巡航导弹低空突防对雷达探测效能的影响

林存坤, 张小宽, 庄亚强

(空军工程大学防空反导学院,陕西 西安 710051)

巡航导弹低空突防对雷达探测效能的影响

林存坤, 张小宽, 庄亚强

(空军工程大学防空反导学院,陕西 西安 710051)

根据巡航导弹巡航段飞行特点模拟导弹三种不同巡航高度时的巡航航迹,仿真导弹RCS序列随时间的变化情况,考虑导弹低空突防时面临的强地杂波战场环境,估算出地杂波信号强度,仿真计算导弹在三种巡航高度下突防时雷达的探测概率。结果表明：巡航导弹低空突防时,地杂波的强度很大程度上制约了雷达的探测效能,巡航高度越低,雷达探测效能越差,越有利于导弹突防。

巡航导弹；低空突防；地杂波；雷达探测

0 引言

巡航导弹是空中力量的主要组成部分之一,较好的低空突防能力使其在现代战争中发挥着越来越重要的作用。巡航导弹具有飞行高度低、雷达散射截面(RCS)小等特点,雷达探测巡航导弹时面临视距限制、强杂波中检测、多路径干涉等问题［1］。本文通过对地杂波和导弹RCS序列仿真,研究巡航导弹低空突防对雷达探测效能的影响。

1 巡航导弹的主要特点

巡航导弹是一种装载了战斗部的无人航空器,利用地形匹配制导飞行,具有射程远、突防能力强、多用性好等特点。在巡航段,巡航马赫数约为0.7,巡航高度为10 m～150 m。低空飞行时,由于地球曲率的影响,雷达探测距离受到视距的限制,因此预警雷达通常要提升架设高度,且雷达探测波束主瓣打地,回波中包含了大量的地杂波,探测难度较大。其次,巡航导弹雷达散射截面很小,典型的巡航导弹在L波段、S波段的RCS只有0.1 m2～0.5 m2。

2 巡航导弹RCS仿真

通常将目标RCS作为一个常量,实际目标不是均匀的散射体,其RCS不仅与雷达工作波长与极化方式有关,也与目标的姿态角、雷达视线角有关。精确仿真时,需考虑目标随雷达视线角而变化的RCS时间序列。本文假定地面预警雷达采用P波段垂直极化波。以某型巡航导弹为例,利用FEKO电磁仿真软件,采用MOM法计算导弹P波段电磁散射特性,得到目标全空域静态RCS目标数据库,全空域目标RCS分布如图1所示。由图可知,弹头方向RCS较小,而弹体侧向RCS较大。

假设巡航导弹巡航段做匀速直线飞行,初始位置距雷达120 km,飞行马赫数为0.7,取三种不同的巡航高度(50 m、100 m、150 m)得到三条航迹及每条航迹下雷达视线角的实时变化情况,最后由目标全空域静态RCS库分别得到巡航导弹的动态RCS序列,如图2所示。仿真中,远程预警雷达架设海拔高度设为500 m。由图可知,巡航高度越高,RCS相对越小,这是由于巡航高度越高,雷达波束指向巡航导弹的头都强隐身区域,RCS值较小。

图1 巡航导弹P波段全空域静态RCS分布

图2 不同巡航高度下巡航导弹RCS序列

3 杂波仿真

雷达接收到的地杂波主要是陆地表面对电磁波的散射形成的。在讨论杂波对雷达的影响时,通常采用杂波后向散射系数σ0来定量描述,σ0表示单位表面面积的平均雷达散射截面,与地形、入射余角、雷达波频段等有关［2］。本文采用Morchin提出的地杂波后向散射系数模型,这个模型既考虑不同地形对后向散射系数的影响,也考虑接近垂直入射时的镜面反射分量,且相比常用的经典恒γ的σ0模型更为精确［3］,其表达式为

式中:λ为雷达工作波长;θ为擦地角;u=f1/2/4.7;f为雷达工作频率,单位为GHz;A、B、为模型参数,与地形有关,经查表分别选为0.004,π/2,0.2,1。

地杂波强度σc为［4］

其中雷达分辨单元面积为

式中:c为电磁波传播速度;τ为雷达发射脉冲宽度;θβ0.5为雷达波束俯仰半功率宽度;R为目标到雷达距离。

图3给出了地杂波强度σc随导弹突防的实时变化情况。由图可知,随着导弹与雷达距离的减小,地杂波强度出现快速增强,这主要是由于雷达波束的擦地角变大导致。导弹巡航高度越高,杂波越弱,这也与实际情况相符合。

图3 导弹突防时地杂波强度变化

4 雷达探测模型

（1）综合信噪比计算

不考虑多径效应和电磁干扰,雷达接收机处理信号波及目标回波、地杂波和接收机内部噪声［4,5］。

目标回波信号功率Pr为

式中:Pt为雷达发射功率;G为天线增益;λ为雷达工作波长;σ为目标RCS;L为雷达系统损耗。

地杂波功率Pc为

接收机内部噪声功率Pn为

式中:k为波尔兹曼常数;Fn为接收机噪声系数; T0为系统噪声温度;Bn为接收机等效噪声带宽。

综合信噪比为

式中:I为杂波改善因子。

（2）探测概率计算

采用SwerlingⅣ型起伏模型［6］,检测概率PD可由下式得到［7］。

式中:ΓI表示不完全的γ函数;np为脉冲积累个数;VT为检测门限,可以通过Newton-Raphson方法中的递归公式近似得到。

使用递归公式可得

只有γ0需要使用式(9)计算,γi的其他值可以由下面的递归公式计算。

（3）雷达检测概率仿真结果

设定远程预警雷达参数:频率f=435 MHz,发射功率Pt=600 k W,天线增益G=40 dB,接收机噪声系数Fn=5 dB,系统噪声温度T0=496,杂波改善因子I=58 dB,发射脉冲宽度τ=50μs。不考虑系统损耗,仿真中目标初始距离雷达120 km,满足雷达视距条件。脉冲积累个数为5,虚警概率Pf=10―6时,雷达检测概率仿真结果如图4所示。

图4 雷达检测概率

由图4可知,在相同时刻即相同的巡航导弹到雷达的水平投影距离,巡航高度越高,雷达检测概率越大。尽管图2显示巡航高度越高,目标RCS序列相对越小,即目标回波信号功率越小,但是相应的地杂波越弱,雷达检测概率反而更大。随着导弹与雷达距离逐渐减小,雷达检测概率变得很小,这是由于近距离时,杂波很强,目标回波被淹没在噪声中。可见,相比目标RCS,杂波强度是影响雷达探测低空小目标的主要因素,尽可能提高杂波改善因子,减小杂波强度,提高信杂比,是提高杂波中检测低空目标的关键。

5 结束语

本文考虑了巡航导弹低空突防时,地杂波和目标散射特性对雷达探测效能的影响,通过不同巡航高度时雷达检测概率的仿真,得到了巡航高度越低,雷达探测越困难,越利于突防的结论,与实际情况相符。仿真结果表明,地杂波对雷达探测的影响很大,抑制杂波和杂波中检测小目标始终是雷达界研究的热点之一。

［1］王利军,郭建明,高春明,等.常规地基雷达探测巡航导弹问题研究［J］.航天电子对抗,2009,25 (6):8-10.

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［3］潘亮,付强,张军.一种地杂波谱的计算与仿真方法［J］.系统工程与电子技术,2005,27(4):586-590.

［4］范玉珠,张为华,谢道成.巡航弹飞行环境对跟踪照射雷达探测性能影响仿真分析［J］.系统仿真学报,2008,20(15):3927-3930.

［5］原慧,陶建锋,安磊.复杂战场环境雷达探测模型研究［J］.计算机测量与控制,2012,20(11): 2999-3004.

［6］戴海树,叶波峰,李侠,等.一种探测巡航导弹的雷达能力评估方法［J］.中国电子科学研究院学报,2008,3(4):403-406.

［7］Bassem R.Mahafza,Atef Z.Elsherbeni.雷达系统设计MATLAB仿真［M］.北京:电子工业出版社,2009.

Study on the Influence of Low Altitude Penetration of Cruise Missile to Radar Detection Capability

LIN Cun-kun, ZHANG Xiao-kuan, ZHUANG Ya-qiang
(Air and Missile Defense College of Air Force Engineering University, Xi'an Shaanxi 710051,China)

According to the flight feature of cruise missile in cruise phase,this paper firstly simulated cruise paths in three different flight altitudes,and then calculated the change of actual RCS series.Signal intensity of land clutter was estimated because battlefield condition with intense land clutter was taken into consideration when missile adopted low altitude penetration.At last radar detection probabilities of three cruise altitudes were calculated.The results indicate that the lower cruise altitude for cruise missile,the weaker detection capability of radar will be,and the more benefit for missile penetration.Meanwhile,the intensity of land clutter restricts the efficiency of radar detection in great degrees.

cruise missile;low altitude penetration;land clutter;radar detection

TN011

A

1671-0576(2014)04-0041-04

2014-09-08

林存坤(1989―),男,硕士;张小宽(1973―),男,副教授,博士;庄亚强(1990―),男,硕士,均从事雷达目标电磁散射特性研究。