一種基于箔條云團散射的遠距支援干擾方法

邱時代，姚登凱，趙顧顥

(空軍工程大學 空管領航學院，西安 710051)

0 引 言

航空兵部隊在執行對地突防任務的過程中，通常需要使用遠距支援干擾機等電子干擾設備對敵地空導彈制導雷達實施干擾，這樣可以在一定程度上降低突防編隊被發現和擊落的風險，有效保證任務成功和飛行人員安全。

對于箔條干擾問題已有相關人員對其進行了不同程度的研究。國外對箔條干擾的研究從第二次世界大戰就已經開始，包括對箔條云的建模分析[1]、RCS精準計算[2]、時變RCS密度[3]等方面，并在多次對外戰爭中得到了應用，取得了較好的實戰效果。國內，鄭賀等[4]、李敬[5]深入分析箔條云的極化和能量特性、箔條的干擾原理以及應用發展；胡華強等[6]給出機載箔條彈在不同情況下最佳使用時機的計算方法；蔡萬勇等[7]建立了大氣環境下的箔條運動模型；李洋等[8]針對箔條干擾對新體制雷達的干擾能力和效果不斷下降的問題，提出了新的復合干擾方法；周嘉匯等[9]研究了箔條作為無源干擾的重要方式對雷達探測的影響。上述研究對于旁瓣注入干擾能量的方法效果不佳，以及箔條干擾對具備動目標顯示技術的雷達干擾效果不理想的相關問題進行深入研究。

針對上述問題，本文提出一種利用箔條云團散射遠距支援干擾信號的復合干擾方法，該方法使用干擾機照射突防航線上布撒的箔條云團，通過箔條云團的散射，將干擾能量從地空導彈制導雷達的主瓣注入，達成優于旁瓣注入方法的干擾效果，之后建立實施正面突防時的箔條彈多次拋灑模型，為驗證該模型有效性，結合實例進行仿真驗證。

1 箔條云團散射遠距干擾信號實施方法

將干擾機的強干擾能力和箔條云團的強散射能力結合起來，可以將干擾機的干擾能量從雷達天線主瓣注入接收機，從而取得較好的干擾效果，同時避免低速度箔條產生的雷達回波被具有動目標顯示技術的雷達濾除，從而大幅擴大應用范圍。干擾機掩護突防編隊的過程中，突防編隊到達敵防空火力圈邊界時，在制導雷達、我突防編隊連線上布撒箔條云團，敵地空導彈制導雷達探測突防編隊時，雷達天線主瓣必定會對準突防編隊尾部的箔條云團，此時遠距支援干擾飛機照射箔條云團，強干擾能量通過箔條云團的散射從雷達天線主瓣進入雷達。干擾示意圖如圖1所示。

圖1 干擾示意圖Fig.1 Schematic diagram of chaff cloud scattering distant jam signal

根據雷達原理[8]，雷達接收機接收到的突防編隊的散射回波的功率為

(1)

箔條云團散射干擾機強干擾能量注入雷達天線主瓣的干擾信號功率為

(2)

式中：Pt為雷達發射功率；Gz為雷達天線主瓣增益；Gg為干擾天線主瓣增益；λ為雷達工作波長；Ar為當前狀態下的雷達天線有效面積；σ為突防編隊的等效散射面積；R為雷達最大探測距離；σb為箔條云團等效散射面積；D為形成的箔條云團距雷達的距離；C為干擾機距箔條云團的距離。

假設雷達接收機在信干比大于10時才能成功檢測目標信號，雷達天線主瓣增益等于干擾天線主瓣增益，即Gz=Gg，除了干擾能量之外沒有其他的噪聲來源，此時信干比可以表示為

(3)

則雷達最大探測距離為

(4)

面向敵地空導彈制導雷達突防的過程中，干擾機所在空域、地空導彈制導雷達位置相對固定，干擾機與敵地空導彈制導雷達位置距離為L，干擾機與地空導彈制導雷達連線和突防航線之間的干擾角為θ，則雷達的最大探測距離為

(5)

假設干擾機的干擾功率Pg=100 kW，雷達發射功率Pt=100 kW，一次拋灑n顆箔條彈形成的箔條云團等效散射面積σb=40nm2，突防編隊等效散射面積σ=10 m2，L=220 km，當干擾角θ=45°時，干擾機對地空導彈制導雷達進行正面突防，則雷達的最大探測距離與箔條云團距雷達的距離、箔條云團等效散射面積之間的關系如圖2所示。

圖2 雷達的最大探測距離與箔條云團到雷達的距離、箔條云團等效散射面積的關系Fig.2 The relation of R versus D and σb

若一遠距干擾飛機從距離雷達天線L處，直接對雷達旁瓣注入干擾，Gp為雷達天線旁瓣增益，此時雷達天線有效面積變為Af，其余變量定義不變，則進入雷達接收機的干擾功率為

(6)

信干比為

(7)

此時雷達的最大探測距離為

(8)

假設帶旁瓣對消技術的雷達平均旁瓣電平為Gp/Gz=-40 dB，遠距支援干擾飛機距雷達L=220 km，雷達發射功率Pt=100 kW，其中突防編隊的散射面積σ=10 m2，利用旁瓣對消技術可以提供約10 dB的對消比，從而進一步降低旁瓣電平，則雷達的最大探測距離與干擾功率之間的關系如圖3所示。

圖3 平均旁瓣電平下干擾功率與雷達最大探測距離的關系Fig.3 Relationship between interference power and radar maximum detection distance under average side lobe level

從圖2～圖3可以看出：利用箔條云團轉發遠距干擾信號實施干擾的方式能夠將雷達對突防編隊的探測距離大幅降低，干擾效果更好。

箔條云團轉發遠距支援干擾信號的干擾效果受箔條云團到雷達距離D和箔條云團等效散射面積σb的影響，箔條云團距雷達越近，等效散射面積越大，干擾效果越好。相比之下，縮短箔條云團距雷達的距離收效更好。

一次性拋灑箔條彈的數量n分別取1、3、5、7枚時，即σb為40、120、200、280 m2，雷達的最大探測距離R與箔條云團距雷達的距離D在四種箔條云團散射面積下的關系如圖4所示。

圖4 四種散射面積下的雷達最大探測距離與箔條云團到雷達距離的關系Fig.4 The relation between R and D in four σb

從圖4可以看出：受到壓制的最大雷達探測距離并不總是小于箔條云團距雷達的距離，即當箔條云團距離雷達近到一定程度后，雷達最大探測距離將大于或等于箔條云團距離雷達的距離，此時干擾是無效的。從整個突防過程來看，箔條云團等效散射面積越大越晚進入壓制無效的狀態，因此在實際對地突防過程中必須根據實際情況選擇合適的箔條彈拋灑位置和數量。

2 基于復合干擾方法的箔條彈多次拋灑模型

實施正面突防時，突防編隊飛行至敵地空導彈制導雷達探測距離邊界時，突防編隊拋灑若干箔條彈，后方遠距支援干擾機開始照射箔條彈爆炸后產生的箔條云團，對敵地空導彈制導雷達進行干擾，壓制敵地空導彈制導雷達最大探測距離，使其無法探測到突防編隊。當我突防編隊再次飛至敵地空導彈制導雷達被干擾壓制后的最大探測距離邊緣時，再次拋灑若干箔條彈縮短敵地空導彈制導雷達最大探測距離，重復上述過程直至將敵地空導彈制導雷達最大探測距離壓制至要求的距離。拋灑過程如圖5所示。

圖5 箔條彈拋灑示意圖Fig.5 Chaff cartridge throwing timing diagram

每一次拋灑箔條彈后，敵地空導彈制導雷達最大探測距離為

(9)

式中：Ri+1(i=1～n)為第i次拋灑箔條彈后某型地空導彈制導雷達的最大探測距離；Ci(i=1～n)為第i-1次拋灑箔條彈后干擾機距離箔條云團的距離。

要求將敵地空導彈制導雷達最大探測距離壓制到距離K。

每一次拋灑箔條彈后，敵地空導彈制導雷達最大探測距離為

(10)

第1次拋灑箔條彈的時機應是突防編隊首次飛至敵地空導彈制導雷達的未被干擾壓制的探測距離邊緣，即

X=R1

(11)

式中：X為突防編隊距離敵地空導彈制導雷達的距離。

則突防編隊向前飛行Si拋灑第i+1次箔條彈，即

Si=Ri-Ri+1

(12)

具體步驟如下：

step1初始化K、θ、Pg、Pt、σ、L、R1、j、nj；

step2第1次拋灑n1枚箔條彈的時機X=R1，計算R2，計算并輸出sum1=n1，判斷R2是否小于等于K，成立時進入step5；

step3第2次拋灑n2枚箔條彈的時機S1=R1-R2，計算R3，判斷R3是否小于等于K，計算并輸出sum2=n1+n2，成立時進入step5；

step4第j次拋灑nj枚箔條彈的時機Si=Ri-Ri+1(i=1～n)，計算Ri+2，判斷Ri+2是否小于等于K，成立時計算并輸出sumj=n1+n2+…+nj，成立時進入step5；

step5輸出最小sumj值及其對應的n1～nj，結束。

3 實例仿真分析

為了驗證該方法的有效性，對某型戰機面向敵地空導彈制導雷達所在目標區突防過程進行模擬，忽略地形、天氣條件的影響且假設干擾機與制導雷達位于同一水平面。假設敵某型地空導彈制導雷達的探測距離R1=200 km，發射功率Pt=100 kW，某型戰機突防編隊等效散射面積σ=10 m2，每一枚箔條彈的等效散射面積σb=40 m2，干擾機布置我方一側距離敵地空導彈制導雷達L=220 km處，干擾角θ=45°，干擾機干擾功率Pg=100 kW。假設空地武器最大發射距離為60 km，要求拋灑箔條彈次數在三次以內將敵地空導彈制導雷達最大探測距離壓制在60 km以內，且由于受到重量等因素的制約，飛機能攜帶的干擾資源有限，所以優先選擇使用箔條彈數量最少、壓制效果最好的方法。模擬實際情況時有三種方式。

若在整個突防過程中，突防編隊只拋灑一次箔條彈，即可在敵地空導彈制導雷達初始探測距離邊緣一次性最少拋灑21枚箔條彈，將雷達探測距離壓縮至59.42 km，如表1所示。

表1 拋灑一次箔條彈Table 1 One time chaff cartridge throwing

若在整個突防過程中，突防編隊拋灑兩次箔條彈，滿足要求的拋灑方法有兩種，如表2所示，可以看出：兩種干擾結果相差不大，采用第一種拋灑方法，使用8枚箔條彈將雷達最大探測距離壓制到59.65 km，如表3所示。

表2 拋灑兩次箔條彈Table 2 Two times chaff cartridge throwing

表3 兩次拋灑方法中第一種箔條彈拋灑方式Table 3 The first method of chaff cartridge throwing

若在整個突防過程中，突防編隊拋灑三次箔條彈，滿足要求的拋灑方法有五種，如表4所示。

表4 拋灑三次箔條彈Table 4 Three times chaff cartridge throwing

從表4可以看出：最少使用箔條彈總數均為8枚，其中第二種方法能夠壓制的雷達探測距離最小，故采用第二種拋灑方法。使用8枚箔條彈將雷達最大探測距離壓制到56.80 km，如表5所示。

表5 三次拋灑方法中第二種箔條彈拋灑方式Table 5 The second method of chaff cartridge throwing

由上述結果可知，突防過程中拋灑一次、兩次、三次箔條彈，均能將雷達最大探測距離有效壓制在60 km以內，但拋灑三次箔條彈方法中第二種拋灑方式使用箔條彈數量最少且干擾效果最好，可選擇為最終干擾實施方案(實際干擾過程中拋灑兩次箔條彈方法雖干擾效果相比較差，但達到要求的同時可以減少飛行員操作，也可選為最終實施方案)，干擾過程如圖6所示。

圖6 干擾過程示意圖Fig.6 Schematic diagram of jam process

從圖6可以看出：第一次拋灑箔條彈的時機應是在突擊航線與敵地空導彈制導雷達最大探測距離邊緣交匯處，即突防航線上距離敵地空導彈制導雷達200 km時，此時第一次拋灑1枚箔條彈，雷達的有效探測距離由于強干擾能量從主瓣的注入變為127.20 km；突擊編隊繼續向前飛行72.8 km時到達雷達最大探測距離邊緣，此時第二次拋灑2枚箔條彈，雷達的最大探測距離變為84.33 km；突擊編隊繼續向前飛行42.87 km時至最大探測距離邊緣第三次拋灑5枚箔條彈，此時雷達的有效探測距離變為56.80 km，小于要求的雷達最大探測距離60 km，不再繼續拋灑箔條彈，突防編隊可以開始實施對地突防任務。

實際作戰中，要根據作戰需求和突防編隊實際能夠裝載箔條彈數量的多少，按照以上算法計算每次拋灑箔條彈的數量和位置，以取得符合實際和預期的干擾效果。

5 結 論

(1)本文提出的箔條云團轉發遠距干擾信號實施方法，通過箔條云團的散射將干擾能量從雷達主瓣注入，對比干擾機遠距旁瓣干擾方法可以取得更好的干擾效果。

(2)本文建立的實施正面突防時的箔條彈拋灑模型可以在突防過程中對敵地空導彈制導雷達最大探測距離持續有效地進行壓制，為執行突防任務的飛機編隊提供有效保護。