基于舰载雷达照射的箔条云散射功率分析

王 琦，刘明春

(1. 海军92941部队93分队,辽宁 葫芦岛 125001;2. 海军航空工程学院,山东 烟台 264001)

基于舰载雷达照射的箔条云散射功率分析

王 琦1，刘明春2

(1. 海军92941部队93分队,辽宁 葫芦岛 125001;2. 海军航空工程学院,山东 烟台 264001)

在无源干扰中,箔条云因其具有全频段、干扰能力强等特点而被广泛采用。空中目标发射箔条弹对舰空导弹武器系统跟踪制导雷达影响非常严重。首先分析了箔条云散射原理,研究了基于舰载雷达照射的箔条云散射功率数学模型,该模型考虑了不同体积单元回波起伏,给出箔条云散射功率的直观计算方法,将该模型转化为雷达径向上随机积分形式。最后,通过仿真分析,给出了不同距离段箔条云散射功率变化情况,并与点目标散射功率进行了对比,阐明了箔条云散射功率的变化规律,为分析箔条云的散射特性提供了简便可行的方法。

舰载雷达;箔条云;散射功率

现代战争条件下,无源干扰相对有源干扰而言,具有价格低廉、使用方便、干扰范围广和技术成熟等优势。箔条干扰作为重要的无源干扰样式,因其具有全频段、对任意体制的雷达均具备干扰能力，干扰效果明显等特点,在无源干扰中被广泛应用[1]。目前国内对箔条干扰特性的研究主要从单根箔条散射特性和箔条云整体的运动特性、功率谱等角度分析,在数学原理上,上述分析方法比较复杂,缺少对箔条云功率散射特性定量直观研究[2-4]。本文主要研究舰载雷达在对箔条云进行照射后,雷达接收机实际接收的箔条云反射功率的变化情况,并分析了箔条云对舰载雷达跟踪性能的影响,提出了对抗箔条云干扰的措施。

1 箔条云散射原理分析

常用的箔条是半波长金属丝,为线散射体,当电磁波照射箔条时,在交变电磁场作用下,箔条表面产生感应电动势和感应电流,根据麦克斯韦电磁波传播理论,交变电磁场将向空间继续传播。

实际战场条件下,对反舰导弹类目标,箔条弹主要应用在干扰敌方来袭导弹导引头对目标的捕获或跟踪方面[5],主要干扰方式为质心干扰、冲淡干扰和转移干扰等;对空中目标而言,箔条弹主要应用在掩护己方目标的大范围箔条走廊干扰[6]和掩护己方飞机的箔条假目标或箔条诱饵干扰,箔条诱饵或假目标要求在一段时间内具有和真实目标相近的飞行特征,如回波起伏特性,飞行速度、飞行高度等,强的箔条假目标干扰能够达到以假乱真的目的,同时箔条云回波强度要大于真实目标回波强度,有可能导致跟踪制导雷达接收机饱和,从而有效掩护己方目标[7]。箔条弹由发射至空中炸开到形成箔条云分为非成熟期和成熟期。非成熟期是指箔条从箔条弹中炸开但还没有完全扩散开的时期。在这一时期,箔条密度急剧减小,雷达后向散射截面急剧增大,其空间分布是不均匀和时变的,不具有干扰能力。成熟期是指箔条充分扩散后无论密度还是雷达后向散射截面都达到相对稳定的时期,成熟期的箔条云才具有防护目标的能力。

2 箔条云散射数学模型

箔条云由大量电偶极子组成,在空间上各个电偶极子取向、速度均呈随机分布,当舰载雷达发射的电磁波照射箔条云时,一种情况是箔条云内各个箔条对电磁波散射后,直接被接收机接收,散射过程如图1所示。

图1 箔条云单次散射示意图

另外一种情况是舰载雷达发射电磁波在箔条云内经各个箔条多次散射后,被雷达接收机接收,电磁波散射过程如图2所示。

图2 箔条云多次散射示意图

箔条云多次散射回波功率数学模型更加复杂,在箔条云完全散开时,大多数箔条均对入射电磁波进行一次散射,然后直接被雷达接收机接收,因此本文仅研究箔条云单次散射回波功率的数学模型。

当电磁波照射箔条云时,由于箔条的散射和吸收效应,单根箔条实际入射波功率可表示为:

(1)

(2)

其中,Pt为雷达发射功率,Gt为雷达天线增益,R为箔条雷达间距离,γ为衰减因子,ρ为箔条云内箔条数密度,σr为单根箔条平均RCS,s为积分变量。

(3)

为研究箔条云整体散射特性,可将箔条云划分为不同的体积单元[8],将不同体积单元箔条云散射回波进行合成,得到整个箔条云的电磁散射特性。电磁波照射箔条云不同体积单元时,该体积单元内箔条散射至雷达处的功率[9]可表示为

(4)

其中,σb为dV体积单元处箔条后向散射RCS。

σb=0.151λ2

(5)

在每一个体积单元中,假设每一个体积单元足够大,其中包括足够多的电偶极子,则这个体积单元散射

的回波信号幅度可表示为零均值复高斯过程,不同体积单元箔条云散射信号幅度相互独立,可用随机积分的形式表示。根据以上分析,雷达实际接收的特定体积单元回波信号功率可表示为

(6)

其中,NR为零均值复高斯白噪声,实部与虚部正交,不同体积单元NR相互对立。

利用式(6)通过体积积分计算整个箔条云散射回波信号在数学上不容易实现,可将箔条云不同体积单元转化为雷达径向上的积分:

对舰载雷达而言,箔条云均位于远距离段,在该距离上,箔条云基本位于雷达波束内,式(7)中忽略了天线波束形状变化引起的增益损失,G为波束主瓣对准目标时的天线最大增益。

3 仿真结果

假设舰载雷达发射功率Pt为100kW,发射信号波长为6cm,天线增益为40dB,箔条云与舰载雷达距离范围为100km～200km,箔条云半径为100m,箔条云内箔条数量为108。式(7)中积分为特殊积分,无法直接利用数值积分进行计算,可利用Matlab进行近似计算。舰载雷达接收的箔条云散射回波信号功率变化范围如图3所示。根据雷达方程,假设目标RCS为2m2,当目标与舰载雷达距离范围为100km～200km,目标散射功率变化情况如图4所示。

图3 不同距离箔条云散射回波功率变化

图4 不同距离点目标散射回波功率变化

4 仿真结果分析

图3中x轴为箔条云与舰载雷达距离R,y轴为箔条云直径r变化,z轴为不同距离、不同直径的箔条云反射功率Pr变化情况,图4中x轴为点目标与舰载雷达距离R,y轴为不同距离点目标反射功率Pr变化情况。

根据仿真结果,可得如下结论:

1)当箔条云与舰载雷达距离由100km变化至200km时,箔条云散射回波信号功率变化约为6dB,2m2点目标在相同距离段功率变化约为12dB,上述差别可由二者数学模型上的差别得出:雷达方程中,点目标散射回波信号功率与R4成反比;式(7)中箔条云散射回波功率近似与R3成反比,

2)在图3中,特定距离上箔条云散射回波信号功率在径向上积分时由于高斯白噪声的影响,会产生一定的起伏,随着径向积分距离的增加,式(7)的仿真结果逐渐趋近于一常数,即整个箔条云的回波散射功率。

3)从散射功率上看,在相同距离上箔条云散射回波信号比2m2散射回波信号强约100dB。在如此高的强干扰背景下,要实现对弱目标的检测是非常困难的。如果雷达接收机能够成功检测目标信号,在箔条云回波信号强度比目标信号强度高100dB情况下,箔条云

反射回波很可能造成雷达接收机饱和而失去正常工作能力(一般雷达接收机的动态范围约为80dB左右)。在武器系统试验中,可根据本文提出的箔条云散射功率模型合理设计箔条云的大小和发射距离,从而考核武器系统抗箔条干扰能力。

5 结束语

箔条云散射情况一直是国内外理论研究的重点,本文从箔条云散射特性出发,给出了箔条云散射功率的数学模型,结合舰载雷达照射的特点,将该模型转化为雷达径向上的随机积分形式,能够通过计算机仿真方法直接计算不同距离、不同体积的箔条云团散射回波功率,为复杂电磁环境下武器系统干扰环境的构建和干扰强度分析提供了有力的工具。

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Scattering Power Analysis of Chaff Cloud Echo on Shipboard Radar Emitting

WANG Qi1， LIU Ming-chun2

(1. Navy 92941 Troop， 93 Unit, Huludao 125001;(2. Naval Aeronautic and Astronautic University, Yantai 264001, China)

Chaff cloud has the characteristics of the whole frequency and effectiveness in passive jamming. Chaff rocket emitted from aerial carrier has bad effect on tracking-and-guiding radar of ship-to-air missile weapon system. Firstly, the chaff cloud scattering theory is analyzed. And then the stochastic integral maths model of chaff cloud power is advanced considered of different volume echo amplitude fluctuating, the range profile integral maths model is advanced for convenience analyzing. The result shows the maths model can be correctly used to calculate the chaff cloud echo power for estimating its scatter characteristics.

shipboard radar; chaff cloud; scattering characteristics

1673-3819(2017)01-0098-03

2016-07-31

王 琦(1976-),女,四川仁寿人,硕士,高级工程师,研究方向为导弹武器系统试验。 刘明春(1983-),男,助理工程师。

TN958；E917

A

10.3969/j.issn.1673-3819.2017.01.021

修回日期： 2016-10-18