基于散射特性的單脈沖角跟蹤雷達相干干擾方法*

陳秋菊,莫翠瓊,孫 杰,戴幻堯

(1 電子工程學院,合肥 230037;2 中國洛陽電子裝備試驗中心,河南洛陽 471003)

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基于散射特性的單脈沖角跟蹤雷達相干干擾方法*

陳秋菊1,莫翠瓊1,孫 杰1,戴幻堯2

(1 電子工程學院,合肥 230037;2 中國洛陽電子裝備試驗中心,河南洛陽 471003)

當雷達目標為復雜目標時,目標回波相位將受目標復雜的散射特性影響,傳統的兩點源相干干擾方法無法產生與目標回波相干的信號。針對該問題,基于目標的電磁散射特性,利用目標多散射點模型來調制接收到的雷達發射信號,以產生與目標回波具有相對穩定相位關系的干擾信號。為合理評估該技術的效果,根據單脈沖角跟蹤雷達的典型應用場景,建立了單脈沖角跟蹤末制導雷達作戰模型,包括信號產生、處理模型及彈道模型,并搭建了閉環仿真平臺;在該仿真平臺上,進行了干擾效果驗證實驗,實驗結果可為戰術巡航導彈對抗研究提供有效和實際的參考依據。

相干干擾;單脈沖角跟蹤雷達;目標散射特性;信號仿真

0 引言

單脈沖角跟蹤雷達在一個脈沖內即可提取跟蹤誤差信息,測角既快又準,因此在機載雷達及末制導雷達等平臺中獲得了廣泛應用。對這類雷達,傳統的干擾方法包括噪聲干擾、兩點源干擾等,其中最常用的是相干兩點源干擾[1-4],即在目標外布設干擾源,對入射信號直接射頻存儲,隨后調制為與點目標回波有固定相位關系及相近幅度的信號[3],利用相位波前失真實施干擾。在相干兩點源干擾方法的干擾信號產生過程中,對目標調制信息往往利用點目標模型來近似。對簡單目標而言,依據點目標產生的相干干擾可以滿足要求。但實際作戰中,如果目標相對于雷達為復雜目標,則回波相位所受目標自身散射特性調制的影響則不容忽視[6-7]。此時,目標外布設的干擾源如果僅僅簡單按點目標產生干擾,將無法真正與回波相干。

文中基于復雜目標的散射函數,研究針對單脈沖角跟蹤雷達的相干干擾方法。利用相應姿態角下被掩護目標的散射函數對接收到的發射信號進行調制,以便保留目標散射特性對信號相位的調制信息,在此基礎上產生與復雜目標回波具有穩定相位關系的干擾信號;為合理評估該方法的效果,以單脈沖角跟蹤雷達在末制導雷達場景下的應用為例,設計了末制導雷達系統仿真模型及導彈六自由度彈道模型,完成了閉環仿真平臺;基于該平臺的干擾效果驗證實驗表明,與傳統的相干兩點源干擾相比,基于散射特性的相干干擾方法可以導致更大的脫靶量,具有更有效的干擾效果。

1 相干兩點源干擾原理分析

相干兩點源是在目標外,雷達跟蹤波束內設置干擾源,當干擾信號到達雷達接收機時,與回波信號的相位相干,原理如圖1所示[1]。

圖1 相干兩點源干擾原理

J1、J2分別為回波信號與干擾信號。如圖1,設J1、J2在雷達天線處的相位差為Δφ,J1、J2的幅度分別為AJ1、AJ2。θ0是兩波束增益最大方向和等信號方向夾角,θ是回波方向和等信號方向夾角,則J1、J2到達雷達接收天線時信號強度表達式為:

(1)

通過波束形成網絡進行和差運算后,得到和信號EJΣ、差信號EJΔ分別為:

(2)

EJΣ、EJΔ分別經接收機混頻、中放、相位檢波等一系列處理后,輸出S(t):

2AJ1AJ2cosΔφ[F(θ0-θ1)F(θ0+θ2)-

F(θ0+θ1)F(θ0-θ2)]}

(3)

式中:θ1=Δθ/2+θ,θ2=Δθ/2-θ。

(4)

誤差信號S(t)=0,則跟蹤天線的指向角θ滿足:

(5)

因此,相干干擾利用雷達天線口面形成相位波前失真來引起雷達指向誤差,導致雷達錯誤跟蹤。如果能夠使得兩路信號的相位差接近180°,兩路信號將在空間形成干涉,此時式(5)中分母最大,可以使波束產生較大的偏差,從而增大單脈沖雷達的角跟蹤誤差,使它不能滿足瞄準的要求。

2 基于散射特性的相干干擾方法

由式(5)可知,相干兩點源干擾在原理上完全可行。但實際上對于復雜目標,其信號回波是雷達發射信號經過目標復雜的散射函數調制后的結果,其到達天線口面時的信號相位很難與基于點源產生的干擾信號保持相干。因此,干擾機偵測到導引頭的入射信號時,應先與目標散射特性進行匹配調制。

2.1 目標散射特性建模仿真

理論計算和實驗測量證明[6],在高頻區,目標總的電磁散射可認為是某些局部位置上電磁散射的合成,這些局部的散射源即多散射中心。給定工作頻率及姿態角情況下,可以利用多散射點模型來描述目標散射特性。文中根據目標三維CAD模型,利用電磁計算軟件FEKO建立其全姿態角一維距離像模板庫,在此基礎上重構多散射點模型。

圖2 目標散射函數建模仿真流程

如圖2所示,在每個姿態角下用寬帶信號對目標進行照射,利用FEKO算得該頻域內不同頻點的目標響應,然后利用逆傅里葉變換獲得該姿態角下的一維距離像。由散射理論可知,當姿態角變化較大時,會發生遮蔽和散射點游動等現象,故需對目標建立不同姿態角小角區內的散射函數模型,以保證模型相對于姿態角的一致性。文中在以某目標0°俯仰角下的二維多散射點模型建立為例:首先,采用140 MHz的寬帶信號(中心頻率17.0 GHz),對目標進行方位角維度全360°的照射,角度間隔0.01°,建立一維距離像模板庫;隨后,以2.55°為間隔將方位角劃分為多個小角區,在每個小角區內利用目標相應的256個一維距離像模板,借鑒ISAR的距離多普勒成像方法進行傅里葉變換,重構目標各小角區內的二維多散射點模型。圖3給出了某目標方位角為1°時的一維高分辨距離像及該目標在0°～2.55°角區內的二維多散射點模型。

圖3 某目標一維高分辨距離像(1°方位角)及二維多散射點模型(0°～2.55°方位角)

2.2 基于散射特性的相干干擾生成流程

圖4給出了基于散射特性的單脈沖角跟蹤雷達相干干擾生成流程。

圖4 基于散射特性的單脈沖角跟蹤雷達相干干擾生成流程

為完整產生含有目標散射信息的相干干擾信號,需要多種因素配合,主要包括:

1)目標散射特性特征,即目標散射函數的提取和建模,以用于卷積運算;

2)我方電子支援系統所接收到的雷達發射信號或者所偵察到的雷達發射信號參數,以用于信號重構;

3)卷積操作,將重構出的雷達發射信號與目標散射函數模型進行卷積,以保證干擾信號中保留目標散射特性;

4)卷積操作完成后,須按指向角誤差計算公式來附加相移、頻移,以為達到相干干擾的效果;

5)通過混頻等操作,將干擾信號調制到發射信號載頻,并發射出去。

3 單脈沖角跟蹤末制導雷達仿真平臺

由于測角快,精度高,單脈沖角跟蹤雷達在導彈末制導雷達中獲得了廣泛應用。為了驗證和對比各干擾方法對單脈沖角跟蹤雷達的干擾效果,文中結合實際應用場景,在單脈沖角跟蹤末制導雷達仿真平臺[8]上復現雷達從信號發射、傳輸、接收、接收機處理、信號處理、數據處理、輸出制導信息的全過程;并通過彈道解算,實現與導彈制導控制系統的閉環仿真,以便觀察各因素對導彈制導誤差的影響,為評估干擾方法對導彈作戰效能的對抗效果提供決策依據和平臺支撐。

圖5 仿真系統構成框圖及信息交互關系

整個仿真系統由主控、末制導雷達仿真、彈道仿真、目標仿真、干擾仿真、環境仿真、仿真試驗數據庫等7個分系統構成,見圖5。其中,雷達導引頭、彈道、目標、干擾和環境5個模塊通過建立相應的信息處理流程,實現仿真解算,完整地實現干擾對抗條件下的六自由度彈道仿真。完成參數設置后,將導彈和目標運動數據送入雷達導引頭分系統中的接收機模型,通過該分系統中的天線模型、目標仿真分系統中的散射模型引入的遮擋損耗,相對運動引入的多普勒頻移以及距離變化引入的電波傳播時間差綜合計算接收機輸出的回波信號,隨后將信號送入窄帶濾波器進一步處理,以提取頻譜的中心譜線,通過雜波對消和后續多普勒濾波處理在速度域形成閉環速度跟蹤。利用單脈沖測角原理來提取指向誤差,即框架角誤差,這些誤差信號送入跟蹤濾波器。尋的制導通過修正比例制導律完成。導引頭的相對運動狀態估計送入彈道仿真分系統,彈道控制單元生成的舵偏角指令可以引導導彈向指定目標尋的,彈道解算分系統響應導引頭輸出的制導指令,進行彈道解算,實時地輸出運動狀態數據,進而完成閉環仿真全過程。表1給出了各分系統之間的信息交互關系。

表1 仿真系統各分系統信息交互關系一覽表

4 干擾方法對比驗證仿真實驗

在單脈沖末制導雷達仿真平臺上,考慮基于點目標模型的相干干擾場景及基于散射特性的相干干擾場景進行干擾對抗的對比驗證仿真實驗。末制導雷達采用脈沖多普勒體制,工作載波頻率17.4 GHz,脈沖寬度2.0 μs,平均發射功率300 W,發射綜合損耗1.8 dB,接收綜合損耗3.2 dB,大氣傳輸綜合損耗值1.0 dB,接收機熱噪聲系數6.8 dB,最大工作距離35 km;信號采用準連續波波形,相參處理子脈沖數512,接收機中頻頻率5 MHz,重頻為280 kHz,系統采樣頻率20 MHz,工作幀周期40 ms。導彈在發射坐標系內的初始位置(0,200 m,-400 m),初始速度矢量為(400 m/s,0,0),初始航向角、俯仰角和滾動角均為0°,加速度矢量為(0,0,0),角速度矢量為(0,0,0)。目標在發射系內的目標初始位置為(7 000 m,0,0);目標艦船長度130 m,角閃爍系數取為0.35。彈體初始質量為1 030 kg,推力為6 350 N,滾動、方位、俯仰通道的轉動慣量分別為56.7 kg·m2,3 996 kg·m2,3 983 kg·m2,制導律計算環節中的滯后時間常數為0.2 s,自動駕駛儀環節中的滯后時間常數為0.03 s,比例導引系數5.0,彈道解算積分步長1 ms。

相干干擾對抗仿真實驗相關參數見表2。

表2 基于點目標模型的相干干擾參數設定

基于散射特性的相干干擾實驗干擾相關參數與點目標模型相干干擾條件下基本相同,不同之處在于干擾信號生成流程按照圖4所示的干擾信號生成流程執行。

圖6給出了基于點目標模型的相干干擾下的導引頭方位、俯仰框架誤差角提取曲線測量值與真實值之間的比對。

圖6 基于點目標模型的相干干擾下的導引頭框架誤差角提取曲線

圖7給出了基于散射特性的相干干擾下的末制導雷達方位、俯仰框架誤差角提取曲線測量值與真實值之間的比對。

圖8分別給出了基于點目標模型的相干干擾下及基于散射特性的相干干擾下發射系內的全彈道飛行航跡圖,即三維攻防對抗態勢圖。發射系的定義是以發射點為坐標圓心的當地北天東地理坐標系,從圖中可清晰地看出導彈的飛行航跡。在基于點目標模型的相干干擾下,導彈最終脫靶量為78.5 m;而在基于散射特性的相干干擾下,導彈最終脫靶量為146.3 m。

圖7 基于散射特性的相干干擾下的導引頭框架誤差角提取曲線

圖8 兩種相干干擾下的三維攻防對抗態勢圖

由圖7、圖8可以看出,當采用基于點目標模型的相干干擾方法時,具有一定的干擾效果,但脫靶量與目標尺寸相比不夠大,仍有可能對目標造成毀傷。當通過目標多散射點模型來近似目標散射函數,以生成PD導引頭相干干擾信號時,實施干擾后,方位框架誤差角在3～5 s處出現震蕩的力度更大,誘偏效果比基于點目標模型的相干干擾有所提高。從脫靶量與目標尺寸的比較來看,在采用基于散射特性的相干干擾方法的情況下,導彈命中點能夠被有效誘騙至目標尺寸之外。

5 結束語

從仿真實驗中可看出,當通過目標多散射點模型來近似目標散射函數生成PD導引頭相干干擾信號,能夠達到較好的誘騙效果,理論上具有可行性,具體的誘騙距離與散射模型精度及相干干擾參數設置均密切相關,可借助末制導雷達系統仿真平臺進行多次閉環仿真,以便定量分析各干擾參數對導引頭的影響效應,為實際作戰提供依據與指導。實際作戰中,受系統精度和導彈、目標、干擾機平臺位置關系等各種誤差源因素影響,形成精確的相干干擾信號非常困難。今后,將進一步研究目標散射函數的精確仿真、時間同步及相位控制技術以及相位誤差對相干干擾效果的影響。

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Coherent Jamming Method of Mono-pulse Angle Tracking Radar Based on Scattering Function

CHEN Qiuju1,MO Cuiqiong1,SUN Jie1,DAI Huanyao2

(1 Electronic Engineering Institute, Hefei 230037, China;2 Luoyang Electronic Equipment Testing Center, Henan Luoyang 471003, China)

In coherent dual point-source jamming, it’s not suitable to use a particle model for simulation of a target if the target’s scattering function is complex, so a coherent jamming method based on scattering function of complex target was developed. Jamming signals are obtained from radar-transmitting signals modulated with the scattering function to be coherent with echoes. In view of evaluation of the jamming effect, the mono-pulsed angle tracking PD seeker is taken as an example to be analyzed in six degree-of-freedom trajectory simulation in the closed loop (PDRS). The results of the verification tests could provide an effective and practical solution for parameters design and performance evaluation of tactical cruise missile.

coherent jamming; mono-pulse angle tracking radar; target scattering characteristics; signal simulation

2015-06-23

陳秋菊(1982-),女,江蘇如東人,講師,博士研究生,研究方向:雷達對抗與雷達信號處理。

TN974

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