無源干擾掩護彈道導彈末段突防研究

田志峰,齊 鋒,歐陽科舉

(1.電子工程學院,合肥 230037;2.解放軍 73032部隊,蘇州 215159)

0 引 言

對雷達的無源干擾也稱消極干擾,它利用本身并不產生電磁波輻射的干擾物或其它措施對雷達電磁波產生反射或吸收,破壞雷達正常工作,主要建立在利用電磁波從各種反射面上產生二次輻射現象的基礎上。無源干擾技術能夠從根本上破壞雷達獲得目標回波,即使不能完全破壞,也能起到迷惑作用,因而具有雷達難以抗拒的干擾效果。

彈道導彈在發射后,即開始了與敵反導系統的電子對抗過程,其中主要的對抗措施包括各種無源干擾手段,如拋灑箔條形成干擾走廊等,但當彈道導彈重返大氣層后,輕誘餌等無源干擾物都被過濾掉,而其仍然面臨著路基低空反導系統的威脅,因此彈道導彈必須投放重誘餌來對抗陸基低空反導系統。

1 重誘餌干擾特性

重誘餌,又稱低空誘餌,是指在真實彈頭重返大氣層進入彈道“再入段”時,釋放橫截面積小、密度高的“重型”誘餌。在末段飛行過程中,輕誘餌和其它彈體碎片都由于阻力原因已經被大氣過濾掉,因此,施放重誘餌可以掩護彈頭突防,增加反導系統的工作負荷,使其疲于對付,達到飽和。此時,反導系統中的雷達就不能處理所有的目標,其中一部分真彈頭可乘機突防,完成攻擊任務。

1.1 重誘餌的雷達反射面積

一般情況下,為了能真正達到欺騙陸基低空反導系統中相控陣雷達的目的,誘餌目標所顯示的特性要與被掩護的真實彈頭特性完全相似或部分相似,這就要求重誘餌具有與真實目標相近的雷達信號有效反射面積,且具有與真實目標相似的彈道特征參數,并能沿著真實彈頭的彈道穩定飛行。大多數重誘餌都要具有與真實彈頭近似的雷達反射截面,以無源天線陣為例,它主要有以下優點:

(1)信號反射的方向圖較寬,模擬真實彈頭的反射面積效果好;

(2)能將非雷達方向上的電磁入射波反射出去,增加反射信號強度;

(3)可按任意方式調制反射信號,使敵方雷達很難分辨真假信號;

(4)可利用連接線路內置的雷達信號放大器從本質上提高有源反射面積。

對稱振子無源天線陣一般由若干個水平和垂直方向的振子組成,振子分布在離金屬平板(做為反射面)λ/4距離處,在該陣列中成對的偶極子相對于反射面中心鏡向對稱(如圖1)。所有相連單元的成對連接電線長度的一致保證了入射和反射無線電波前端的一致以及將電磁能量反射到雷達方向,使雷達能接收到明顯的信號并將此信號誤認為攻擊目標的反射波信號。無源天線陣能產生的有效反射面積為:

式中:S為天線陣列孔徑有效面積(m2),一般情況下,半波長振子構成的陣列孔徑面積為S=nλ2/4,n為對稱振子數;λ為入射電磁波波長(m);θ為信號入射方向與z軸夾角(°)。

圖1 無源天線陣示意圖

公式(1)表明,當電磁波沿法線方向垂直入射天線陣面(θ=0°)時,無源天線陣的有效反射面積最大,為:

由上述分析可以看出,無源天線陣可以通過在設計時增減振子數來改變其雷達反射面積,比較靈活。但是,無源天線陣的結構比較復雜,設計困難。

1.2 重誘餌作為無源干擾物的可行性分析

為了減小被雷達探測到的概率,起到隱蔽自己的目的,真實彈頭都進行了雷達隱身設計,其雷達反射面積σm較小,可近似認為是0.5 m2。將無源天線陣的雷達反射面積式(1)與彈頭的近似反射面積相比較,得到如下表達式:

式中:彈頭近似反射面積σm=0.5 m2為固定值,而無源天線陣的振子數是可以根據設計需要確定的,飛行時的雷達波入射角也可以大概控制在一定數值范圍內,因此可以增加振子數,,即誘餌的雷達反射面積大于彈頭的反射面積,從而使反導系統在搜索到真實彈頭之前搜索到重誘餌,起到掩護真實彈頭的目的。

除此以外,一些其它物體的RCS(雷達反射面積)的計算公式如表1所示。

表1 幾種反射器的RCS近似計算法

表中所列反射器也可作為重誘餌。例如,一般陸基低空反導系統的相控陣雷達在C波段工作,設其工作波長為6 cm,各角反射器的邊長a=0.2 m,無源天線陣上的振子數為50個。則上述各反射器的最大 RCS分別為:1.86 m2、6.93 m2、1.86 m2,都大于真實彈頭的雷達反射面積;而無源天線陣的平均RCS為7.065 m2,因此能在更遠的距離吸引雷達對其進行跟蹤。

上述分析結果表明,在彈道導彈突防過程中,無源天線陣可以作為重誘餌模擬真實彈頭的反射特性。只要在設計無源天線陣等重誘餌時考慮將其雷達反射面積近似于真實彈頭的雷達反射面積,或者為了吸引雷達的跟蹤而使其反射面積大于真實彈頭的反射面積。

重誘餌的方向性以其方向圖寬度來表示。這個寬度是其有效反射面積降為最大有效反射面積一半時的角度范圍。重誘餌的方向圖越寬越好,以便在較寬的角度范圍內對雷達都有較強的回波。試驗表明,無源天線陣的方向圖寬度為40°左右。

目標的雷達反射面積與入射波的波長有密切關系。研究表明,當目標尺寸與波長相近時,目標的雷達反射面積為震蕩狀態。大多數反導系統的相控陣雷達的工作頻率為4～6 GHz,波長為5～7.5 cm,而無源天線陣重誘餌的尺寸在60 cm左右,正好處于震蕩區,時隱時現的雷達反射信號能夠吸引雷達對其實施探測跟蹤。

2 運用無源天線陣對相控陣雷達干擾效能分析

2.1 干擾條件下相控陣雷達時間資源占用率計算模型

本節主要考慮雷達的時間資源,提出雷達時間資源占用率這一指標,其物理意義是表示在平均意義上該搜索任務對雷達時間資源所占去的份額。一般情況下,相控陣雷達采取跟蹤加搜索(TAS)的工作方式:主要指利用時間分割原理以不同數據率同時完成搜索與跟蹤的功能。相控陣雷達在搜索過程中發現目標之后,一方面要對該目標進行跟蹤,另一方面還要繼續對搜索空域進行搜索,兩者是按不同數據率,即不同的搜索數據率與跟蹤數據率進行的。按照文獻[6]的分析,假設雷達監控區域為整個區域Ω,跟蹤目標全部處于勻速運動狀態,即全部處于同一種跟蹤狀態,跟蹤過程中波束駐留時間相同,跟蹤數據采樣間隔時間相同。同時,在一個重復周期內,有m個波束可用于跟蹤m個方向的目標,能跟蹤的平均目標數目為mp。并假設相控陣雷達的波束駐留時間一定,則時間資源占用率的簡化公式為:

式中:B為搜索區域的波位個數;△ts為搜索波束駐留時間;△tt為跟蹤波束駐留時間;Ts i為搜索數據采樣周期;Tti為跟蹤數據采樣周期;M為跟蹤目標數。

此簡化公式的物理意義為:當η≤1時,表示雷達負載處于正常工作狀態,理論上可以處理出現的所有任務,但仍有可能出現極少量任務由于時間上過于沖突或雷達系統的原因被忽視;當η＞1時,雷達負載處于過載工作狀態,此時將無法處理所有目標任務,進而導致其對來襲目標的攔截率的下降。

為了使無源天線陣起到干擾雷達時間資源占用率的作用,必須保證在雷達能探測到無源天線陣時將其拋出,并且分布距離較遠,最好與真實彈頭不在同一波束里,這樣才能使相控陣雷達對各個空域進行搜索,占用其時間資源。例如,某陸基低空反導系統中相控陣雷達的波束寬度為1.5°,對導彈等目標的作用距離為90 km,則其在最遠發現無源天線陣處的波束寬度為2.356 km,彈道導彈在飛行過程中拋灑重誘餌時要滿足這個距離要求是可以實現的。

2.2 無源天線陣重誘餌對反導系統攔截率的影響分析

為了能直觀地看出重誘餌在彈道導彈突防時起到的作用,下面將研究用解析方法計算分析彈道導彈在對反導系統實施無源干擾時反導系統攔截率的變化。

陸基低空反導系統對進攻的彈道導彈的攔截率Pl為:

式中:pl為l枚攔截彈對單彈頭突防時的攔截率;m為反導系統在攔截目標時發射的攔截彈數;n1、n2為彈道進攻方發射的真實彈頭數和重誘餌數。

式(5)表明,當陸基低空反導系統所裝載的攔截彈數量一定時,參與突防的進攻彈頭數量越多,反導系統的攔截率越低。因此,導彈攻擊方可用反導系統這一弱點采用一次性多彈齊發的方法,既能加重相控陣雷達的時間資源占用率,又使反導系統中的攔截彈難以攔截全部彈頭,從而部分彈頭可成功突防。下面通過實例來分析這一戰法的可行性。

3 實例分析

假設某導彈防御連防守一彈藥庫陣地,反導系統為某型陸基低空反導系統,該系統的發射車共裝備16枚攔截彈(忽略其它因素影響,假設1次可以全部發射出去);設單枚進攻彈道導彈在無重誘餌掩護時,該系統中的 1枚攔截彈對其的攔截率為80%;雷達系統為多功能相控陣雷達。該雷達的掃描空間為 -30°～ 30°,波位數為 100,采用多波束技術,4個波束同時工作,同時采用脈沖積累技術,脈沖重頻為150 Hz,積累數為3。1個周期可以跟蹤1個目標。

導彈攻擊方準備發射3枚導彈摧毀敵彈藥庫陣地。同時發射帶有無源天線陣的重誘餌數枚,其中重誘餌數對雷達時間資源占用率和陸基反導系統攔截率的影響變化如表2所示。

根據表2中的數據變化可以看出,當沒有重誘餌掩護時,相控陣雷達的時間資源占用率小于1,且攔截彈的數量多于進攻導彈數倍,因此進攻導彈幾乎全部被攔截,不能突防。當進攻導彈有重誘餌掩護時,時間資源占用率逐漸變大,反導系統對突防導彈的攔截概率隨重誘餌數量的增加也呈非線性減小。當真假目標數量和達到32枚時,時間資源占用率大于1,表示雷達處于超負荷工作狀態,同時攔截率也降到55.28%,幾乎有一半的彈頭能成功突防,反導系統的攔截效能大大降低。由此可以看出,當不同類型的彈頭齊射時,總的發射原則是進攻方的各種彈頭和誘餌都能同時到達目標,使反導系統達到最大限度的飽和,影響其工作效能。

表2 重誘餌在彈道導彈突防中對反導系統攔截率的影響

4 結束語

本文主要研究的是無源天線陣對陸基低空反導系統相控陣雷達實施假目標干擾的干擾效果,根據相控陣雷達的工作方式與無源天線陣的雷達反射面積公式和有效干擾距離公式可知,一次性釋放大量無源天線陣等重誘餌能夠加大相控陣雷達的時間資源占用率,降低反導系統的攔截率。實例表明,無源天線陣在彈道導彈突防過程中能夠很有效地掩護真實彈頭突防。因此,無論從戰術運用還是成本節約上考慮,利用無源天線陣等重誘餌來充當假目標掩護真實彈頭飛行都是很好的選擇。

[1]邵國培,曹志耀,何俊,等.電子對抗作戰效能分析[M].北京:解放軍出版社,1998.

[2]B.Д.維利卡洛夫(俄).彈道導彈突防中的電子對抗[M].成都:信息產業部電子二十九所,2001.

[3]羅小明.彈道導彈攻防對抗的建模與仿真[M].北京:國防工業出版社,2009.

[4]劉石泉.彈道導彈突防技術導論[M].北京:中國宇航出版社,2003.

[5]張光義,趙玉潔.相控陣雷達技術[M].北京:電子工業出版社,2006.

[6]周懷軍,丁士援,張劍云.一種相控陣雷達多假目標干擾效果評估指標[J].電子信息對抗技術,2007(5):57-64.

[7]張公學,王非,趙臘.假目標效應對彈道導彈突防概率的影響分析[J].海軍航空工程學院學報,2007(5):385-397.