雨天毫米波制导导弹打击岛礁区水面目标研究

曹瀚元,董受全,隋先辉

(海军大连舰艇学院,辽宁 大连　116018)



雨天毫米波制导导弹打击岛礁区水面目标研究

曹瀚元,董受全,隋先辉

(海军大连舰艇学院,辽宁 大连116018)

岛礁区作战中,具有二次开机的雷达制导导弹开机后极有可能漏捕目标而错捕岛屿。针对该问题,研究利用适量降雨衰减毫米波雷达的作用距离,使得导引头在全程搜索飞行的过程中先捕目标而不捕岛,到达与末制导雷达提前开机一样的作战效果。基于雨天背景,分析了降雨对毫米波雷达作用距离衰减的影响,总结了毫米波制导导弹打击岛礁区附近目标作战的具体步骤和方法,对反舰导弹岛礁区作战使用具有一定的参考价值。

毫米波雷达;雨衰减;岛礁区;雷达作用距离

反舰导弹打击岛礁区附近目标已成为导弹作战使用面临的严峻挑战,以往文献主要研究具有一次开机功能的反舰导弹通过提前预设开机点,剔除岛屿的作战方法,而当前国外先进的反舰导弹例如俄罗斯的“宝石3K55”、美国的“先进反舰导弹”都具备二次开机的功能[1],这虽然提高了反舰导弹自身的隐蔽性和突防能力,但是由于导引头设定了第二次开机距离,导致搜捕区域很有可能再次覆盖到岛礁和目标,从而影响对目标的捕获,降低对岛礁区目标的捕捉概率。

为解决这个问题,本文提出在降雨情况下使用具有一次开机功能的毫米波末制导雷达对岛礁区附近目标实施打击的作战理念。在传统作战思维中,毫米波雷达作用距离受到雨天影响较大,一般情况下不建议指挥员使用。但是在适当的雨量下,衰减后的毫米波末制导雷达作用距离恰恰实现了类似提前开机的作战功效,使得雷达的搜捕远界覆盖不到目标和岛礁。当导弹垂直攻击岛礁区时,导引头从完成一个选择搜索周期,再到转入全程搜索后,导弹继续飞行搜索目标,目标随着弹目距离的缩短进入导引头搜捕区,此时导弹再捕捉锁定目标,从而剔除了岛礁的影响。本文通过构建在降雨衰减影响下毫米波雷达探测距离模型,分析在不同降雨条件下三种极化特性的毫米波末制导雷达作用距离衰减的趋势,并提出典型降雨量下反舰导弹打击岛礁区附近目标的作战使用方法流程,更好地为指挥员提供参考数据。

1　毫米波末制导雷达衰减特性

1.1毫米波末制导雷达探测优势

目前国外许多导弹的末制导技术都采用了毫米波雷达。例如,国际合作研制的“布拉莫斯PJ-10”反舰导弹,其工作频率为ka波段;美国国防部支持研制的“先进反舰导弹”,其制导技术采用了前视红外和毫米波雷达的双模导引头;俄罗斯研制的“花岗岩”反舰导弹的工作频率为35GHz[1]。毫米波末制导雷达现已广泛用于反舰导弹作战使用中,其优势与厘米波雷达相比尤为明显。由于其频带极宽,从而在探测目标时有更高的角分辨率和距离分辨率,在雷达作用距离很远时依然可以实现对目标高精度的距离分辨能力。同时,因为多普勒带宽宽,其多普勒效应显著,所以大大提高了对目标的测速精度。采用“窄波束技术”探测后,背景的区域面积变窄,其产生的杂波影响大大降低,提高了雷达自身抗干扰和抗背景杂波的能力。同时,毫米波雷达通过回波处理,使得导引头能获取目标更精细的结构特点,大大提高了导引头对多目标选择和在复杂背景条件下识别目标的能力。因此,毫米波雷达已经演变成在复杂环境下打击水面目标的重要杀手锏。

1.2毫米波雷达最大作用距离

末制导雷达最大作用距离是衡量其搜索、捕捉目标能力的重要效能指标,通常表征为在确定的观测环境下,雷达在天线波束最大增益方向上探测目标的距离,其大小主要取决于雷达向空间发射的射频能量,雷达接收机的灵敏度、雷达天线有效面积和目标的雷达截面积等。对于微波雷达,雷达作用距离方程中的自由空间损耗往往可以忽略,然而对于毫米波雷达,则可能是限制雷达性能的最重要因素,因此,在不同自由空间损耗情况下毫米波的最大作用距离是表征雷达性能的一个很重要的指标。

当接收到的目标回波信号功率Ps刚好等于雷达最小可检测信号功率Psmin时,即实际的信噪比与最小信噪比相等时,雷达最大作用距离如下式[2]：

(1)

式中，Rmax是气象条件影响下的毫米波雷达作用距离,单位为km;Pt是雷达发射的峰值功率,单位为W;λ是雷达波长,单位为m;δ是雷达目标截面积,单位为m2;Kb是波尔兹曼常数,取1.38×10-23J/K;T0是标准参考温度,取T0=290K时,则通过公式可以求得KbT0=4×10-21W/Hz;Bn是接收机噪声带宽,单位为Hz;Fn是接收机噪声系数,单位为dB;Smin为雷达最小检测信噪比;Ls是系统损耗;Latm为大气衰减损耗。

虽然毫米波雷达有探测精度高的优势,但在复杂气象条件下会受到衰减。毫米波雷达作用距离除受到自身雷达性能参数影响之外,还受到大气衰减的损耗,而降雨衰减是其中重要的组成部分,从上述数学模型中可以看出在确定一型导引头的相关技术参数后,雷达的作用距离势必随着大气衰减损耗Latm的变化而变化,所以研究复杂气象条件下的毫米波雷达作用距离,就必须要分析雷达作用距离的数学模型。

1.3降雨对毫米波雷达作用距离的影响分析

降雨造成的衰减和杂波对毫米波雷达性能产生了重要的影响[3]。降雨衰减将缩短雷达的探测距离,降低雷达接受目标回波的信噪比,当雨量增大时,更使得雷达无法正常工作。此外,当目标在降雨范围内时,雷达会受到雨后向散射回波的影响,产生假回波、强大的杂波信号,甚至会淹没真实目标,为雷达探测目标带了困难。同时,降雨还会增加毫米波雷达接收天线的噪声温度,影响雷达对信号的检测能力,降低信噪比。

1)降雨对大气衰减损耗影响分析

大气衰减损耗Latm与大气衰减系数αs和雷达作用距离Rz有关,而大气衰减系数αs又与标准大气压下氧气、水蒸汽和雨雾的衰减系数有关[4],即

Latm=100.2αsRz

(2)

αs=αO2+αH2O+Kt(αrain+αfog)

(3)

其中雷达作用距离Rz是通过雷达自身相关参数设定后计算出的最大作用距离,为便于分析实际问题,本文研究只基于降雨天气的情况,将大气衰减中的氧气、水蒸汽及其他天气系统的衰减系数独立出来不做考虑,Kt为雨雾衰减的温度修正系数,这里取1。因此,针对本文研究加以简化的模型为

αs=Ktαrain

(4)

2)降雨率

降雨率R又称为单位时间内的降雨量,其等级分为毛毛雨、小雨、大雨、暴雨等,常用单位是mm/h,降雨量等级如表1所示[5],降雨量的大小会影响到降雨衰减率αrain的变化。

表1　降雨等级

3)降雨衰减率数学模型

通常在降雨均匀的情况下,降雨衰减通过公式即可求得,相对容易,但在实际海战场环境下,降雨往往是随着空间、气候等因素呈现出不均匀性和随机性,不便于工程运用和计算。因此,本文参照的模型为国际电信联盟ITU-R所确定的降雨衰减模型。该模型可操作性强,具有普遍适用性,为典型的经验公式，即

αrain=kRγ

(5)

k=[kH+kV+(kH-kV)cos2θcos2ξ]/2

(6)

γ=[kHγH+kVγV+(kHγH-kVγV)cos2θcos2ξ]/(2k)

(7)

其中,αrain表示雨衰减率,单位是dB/km;R代表降雨率,单位是mm/h;θ为毫米波雷达导引头仰角,这里取5°;ξ为极化特征,当ξ=0°时表示水平极化,当ξ=90°时表示垂直极化,当ξ=45°时表示圆极化。kH、γH、kV、γV由参考文献[4]查表得到。

1.4算例仿真及结果分析

下面根据一个算例来具体分析降雨量对于毫米波雷达作用距离的影响,参数设置如表2所示。

表2　某型雷达性能参数

根据设置的参数,通过Matlab数据仿真,分别得出雨衰减量从毛毛雨到中雨的变化下,不同极化方式末制导雷达最大作用距离的衰减趋势,如图1-3所示。

图1　水平极化下衰减雷达作用距离

图2　圆极化下衰减雷达作用距离

图3　垂直极化下衰减雷达作用距离

从仿真数据可以得出以下结论:

衰减的趋势是一个先骤减再趋于平缓的过程,当雨量为0mm时,雷达最大作用距离为装订参数下计算出的理论作用距离38.7km。当降雨量在毛毛雨的情况下,即雨量0.1mm-1.0mm,三种极化方式下雷达作用距离都从34km左右迅速衰减至12km左右。当降雨量从毛毛雨增至小雨边界时,即降雨量1.0mm-2.5mm时,雷达作用距离从12km左右平滑衰减至2.5km左右,当雨量增至中雨时,即雨量2.6mm-8mm,雷达作用距离从2.5km左右平稳衰减至0km左右。

三种不同的极化方式中,衰减趋势最为迅速的是水平极化方式,其次是圆极化方式,最后是垂直极化方式,此数据说明在垂直极化方式下抗雨衰减的能力要相对较强。

综上所述,降雨量的大小将直接影响到毫米波雷达的最大作用距离,当雨量超过小雨后,末制导雷达的作用距离将变得非常小,说明毫米波雷达对于天气条件的要求非常高,只有在细小的雨滴和晴天时才能发挥其最大的工作效能。

2　岛礁区攻击特点分析

2.1孤立岛屿与水面目标的态势关系

根据我舰相对岛屿的距离远近以及目标舰与我舰船相对岛屿的分布情况,其位置关系大致可分为敌我在岛礁同侧和敌我在岛礁异侧,其中距离远近的界定以视距为界进行区分,如图4、图5所示。

图4　敌我在岛礁同侧态势

图5　敌我在岛礁异侧态势

2.2导弹射向

这里的导弹射向是指末端航路上导弹与目标的连线与靠近目标一侧岛岸边沿切线的角度关系。对岛礁区附近目标的攻击方向可分为向着岛礁射击和平行岛礁射击两种,而向着岛礁射击中,垂直岛礁打击方式最为典型,如图6所示。导弹射向的不同直接影响末制导雷达对岛岸附近舰船目标的搜捕能力。本文重点分析平行岛岸射击和垂直导岛岸射击两种典型情况。

平行岛岸射击,指的是导弹进入航向自动导引前的末端航路与靠近目标一侧岛岸边沿切线平行或近似平行(偏角±30°)。垂直岛岸射击,指的是导弹进入航向自动导引前的末端航路与靠近目标一侧岛岸边沿切线垂直或近似垂直(偏角±30°)。

图6　导弹射向

2.3垂直打击岛礁时末制导雷达搜捕目标基理

末制导雷达开机后,如果在一个选择搜索周期内没有发现指定目标时,会进入全程搜索,若在远界捕获到目标之后的一个方位搜索周期内,没有捕获到岛屿,则视为对岛礁区附近目标成功捕获,也就是雷达在搜索过程中先接触到目标而剔除岛礁对目标的影响,即雷达搜索区没有覆盖岛礁。

当反舰导弹垂直岛岸射击时,若要使得末制导雷达捕捉到目标而不捕岛岸需要做到:一是保证末制导雷达开机搜索时目标回波不被岛岸背景湮没且满足分辨力要求(纵向);二是雷达开机后岛岸尽量不进入雷达搜索范围;三是跟踪阶段岛岸回波不进入雷达跟踪波门。垂直岛岸射击的优势在于受散布误差影响较小,不易被岛岸背景干扰;劣势则在于对异侧目标攻击时,航程损失大,隐蔽突然性较差。

2.4末制导雷达提前开机基理

当导弹射向垂直于岛礁进行攻击时,通过改变导弹自控飞行时间,使得末制导雷达在理论开机点之前开机搜索目标,并利用末制导雷达搜索区远界搜索捕获目标。提前开机的距离应确保末制导雷达在进行全程搜索时,目标不在搜索区内,之后目标随着弹目距离的缩短进入导引头搜捕区的远界,此时导弹在全程搜索的飞行阶段内利用搜索区的远界(前沿)首先探测到目标,并将其捕获,从而有效地避免错捕岛屿。

3　典型降雨量下毫米波雷达打击岛礁区附近目标的方法

研究雨天打击岛礁附近目标的方法,需要通过以下几个步骤实施。第一阶段是预报分析海区天气环境,根据海区作战环境的天气预报,实时估算出大致的降雨量范围,这是明确毫米波雷达是否能投入到作战使用中的先决条件。第二阶段是掌握判断岛目态势,评估岛目距离是否大于末制导雷达导引头的最小分辨率,若岛目距离粘连或是目标系泊在岛边,则末制导雷达无法捕获目标,不建议使用雷达导引体制的导弹实施攻击。第三阶段是设定计算衰减参数,在掌握前两个要素的基础上确定装订什么型号的毫米波雷达制导导弹,因为雷达作用距离与雷达性能参数相关,所以不同型号的雷达,作用距离不一样。在确定了雷达型号后,依照文中所提的衰减模型可大致计算出雨量衰减后的雷达作用范围。最后一个阶段是导弹作战实施,需要进行导弹作战准备,包括射前检查、航路规划、射击诸元解算、装订不同捕获模式(是选大还是选近)等。通过以上步骤可有效利用适当降雨量对毫米波雷达作用距离的衰减,实现与提前开机一样的作战效果,从而剔除了岛礁区背景对于目标捕获的影响,促成反舰导弹对目标的有效打击,具体作战流程如图7所示。

图7　典型雨量下毫米波制导导弹打击岛礁区附近目标作战流程

下面根据想定算例,具体制定一个典型降雨背景下的作战方案。

假设当前雨量为0.3mm/h至1mm/h,岛目态势如图8所示。

图8　岛目态势

根据步骤进行分析:

1)这种态势下,雨量为毛毛雨不影响毫米波雷达使用,建议指挥员选择合适型号的导引头投入战场使用。

2)观察岛目态势,分析后发现使用垂直于岛礁的方式打击目标满足现有装备的性能需求,向指挥员请示使用毫米波段导弹打击目标。

3)根据第一、二阶段判断,指挥员下定打击决心,选择毫米波雷达制导导弹。假定性能参数见表2,雷达最大作用距离为38.7km,搜索区远界39km,近界6.6km,雷达毫米波段距离分辨率为1.5km,雷达一个搜索波门周期的时间为3.0s,导弹飞行速度为300m/s,通过式(1)计算出衰减雷达作用距离,如表3所示。

表3　衰减后雷达作用距离

4)毫米波雷达雨中使用判据

判断末制导雷达开机后能否正常捕捉目标的边界条件值是导弹搜捕区近界、岛目距离以及完成一个搜索波门周期导弹飞行的距离三者之和,即导弹投入使用中的最小可探测距离dzmin,它是随着导弹性能参数以及岛目距离而变化的值。因为只有当雷达自导作用距离大于此边界值时,才能保证雷达可探测到目标,若小于该值,说明目标和岛岸已经进入雷达搜捕盲区,导引头无法对目标进行探测,失去捕捉能力。

根据导弹性能和岛目态势计算出导弹投入使用中的最小可探测距离dzmin,即

dzmin=dJ+dDM+v·t

(8)

其中,dzmin为最小可探测距离,单位为km;dJ为搜捕区近界,单位为km;dDM为岛目距离,单位为km;t为一个距离波门的搜索周期,单位为s;v为导弹飞行速度,单位为m/s。

通过公式(8)计算可得dzmin为9.5km,将此边界值与表格中的数据进行比对,得出衰减后的雷达作用距离均大于最小可探测距离,可以正常搜捕目标。所以,无论选择何种极化方式,这种雨量情况下,使用毫米波雷达可以实现与提前开机一样的作战效果,剔除岛礁背景的影响,同时在选捕模式中装订“选近”或是“航控”可提高对目标的捕捉概率。

通过对上述算例的分析和计算,可以大致提出以下几点作战使用的结论:

1)当雨量满足毫米波末制导雷达使用条件时,建议使用毫米波雷达制导体制的导弹对岛礁附近目标实施攻击,提高导弹作战使用的突然性。

2)为满足对预定目标的搜索,尽可能提高导弹自控终点散布精度,建议使用具有卫星导航系统的导弹武器。

3)雨天使用毫米波制导导弹时,需要准确预测目标海区的气象环境。

4)在适当雨量条件下,建议导弹雷达导引头使用垂直极化方式。

4　结束语

虽然雨天对于毫米波雷达导引头有着抑制和衰减的影响,但指挥员只要在合理的降雨范围内使用导弹,是可以达到成功搜捕目标而剔除岛礁影响的作战效果。后续工作应该在本文的研究基础上,着重分析降雨天气系统、雨雾天气对于毫米波雷达作用距离衰减的影响以及岛目态势对于目标回波的影响等问题,深入研究反舰导弹打击岛礁区附近目标的作战使用方法。

[1]魏毅寅. 世界导弹大全[M].北京：军事科学出版社,2011.

[2]向敬成,张明友.毫米波雷达及其应用[M].北京：国防工业出版社,2005.

[3]李德鑫,杨日杰,蔡晓琳,等. 降雨对机载雷达作用距离影响分析[J].电光与控制,2011,18(11):36-39.

[4]白继玲.毫米波在大气中传播的衰减分析[D].西安：西安电子科技大学，2013.

[5]周立佳.航海气象[M].北京：解放军出版社,2005.

Research on Millimeter Wave Guided Missile Attacking Reef Island Area Surface Target on Rainy Day

CAO Han-yuan, DONG Shou-quan, SUI Xian-hui

(Dalian Naval Academy, Dalian 116018， China)

During operations of reef island area, the radar guided missile with the second startup function may not capture the target but island after radar startup. Aiming at this problem, combat effect on an appropriate amount of rain attenuation decaying the millimeter wave radar distance are researched as well as the radar pre-starting. It makes seeker capture the target not reef island within the whole search process. On the basis of rainy day, the effect on rainfall decaying millimeter wave radar distance are analyzed, and combat specific steps and methods for millimeter wave guidance missiles striking reef island area target are summarized, which has the certain value on the anti-ship missile combat in reef islands.

millimeter-wave radar; rain attenuation; reef island area; radar distance effect

1673-3819(2016)04-0039-05

2016-03-11

2016-03-23

曹瀚元(1989-)，男，江苏南通人，硕士研究生，研究方向为反舰导弹作战使用。

董受全(1968-)，男，博士，教授。

TJ761.12；E86

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2016.04.009

隋先辉(1975-)，男，硕士，副教授。