淡式、質心式和箔條幕干擾等.

根據箔條物理特點,采取自動尋找匹配頻點和手動調整相結合的箔條配比算法,節省箔條配比時間,提高不同長度箔條的使用效能,采用相對質量最少的箔條得到優化的箔條配比結果.

1 箔條特性及干擾分析

箔條自身的物理特性直接影響其干擾效果.箔條半波長輻射效率的影響因素包括箔條長度選取條件、箔條的極化特性和箔條的雷達截面特性.

1.1 輻射效率

箔條作為再輻射的偶極天線,其輻射效率ηA為

式中:PΩ為熱損耗功率;Pr為輻射功率;RΩ為熱損耗電阻;Rr為輻射電阻;IAm為天線上駐波波腹處的電流振幅.

由式(1)知:天線的輻射效率與熱損耗電阻和輻射電阻的比值成反比.當輻射電阻為定值時,應盡量減少熱損耗電阻,以提高天線的輻射效率.一般采用導電性能良好的金屬作為箔條的導電層和降低表面粗糙度的方法減少熱損耗電阻,提高箔條的有效利用率.

在仿真平臺中,將輻射效率的影響概率歸集到箔條的利用率中.

1.2 箔條長度

箔條云由一根根箔條構成,單根箔條的性能影響整個箔條云的干擾效果.當箔條使雷達頻率處于諧振狀態時,能夠達到最好的干擾效果.諧振狀態與箔條直徑和長度有關,因此在頻率、箔條直徑一定的情況下,只需要計算箔條長度.

箔條長度L[12]為

式中:d為箔條直徑;λ為波長;[·]為縮短系數.

箔條諧振長度取決于工作頻率和直徑,首先確定工作波長,選擇箔條直徑;然后計算其諧振長度(箔條長度).

箔條半徑 a的取值范圍[12]為

式(3)可作為選取箔條半徑的判別式,但是半徑一般從箔條生產廠家提供的參數選取得到.

在實際應用過程中,在滿足箔條直、表面光滑、強度和剛度的情況下,應盡量減少箔條半徑,以增加箔條的裝填量,擴大箔條的布放面積,得到更大的雷達反射截面積.

在仿真平臺中有3種箔條半徑,箔條長度根據式(2)計算得到.

1.3 雷達截面特性

半波長箔條雷達截面取決于入射波方向的相對指向,也取決于接收散射信號的方法[13].當探測方向確定后,箔條雷達截面是角度的函數[14].單一箔條在第一諧振點處的雷達截面可表示為3種情況.

(1)隨機取向箔條.如果代表在所有箔條取向上平均箔條雷達截面,則

式中:f為頻率.

(2)水平取向箔條.如果σ∥代表水平箔條在水平面內所有可能的箔條取向上平均雷達截面,如同被水平極化雷達所看到,則

(3)垂直取向箔條.如果σ⊥代表垂直取向箔條雷達截面,如同被垂直極化雷達在箔條的同樣高度所看到,則

在仿真平臺中,單根箔條的反射系數根據文獻[6]提供的數據得到.

2 箔條配比算法

2.1 粗匹配算法

粗匹配算法主要包括箔條種類個數選取、每種箔條數量預估和箔條頻點預估.粗匹配算法步驟:

(1)確定配比頻點數,設干擾頻段為[f1,f2],中心頻率為 f0=(f2+f1)/2,頻帶寬度為Δf=f2-f1,帶寬與中心頻率比值為,則所需箔條種類數量為;其中,Δff為頻點處的平均帶寬,一般取為15%～20%,表示取整.

(2)分析干擾頻段范圍,判斷此區域內是否含有目前導彈常用的末制導波段(10,15,35 GHz等),如果含有,則將其設定為一個配比頻點.

(3)在干擾區域兩端選擇2個頻點,如果其與步驟(2)中選擇的頻點重復,則去掉1個重復頻點.

(4)計算所選取的頻點數 N(N≤N′(N′為允許的最多頻點數)),相對規定指標所需的箔條數 Mj(j=1,2,…,N)為

式中:VRCS為規定的RCS(雷達反射截面積)值;p1為損失系數;p2為擴散率.在粗選階段認為每種箔條的擴散率相同.

(5)根據每種箔條的長度 lj(j=1,2,…,N),測試波長λi(i=1,2,…,M)和箔條的直徑 dj(j=1,2,…,N),得到系數 K(lj/λi,A)(根據圖1查得,A=lj/dj,當 L/λ>1.40 時,統一取歸一化的σ/λ2為 0.01),由計算每種箔條對應不同頻點處的RCS值.

(6)求取已有箔條對應的 RCS累加值,得到不同頻點處RCS累加值.

(7)計算迭代圖的凹點,并將凹點設置為新的頻點,返回步驟(5)計算取凹點,直到頻點數滿足 N為止.

圖1 偶極子歸一化的雷達截面積σ/λ2與L/λ的關系曲線

2.2 細匹配算法

細匹配算法是在粗匹配的基礎上,根據箔條長短不同設置不同的擴散率.根據RCS累加值擬合曲線調整頻點位置和箔條數量,達到使箔條曲線盡量平整(即波峰和波谷差盡量小),使用箔條質量盡量小.此過程屬于人工調整過程.

3 仿真平臺

粗匹配部分包括:

(1)指標參數輸入區,包括厘米波沖淡、質心指標輸入,毫米波沖淡、質心輸入和預度輸入;

(2)多路徑效應選擇區,選擇是否考慮多路徑效應;

(3)厘米波頻率設定區,設定干擾頻段范圍;

(4)毫米波頻段設定區,設定干擾頻段范圍;

(5)配比需求條件輸入區,設定箔條利用率和擴散率;

(6)箔條直徑選擇區,設定箔條選擇不同直徑的長度范圍.

精確調整部分包括:

(1)頻點設置,調整粗匹配的頻點;

(2)箔條數量設置,調整箔條數量;

(3)箔條長度設置,調整箔條長度;

(4)箔條擴散率設置,根據實際情況調整每種箔條的擴散率;

(5)質量計算,計算每種箔條所需的質量.

在仿真平臺框架的右下角可以顯示粗匹配和精確調整時所需箔條的總質量.

4 實驗

通過實驗驗證仿真平臺的有效性.設干擾頻段為10～22 GHz和50 GHz,指標均為RCS(3 000 m2).粗匹配部分各種箔條的擴散率相等,2倍箔條長度大于40時采用粗波條,2倍箔條長度小于25時采用細箔條,其他采用細箔條.在實驗中不考慮多路徑效應.

根據粗匹配算法,計算得到5種箔條能較好地滿足匹配要求(見圖2).紅色‘＊’表示所選頻點,黑色‘＊’表示干擾頻段端點;縱坐標表示RCS值,綠色曲線表示疊加后曲線,藍色曲線表示種箔條在此干擾頻段內產生的RCS值,綠色直線為指標要求值.

由圖2可知,在10～22 GHz內雖然頻點處RCS值滿足指標要求,但是在整個干擾頻段內存在凹點,遠小于指標值,50 GHz處RCS值小于指標,且波峰和波谷的差值也相對較大,需要進行精確調整.

5種箔條精確調整匹配結果見圖3.由圖3可知:調整后的箔條波峰谷差更小,匹配整個RCS曲線滿足指標要求,質量增加0.066 8 kg.

圖2 5種箔條粗匹配結果

圖3 5種箔條精確調整匹配結果

在箔條的實際配比計算中,根據配比需求,有時需要減少箔條的種類或減輕箔條的質量或得到相對較平滑的RCS擬合曲線,不斷調整箔條配比所需的種類和數量.采用6種箔條精確調整匹配結果見圖4,其中箔條質量為10.653 kg,需要的箔條質量小于圖2和圖3配比需求.由圖4可知,箔條種類增加一種,峰谷差減少,使用的箔條質量減輕.

采用4種箔條精確調整匹配結果見圖5,其中箔條質量為10.729 kg.由圖5可知,4種箔條滿足配比要求,但是波峰谷差增大,箔條質量增加.

圖4 6種箔條精確調整匹配結果

圖5 4種箔條精確調整匹配結果

由實驗結果可知:(1)根據粗配比方法可以得到箔條較好配比所需的箔條種類數、數量和所需箔條的質量;(2)增加箔條種類可以使配比曲線更加平滑,有效減少波峰谷差,但會增加箔條的質量;(3)較小箔條數量使得配比曲線變得更加陡峭,增加波峰谷差,同時增加箔條的質量;(4)工程上主要是在箔條質量、種類和配比曲線的平滑度之間協調,尋找優化配比結果.

5 結束語

分析箔條半波長輻射效率的影響因素、長度選取條件、極化特性和雷達截面特性,以及每種特性在箔條配比中的作用,給出粗匹配和細匹配相結合的箔條配比算法,建立配比仿真平臺,驗證配比算法的有效性.

[1]熊宇虹,張維平,張學斌.無源質心干擾反艦導彈模型研究[J].電子對抗技術,1997,5(2):11-16.

[2]劉慶普.反艦導彈抗箔條干擾擴頻雷達導引頭技術性能討論[J].彈箭與制導學報,1995,2(1):36-42.

[3]祖康,高東華.箔條幕干擾對抗特殊制導體制反艦導彈的決策仿真研究[J].情報指揮控制系統與仿真技術,2003,187(7):58-61.

[4]徐敬,于小娟.艦船箔條質心干擾仿真研究[J].艦船電子對抗,2001,2(1):10-17.

[5]Winchester T A.Pulsed radar return from a chaff cloud[J].IEE Proceedings-F,1992,192(4):315-320.

[6]湯廣富,陳遠征,趙洪鐘,等.箔條云雷達回波的一種仿真方法[J].光電技術應用,2005,20(4):59-62.

[7]吉中智,湯俊.反艦導彈主動式雷達導引頭對抗仿真研究[D].北京:清華大學,2008.

[8]邱杰,黃盛霖.毫米波反艦導彈末制導雷達對質心式箔條干擾的挑戰[J].電子對抗,1997(1):14-21.

[9]王雨虹.對單艦沖淡干擾的思考[J].艦船電子工程,2001(6):66-68.

[10]徐敬子,小娟.艦船箔條質心干擾仿真研究[J].艦船電子對抗,2001(2):10-12,17.

[11]高東華,田萬頃,徐慶豐.箔條幕防御反艦導彈的原理論證與作戰仿真研究[J].兵工學報,2005,26(3):418-422.

[12]陳靜.雷達箔條干擾原理[M].北京:國防工業出版社,2007.

[13]阿特拉熱夫.對無線電電子設備的偵察與干擾[M].《對無線電電子設備的偵察與干擾》翻譯組,譯.北京:國防工業出版社,1978:87-90.

[14]M itchell P K,Sho rt R H.Chaff:Basic characteristics and app lications detailed[J].International Countermeasures Handbook,1980-1981:316-324.

Chaff match algorithm/2011,35(2):99-103

CA IQian1,2,ZHANGWei-hua1
(1.College of Aerospace and M aterials Engineering,N ationa l University of Defense Technology,Changsha,H unan 410073,China;2.710 Research Institute,China Shipbuilding Corporation,Yichang,H ubei 443003,China)

Chaff,as the main interference materials fo r the radar-guided anti-ship m issiles,has been w idely used,but the quantities and types of the chaff are filled in the chaff jamming weapon using the experienced fo rmula.The chaff has not been fully used.The jamm ing frequency is not covered.The efficiency of the weapon has been reduced.The chaff match is the key technology in the chaff jamming weapon.For solving the p roblem of the chaff match in the chaff jamming weapon,thematch method using the rough match and meticulous adjusting is p roposed based on the physical features of the chaff,jamming frequency range and the usual f requency dotsof the anti-ship missiles.And the fast,valid simulation model of the chaff match is built.The validity of themodel and themodel itself are tested acco rding to the experiments.

jamm ing;chaff match;sim ulation model;anti-ship missile

TN 972

A

1000-1891(2011)02-0099-05

2010-09-10;審稿人:葉秀芬;編輯:任志平

蔡 蒨(1971-),男,博士生,研究員,主要從事無源光電對抗方面的研究.