馬逸超

(1．航空制導(dǎo)武器航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 洛陽(yáng) 471009； 2．中國(guó)空空導(dǎo)彈研究院,河南 洛陽(yáng) 471009)

0 引言

制導(dǎo)系統(tǒng)(guidance system)的半實(shí)物仿真(hardware in loop simulation)技術(shù)對(duì)于檢驗(yàn)和提高武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能有著非常重要的意義。射頻制導(dǎo)半實(shí)物仿真試驗(yàn)室，是考察制導(dǎo)武器在復(fù)雜電子對(duì)抗條件下對(duì)目標(biāo)截獲、跟蹤以及抗干擾能力的重要設(shè)施；能夠在試驗(yàn)室內(nèi)對(duì)武器系統(tǒng)性能進(jìn)行有效評(píng)估。交叉眼干擾是隨著電子技術(shù)發(fā)展出現(xiàn)的一種新型干擾，能夠?qū)走_(dá)角跟蹤回路產(chǎn)生有效干擾。本文對(duì)交叉眼干擾原理以及半實(shí)物仿真的實(shí)現(xiàn)難度進(jìn)行了分析，并初步提出了一條工程可實(shí)現(xiàn)途徑。

1 交叉眼干擾分析

以下首先對(duì)交叉眼干擾的工作原理進(jìn)行分析，之后將對(duì)在試驗(yàn)室內(nèi)模擬干擾的半實(shí)物仿真技術(shù)要求進(jìn)行分析[2]。

1.1 欺騙式干擾對(duì)雷達(dá)的作用原理

欺騙式干擾是干擾設(shè)備通過(guò)對(duì)雷達(dá)信號(hào)的截獲分析，并選擇合適的調(diào)制參數(shù)生成干擾信號(hào)；誘使雷達(dá)測(cè)距、測(cè)速、測(cè)角回路的測(cè)量信息與真實(shí)值產(chǎn)生偏離[3]。以下分別為雷達(dá)原理方程，以及干擾對(duì)雷達(dá)的作用方程[4]：

(1)

雷達(dá)收到的干擾功率為

(2)

式中：Pt為雷達(dá)發(fā)射功率；Prj為雷達(dá)收到干擾功率；Pj為雷達(dá)干擾機(jī)功率；Gj為干擾機(jī)發(fā)射天線在雷達(dá)方向上的增益；Gt為雷達(dá)天線增益；Gr為雷達(dá)接收天線在干擾方向的增益；Rj為干擾機(jī)與雷達(dá)之間的距離；σ為目標(biāo)雷達(dá)散射截面。

由式(1)，(2)可知，干擾信號(hào)與目標(biāo)回波信號(hào)功率公式不同，信號(hào)特征也有差異；因此在干擾與目標(biāo)仿真模型設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)干擾機(jī)功率、雷達(dá)接收天線在干擾方向的增益、目標(biāo)類(lèi)型、作用距離等參數(shù)進(jìn)行綜合模型設(shè)計(jì)，才能較真實(shí)地模擬復(fù)雜電子對(duì)抗環(huán)境。

1.2 交叉眼干擾的工作原理

交叉眼干擾是一種針對(duì)雷達(dá)角跟蹤通道的干擾方式。它采用2個(gè)或多個(gè)在空間上相隔一定距離的干擾輻射源發(fā)射模擬雷達(dá)回波，并使其在功率/相位等參數(shù)上滿足一定條件，各發(fā)射信號(hào)在雷達(dá)接收天線口面合成，形成局部特殊輻射場(chǎng)。該輻射場(chǎng)的波前在雷達(dá)所在位置的局部發(fā)生畸變以產(chǎn)生假象，使以平面波前檢測(cè)為原理的雷達(dá)，誤認(rèn)為輻射源在另外的虛假位置。交叉眼干擾參數(shù)選擇適當(dāng)時(shí)，可以使被干擾雷達(dá)的瞄準(zhǔn)軸超出兩干擾源連線的方向，產(chǎn)生較大的角誤差。交叉眼干擾機(jī)通常由2路獨(dú)立的干擾機(jī)組成，如圖1 所示[5]。其中接收天線R1與發(fā)射天線J2處于同一位置，接收天線R2與發(fā)射天線J1處于同一位置，工作時(shí)還需要保證2路射頻通道寬帶信號(hào)的相位一致性。

圖1 交叉眼干擾機(jī)工作原理圖Fig.1 Cross-eye jamming machine working principle diagram

設(shè)2相干干擾源在天線孔徑處產(chǎn)生的電場(chǎng)相位差為φ，通過(guò)計(jì)算可求得天線跟蹤的方向θ滿足公式：

(3)

由于角度θ很小，tanθ≈θ，所以有

(4)

式中: θ為誘偏誤差角；β為2個(gè)信號(hào)振幅比；Δθ為2個(gè)干擾源之間的角度差。

式(4)為交叉眼干擾的原理公式。從以上公式分析，相干干擾能直接干擾單脈沖雷達(dá)的角跟蹤系統(tǒng)。產(chǎn)生干擾的原理就是利用空間相隔一定距離的2個(gè)點(diǎn)源的信號(hào)在幅度上相等，相位相差180°，在空間產(chǎn)生極為嚴(yán)重的相位波前失真。雷達(dá)接收到這種信號(hào)后，就會(huì)使天線跟蹤點(diǎn)偏離開(kāi)2個(gè)干擾源間距之外。

1.3 交叉眼干擾半實(shí)物仿真技術(shù)要求分析

從公式(4)的分析中可以得出結(jié)論：兩相干干擾源產(chǎn)生的相位波前失真，取決于干擾源的振幅比β，兩干擾源在天線孔徑處產(chǎn)生的電場(chǎng)相位差φ以及兩干擾源的距離。當(dāng)干擾源之間的距離固定、相位相反、振幅相等時(shí)相位波前失真最大而與雷達(dá)的天線方向圖形狀無(wú)關(guān)。由公式分析可知當(dāng)干擾參數(shù)選擇：β=1.0±0.1，φ=180°±5°時(shí)干擾效果較為明顯[6]。如果直接依照原理公式實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)干擾的半實(shí)物仿真，目標(biāo)模擬器的系統(tǒng)精度必須高于干擾控制參數(shù)一個(gè)數(shù)量級(jí)，這對(duì)于半實(shí)物仿真目標(biāo)模擬器設(shè)計(jì)指標(biāo)提出了很高的要求[7]。

首先,由于戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的雷達(dá)導(dǎo)引頭工作頻段較高，因此1 mm的距離誤差將造成幾十度的信號(hào)相位誤差。陣列式目標(biāo)模擬器系統(tǒng)構(gòu)成復(fù)雜，其微波連接電纜數(shù)量巨大，因此很難保證各輻射路徑相位的精度要求。其次，目標(biāo)模擬器采用大量微波有源器件，其幅度/相位的工作特性不僅與頻率有關(guān)而且與功率和環(huán)境溫度有關(guān)，因此幅度相位控制精度很難滿足仿真需求[8]。

從以上2方面分析，直接使用交叉眼干擾的原理公式實(shí)現(xiàn)該項(xiàng)干擾的半實(shí)物仿真從工程角度考慮基本無(wú)法實(shí)現(xiàn)，因此需要從其他途徑研究實(shí)現(xiàn)交叉眼干擾仿真的方法。

2 交叉眼干擾仿真研究途徑

根據(jù)以上分析，直接采用交叉眼干擾原理公式進(jìn)行半實(shí)物仿真試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)存在較大的技術(shù)難度，因此以下將從陣列式目標(biāo)模擬器的工作原理出發(fā)進(jìn)行分析并結(jié)合合成場(chǎng)原理，通過(guò)研究控制三元組的3個(gè)輻射單元的幅度/相位控制關(guān)系，使三元組在雷達(dá)天線處的相位波前畸變與交叉眼干擾效果等效。

2.1 陣列式目標(biāo)模擬器原理

陣列式目標(biāo)模擬器組成面陣的基礎(chǔ)常有矩形陣、四邊形陣、三角形陣等，其中，三角形陣天線之間的耦合最小，且對(duì)相同的視場(chǎng)角，所需天線數(shù)目最少，故最常使用。因此本文將主要針對(duì)采用三角形陣(簡(jiǎn)稱(chēng)三元陣)形式的目標(biāo)模擬器進(jìn)行研究。陣列式目標(biāo)模擬器以3個(gè)天線為目標(biāo)子陣，組成三元組，同時(shí)輻射電磁波。根據(jù)各天線輻射射頻信號(hào)能量的相對(duì)大小，存在一個(gè)等效的能量輻射中心，作為仿真的目標(biāo)回波信號(hào)。三元組目標(biāo)合成原理如圖2所示。

假設(shè)3個(gè)天線方位角分別為ψ1，ψ2，ψ3，俯仰角分別為θ1，θ2，θ3，其物理位置如圖3所示。

注：A，B，C為三元組的3個(gè)天線；R為觀測(cè)點(diǎn)到3個(gè)天線的距離圖2 三元組目標(biāo)合成原理圖Fig.2 Three-element group target synthesis principle diagram

圖3 三元組物理位置示意圖Fig.3 Three-element group physical location

設(shè)A，B兩天線輻射信號(hào)的相位差為φ1，A，C之間的相位差為φ2，且A,B,C為同頻率信號(hào)，且觀測(cè)點(diǎn)到各天線的距離相等，即不存在波程差引起的相位差，則3路信號(hào)的合成場(chǎng)強(qiáng)為

E=Emejωt-αR-ψφ1φ2，

(5)

如果三元天線輻射的信號(hào)相位相同，則合成場(chǎng)強(qiáng)可簡(jiǎn)化為

E=Emej(ωt-αR)，

(6)

式中：αR為傳輸路徑產(chǎn)生的相位差。

對(duì)于天線和觀測(cè)點(diǎn)相對(duì)位置固定的情況下，αR為常數(shù)，可通過(guò)調(diào)整信號(hào)的初相加以補(bǔ)償，故可令其為0。則合成場(chǎng)強(qiáng)為

E=Emejωt.

(7)

合成場(chǎng)強(qiáng)的指向即為三元陣等效能量輻射中心的指向，它也可由方位角ψ和俯仰角θ來(lái)描述，由空間矢量疊加原理可得，其正切分別為

(8)

以上即為三元組目標(biāo)位置合成公式。由公式(8)可知，目標(biāo)的等效位置不僅決定于三元組信號(hào)的幅度，也取決于三元組信號(hào)的相位。

2.2 三元組合成等效交叉眼干擾

由于采用3個(gè)天線進(jìn)行目標(biāo)位置合成，三元組在雷達(dá)天線處的合成波前可以不再是球面波，即波前相位產(chǎn)生畸變，其工作原理與交叉眼干擾有相似之處[9]?；鶞?zhǔn)坐標(biāo)系和天線坐標(biāo)系如圖4所示，目標(biāo)在基準(zhǔn)坐標(biāo)系中的角度位置為(ψ,θ)，雷達(dá)天線指向目標(biāo)時(shí)，雷達(dá)天線口面上任一點(diǎn)在天線坐標(biāo)下坐標(biāo)為(X,Y,Z)，在系統(tǒng)基準(zhǔn)坐標(biāo)系下的坐標(biāo)為(x, y, z)。從天線坐標(biāo)系變換到基準(zhǔn)坐標(biāo)系：

圖4 基準(zhǔn)坐標(biāo)系和天線坐標(biāo)系Fig.4 Reference coordinate and the antenna coordinate

三元組在基準(zhǔn)坐標(biāo)系下的角度坐標(biāo)為 (ψ1,θ1),(ψ2,θ2),(ψ3,θ3),計(jì)算天線口面的接收?qǐng)?。天線上任意一點(diǎn)(x,y,z)到三元組第i個(gè)單元的距離為R，三元組各單元饋電幅度為Ei，各單元饋電相位為φi將各單元視為點(diǎn)源。根據(jù)雷達(dá)天線不同的口面場(chǎng)分布可以算出天線口面(x,y,z)處的接收?qǐng)鰹閇10]

(9)

式中：Is為雷達(dá)天線口面場(chǎng)分布。

以比相單脈沖雷達(dá)為例，將雷達(dá)天線口面分為4個(gè)區(qū)域，如圖5所示[11]。對(duì)這4個(gè)區(qū)域進(jìn)行不同的饋電可以分別得到和波束以及俯仰差，方位差波束。4個(gè)象限同相饋電得到和波束；1，4象限同相饋電，2，3象限同相饋電并與1，4反相，得到方位差波束；1，2同相，3，4同相并與1，2反相，得到俯仰差波束。

圖5 雷達(dá)天線示意圖Fig.5 Schematic diagram of the radar antenna

三元組在雷達(dá)天線口面某一象限的合成場(chǎng)為

(10)

則可得出雷達(dá)測(cè)角的方位差與俯仰差表達(dá)式，令其計(jì)算結(jié)果與干擾誘偏狀態(tài)下的結(jié)果相等，通過(guò)對(duì)式(10)求解方程組可以求出三元組各單元的饋電幅度與相位。通過(guò)在微波暗室內(nèi)，應(yīng)用干涉儀式校準(zhǔn)裝置對(duì)模擬的目標(biāo)回波信號(hào)進(jìn)行角度測(cè)量，其結(jié)果如表1所示。

表1 干擾誘偏角位置測(cè)量結(jié)果Table 1 Interference angle measurement results

測(cè)試數(shù)據(jù)表明，該仿真方法在模擬誘偏角較小時(shí)精度較高；模擬誘偏角較大時(shí)精度較低；該現(xiàn)象與系統(tǒng)幅度相位控制精度有關(guān)。當(dāng)誘偏角較大時(shí)，對(duì)仿真信號(hào)的幅度相位控制精度要求較高，因此模擬精度較低。由以上分析可知：該方案產(chǎn)生的干擾信號(hào)具有與交叉眼干擾相似的指向效果。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)交叉眼干擾的工作原理，以及半實(shí)物仿真試驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)這一干擾仿真的難點(diǎn)進(jìn)行分析，提出了從三元組目標(biāo)位置合成原理出發(fā)實(shí)現(xiàn)交叉眼干擾半實(shí)物仿真的一種實(shí)現(xiàn)途徑。通過(guò)在實(shí)驗(yàn)室利用目標(biāo)模擬器校準(zhǔn)裝置[12]進(jìn)行測(cè)試證明，該方法實(shí)現(xiàn)的干擾效果與直接采用交叉眼干擾的原理公式相同，并且具備了較高的工程可實(shí)現(xiàn)能力。

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