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針對反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)系統(tǒng)的目標(biāo)角閃爍特性建模

2015-12-21 08:59劉趙云吳劍鋒盧大威
航天電子對抗 2015年3期
關(guān)鍵詞:導(dǎo)引頭制導(dǎo)艦船

劉趙云,吳劍鋒,盧大威

(1.海軍駐航天三院軍事代表室,北京100074;2.北京機(jī)電工程研究所,北京100074;3.國防科技大學(xué),湖南 長沙410073)

0 引言

新型雷達(dá)末制導(dǎo)系統(tǒng)除了要完成對艦船目標(biāo)的截獲、跟蹤等基本功能外,還要具備根據(jù)特征參數(shù)進(jìn)行目標(biāo)大小、形狀、類別甚至身份等識(shí)別的能力,高分辨末制導(dǎo)系統(tǒng)的出現(xiàn)正好契合了這種對高價(jià)值目標(biāo)更加精確打擊能力的需求。然而,現(xiàn)代化的技術(shù)手段雖然提升了末制導(dǎo)系統(tǒng)在復(fù)雜戰(zhàn)場背景下的作戰(zhàn)能力,但也同時(shí)帶來了一些技術(shù)上的新問題,特別是當(dāng)彈目距離越來越接近時(shí),艦船目標(biāo)不同部位的散射強(qiáng)度和相對相位的隨機(jī)變化所造成的角閃爍效應(yīng)會(huì)變得不可忽略,并且這種目標(biāo)的角閃爍效應(yīng)會(huì)隨著末制導(dǎo)系統(tǒng)分辨力的提高而越來越嚴(yán)重。當(dāng)前如何應(yīng)對目標(biāo)的角閃爍效應(yīng)已經(jīng)成為了高分辨末制導(dǎo)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中要解決的主要抗干擾問題之一。本文通過對艦船和復(fù)雜電磁環(huán)境特性的高保真度仿真,建立了目標(biāo)的角閃爍預(yù)測模型,該研究成果對于末制導(dǎo)系統(tǒng)的算法設(shè)計(jì)與驗(yàn)證、抗干擾性能的離線評估等具有十分重要的意義。

1 理論建模與計(jì)算

艦船目標(biāo)的角閃爍特性的來源是由末制導(dǎo)系統(tǒng)(本文主要針對雷達(dá)導(dǎo)引頭這種末制導(dǎo)系統(tǒng))入射的電磁波信號(hào)被艦船反射所產(chǎn)生的散射場,因此,進(jìn)行角閃爍特性的建模和仿真必須首先進(jìn)行艦船目標(biāo)散射場的計(jì)算,整個(gè)計(jì)算場景的示意圖如圖1所示。

圖1 末制導(dǎo)系統(tǒng)對艦船目標(biāo)的入射與散射關(guān)系示意圖

令Pt、G、F(·)、hr和hi分別表示雷達(dá)導(dǎo)引頭發(fā)射功率、天線最大增益、方向圖函數(shù)、收/發(fā)極化方式;Ψc、Ψn分別表示OROT、OROn與天線電軸ORxR的夾角;R(εx)為 極 化 旋 轉(zhuǎn) 矩 陣;表 示 第n個(gè) 散 射 中心入射方向?yàn)椋é譶,θn)時(shí)該散射中心的單站線極化散射矩陣;Y0為自由空間導(dǎo)納。那么,第n個(gè)散射中心處的入射場強(qiáng)及其在雷達(dá)導(dǎo)引頭處的散射場強(qiáng)可分別表示為:

因而雷達(dá)導(dǎo)引頭總的散射場強(qiáng)Es和總功率Pr可分別表示為:

式中,Aeff為天線有效孔徑。

為簡便起見,散射矩陣簡寫為S,將極化旋轉(zhuǎn)矩陣R(εx)簡記作R,并記:S=SRe+j SIm。由于末制導(dǎo)過程中天線瞄準(zhǔn)誤差Ψc一般很小,同時(shí)S 各元素在Ψc=0的δ鄰域內(nèi)變化很小,因而下面僅考慮Ψc=0的情形。

歸一化場強(qiáng)Es=(Rhr)TSRhi的相位函數(shù)及其空間梯度可表示為如下形式:

其中:

按照相位梯度法的基本原理[1-2],可得到如下角閃爍線偏差信號(hào):

其中:

將式(11)代入式(8)中,并令極化旋轉(zhuǎn)角εx=0,收發(fā)極化對為:

則在目標(biāo)遠(yuǎn)場,式(7)的角閃爍可簡化為如下形式:

其中,符號(hào)[S]ij表示矩 陣S 的第i 行、第j 列元素為 遠(yuǎn) 場 形 式。除θ 的 定 義有別外,式(13)與文獻(xiàn)[2]中的(4-80a)、(4-80b)是完全一致的??梢?,文獻(xiàn)[2]的計(jì)算公式只是式(13)在特定極化方式下的遠(yuǎn)場近似。由于式(13)是通過精確求解相位函數(shù)的空間導(dǎo)數(shù)而得到,因而可稱之為嚴(yán)格解析式,它并不包含遠(yuǎn)場假設(shè),因而可適用于任何距離范圍。

由式(7)~(9)可知,雷達(dá)導(dǎo)引頭近場角閃爍與距離r、入射方向(ψ,θ)、天線方向圖F(·)、波數(shù)k、收發(fā)極化方式(hr,hi)、極化旋轉(zhuǎn)角εx等因素有關(guān),在末制導(dǎo)跟蹤狀態(tài)下,可認(rèn)為視線角誤差εy、εz等于估計(jì)器誤差,一般為mrad量級(jí),因此可近似認(rèn)為,Ψc=0,ψ=θ=0°。

2 典型角閃爍特性仿真分析算例

考慮雷達(dá)導(dǎo)引頭在典型彈道條件下對國外某航空母艦進(jìn)行探測的場景,航母的運(yùn)動(dòng)模型滿足恒速模型,航母的初始位置位于坐標(biāo)原點(diǎn),以某一恒定速度向正y 軸方向運(yùn)動(dòng),速度約15m/s。末制導(dǎo)過程中的運(yùn)動(dòng)可簡化為質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng),在目標(biāo)軌跡給定的條件下,可依據(jù)比例制導(dǎo)的制導(dǎo)律來確定。在獲得二者的運(yùn)動(dòng)參數(shù)后,通過適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)變換便可得到計(jì)算所需的參數(shù)集

根據(jù)式(7)可得到雷達(dá)導(dǎo)引頭對艦船目標(biāo)的角閃爍特性,如圖2~5所示。

圖2 角閃爍與距離和入射角的切片圖

圖2給出了仿真過程中,εx=0時(shí)角閃爍線偏差(e=與距離和入射角的四維切片圖。由圖2可見,無論是方位切片還是俯仰切片,角閃爍沿r方向由遠(yuǎn)距的條帶狀過渡到近距的斑點(diǎn)形式,體現(xiàn)了距離對近場角閃爍的影響,這種關(guān)系在圖3(a)、圖3(c)、圖4(a)、圖4(c)中有著更加清晰的表現(xiàn);圖2的距離切片則表現(xiàn)了角閃爍與入射角的關(guān)系,與RCS一樣,近場角閃爍對姿態(tài)的敏感性也強(qiáng)于對距離的敏感性,從圖3(b)、圖3(d)、圖4(b)、圖4(d)與圖3(a)、圖3(c)、圖4(a)、圖4(c)的對比不難看出這一點(diǎn)。另外,由于仿真的目標(biāo)關(guān)于XOZ 平面對稱,因而當(dāng)ψ=0時(shí),eψ=0,圖3(c)清晰地表示了這一點(diǎn)。

圖5表示了ψ=15°、θ=0°條件下極化旋轉(zhuǎn)角εx對角閃爍線偏差eψ、eθ的影響。由式(7)可知,特定極化方式下εx是通過改變散射矩陣四個(gè)元素的權(quán)重來影響eψ和eθ,因而會(huì)表現(xiàn)出如圖5所示的周期性。

圖3 eψ 與距離和姿態(tài)的關(guān)系

圖4 eθ 與距離和姿態(tài)的關(guān)系

圖5 極化旋轉(zhuǎn)角對角閃爍的影響

從上述仿真結(jié)果可以看到,在飛行器由遠(yuǎn)及近接近航母過程中,線偏差會(huì)逐漸增大,近場角閃爍確實(shí)會(huì)頻繁發(fā)生并與實(shí)際情況相符,這說明了所構(gòu)建的角閃爍仿真和分析模型的有效性。

3 結(jié)束語

反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)系統(tǒng)的目標(biāo)角閃爍特性研究是一個(gè)復(fù)雜的過程,是對“看不見”、“摸不著”事物的研究。同時(shí),由于該特性在外場試驗(yàn)中的可直接獲取性較低,因此,理論研究就成為了一個(gè)有效的方法和手段。本文主要提供了一種目標(biāo)角閃爍特性的建模和仿真的理論方法,從研究艦船的RCS特性出發(fā),采用相位梯度法原理得出了目標(biāo)的角偏差特性,從而在物理上獲取了末制導(dǎo)系統(tǒng)的角閃爍參數(shù)。后續(xù)將不斷對算法進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn),使之成為末制導(dǎo)系統(tǒng)研制工作的重要工具和手段?!?/p>

[1]黃培康,殷紅成,許小劍.雷達(dá)目標(biāo)特性[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.

[2]黃培康,等.雷達(dá)目標(biāo)特征信號(hào)[M].北京:宇航出版社,1993.

[3]孫文峰.寬帶毫米波雷達(dá)精確制導(dǎo)信息處理方法研究[D].長沙:國防科技大學(xué)研究生院,1998.

[4]Ostrovityanov RV,Basalov FA.Statistical theory of extended radar targets[M].Artech House,1985.

[5]李保國.基于目標(biāo)角閃爍特性的末制導(dǎo)雷達(dá)跟蹤與識(shí)別技術(shù)[D].長沙:國防科技大學(xué)研究生院,2005.

[6]陳國瑛.雷達(dá)目標(biāo)角閃爍的建模與抑制研究[D].北京:中國航天部二院,1998.

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