郭穎睿,任宏濱

(空軍工程大學(xué)導(dǎo)彈學(xué)院,陜西三原 713800)

1 引言

拖曳式誘餌由于其優(yōu)越的干擾性能,受到各國的重視。美國AN/ALE-50型誘餌已經(jīng)經(jīng)過了戰(zhàn)場(chǎng)檢驗(yàn),且近幾年來先后數(shù)次增加拖曳式誘餌的訂單并積極從事新型拖曳式誘餌研究[1]。文獻(xiàn)[2]從數(shù)據(jù)融合處理角度,以雙模復(fù)合制導(dǎo)地空導(dǎo)彈為背景,探討了對(duì)抗有源誘餌的方法,說明了數(shù)據(jù)融合技術(shù)在對(duì)抗拖曳式誘餌上的優(yōu)勢(shì),但其主要采用的是雙模導(dǎo)引頭轉(zhuǎn)換工作的方式進(jìn)行對(duì)抗。本文著重研究在雷達(dá)紅外導(dǎo)引頭復(fù)合工作方式下通過信息融合對(duì)抗拖曳式誘餌的技術(shù)。

2 拖曳式誘餌

拖曳式誘餌主要用于保護(hù)載機(jī)平臺(tái),通常由飛機(jī)通過拖曳線纜將誘餌拖拽飛行,拖曳式誘餌裝有放大轉(zhuǎn)發(fā)器和無源反射器,對(duì)雷達(dá)探測(cè)信號(hào)進(jìn)行放大轉(zhuǎn)發(fā),以提高它的RCS,并在空中對(duì)跟蹤雷達(dá)形成雙點(diǎn)源干擾。通常發(fā)出與目標(biāo)回波相同的信號(hào),以達(dá)到角度欺騙的目的。

對(duì)于機(jī)載雙點(diǎn)源干擾往往需要目標(biāo)與干擾平臺(tái)同處于雷達(dá)主波束內(nèi)已形成對(duì)導(dǎo)引頭角跟蹤系統(tǒng)的欺騙。雷達(dá)導(dǎo)引頭、目標(biāo)和誘餌的空間幾何關(guān)系如圖1所示。

圖1 雷達(dá)導(dǎo)引頭、目標(biāo)和誘餌的空間幾何關(guān)系

目標(biāo)T與誘餌S之間的距離為L(zhǎng),導(dǎo)引頭天線等信號(hào)線方向與目標(biāo)、誘餌之間的夾角分別為θ1、θ2,天線等信號(hào)線的指向角為θ0,天線瞄準(zhǔn)軸偏離等信號(hào)線的距離為d,雷達(dá)導(dǎo)引頭距測(cè)量點(diǎn)的距離為R,Δθ為目標(biāo)與誘餌對(duì)雷達(dá)導(dǎo)引頭的張角(即信號(hào)到達(dá)角θ1與θ2之差),則雷達(dá)接收到的和信號(hào)為:

差信號(hào)為:

式中μ表示每度角偏差產(chǎn)生的調(diào)制度;由于差和信號(hào)之比正比于合成信號(hào)偏離θ0的角度θ,得到跟蹤天線指向角(天線瞄準(zhǔn)軸相對(duì)與兩干擾源中心線的偏離角)θ為:

式中,α為幅度比;φ為接收到的目標(biāo)信號(hào)與誘餌信號(hào)之間的相位差。

通過對(duì)拖曳式誘餌作戰(zhàn)特性的分析可以看出,拖曳式誘餌是通過與載機(jī)形成雙點(diǎn)源來對(duì)導(dǎo)彈導(dǎo)引頭形成角度欺騙的,對(duì)于脈沖雷達(dá)導(dǎo)引頭具有較強(qiáng)的欺騙效果,對(duì)抗這種誘餌,采用傳統(tǒng)的方法已很難奏效。雷達(dá)作為主動(dòng)傳感器,能提供目標(biāo)完整的位置信息和多普勒信息,在目標(biāo)探測(cè)及跟蹤方面發(fā)揮了重要的作用。紅外傳感器具有測(cè)角精度高和目標(biāo)識(shí)別能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。采用雷達(dá)/紅外雙模復(fù)合制導(dǎo)可以充分發(fā)揮兩種制導(dǎo)體制的優(yōu)勢(shì),互相彌補(bǔ)不足,提高導(dǎo)彈的抗干擾、目標(biāo)識(shí)別能力及惡劣戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中的作戰(zhàn)效能和生存能力。因此開展雷達(dá)/紅外雙模復(fù)合制導(dǎo)技術(shù),充分發(fā)揮雷達(dá)導(dǎo)引頭與紅外導(dǎo)引頭各自的優(yōu)勢(shì),并通過信息融合提高導(dǎo)引頭對(duì)抗拖曳式誘餌的能力已成為重要研究方向。目前美國正在抓緊對(duì)拖曳式誘餌進(jìn)行改進(jìn),增加紅外干擾設(shè)備以對(duì)抗紅外導(dǎo)引頭,但目前尚未成功[3],可見充分利用雷達(dá)與紅外信息的融合來對(duì)抗拖曳式誘餌正是一種比較理想的對(duì)抗技術(shù)。

3 拖曳式誘餌對(duì)抗技術(shù)

雙模導(dǎo)引頭的工作模式主要有:同控式(并聯(lián)式)、轉(zhuǎn)換式(串聯(lián)式)和復(fù)合式(串并聯(lián)式)。相比同控式和轉(zhuǎn)換式工作模式而言,復(fù)合式更能充分發(fā)揮各個(gè)導(dǎo)引頭的優(yōu)勢(shì),具有更強(qiáng)的精確跟蹤能力和抗干擾能力。根據(jù)雷達(dá)導(dǎo)引頭和紅外導(dǎo)引頭的特點(diǎn),充分發(fā)揮其各自優(yōu)勢(shì),以復(fù)合式工作模式為背景,給出雙模尋的目標(biāo)檢測(cè)跟蹤流程。在此過程中主要分為以下兩個(gè)階段:

第一階段:雷達(dá)導(dǎo)引頭跟蹤目標(biāo)。導(dǎo)彈進(jìn)入末制導(dǎo)段,雷達(dá)導(dǎo)引頭首先工作,檢測(cè)目標(biāo)是否受到拖曳式誘餌形成的雙點(diǎn)源干擾;同時(shí)雷達(dá)導(dǎo)引頭對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤,實(shí)時(shí)提供彈目距離及接近速度。雷達(dá)導(dǎo)引頭跟蹤目標(biāo),同時(shí)引導(dǎo)紅外導(dǎo)引頭的光軸進(jìn)入雷達(dá)天線的波束內(nèi),在同步隨動(dòng)系統(tǒng)的作用下,使紅外導(dǎo)引頭的光軸與雷達(dá)天線的軸處于相同的空間方向。雷達(dá)天線的跟蹤誤差精度確保目標(biāo)位于紅外系統(tǒng)的瞬時(shí)視場(chǎng)內(nèi)。這樣,在彈目距離達(dá)到紅外導(dǎo)引頭探測(cè)距離時(shí),紅外導(dǎo)引頭可以減少空間分割處理和空間搜索的處理過程,直接根據(jù)雷達(dá)天線所指的方向,實(shí)時(shí)取得“純”背景信號(hào),建立背景圖像的統(tǒng)計(jì)模型[4]。當(dāng)載機(jī)沒有釋放誘餌時(shí),雷達(dá)導(dǎo)引頭跟蹤的是載機(jī);當(dāng)載機(jī)釋放誘餌時(shí),雷達(dá)導(dǎo)引頭跟蹤的位置將不再是載機(jī)位置,而是載機(jī)與誘餌對(duì)雷達(dá)導(dǎo)引頭形成的角度欺騙位置。因此雷達(dá)導(dǎo)引頭在對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤時(shí),首先檢測(cè)是否受到干擾,如若受到誘餌干擾,這時(shí)就對(duì)跟蹤目標(biāo)進(jìn)行分辨,調(diào)整雷達(dá)導(dǎo)引頭跟蹤位置。

第二階段:雙模導(dǎo)引頭工作。當(dāng)彈目相對(duì)距離進(jìn)入紅外探測(cè)距離內(nèi),在實(shí)時(shí)背景圖像模型的基礎(chǔ)上,方便地利用閾值檢測(cè)方法提取目標(biāo)信號(hào),給出所需的視線角誤差信號(hào),紅外導(dǎo)引頭穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)。由于誘餌與載機(jī)形成的干擾不能欺騙紅外導(dǎo)引頭,因此紅外導(dǎo)引頭就能夠比較精確的跟蹤載機(jī)。紅外導(dǎo)引頭跟蹤目標(biāo)的同時(shí),調(diào)整雷達(dá)導(dǎo)引頭主波束指向載機(jī),使得雷達(dá)導(dǎo)引頭跟蹤載機(jī)位置。雷達(dá)導(dǎo)引頭與紅外導(dǎo)引頭跟蹤到目標(biāo)后,將雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)與紅外測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)送入數(shù)據(jù)融合中心,進(jìn)行融合處理,輸出融合跟蹤數(shù)據(jù)控制導(dǎo)彈飛向目標(biāo)。隨著彈目距離的減小,當(dāng)載機(jī)和誘餌相對(duì)雷達(dá)導(dǎo)引頭形成的張角達(dá)到臨界角時(shí),雷達(dá)導(dǎo)引頭將會(huì)選擇載機(jī)進(jìn)行精確跟蹤。

以非相干雙點(diǎn)源干擾為例,在雷達(dá)導(dǎo)引頭工作過程中,導(dǎo)引頭初始指向兩干擾源能量重心方向。如圖2所示,兩干擾源距離為L(zhǎng),當(dāng)張角Δθ為ΔθR(臨界角)時(shí),導(dǎo)引頭離干擾源能量重心點(diǎn)的距離為D,在分辨出目標(biāo)以后,導(dǎo)引頭以最大過載運(yùn)動(dòng),則可得到最終失誤:

圖2 導(dǎo)彈飛行軌跡

式中ΔD最大過載飛行修正的失誤量[5]。可以看出,當(dāng)彈目距離較近時(shí)即使導(dǎo)引頭按最大過載向目標(biāo)飛行,它所能調(diào)整的修正誤差也是十分有限,很有可能導(dǎo)彈在到達(dá)目標(biāo)距離時(shí),最終攻擊誤差仍然大于導(dǎo)彈的殺傷半徑,使得攻擊失敗。由于紅外導(dǎo)引頭的探測(cè)距離一般為十幾千米,紅外導(dǎo)引頭在彈目距離較遠(yuǎn)時(shí)就開始工作,有足夠的時(shí)間調(diào)整目標(biāo)跟蹤航跡,確保導(dǎo)彈擊中目標(biāo),這說明在該方法下雙模導(dǎo)引頭復(fù)合工作模式是可行的。

4 實(shí)驗(yàn)仿真

在第一階段目標(biāo)與導(dǎo)彈的距離較遠(yuǎn),目標(biāo)往往被看做是單點(diǎn)源,在此階段主要是雷達(dá)導(dǎo)引頭對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)跟蹤,在此對(duì)其就不再進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。下面對(duì)雙模尋的檢測(cè)跟蹤的第二階段(雙模導(dǎo)引頭工作階段)進(jìn)行仿真。在此階段初始時(shí)刻,假設(shè)紅外導(dǎo)引頭搜索發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的時(shí)間可以忽略,即雷達(dá)紅外導(dǎo)引頭都跟蹤上目標(biāo)。

雷達(dá)觀測(cè)方程:

紅外觀測(cè)方程:

WI為紅外觀測(cè)噪聲。上標(biāo)r表示雷達(dá)量,上標(biāo)I表示紅外量。Wr(k)與WI(k)的協(xié)方差為RrI(k)。

在導(dǎo)引頭對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤過程中,雷達(dá)和紅外跟蹤系統(tǒng)對(duì)載機(jī)與誘餌的測(cè)量噪聲是有關(guān)聯(lián)的,因此采用基于測(cè)量噪聲相關(guān)聯(lián)的融合算法,其狀態(tài)向量融合方法為[6]:

假設(shè)目標(biāo)相對(duì)雙模導(dǎo)引頭做勻加速運(yùn)動(dòng),載機(jī)的初始位置(10000,10000,10000),速度(420,420,0),加速度(10,0,10),拖曳線長(zhǎng)度為120m,誘餌與目標(biāo)的幅度比為1.2,誘餌與載機(jī)一起對(duì)雷達(dá)導(dǎo)引頭形成非相干雙點(diǎn)源干擾,因此雷達(dá)導(dǎo)引頭實(shí)際跟蹤的是誘餌與載機(jī)的能量中心,即雷達(dá)導(dǎo)引頭跟蹤目標(biāo)的初始觀測(cè)位置為(10000,10000,9940),雷達(dá)測(cè)距誤差標(biāo)準(zhǔn)差為50m,測(cè)角(高低、方位)誤差標(biāo)準(zhǔn)差為0.01rad,紅外測(cè)角(高低、方位)誤差標(biāo)準(zhǔn)差為0.001rad,雷達(dá)與紅外測(cè)量噪聲相關(guān)系數(shù)為0.5,雷達(dá)紅外采樣時(shí)間間隔均為1s,跟蹤步數(shù)為100。另外在這里我們不考慮雷達(dá)紅外導(dǎo)引頭兩者安裝時(shí)形成的空間誤差。圖3～圖6為在該假設(shè)條件下,應(yīng)用狀態(tài)向量融合方法得到的試驗(yàn)仿真圖。

圖6 跟蹤曲線

從圖6中可以看出由于受角度欺騙干擾的影響,雷達(dá)導(dǎo)引頭的跟蹤誤差比紅外導(dǎo)引頭的跟蹤誤差大很多,采用雙模導(dǎo)引頭,經(jīng)融合后的跟蹤測(cè)量誤差明顯變小,能夠?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行較為精確的跟蹤。

5 結(jié)束語

本文對(duì)拖曳式誘餌形成雙點(diǎn)源干擾的原理進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹,在分析了國內(nèi)對(duì)拖曳式誘餌研究背景的情況下,對(duì)拖曳式誘餌對(duì)抗技術(shù)進(jìn)行了研究。根據(jù)拖曳式誘餌主要對(duì)雷達(dá)導(dǎo)引頭形成角度欺騙這一特點(diǎn),提出了基于雷達(dá)/紅外信息融合的對(duì)抗技術(shù),以復(fù)合式工作模式為背景,詳細(xì)論述了雙模尋的目標(biāo)檢測(cè)跟蹤的過程。雷達(dá)/紅外復(fù)合制導(dǎo)是導(dǎo)彈發(fā)展的重要方向,雷達(dá)/紅外信息融合技術(shù)的發(fā)展為對(duì)抗拖曳式誘餌提供了一個(gè)有效的途徑?！?/p>

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