基于干擾機(jī)組網(wǎng)主瓣干擾的單脈沖雷達(dá)航跡欺騙干擾技術(shù)

歐陽志宏, 沈 陽, 李修和

(國防科技大學(xué)電子對抗學(xué)院, 安徽 合肥 230037)

0 引 言

單脈沖技術(shù)是一種廣泛應(yīng)用的雷達(dá)角度跟蹤技術(shù)。單脈沖雷達(dá)能夠從接收到的單個回波中提取所需角度信息,角度跟蹤速度快、精度高,同時具有很強(qiáng)的抗角度欺騙干擾能力。傳統(tǒng)的壓制式干擾在應(yīng)對采用單脈沖技術(shù)的新體制雷達(dá)時往往需要寬頻帶和高功率,考慮到干擾技術(shù)水平和戰(zhàn)術(shù)運用條件的限制,以及雷達(dá)自身較強(qiáng)的抗干擾能力,干擾往往難以奏效。假目標(biāo)航跡欺騙干擾是傳統(tǒng)壓制干擾向精準(zhǔn)干擾轉(zhuǎn)型的代表技術(shù)[1-3],能夠在距離、角度和速度等多方面對雷達(dá)實施全方位欺騙,連續(xù)的欺騙點跡可形成假目標(biāo)航跡效果。假目標(biāo)航跡欺騙干擾既可用于陣地掩護(hù)防空,也可用于誘敵雷達(dá)開機(jī),暴露其兵力部署,具有相當(dāng)重要的軍事意義。

以往的假目標(biāo)航跡欺騙干擾技術(shù)大多將“干擾機(jī)的輻射功率必須足以使干擾信號從對方雷達(dá)天線旁瓣進(jìn)入”列為有效干擾的必要條件[4-8],這對于普遍采用旁瓣對消、旁瓣消隱、低旁瓣天線等措施的新體制雷達(dá)來說很難實現(xiàn)。多機(jī)協(xié)同是近年來航跡欺騙干擾的研究熱點[9-16],通過載機(jī)機(jī)動模擬產(chǎn)生假目標(biāo)飛行航路,實施主瓣內(nèi)航跡欺騙干擾。然而,此類方法在飛行和干擾控制上都有較大難度,載機(jī)也極易成為敵方防空火力的打擊目標(biāo),戰(zhàn)場應(yīng)用存在一定局限。基于突破旁瓣干擾條件限制和技術(shù)實現(xiàn)可行性的考慮,提出了基于干擾機(jī)組網(wǎng)主瓣干擾的單脈沖雷達(dá)航跡欺騙干擾技術(shù),一方面通過主瓣干擾欺騙單脈沖雷達(dá),實現(xiàn)局部假目標(biāo)點跡精確可控;另一方面通過組網(wǎng)干擾,對雷達(dá)形成持續(xù)性假目標(biāo)航跡欺騙。

1 組網(wǎng)主瓣干擾航跡欺騙機(jī)理

對雷達(dá)的高逼真假目標(biāo)航跡欺騙干擾要求縝密規(guī)劃干擾流程,嚴(yán)控功率、頻率、時機(jī)等干擾參數(shù),在實現(xiàn)距離、方位、速度三方面同時精確欺騙的基礎(chǔ)上形成假目標(biāo)點跡與航跡欺騙效果。對單脈沖雷達(dá)干擾而言,距離和速度欺騙可以沿用已有方法,而鑒于雷達(dá)獨特的測角體制和較強(qiáng)的抗干擾能力,角度欺騙的精確可控是形成欺騙點跡的關(guān)鍵。此外,有限的假目標(biāo)點跡或局部航跡段難以對雷達(dá)構(gòu)成實質(zhì)威脅,以穩(wěn)定易行的組網(wǎng)模式和工作機(jī)制實現(xiàn)持續(xù)航跡欺騙也是單脈沖雷達(dá)航跡欺騙干擾的突破重點。

1.1 精確角度欺騙實現(xiàn)分析

單脈沖雷達(dá)角度欺騙干擾技術(shù)主要有相干干擾、非相干干擾和交叉眼干擾,其中相干干擾可在雷達(dá)天線主瓣內(nèi)實現(xiàn)精確角度欺騙。在雷達(dá)位置已知且與干擾機(jī)位置關(guān)系確定的前提下,通過調(diào)整兩點源的干擾功率和干擾信號相位可以控制雷達(dá)主瓣內(nèi)欺騙角度。由兩點源相干干擾原理[17-18],雷達(dá)受干擾后跟蹤天線偏離角為

(1)

式中,θ0為干擾兩點源在雷達(dá)天線主瓣內(nèi)形成的張角；φ為干擾兩點源在雷達(dá)天線處信號的相位差；b2為干擾兩點源功率比；AJ1和AJ2為干擾兩點源的干擾信號幅度。

相干干擾屬于主瓣干擾范疇,其應(yīng)用于航跡欺騙中將擺脫以往方法對干擾功率從雷達(dá)旁瓣進(jìn)入的條件限制。然而,相干干擾對相位關(guān)系的嚴(yán)苛要求使其在戰(zhàn)場環(huán)境下難以可靠應(yīng)用,主要原因是雷達(dá)與干擾機(jī)以及干擾機(jī)相互間的位置關(guān)系存在變化,使得兩點源各自形成的干擾信號傳輸路徑不確定。由于難以實時精確測量位置關(guān)系變化情況,導(dǎo)致雷達(dá)天線處兩路干擾信號的相位差存在模糊和不穩(wěn)定性,欺騙角度不能精確控制。即使能夠做到相位差穩(wěn)定可控,實現(xiàn)預(yù)期欺騙角度還需實時調(diào)整干擾機(jī)功率比,必然給干擾機(jī)控制系統(tǒng)造成負(fù)擔(dān)。

因此,應(yīng)用相干干擾對單脈沖雷達(dá)實施主瓣內(nèi)精確角度欺騙,進(jìn)而形成可控欺騙點跡,必須解決上述問題。可以從干擾機(jī)的工作模式入手,通過干擾時機(jī)選擇和干擾信號傳輸路徑設(shè)計主動構(gòu)造相干干擾條件,使角度欺騙不再受上述條件限制。

1.2 組網(wǎng)干擾持續(xù)欺騙分析

角度欺騙的精確可控為假目標(biāo)點跡欺騙奠定了基礎(chǔ),結(jié)合距離和速度欺騙干擾技術(shù),即能形成雷達(dá)主瓣內(nèi)的假目標(biāo)欺騙點跡[19-20]。然而,局部的假目標(biāo)點跡、航跡段只能對雷達(dá)起到擾亂效果,易被雷達(dá)識別。以形成距離雷達(dá)約50 km的飛機(jī)假目標(biāo)為例,單脈沖雷達(dá)位于點A,干擾機(jī)部署于點B和點C,干擾機(jī)組與雷達(dá)形成的張角和雷達(dá)主瓣寬度相同,欺騙角度可控范圍最大,如圖1所示。飛機(jī)以1.5倍音速沿X軸正向勻速飛行,假設(shè)雷達(dá)主瓣寬度為2°,主瓣內(nèi)航跡段P1P2約1.75 km,飛機(jī)3.5 s即可飛完。

圖1 主瓣內(nèi)假目標(biāo)航跡段Fig.1 False-target track segment in radar mainlobe

假設(shè)雷達(dá)進(jìn)行圓周掃描,當(dāng)主瓣同時覆蓋兩臺干擾機(jī)時,干擾機(jī)組實施相干干擾進(jìn)行角度欺騙并生成欺騙點跡。顯然,如果雷達(dá)掃描周期大于3.5 s,主瓣再次覆蓋干擾機(jī)組時,假目標(biāo)已飛出干擾機(jī)組與雷達(dá)形成的張角范圍,干擾機(jī)組不能實現(xiàn)假目標(biāo)當(dāng)前位置所在的欺騙角度,持續(xù)欺騙必然需要其他干擾機(jī)組配合完成。因此,無論是模擬切向運動假目標(biāo)或徑向運動假目標(biāo),都必須設(shè)計組網(wǎng)干擾模式,通過干擾資源合理配置和科學(xué)協(xié)同,解決假目標(biāo)航跡維持問題。

1.3 航跡欺騙干擾原理

基于上述分析,單脈沖雷達(dá)假目標(biāo)航跡欺騙干擾應(yīng)首先構(gòu)成相干干擾條件進(jìn)行精確角度欺騙,再結(jié)合距離欺騙和速度欺騙形成雷達(dá)主瓣內(nèi)假目標(biāo)點跡和航跡段,最后通過干擾機(jī)組網(wǎng)協(xié)同工作,形成長時段假目標(biāo)航跡。基于干擾機(jī)組網(wǎng)主瓣干擾的單脈沖雷達(dá)航跡欺騙干擾原理如圖2所示。

圖2 組網(wǎng)主瓣干擾航跡欺騙原理Fig.2 Netted mainlobe jamming and track deception course

不失一般性,假定雷達(dá)天線逆時針圓周掃描,當(dāng)干擾機(jī)J1和J2同時位于波束主瓣范圍內(nèi),J1和J2編組實施兩點源相干干擾,結(jié)合距離和速度欺騙干擾形成欺騙點跡,連續(xù)點跡構(gòu)成假目標(biāo)航跡段。當(dāng)假目標(biāo)點跡延伸并超出J1和J2相對雷達(dá)的角度范圍后,J1和J2編組停止干擾,后續(xù)干擾機(jī)以相同方式接力工作并持續(xù)干擾,最終形成完整的假目標(biāo)欺騙航跡。具體過程如下:

步驟1雷達(dá)天線波束覆蓋干擾機(jī)J1和J2后,雷達(dá)信號S0分別由路徑LRJ1到達(dá)干擾機(jī)天線RJ1、由路徑LRJ2到達(dá)干擾機(jī)天線RJ2,經(jīng)干擾機(jī)數(shù)字射頻存儲后形成信號S01和S02;

步驟2存儲的信號S01由J1轉(zhuǎn)發(fā)至J2,經(jīng)過的傳輸路徑為L1,并由J2數(shù)字射頻存儲后形成信號S12;同理,信號S02由J2轉(zhuǎn)發(fā)至J1,經(jīng)路徑L1并由J1數(shù)字射頻存儲后形成信號S11;

步驟3經(jīng)相互轉(zhuǎn)發(fā)并存儲的信號S11和S12分別由干擾機(jī)J1和干擾機(jī)J2放大后輻射,信號的傳輸路徑分別為LRJ1和LRJ2,到達(dá)單脈沖雷達(dá)天線口面的信號分別為S21和S22,至此完成一次干擾,形成假目標(biāo)航跡點;

步驟4雷達(dá)波束每次掃描至J1和J2時,按預(yù)先規(guī)劃的假目標(biāo)欺騙航跡點位置調(diào)節(jié)干擾參數(shù),控制干擾時機(jī),使欺騙點跡保持連續(xù),形成J1和J2相對雷達(dá)角度范圍內(nèi)的假目標(biāo)航跡段;

步驟5當(dāng)假目標(biāo)點跡延伸并超出J1和J2相對雷達(dá)的角度范圍后,J1和J2編組停止干擾,J1不再工作,由J2和J3組合接力干擾,并重復(fù)步驟1～步驟4,形成航跡段;

步驟6按規(guī)劃航跡把握干擾接力時機(jī),確保航跡段的銜接符合目標(biāo)運動規(guī)律,接力工作持續(xù)至Jn-1和Jn編組干擾結(jié)束,最終形成完整的高逼真假目標(biāo)欺騙航跡。

2 基于相干干擾的精確點跡欺騙干擾模型

2.1 角度欺騙干擾模型

角度欺騙是對單脈沖雷達(dá)形成欺騙點跡的關(guān)鍵環(huán)節(jié),核心是構(gòu)造相干干擾條件。由前所述,在一次干擾過程中,雷達(dá)信號經(jīng)兩臺干擾機(jī)接收、存儲、相互轉(zhuǎn)發(fā)、再存儲,最后形成兩路干擾發(fā)射信號,信號傳輸路徑相同,只需把握存儲轉(zhuǎn)發(fā)的時延和控制干擾輸出信號的相移,即能確保兩路干擾信號具有穩(wěn)定的相位差,從而構(gòu)成相干干擾條件。再通過干擾機(jī)功率調(diào)節(jié),就能實現(xiàn)雷達(dá)主瓣內(nèi)角度精確欺騙。

設(shè)雷達(dá)工作波長為λ,假定雷達(dá)信號S0初始相位為0,J1和J2接收并存儲的雷達(dá)原始信號S01和S02的相位為φ01和φ02，表達(dá)式為

(2)

J1和J2相互轉(zhuǎn)發(fā)信號,假定不附加相移。那么,J1和J2接收對方轉(zhuǎn)發(fā)的信號S11和S12的相位分別為

(3)

最后,J1和J2發(fā)射干擾,分別附加相移Δφ1和Δφ02,到達(dá)雷達(dá)天線口面的干擾信號S21和S22的相位分別為

(4)

顯然,干擾兩點源在雷達(dá)天線處信號的相位差φ為

φ=φ21-φ22=Δφ1-Δφ2

(5)

由式(5)可見,到達(dá)單脈沖雷達(dá)天線口面的信號S21和S22的相位差只與干擾機(jī)附加的相位偏移量有關(guān),與干擾機(jī)間距、干擾機(jī)和雷達(dá)位置關(guān)系均無關(guān),利于工程實現(xiàn)。不失一般性,在J2插入相移90°,再根據(jù)式(1),干擾源角距離θ0可測量獲取,改變干擾功率比b2,就可以做到按需調(diào)控角度欺騙量。雷達(dá)跟蹤天線偏離角為

(6)

2.2 距離欺騙干擾模型

距離欺騙主要是控制干擾信號相對于雷達(dá)回波信號的時間延遲量Δt。假設(shè)干擾機(jī)與雷達(dá)距離為R0,而假目標(biāo)與雷達(dá)距離為Rf,雷達(dá)脈沖重復(fù)周期為Tp,c為光速,則Δt為

(7)

2.3 速度欺騙干擾模型

速度欺騙主要是在指定方位和距離上產(chǎn)生預(yù)設(shè)速度的假目標(biāo),模擬假目標(biāo)運動引入的多普勒頻率。因此,干擾信號頻率設(shè)定為fg為

fg=f0+2vr/λ

(8)

式中,f0為雷達(dá)發(fā)射信號頻率;vr為假目標(biāo)相對雷達(dá)徑向運動速度。

3 基于組網(wǎng)干擾的持續(xù)航跡欺騙干擾模型

假設(shè)需要產(chǎn)生以速度v0自西向東勻速直線運動的假目標(biāo)航跡,如圖3所示。

圖3 持續(xù)假目標(biāo)航跡欺騙示意圖Fig.3 Schematic diagram of persistent false-target track deception

根據(jù)組網(wǎng)干擾模式設(shè)計,首先由干擾機(jī)網(wǎng)內(nèi)相鄰干擾機(jī)編組工作,生成假目標(biāo)航跡段;再通過干擾接力,形成持續(xù)假目標(biāo)航跡。

3.1 兩點源假目標(biāo)航跡干擾模型

由前所述,干擾機(jī)J1和J2編組工作產(chǎn)生第一段假目標(biāo)航跡。圖3中,G1和G2是產(chǎn)生的前兩個假目標(biāo)點跡,其對應(yīng)的方位角為

(9)

由式(6)可推導(dǎo)出產(chǎn)生θG1和θG2所需干擾機(jī)J1和J2的干擾功率比為

(10)

(11)

式中,θ12為干擾機(jī)角距離。

同時,θg1和θg2滿足假目標(biāo)勻速直線運動連續(xù)點跡的約束條件,逼近飛行時，有

(12)

遠(yuǎn)離飛行時，有

(13)

假設(shè)Rf>R0,由式(7)可得到產(chǎn)生RG1和RG2所需的距離延遲時間為

(14)

式中,R12為干擾機(jī)組與雷達(dá)的距離。

設(shè)雷達(dá)從0°開始逆時針掃描的時刻為T0,那么產(chǎn)生G1和G2的干擾時機(jī)為

(15)

最后,由式(8)求出產(chǎn)生假目標(biāo)速度v0所需的多普勒頻率為

(16)

此后,在每個雷達(dá)掃描周期Tr內(nèi)調(diào)整干擾功率比、距離欺騙延時、多普勒頻移等參數(shù),以形成在J1和J2相對雷達(dá)張角內(nèi)的假目標(biāo)航跡段。

3.2 多源組網(wǎng)航跡欺騙干擾模型

短時局部航跡段難以達(dá)到高逼真持續(xù)航跡欺騙的目的,必須將干擾機(jī)進(jìn)行組網(wǎng),持續(xù)接力干擾。接力工作模式如圖4所示。

圖4 干擾機(jī)組工作模式示意圖Fig.4 Schematic diagram of jammer net working mode

J1和J2任務(wù)內(nèi)的假目標(biāo)航跡段生成后,J1停止工作,由J2和J3接力干擾。接力時機(jī)由預(yù)設(shè)的假目標(biāo)航跡點決定。同時,取消在J2干擾信號插入90°相移,在J3干擾信號插入90°相移。設(shè)干擾機(jī)J2和J3產(chǎn)生的第一個欺騙航跡點是欺騙點跡集的第n個點,與雷達(dá)的距離為RGn,方位角為θGn。計算距離欺騙延時和干擾時機(jī)為

(17)

計算干擾功率比、多普勒頻移為

(18)

以此類推,在干擾機(jī)組J2和J3工作結(jié)束后由后續(xù)干擾機(jī)組接力干擾,最終形成持續(xù)航跡。

4 仿真實驗

運用本文方法分別對假目標(biāo)航跡欺騙干擾中典型的徑向運動、斜向運動和切向運動假目標(biāo)進(jìn)行模擬生成,并進(jìn)一步檢驗分析在對不同性能參數(shù)單脈沖雷達(dá)實施有效干擾,以及不同距離假目標(biāo)模擬時,本文方法對干擾資源的需求。

首先對生成不同運動方向的假目標(biāo)進(jìn)行仿真實驗。設(shè)置仿真場景:建立直角坐標(biāo)系并部署單脈沖跟蹤雷達(dá)于原點位置(0,0),單位為km;雷達(dá)主瓣寬度為1°,掃描周期為6 s,X軸正向為方位0°,Y軸正向為90°,雷達(dá)在0時刻從0°開始逆時針掃描;干擾機(jī)網(wǎng)內(nèi)有4臺干擾機(jī)J1、J2、J3和J4,確知雷達(dá)部署位置后,將干擾機(jī)組分別布設(shè)于(0,-50)、(0.75,-50)、(1.5,-50)、(2.25,-50),單位為km。通過計算,θg1為0°,RG1為50,干擾機(jī)角距離θ12、θ23、θ34約為0.86°,相鄰干擾機(jī)能夠同時被雷達(dá)主瓣覆蓋。

分別模擬沿80°方向接近徑向運動假目標(biāo),沿-55°方向斜向運動假目標(biāo),以及沿0°方向切向運動假目標(biāo)。假目標(biāo)起點(單位為km)均為(0,-200),在雷達(dá)掃描5個周期后開始生成,運動速度350 m/s。接力工作的干擾機(jī)組生成的欺騙點跡數(shù)量對比如表1所示。

表1 假目標(biāo)點跡數(shù)量比較

由表1可知,運用本文方法在模擬接近徑向運動假目標(biāo)時,由于每個雷達(dá)掃描周期內(nèi)假目標(biāo)的角度變化量較小,每個干擾機(jī)組可以產(chǎn)生多個假目標(biāo)點跡,較少的干擾機(jī)組就能形成持續(xù)假目標(biāo)欺騙。反之,模擬切向運動假目標(biāo)時,每個雷達(dá)掃描周期內(nèi)假目標(biāo)的角度變化量大,持續(xù)航跡欺騙對干擾資源的要求會更高。鑒于實戰(zhàn)中逼近飛行的目標(biāo)對雷達(dá)的威脅度最高,接近徑向運動的假目標(biāo)是干擾模擬的重點,所以本文方法在徑向進(jìn)襲假目標(biāo)模擬上的優(yōu)勢能夠滿足未來戰(zhàn)場需求。

將產(chǎn)生的假目標(biāo)點跡作為單脈沖雷達(dá)的量測數(shù)據(jù),假設(shè)雷達(dá)的測距和測角誤差分別為50 m和0.1°,采取3/4滑窗法邏輯進(jìn)行航跡起始,之后使用擴(kuò)展卡爾曼濾波方法進(jìn)行目標(biāo)狀態(tài)估計,建立的跟蹤航跡如圖5所示。

圖5 典型假目標(biāo)航跡模擬與雷達(dá)跟蹤情況Fig.5 Typical false-target simulation and radar tracking

圖5中,本文方法產(chǎn)生的假目標(biāo)均對雷達(dá)形成了有效欺騙,雷達(dá)對假目標(biāo)進(jìn)行了穩(wěn)定跟蹤。即便是對干擾機(jī)數(shù)量要求較高的切向運動假目標(biāo)模擬,有限的干擾機(jī)組也能使雷達(dá)快速地進(jìn)行航跡起始并建立跟蹤。

基于上述實驗,改變單脈沖雷達(dá)的性能參數(shù)和模擬的假目標(biāo)距離,分析本文方法對干擾資源的需求變化情況。模擬沿80°方向接近徑向運動假目標(biāo)(坐標(biāo)單位為km),假目標(biāo)起點為(0,-300),雷達(dá)主瓣寬度為1.6°;4臺干擾機(jī)部署于(0,-50)、(1.35,-50)、(2.7,-50)、(4.05,-50),干擾機(jī)角距離約為1.54°,相鄰干擾機(jī)能夠同時被雷達(dá)主瓣覆蓋,其他仿真條件不變。形成20個假目標(biāo)點跡所需的干擾資源如表2所示。

表2 干擾資源需求比較

分析表2數(shù)據(jù)可知,單脈沖雷達(dá)主瓣寬度越大,模擬的假目標(biāo)越遠(yuǎn)離雷達(dá),所需的干擾資源數(shù)量越少。圖6是4臺干擾機(jī)充分實施干擾所產(chǎn)生的假目標(biāo)點跡與雷達(dá)的跟蹤情況,對主瓣寬度較大的雷達(dá),增大假目標(biāo)距離后,組網(wǎng)干擾機(jī)能夠產(chǎn)生更多的假目標(biāo)點跡,干擾的持續(xù)性更強(qiáng)。可見,本文方法在有限干擾資源的情況下,也能夠有效地對單脈沖雷達(dá)實施遠(yuǎn)距離假目標(biāo)航跡欺騙。

圖6 對主瓣寬度較大雷達(dá)的遠(yuǎn)距假目標(biāo)航跡欺騙Fig.6 Long-range false-target deception on wide mainlobe radar

5 結(jié) 論

對現(xiàn)代雷達(dá)的高逼真假目標(biāo)航跡干擾是一種高效卻難以突破的干擾技術(shù)。本文方法著眼于對以往假目標(biāo)航跡干擾方法相關(guān)限制條件的突破,以及方法的工程實現(xiàn)性與戰(zhàn)場應(yīng)用的可行性,強(qiáng)調(diào)干擾機(jī)組網(wǎng)和運用模式設(shè)計,先構(gòu)造單脈沖雷達(dá)相干干擾條件,實現(xiàn)雷達(dá)主瓣內(nèi)角度精確欺騙;再結(jié)合距離欺騙和速度欺騙,形成假目標(biāo)點跡和航跡段;最后通過組網(wǎng)接力干擾,達(dá)到持續(xù)航跡欺騙的目的。下一步將基于該思路針對雷達(dá)的不同掃描方式進(jìn)行干擾技術(shù)優(yōu)化,以及對雷達(dá)網(wǎng)干擾的研究。

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