箔條干擾及機載多普勒雷達箔條干擾回波特性分析研究

李云鵬，崔 偉，駱魯秦

(空軍航空大學，長春 130022)

0 引言

箔條干擾是目前仍被廣泛采用的一種非常有效的無源干擾手段，幾乎所有作戰飛機、艦船上都裝備有箔條電子對抗設備［1］。由于箔條云內部箔條數目龐大，相互運動復雜，現有的仿真模型存在精度低、計算困難和制約因素較多等缺點，難以適用于現代機載箔條彈雷達回波的建模與仿真［2］。

現代空戰中多普勒(PD）雷達已經成為作戰飛機的主要系統。PD雷達對信號處理能力的強弱直接影響作戰飛機的作戰性能。本文針對自衛飛機投放箔條彈影響對方機載PD雷達這一場景，對箔條彈的運動特性和回波特性進行了分析，對箔條彈回波進入PD雷達后波形的變化進行了研究和仿真，并對頻譜的變化進作了分析。建立的PD雷達處理箔條彈回波的信號模型對研究機載箔條彈的干擾效能、提高飛機的自衛生存能力提供了理論基礎。

1 機載多普勒雷達模型

機載PD 火控雷達根據多普勒效應，利用運動目標回波的多普勒頻率與地雜波的多普勒頻率(由載機運動引起）的不同特點，分辨出運動目標并提取出運動目標的信息。機載PD 火控雷達發射相干脈沖串，通過測量目標回波的到達時間和多普勒頻率檢測目標距離和速度，并根據運動目標回波和地雜波間多普勒頻移的差別提取目標、抑制地波。機載PD 火控雷達的仿真系統主要仿真的是實際雷達的回波信號和信號處理機，關鍵技術有正交雙通道處理、旁瓣對消、脈沖壓縮(匹配濾波）、動目標顯示(MTI）、動目標檢測(MTD）、恒虛警處理(CFAR）和解速度距離模糊。機載PD 火控雷達仿真分系統的實現如圖1所示。

圖1 機載PD雷達信號處理結構圖

2 箔條相關建模

2.1 箔條彈RCS 建模

箔條云是大量隨機運動箔條偶極子的集合體，要精確給出它的RCS 隨時間的分布相當困難。這里根據箔條云的擴散情況對其散射截面進行模擬。箔條彈在爆炸初期，箔條散開情況并不理想，云團中遮擋效應較為明顯，其散射截面較小。隨著箔條的快速散開，其RCS 將迅速增大，直到達到最大值。

由于箔條云的有效作用時間較短，在整個的研究時間內，忽略箔條云垂直向的運動，其次研究箔條云的雷達反射截面積。目前，沒有文獻研究它隨時間的變化規律。根據箔條彈散開的實際情況，箔條云的雷達反射截面積是先增大后減小的，對箔條彈的使用有散開時間和有效持續時間的要求。因此，在仿真時使用瑞利分布的曲線來描述箔條云的雷達反射截面積，其擬合公式為［2］

式中，η為箔條粘連和損害造成的減小系數;ˉσ=0.172λ2半波長箔條的平均散射面積;N為箔條數;σRCS(t）為箔條云的雷達反射截面積，是時間的函數;k為一常數，反映箔條云雷達反射截面積的最大值;d 是瑞利分布的參數，反映箔條云的有效持續時間。在實際應用中，箔條云在空中的有效持續時間約為2 s，由瑞利分布曲線的性質可知;當t=d時其值最大，取獲得最大值前后60%的時間作為箔條云的有效持續時間［3］。箔條彈RCS 變化如圖2所示。參數k與箔條彈能達到的最大RCS 有關，一般要求是飛機RCS的3～5 倍。

2.2 箔條彈運動模型

圖2 箔條彈RCS 變化曲線

假設箔條投放器在飛機上的安裝角度為θc，箔條誘餌初期的運動方向和初始速度是飛機t=0時刻速度vf和箔條誘餌發射初速度vc的合成，如圖3所示。

圖3 箔條彈運動示意圖

箔條彈被投放時，在內部電雷管的引爆下，以20～40 m/s的速度射出。散開的箔條在高速氣流的作用下迅速形成箔條云，其能量中心可以看作變減速的直線運動，垂直方向上由于持續時間很短，并且箔條彈的質量很小，因此重力可以忽略不計。根據有關資料研究結果，箔條誘餌沒有形成有效干擾效果之前(0≤t≤Tc）的運動方程為［4］

箔條彈形成干擾后的運動方程為

其中，e1、e2為經驗常數，VT是在Tc的速度。根據有關試驗數據，箔條誘餌發射后形成有效干擾的充分散開時間Tc通常為0.3～0.5 s。

2.3 箔條彈回波時域特性

箔條的雷達回波信號是在雷達發射信號的基礎上加上回波時延，同時還要考慮由于運動引起的多普勒效應，然后再進行濾波。對于機載PD雷達來說，其雷達發射信號有常規脈沖、線性調頻、相位編碼等形式，這里考慮發射信號形式為線性調頻信號的情況，即發射信號為

其中，T為脈沖持續周期，fc為中心頻率，K為調頻斜率，則箔條云回波信號Sr(t）可以表示為

其中，Pr=PtGtGrλ2σRCS(t）/(4π）3R4為目標回波功率，△t為回波時延，fd為多普勒頻率，△φ為目標散射引起的調制相位。

2.4 箔條干擾波頻域特性

箔條云回波信號的頻譜取決于箔條云整體的漂移速度和每根箔條的隨機運動速度。箔條云整體漂移速度，使箔條云回波信號功率譜的中心頻率相對于雷達載波頻率產生多普勒頻移;單根箔條隨機運動速度的分布決定了功率譜的頻譜分布。假定箔條的平均速度Vr=Vb+Vf，入射波的工作頻率是f0，此時箔條誘餌的多普勒頻移fd=2×Vr×f0/c×cosθ，θ為Vr與雷達徑向的夾角，則反射波的工作頻率為f=f0+fd。由于箔條的運動速度不等，呈高斯分布，故箔條的多普勒頻移也呈現高斯分布，均值為fd，方差為Bδ。設入射雷達波的帶寬為B0，則箔條誘餌反射波的帶寬B=B0+2Bδ。箔條誘餌回波帶寬一般在幾十赫茲至幾百赫茲之間。可求得頻譜寬度為［5］

其中σv為速度譜標準偏差。

在后向施放箔條彈情況下，箔條干擾速度的均方根偏差計算公式為

式中，av為由于飛機的尾流而出現的箔條干擾速度均方根誤差，v為在給定飛行高度的平均風速(8 級風速可以達到20 m/s，12 級風可以達到40 m/s），飛機后150 m處為2.0～2.7 m/s，飛機后450 m處為0.8～1.5 m/s［5］。

3 仿真與分析

假設自衛飛機只打一發箔條彈，箔條彈打出后0.8 s 達到RCS 最大，不考慮其他干擾信號的影響，此時機載PD雷達對箔條干擾處于跟蹤狀態。PD雷達脈寬2 μs，周期30 ms(重頻33.33 kHz），選取回波數為10。

圖4 給出了箔條回波的信號波形圖，對這個信號進行高放、混頻、中放、檢波，可以得到信號的包絡圖，如圖5所示。對圖5中的信號進行MTI、MTD、CFAR處理，得到信號的恒虛警處理，如圖6所示。從圖4～6 可以看出，箔條彈形成的雷達回波能夠被PD雷達識別和檢測。

圖4 箔條回波波形圖

圖5 回波脈沖檢波圖

圖6 t=0.8 s時CFAR處理圖

圖7 給出了箔條回波頻譜的變化情況。在開始投放0.8 s后到2 s時的頻譜變化情況如圖所示。在t=0.8 s時，假設速度標準偏差σv≈3 m/s，根據速度模型求得箔條云相應速度v≈120 m/s，求得fd近似為8 kHz，帶寬大約為420 Hz。在t=2 s時，速度標準偏差σv≈1.2 m/s，根據速度模型求得箔條云相應速度v≈5.5 m/s，求得fd近似為360 Hz，帶寬大約為120 Hz。從分析來看，在t=0.8 s 到t=2 s 整個過程中，由于箔條云速度迅速降低，使得fd迅速降低，頻譜寬度也相應降低，這樣就造成了一發箔條彈對PD雷達而言影響是比較微弱的。而這從圖7 也可以看出，在t=3 s時箔條的整體運動速度接近2 m/s，CFAR處理中已經無法檢測到信號，箔條彈干擾作用失效。

圖7 箔條回波頻譜變化圖

圖8 t=3 s時CFAR處理圖

4 結束語

本文基于自衛飛機投放箔條彈對對方飛機PD雷達的影響，建立了箔條彈回波信號模型，對箔條干擾回波進入PD雷達后波形的變化進行了分析和仿真，對研究機載PD雷達箔條干擾效能、提高飛機的自衛生存能力提供一定的理論基礎。但是，本文也有一定的局限性，例如沒有考慮飛機的運動情況，沒有考慮多發箔條彈的情況，這些工作有待后面進一步的研究。

［1］張洪濤，趙榮.提高機載箔條彈干擾效果的若干措施探討［J］.電子對抗，2004(3）:35-40.

［2］陳宇凱，李金梁，李永禎，肖順平.機載箔條彈雷達回波的建模與仿真［J］.航天電子對抗，2011(4）:24-30.

［3］胡華強，機載箔條彈最佳使用時機仿真研究［J］.航天控制，2008，26(4）:61-64.

［4］蔣波，曲長文，侯海平.機載箔條質心干擾研究［J］.系統仿真學報，2011(4）:24-30.

［5］陳靜.雷達箔條干擾原理［M］.北京:國防工業出版社，2007:174-175.