半主動(dòng)尋的武器區(qū)分鏡像目標(biāo)的仿真分析*

劉麗龍,劉 釗,陳世豪,高王升,隋大鵬

(上海機(jī)電工程研究所, 上海 201109)

0 引言

超低空飛行的反艦導(dǎo)彈是現(xiàn)代海上艦艇編隊(duì)面臨的重要威脅因素,在主動(dòng)或半主動(dòng)武器尋的制導(dǎo)過(guò)程中,鏡像多路徑效應(yīng)嚴(yán)重影響了彈上導(dǎo)引頭對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)和跟蹤[1-4]。文中試圖給出一種基于半主動(dòng)尋的武器跟蹤鏡像和目標(biāo)的關(guān)系模型,并進(jìn)行建模仿真[5],為規(guī)避超低空鏡像干擾提供思路和參考。

1 半主動(dòng)制導(dǎo)鏡像原理

在半主動(dòng)尋的制導(dǎo)系統(tǒng)中,載艦(地面)制導(dǎo)雷達(dá)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行照射,彈上導(dǎo)引頭接收目標(biāo)反射的回波信號(hào),并以制導(dǎo)雷達(dá)副瓣直波信號(hào)作為頻率基準(zhǔn)來(lái)解算目標(biāo)的多普勒頻率。

半主動(dòng)制導(dǎo)武器在下視攔截超低空目標(biāo)時(shí),由于多路徑效應(yīng)[6-9](實(shí)際情況下,還存在著大量的漫反射,為便于分析主要矛盾,對(duì)模型簡(jiǎn)化分析)引起的鏡面反射,照射多路徑AT和AOT干涉結(jié)果使照射天線波瓣產(chǎn)生,在干涉點(diǎn),照射器在目標(biāo)處的增益下降可達(dá)20 dB以上,影響導(dǎo)引頭回波信號(hào)的信噪比,同時(shí),目標(biāo)反射多路徑TM和TO′M,使導(dǎo)引頭測(cè)角產(chǎn)生誤差,嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致導(dǎo)引頭跟蹤鏡像目標(biāo),造成脫靶。

導(dǎo)引頭跟蹤鏡像目標(biāo)的原理示意如圖1、圖2所示。

圖1 制導(dǎo)照射鏡像示意圖

圖2 導(dǎo)彈跟蹤目標(biāo)鏡像示意圖

2 鏡像目標(biāo)回波功率計(jì)算模型

低空條件下,圖2中導(dǎo)引頭接收的目標(biāo)和鏡像功率為:

(1)

(2)

ΔP=P目-P鏡≈10lg(σ1/σ2)+20lg[gr(θ1)/gr(θ2)]-20lgρ

(3)

2.1 照射天線增益干涉因子計(jì)算模型

根據(jù)圖1得到,照射目標(biāo)路徑差引起的相位差為:

(4)

(5)

(6)

式(4)～式(5)中：yA為制導(dǎo)雷達(dá)距海/地面的距離；yT為目標(biāo)距海/地面的距離。

通常情況下,在攔截超低空目標(biāo)時(shí),為避免制導(dǎo)照射雷達(dá)波束掃到地/海面引起大面積反射,對(duì)其跟蹤目標(biāo)的最低仰角進(jìn)行限位。因此,假定照射波束仰角限位時(shí),限位角為α0,模型如下:

導(dǎo)彈飛行過(guò)程中當(dāng)α1≥α0時(shí),利用天線方向圖歸一化方向性系數(shù)(dB表示)查出F(α1+α2)。

根據(jù)f1=1，f2=10exp(F(α1+α2)/20),求得干涉因子:

(7)

當(dāng)α1<α0時(shí),利用天線方向圖歸一化方向性系數(shù)查出:F(α0-α1),F(α0+α2)。

根據(jù)f1=10exp(F(α0-α1)/20)，f2=10exp(F·(α0+α2)/20)，按式(7)求得干涉因子。

2.2 海/地面反射系數(shù)計(jì)算模型

海/地面反射系數(shù)[1-2]為：

ρ=ρ0ρs

(8)

(9)

(10)

3 鏡像目標(biāo)影響仿真分析

在正常條件下,導(dǎo)引頭回波接收機(jī)速度回路截獲目標(biāo)后,接收機(jī)測(cè)量出目標(biāo)與天線電軸的角偏差,即雷達(dá)誤差,然后接通伺服系統(tǒng)跟蹤目標(biāo)。當(dāng)天線穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)后,接收機(jī)產(chǎn)生的雷達(dá)誤差反映了目標(biāo)視線角速度,彈上計(jì)算機(jī)送出誤差修正指令。

在鏡像干擾條件下,接收機(jī)測(cè)量出的雷達(dá)誤差反映了目標(biāo)和鏡像瞬時(shí)功率重心與電軸的角偏差。而功率重心的影響可分為兩部分:一部分為由于頻差(相位變化)引起的周期性變化,簡(jiǎn)稱為相位重心;另一部分為由功率差決定的功率重心。

實(shí)驗(yàn)室條件下,對(duì)于圖2中的典型情況(θ1=1°,θ2=-1°)進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證,測(cè)試結(jié)果如表1。

表1 天線對(duì)雙目標(biāo)的跟蹤角 (°)

測(cè)試發(fā)現(xiàn)：1)在目標(biāo)與鏡像功率差穩(wěn)定的條件下,即功率重心一定時(shí),當(dāng)fd<20 Hz時(shí),導(dǎo)引頭天線響應(yīng)由相位重心周期性變化引起雷達(dá)誤差,擺動(dòng)跟蹤以消除雷達(dá)誤差,其跟蹤剩余雷達(dá)誤差與目標(biāo)或鏡像視線角速度無(wú)關(guān),因此會(huì)產(chǎn)生附加擾動(dòng)指令;2)在功率差穩(wěn)定的條件下,即功率重心一定時(shí),當(dāng)fd≥20 Hz時(shí),導(dǎo)引頭天線穩(wěn)定跟蹤在由相位重心引起的雷達(dá)誤差平均值確定的位置上,該位置與功率重心有關(guān),而相位重心引起的雷達(dá)誤差經(jīng)濾波后,不產(chǎn)生直流零位,因此不產(chǎn)生附加指令;3)當(dāng)ΔP大于一定功率時(shí),Δfd為20～100 Hz時(shí),天線基本跟蹤目標(biāo);4)當(dāng)頻差為800～1 000 Hz時(shí),導(dǎo)引頭在頻域上可區(qū)分鏡像;理論條件下,當(dāng)鏡目張角大于一定度數(shù)(約0.85～0.9波束寬度)時(shí),導(dǎo)引頭基本可在空間選擇跟蹤目標(biāo)或鏡像。

對(duì)遭遇斜距12 km、目標(biāo)高度30 m、航路捷徑1 km、目標(biāo)速度300 m/s進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖3～圖7。

圖3 目標(biāo)與鏡像多普勒頻差

圖4 目標(biāo)與鏡像角度差

圖5 反射系數(shù)

圖6 AGC、相干電壓

圖7 目標(biāo)與鏡像功率差

試驗(yàn)中由于目標(biāo)高度較低,因此導(dǎo)引頭無(wú)法區(qū)分目標(biāo)與鏡像,由于多普勒頻差大于20 Hz,因此導(dǎo)引頭視在中心介于目標(biāo)與鏡像之間,由功率差決定。而功率差主要受反射系數(shù)和目標(biāo)反射截面影響,具有隨機(jī)性,在13 s前,角度差小于1°,鏡像影響較小,隨著角度差增大,隨功率差起伏鏡像對(duì)雷達(dá)誤差的影響變大。從AGC曲線上可以觀察到功率差的影響。在雙信號(hào)條件下,AGC會(huì)產(chǎn)生交調(diào),交調(diào)頻率為頻差,交調(diào)深度取決于功率差,功率差越小,調(diào)制深度越大,調(diào)制深度還受到AGC帶寬(100 Hz)的影響。

4 結(jié)論

半主動(dòng)制導(dǎo)體制的導(dǎo)彈在對(duì)超低空目標(biāo)進(jìn)行攔截時(shí),導(dǎo)彈受到鏡像目標(biāo)的影響,導(dǎo)引頭跟蹤的角跟蹤誤差與目標(biāo)和鏡像之間的多普勒頻差(fd)、功率差(P)等外部因素(如彈道,海面反射系數(shù))有關(guān),同時(shí)還與導(dǎo)引頭的天線方向圖、速度跟蹤回路帶寬、AGC歸一化帶寬、天線伺服帶寬等因素有關(guān)。