浮空式角反射体阵列布放间隔寻优研究

王　聘, 胡生亮, 姚　强, 张　俊

(1.海军工程大学电子工程学院, 湖北 武汉　430033;2.齐齐哈尔建华机械有限公司, 黑龙江 齐齐哈尔　161000)

随着反舰导弹导引头技术的不断升级,箔条干扰技术日益受到挑战。作为一种无源干扰器材,浮空式角反射体在极化、频宽、起伏等特性方面与舰艇相似度较高,在对抗具有箔条识别能力的反舰导弹导引头方面有明显优势,其典型代表有以色列“维扎德(Wizard)”反雷达假目标[1]、丹麦“PW216 Mod2”箔条/角反射体复合干扰弹[2]、法国“希尔蒙(Sealem)”角反射体诱饵[3]以及德国“舷外角反射体(OCR)” 诱饵[4]。

目前,国内外尚未发现浮空式角反射体实际作战使用的相关记载,本文借鉴箔条的作战经验[5],在空中连续投射多枚浮空式角反射体干扰弹,以形成目标特性与舰艇较相似的浮空式角反射体阵列,对来袭导弹实施无源干扰。由于布放间隔会影响浮空式角反射体阵列的RCS幅值和径向尺寸,为提高干扰成功概率,本文以6个垂直边长为0.5m的浮空式角反射体组成的阵列为研究对象,从RCS幅值入手,结合散射中心合成算法和CST软件对其布放间隔进行优选研究,旨在不改变角反射体个数的条件下,提高浮空式角反射体阵列的RCS幅值,从而增大干扰胜算。其研究思路可为浮空式角反射体干扰弹的实际布放使用提供理论参考,具有一定的军事应用价值。

1　散射中心合成算法

文献[6-8]中提出,多枚漂浮式角反射体布放到海面上之后,由于受到作战海区的海水流速、流向、风速、风向等环境条件影响,多个角反射体的位置区域大致可看成一个以原点O为中心的椭圆范围。类比漂浮式角反射体,多枚浮空式角反射体发射到空中后所覆盖的空域可近似为一个以原点O为中心的椭球。由于反舰导弹末制导雷达开机时与角反射体群的距离比较远,满足远场条件,照射目标的入射波可以近似看成平面波[6],此时,只需考虑投影在同一水平面上的角反射体之间的间隔带来的影响。则角反射体群的态势如图1所示。

图1中,多枚角反射体大致分布在一个以原点O为中心的XOY平面上的椭圆范围内。n个角反射体落点的坐标分别为(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)。其中θ为俯仰角,φ为方位角。

根据文献[6-8]提出的散射中心合成算法可知,当反舰导弹雷达导引头发射的电磁波沿F(θ,φ)方向入射时,角反射体群总的散射面积可以认为是这n个角反射体散射中心贡献的相干合成[9]。且总散射面积满足：

(1)

式中,Si为指定雷达波入射方向上单个角反射体作用下的散射面积;ri为每个角反射体与雷达接收机之间的距离;c为光速;f为雷达波频率;λ为波长。

由于在远场条件下,入射雷达波可以近似看成是平面波,设原点O到反舰导弹的距离为r0,式(1)中任意角反射体到反舰导弹的距离ri可以看成是r0与该角反射体和原点O在入射方向上投影距离差Δri的和。将上述关系代入式(1),可得

(2)

设第i个角反射体坐标Pi=(xi,yi,0),入射方向为n=(sinθ·cosφ, sinθ·sinφ, cosθ),利用图1给出的几何关系模型,可推出投影距离差Δri的计算公式。

Δri=dot(Pi,n)=xisinθcosφ+yisinθsinφ

(3)

式中,dot(·,·)表示两向量的内积。

2　基于CST的单个浮空式角反射体全向RCS数据库构建

对浮空式角反射体阵列RCS进行混合预估时,首先需要获取单个角反射体的RCS,然后利用散射中心合成算法将各角反射体的RCS贡献量相干叠加,从而得到角反射体群的RCS。由于浮空式角反射体采用双棱锥形结构,其8个三角形三面角反射体共点,目前在理论上还未推导出其全向RCS表达式,因此,本文采用CST电磁仿真软件获取单个角反射体的全向RCS数据库。

2.1　CST电磁仿真软件简介

CST目前是全球最大的纯电磁场仿真软件公司。其工作室套装(CST STUDIO SUITE)是面向3D电磁场、电路、温度和结构应力设计工程师的一款专业仿真软件包,包含七个工作室子软件,集成在同一用户界面内,可以为用户提供完整的系统级和部件级的数值仿真分析。与业界另一种常用的电磁仿真软件FEKO相比,CST对于电大、电极大目标在保证计算精度的同时,仿真效率要显著高于FEKO。

软件覆盖整个电磁频段,一共提供了7个完备的时域和频域全波算法。仿真自带全新的理想边界拟合技术和薄片技术,与其他传统的仿真器相比,在精度上有数量级的提高。为了取得更好的求解效果,该软件提供了4种不同的求解器,用在各自最适合的应用领域。由于瞬态求解器对绝大多数的高频应用都极为有效,并包含有最新的多级子网技术,能够提高网格划分效率,极大加快仿真速度,对复杂器件尤为有效,因此本文采用该求解器进行仿真实验。

2.2　单个浮空式角反射体全向RCS数据库构建

浮空式角反射体采用标准的双棱锥形结构,本文首先利用Solidworks建模软件建立垂直边长为0.5m的单个浮空式角反射体三维模型,然后将该模型导入CST软件进行仿真。考虑到反舰导弹飞行高度及末制导雷达开机距离,假定电磁波水平照射角反射体,即俯仰角θ=90°;同时设置电磁波以水平极化方式入射,频率f=10GHz,模式为单站散射,算法为弹跳射线法(Shooting and Bouncing Rays, SBR),方位角φ∈[0°,360°](步长1°),仿真界面如图2所示。最终,仿真得到单个浮空式角反射体的全向RCS数据库,并将其利用图像形式表示,结果如图3所示。

可见,由于结构上严格的对称性,浮空式角反射体全向RCS随方位角以90°为周期规则变化,在同一周期内,入射角度不同,其RCS会有很大的差异,这也说明浮空式角反射体不同的朝向对阵列的RCS具有很大的影响,因此,本文在研究过程中将朝向考虑在内。

3　基于散射中心合成算法的浮空式角反射体布放间隔寻优

雷达制导反舰导弹主要是通过目标的电磁散射特性对目标进行分选与跟踪,而RCS幅值是度量目标二次散射功率的一个重要的物理量[10]。由公式(2)可知,影响角反射体阵列RCS幅值的因素主要包括单个角反射体的RCS和角反射体之间的布放间隔d,角反射体的尺寸和入射电磁波频率一定时,其RCS也随之固定,因此本文仅考虑布放间隔的影响,并根据RCS幅值对其布放间隔进行寻优。

3.1　浮空式角反射体布放态势建模

在实际反导作战中,为使角反射体阵列最大限度的模拟目标舰艇径向尺寸,通常会沿舰艇纵轴(即舰的首尾线)方向布放角反射体阵列,然后舰艇沿原方向快速机动驶离。由于浮空式角反射体下降速度慢,且忽略风向、风速的影响,可认为角反射体阵列在反舰导弹逼近之前始终平行于舰艇纵轴方向。

为保证作战的灵活性,浮空式角反射体干扰弹电子引信通过编程设定,理论上可实现任意间隔的布放,因此,不妨假设各角反射体之间的布放间隔一致,但浮空式角反射体在展开、浮空过程中,受各种因素的影响,其朝向是随机的。为简化寻优过程,本文限定角反射体的个数为6个,相邻角反射体之间的间距d∈{5,10,15,20,25,30,35,40},单位为(m),各个角反射体的朝向ζ∈{0,360°},电磁波入射方位角φ∈{0,180°}。

基于上述假设,构建浮空式角反射体布放态势模型。定义直角坐标系X轴与目标舰艇纵轴平行,指向舰首方向;Y轴与舰横轴平行,指向左舷;Z轴垂直于甲板面,指向天顶。定义浮空式角反射体阵列整体与目标舰艇纵轴平行,各角反射体均竖立布放且间隔相同,但朝向随机。定义俯仰角θ为反舰导弹末制导雷达电磁波入射方向的反方向与Z轴的夹角,方位角φ为电磁波入射方向的反方向在XOY平面上的投影与X轴的夹角。综上所述,浮空式角反射体布放态势如图4所示。

3.2　浮空式角反射体布放间隔寻优

根据上述浮空式角反射体布放态势模型,基于散射中心合成算法对角反射体阵列布放间隔进行寻优,其流程图如图5所示。为贴近真实环境,在计算浮空式角反射体阵列RCS时,首先采用rand函数从单个角反射体全向RCS数据库中随机选取6种态势赋予该6个角反射体,然后利用散射中心合成算法快速预估某一入射方位角下该阵列的RCS值,重复上述工作1000次,得到角反射体阵列RCS在该入射角度下的平均值。随后,重复上述方法,计算某一布放间隔下方位角φ从0～180°变化时角反射体阵列的RCS,对上述结果求均值,即可得到该布放间隔下浮空式角反射体阵列的RCS幅值,最后,通过比较不同布放间隔下浮空式角反射体阵列的RCS幅值,即可优选出较佳的布放间隔。

为对比朝向对角反射体阵列RCS的影响,绘制布放间隔为30m时6个角反射体朝向随机与朝向一致两种情况下角反射体阵列RCS幅值随方位角φ的变化曲线,结果如图6(a)、6(b)所示。

对比图6(a)、6(b)可明显看出,当角反射体的朝向被打乱时,可以打破双棱锥形角反射体固有的周期性,使RCS随方位变化趋于无规律性,从而更加逼近舰艇的RCS方位特性,同时,其RCS起伏特性随方位变化也相对较平稳,表现出更好的全向性。因此,仿真时打乱角反射体的朝向,可使仿真结果更趋于真实作战环境,仿真结果也更有说服力。

最后,绘制浮空式角反射体阵列的RCS幅值随布放间隔变化曲线如图7所示。

图7中,浮空式角反射体阵列RCS幅值随布放间隔的变化曲线有明显的起伏,且分别在d=15m和30m时出现峰值,其中,当角反射体之间的布放间隔d为15m时,浮空式角反射体阵列的RCS最大,最大为1285m2,根据上述寻优准则,对于本文所研究的浮空式角反射体模型,d=15m即为寻优得到的布放间隔。

4　结束语

本文从提高浮空式角反射体阵列RCS幅值的角度出发,利用散射中心合成算法对角反射体之间的布放间隔进行了寻优,其研究思路和结论可为实际反导作战中浮空式角反射体阵列的布放提供一定的参考借鉴。考虑到篇幅限制,本文仅对布放间隔进行了研究,未来反导作战中,为达到更好的干扰效果,还需要将布放间隔、角反射体的个数等因素综合考虑在内,并结合拟保护舰艇的目标特性,对浮空式角反射体的布放态势进行寻优,这也是笔者后续研究的重点内容。

根据变频器所带泵机功率大小并且检测中间直流回路中的电流、电压值，并在其中串联合适的电容，储存多余的能量，可以提升回路承受过电压的能力，也可选用较大容量的变频器应对电网电压瞬时升高，但是要考虑变频器所带泵机的功率，以防造成资金上的浪费。