王　聘, 胡生亮, 姚　強(qiáng), 張　俊

(1.海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院, 湖北 武漢　430033;2.齊齊哈爾建華機(jī)械有限公司, 黑龍江 齊齊哈爾　161000)

隨著反艦導(dǎo)彈導(dǎo)引頭技術(shù)的不斷升級,箔條干擾技術(shù)日益受到挑戰(zhàn)。作為一種無源干擾器材,浮空式角反射體在極化、頻寬、起伏等特性方面與艦艇相似度較高,在對抗具有箔條識別能力的反艦導(dǎo)彈導(dǎo)引頭方面有明顯優(yōu)勢,其典型代表有以色列“維扎德(Wizard)”反雷達(dá)假目標(biāo)[1]、丹麥“PW216 Mod2”箔條/角反射體復(fù)合干擾彈[2]、法國“希爾蒙(Sealem)”角反射體誘餌[3]以及德國“舷外角反射體(OCR)” 誘餌[4]。

目前,國內(nèi)外尚未發(fā)現(xiàn)浮空式角反射體實際作戰(zhàn)使用的相關(guān)記載,本文借鑒箔條的作戰(zhàn)經(jīng)驗[5],在空中連續(xù)投射多枚浮空式角反射體干擾彈,以形成目標(biāo)特性與艦艇較相似的浮空式角反射體陣列,對來襲導(dǎo)彈實施無源干擾。由于布放間隔會影響浮空式角反射體陣列的RCS幅值和徑向尺寸,為提高干擾成功概率,本文以6個垂直邊長為0.5m的浮空式角反射體組成的陣列為研究對象,從RCS幅值入手,結(jié)合散射中心合成算法和CST軟件對其布放間隔進(jìn)行優(yōu)選研究,旨在不改變角反射體個數(shù)的條件下,提高浮空式角反射體陣列的RCS幅值,從而增大干擾勝算。其研究思路可為浮空式角反射體干擾彈的實際布放使用提供理論參考,具有一定的軍事應(yīng)用價值。

1　散射中心合成算法

文獻(xiàn)[6-8]中提出,多枚漂浮式角反射體布放到海面上之后,由于受到作戰(zhàn)海區(qū)的海水流速、流向、風(fēng)速、風(fēng)向等環(huán)境條件影響,多個角反射體的位置區(qū)域大致可看成一個以原點O為中心的橢圓范圍。類比漂浮式角反射體,多枚浮空式角反射體發(fā)射到空中后所覆蓋的空域可近似為一個以原點O為中心的橢球。由于反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)開機(jī)時與角反射體群的距離比較遠(yuǎn),滿足遠(yuǎn)場條件,照射目標(biāo)的入射波可以近似看成平面波[6],此時,只需考慮投影在同一水平面上的角反射體之間的間隔帶來的影響。則角反射體群的態(tài)勢如圖1所示。

圖1中,多枚角反射體大致分布在一個以原點O為中心的XOY平面上的橢圓范圍內(nèi)。n個角反射體落點的坐標(biāo)分別為(x1,y1),(x2,y2),…,(xn,yn)。其中θ為俯仰角,φ為方位角。

根據(jù)文獻(xiàn)[6-8]提出的散射中心合成算法可知,當(dāng)反艦導(dǎo)彈雷達(dá)導(dǎo)引頭發(fā)射的電磁波沿F(θ,φ)方向入射時,角反射體群總的散射面積可以認(rèn)為是這n個角反射體散射中心貢獻(xiàn)的相干合成[9]。且總散射面積滿足：

(1)

式中,Si為指定雷達(dá)波入射方向上單個角反射體作用下的散射面積;ri為每個角反射體與雷達(dá)接收機(jī)之間的距離;c為光速;f為雷達(dá)波頻率;λ為波長。

由于在遠(yuǎn)場條件下,入射雷達(dá)波可以近似看成是平面波,設(shè)原點O到反艦導(dǎo)彈的距離為r0,式(1)中任意角反射體到反艦導(dǎo)彈的距離ri可以看成是r0與該角反射體和原點O在入射方向上投影距離差Δri的和。將上述關(guān)系代入式(1),可得

(2)

設(shè)第i個角反射體坐標(biāo)Pi=(xi,yi,0),入射方向為n=(sinθ·cosφ, sinθ·sinφ, cosθ),利用圖1給出的幾何關(guān)系模型,可推出投影距離差Δri的計算公式。

Δri=dot(Pi,n)=xisinθcosφ+yisinθsinφ

(3)

式中,dot(·,·)表示兩向量的內(nèi)積。

2　基于CST的單個浮空式角反射體全向RCS數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

對浮空式角反射體陣列RCS進(jìn)行混合預(yù)估時,首先需要獲取單個角反射體的RCS,然后利用散射中心合成算法將各角反射體的RCS貢獻(xiàn)量相干疊加,從而得到角反射體群的RCS。由于浮空式角反射體采用雙棱錐形結(jié)構(gòu),其8個三角形三面角反射體共點,目前在理論上還未推導(dǎo)出其全向RCS表達(dá)式,因此,本文采用CST電磁仿真軟件獲取單個角反射體的全向RCS數(shù)據(jù)庫。

2.1　CST電磁仿真軟件簡介

CST目前是全球最大的純電磁場仿真軟件公司。其工作室套裝(CST STUDIO SUITE)是面向3D電磁場、電路、溫度和結(jié)構(gòu)應(yīng)力設(shè)計工程師的一款專業(yè)仿真軟件包,包含七個工作室子軟件,集成在同一用戶界面內(nèi),可以為用戶提供完整的系統(tǒng)級和部件級的數(shù)值仿真分析。與業(yè)界另一種常用的電磁仿真軟件FEKO相比,CST對于電大、電極大目標(biāo)在保證計算精度的同時,仿真效率要顯著高于FEKO。

軟件覆蓋整個電磁頻段,一共提供了7個完備的時域和頻域全波算法。仿真自帶全新的理想邊界擬合技術(shù)和薄片技術(shù),與其他傳統(tǒng)的仿真器相比,在精度上有數(shù)量級的提高。為了取得更好的求解效果,該軟件提供了4種不同的求解器,用在各自最適合的應(yīng)用領(lǐng)域。由于瞬態(tài)求解器對絕大多數(shù)的高頻應(yīng)用都極為有效,并包含有最新的多級子網(wǎng)技術(shù),能夠提高網(wǎng)格劃分效率,極大加快仿真速度,對復(fù)雜器件尤為有效,因此本文采用該求解器進(jìn)行仿真實驗。

2.2　單個浮空式角反射體全向RCS數(shù)據(jù)庫構(gòu)建

浮空式角反射體采用標(biāo)準(zhǔn)的雙棱錐形結(jié)構(gòu),本文首先利用Solidworks建模軟件建立垂直邊長為0.5m的單個浮空式角反射體三維模型,然后將該模型導(dǎo)入CST軟件進(jìn)行仿真?？紤]到反艦導(dǎo)彈飛行高度及末制導(dǎo)雷達(dá)開機(jī)距離,假定電磁波水平照射角反射體,即俯仰角θ=90°;同時設(shè)置電磁波以水平極化方式入射,頻率f=10GHz,模式為單站散射,算法為彈跳射線法(Shooting and Bouncing Rays, SBR),方位角φ∈[0°,360°](步長1°),仿真界面如圖2所示。最終,仿真得到單個浮空式角反射體的全向RCS數(shù)據(jù)庫,并將其利用圖像形式表示,結(jié)果如圖3所示。

可見,由于結(jié)構(gòu)上嚴(yán)格的對稱性,浮空式角反射體全向RCS隨方位角以90°為周期規(guī)則變化,在同一周期內(nèi),入射角度不同,其RCS會有很大的差異,這也說明浮空式角反射體不同的朝向?qū)﹃嚵械腞CS具有很大的影響,因此,本文在研究過程中將朝向考慮在內(nèi)。

3　基于散射中心合成算法的浮空式角反射體布放間隔尋優(yōu)

雷達(dá)制導(dǎo)反艦導(dǎo)彈主要是通過目標(biāo)的電磁散射特性對目標(biāo)進(jìn)行分選與跟蹤,而RCS幅值是度量目標(biāo)二次散射功率的一個重要的物理量[10]。由公式(2)可知,影響角反射體陣列RCS幅值的因素主要包括單個角反射體的RCS和角反射體之間的布放間隔d,角反射體的尺寸和入射電磁波頻率一定時,其RCS也隨之固定,因此本文僅考慮布放間隔的影響,并根據(jù)RCS幅值對其布放間隔進(jìn)行尋優(yōu)。

3.1　浮空式角反射體布放態(tài)勢建模

在實際反導(dǎo)作戰(zhàn)中,為使角反射體陣列最大限度的模擬目標(biāo)艦艇徑向尺寸,通常會沿艦艇縱軸(即艦的首尾線)方向布放角反射體陣列,然后艦艇沿原方向快速機(jī)動駛離。由于浮空式角反射體下降速度慢,且忽略風(fēng)向、風(fēng)速的影響,可認(rèn)為角反射體陣列在反艦導(dǎo)彈逼近之前始終平行于艦艇縱軸方向。

為保證作戰(zhàn)的靈活性,浮空式角反射體干擾彈電子引信通過編程設(shè)定,理論上可實現(xiàn)任意間隔的布放,因此,不妨假設(shè)各角反射體之間的布放間隔一致,但浮空式角反射體在展開、浮空過程中,受各種因素的影響,其朝向是隨機(jī)的。為簡化尋優(yōu)過程,本文限定角反射體的個數(shù)為6個,相鄰角反射體之間的間距d∈{5,10,15,20,25,30,35,40},單位為(m),各個角反射體的朝向ζ∈{0,360°},電磁波入射方位角φ∈{0,180°}。

基于上述假設(shè),構(gòu)建浮空式角反射體布放態(tài)勢模型。定義直角坐標(biāo)系X軸與目標(biāo)艦艇縱軸平行,指向艦首方向;Y軸與艦橫軸平行,指向左舷;Z軸垂直于甲板面,指向天頂。定義浮空式角反射體陣列整體與目標(biāo)艦艇縱軸平行,各角反射體均豎立布放且間隔相同,但朝向隨機(jī)。定義俯仰角θ為反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)電磁波入射方向的反方向與Z軸的夾角,方位角φ為電磁波入射方向的反方向在XOY平面上的投影與X軸的夾角。綜上所述,浮空式角反射體布放態(tài)勢如圖4所示。

3.2　浮空式角反射體布放間隔尋優(yōu)

根據(jù)上述浮空式角反射體布放態(tài)勢模型,基于散射中心合成算法對角反射體陣列布放間隔進(jìn)行尋優(yōu),其流程圖如圖5所示。為貼近真實環(huán)境,在計算浮空式角反射體陣列RCS時,首先采用rand函數(shù)從單個角反射體全向RCS數(shù)據(jù)庫中隨機(jī)選取6種態(tài)勢賦予該6個角反射體,然后利用散射中心合成算法快速預(yù)估某一入射方位角下該陣列的RCS值,重復(fù)上述工作1000次,得到角反射體陣列RCS在該入射角度下的平均值。隨后,重復(fù)上述方法,計算某一布放間隔下方位角φ從0～180°變化時角反射體陣列的RCS,對上述結(jié)果求均值,即可得到該布放間隔下浮空式角反射體陣列的RCS幅值,最后,通過比較不同布放間隔下浮空式角反射體陣列的RCS幅值,即可優(yōu)選出較佳的布放間隔。

為對比朝向?qū)欠瓷潴w陣列RCS的影響,繪制布放間隔為30m時6個角反射體朝向隨機(jī)與朝向一致兩種情況下角反射體陣列RCS幅值隨方位角φ的變化曲線,結(jié)果如圖6(a)、6(b)所示。

對比圖6(a)、6(b)可明顯看出,當(dāng)角反射體的朝向被打亂時,可以打破雙棱錐形角反射體固有的周期性,使RCS隨方位變化趨于無規(guī)律性,從而更加逼近艦艇的RCS方位特性,同時,其RCS起伏特性隨方位變化也相對較平穩(wěn),表現(xiàn)出更好的全向性。因此,仿真時打亂角反射體的朝向,可使仿真結(jié)果更趨于真實作戰(zhàn)環(huán)境,仿真結(jié)果也更有說服力。

最后,繪制浮空式角反射體陣列的RCS幅值隨布放間隔變化曲線如圖7所示。

圖7中,浮空式角反射體陣列RCS幅值隨布放間隔的變化曲線有明顯的起伏,且分別在d=15m和30m時出現(xiàn)峰值,其中,當(dāng)角反射體之間的布放間隔d為15m時,浮空式角反射體陣列的RCS最大,最大為1285m2,根據(jù)上述尋優(yōu)準(zhǔn)則,對于本文所研究的浮空式角反射體模型,d=15m即為尋優(yōu)得到的布放間隔。

4　結(jié)束語

本文從提高浮空式角反射體陣列RCS幅值的角度出發(fā),利用散射中心合成算法對角反射體之間的布放間隔進(jìn)行了尋優(yōu),其研究思路和結(jié)論可為實際反導(dǎo)作戰(zhàn)中浮空式角反射體陣列的布放提供一定的參考借鑒?？紤]到篇幅限制,本文僅對布放間隔進(jìn)行了研究,未來反導(dǎo)作戰(zhàn)中,為達(dá)到更好的干擾效果,還需要將布放間隔、角反射體的個數(shù)等因素綜合考慮在內(nèi),并結(jié)合擬保護(hù)艦艇的目標(biāo)特性,對浮空式角反射體的布放態(tài)勢進(jìn)行尋優(yōu),這也是筆者后續(xù)研究的重點內(nèi)容。

根據(jù)變頻器所帶泵機(jī)功率大小并且檢測中間直流回路中的電流、電壓值，并在其中串聯(lián)合適的電容，儲存多余的能量，可以提升回路承受過電壓的能力，也可選用較大容量的變頻器應(yīng)對電網(wǎng)電壓瞬時升高，但是要考慮變頻器所帶泵機(jī)的功率，以防造成資金上的浪費。