无线电引信近场海背景特性试验研究

摘要：      引信的低空性能是空空导弹超低空作战效能优劣的关键要素， 特别是在近场海背景下， 更需要对无线电引信的能力特性进行评估。 本文基于多尺寸粗糙海面模型， 运用物理光学法和物理绕射法及四道复合散射预测方法， 首先建立了海面目标电磁散射场及复合散射回波的理论模型。 接着， 仿真分析了不同波段、 不同海情、 不同交会状况下， 无线电引信的海背景回波， 以及与目标的复合散射回波特性。 最后， 通过开展对海面的低空挂飞近距回波特性试验， 以及对海面与目标复合的回波特性试验， 获得无线电引信的海背景回波数据， 并与仿真结果进行对比分析。 结果显示， 多普勒回波幅度仿真与实测结果基本一致。

关键词：     无线电引信； 海背景； 抗干扰； 回波特性; 海面目标

中图分类号：     TJ43    文章编号：     1673-5048（2023）04-0085-06

文献标识码：    A    DOI： 10.12132/ISSN.1673-5048.2022.0238

0引言

空空导弹的一个重要组成部分就是引信， 引信主要是通过平台、 环境和目标等信息， 为弹药的勤务和弹道安全提供强有力的保障， 并根据预先设计的弹药起爆控制装置进行起爆控制。

当前存在的主要威胁目标常利用低空和超低空掠地掠海来实施突防。 空空导弹在遭遇反掠海低空、 超低空飞行目标时， 海面背景有较强的反射作用， 产生较强的海杂波干扰， 影响引信的低空作战能力， 引信会同时探测到目标的回波信号和海面回波信号。 为了精确高效拦截低空、 超低空飞行目标， 要求引信具有在强海杂波背景干扰下的识别能力。

对于无线电引信近距探测来说， 引信波束为扇形波束， 对海面是局部近距探测， 与远距雷达的海背景特性不同。 无线电引信海背景回波特性研究是抗海杂波干扰的基础， 为无线电引信抗低空、 超低空海杂波干扰的设计与验证提供依据， 对提高导弹反超低空目标性能具有重要意义。

本文以无线电引信的近场海背景特性试验研究为主， 通过构建海背景试验条件， 开展对海面的低空挂飞近距回波特性试验， 以及对海面与目标复合的回波特性试验， 获得无线电引信的海背景回波数据， 并与仿真试验结果对比， 验证仿真模型的有效性。

1回波特性理论

作为精确制导武器海背景目标检测的重要领域， 对海杂波的研究方法目前有经典海杂波模型和海杂波分形特性两类， 二者分别以传统统计学和混沌动力学为基础。 在将海面细分为无限小随机运动的组合后， 即可采用统计学原理建立包含韦布尔分布、 对数正态分布和瑞利分布等类型的常用杂波统计模型。 上述几类模型除了仅能开展单脉冲检测的局限外， 在模拟杂波方面也缺乏时间和空间相关性。 为解决这一问题， 1976年， Jakeman创新性地提出了基于K分布的电磁散射统计模型， 随之国内外统计模型研究学者逐步将研究重点转向该分布模型的仿真方法、 参数估计方面。 对于雷达杂波的仿真方法， 采用较多的有零记忆非线性变换法（ZMNL）、 球不变随机过程法（SIRP）和随机微分方程法（SDE）， 但SDE法的研究深度和应用广度远不及前面两种。 此外， 通过对IPIX雷达实测数据的分析， 加拿大学者提出了一种新的基于TSALLIS分布的海杂波建模方法［1-6］。

虽然传统统计模型在海杂波仿真和分析方面不仅结果较为准确， 而且使用方便、 应用范围广， 但由于该模型来自于经验和数据拟合的固有属性， 其在反应杂波形成的物理机理方面不免捉襟见肘。 随着分形概念的提出和理论体系的迭代更新， 其在证券市场分析、 图像分析处理等众多领域脱颖而出。 一直到Jaggard等研究人员在研究电磁波和分形表面相互作用时， 发现散射波中存有部分散射表面的分形特征后， 分形法才打开了在雷达信号处理方向的应用之门。 1993年， Morrison首次采用分形法对海杂波分形维进行估计， 随后围绕单一分形开展了众多研究。 2000年， 杜干在其博士论文中完成了海杂波多重分形分析， 并据此提出了海面目标检测方法； 在此基础上， Gao深入分析了海杂波的多重分形的特性并建立了对应模型［7-11］。

粗糙海面电磁散射特性仿真主要由解析近似和数值计算两类方法， 具体而言， 前者主要有微扰法［12］ 、 KA近似-半确定面元法［13］ 、 小斜率近似法［14-15］ 、 基尔霍夫近似法［16-17］ 等； 后者主要有时域有限差分法、 有限元法、 矩量法等。 数值计算方法计算大尺度粗糙海面计算效率低下， 不适用于引信海面回波计算。

微扰法是基于瑞利假设建立起来的， 该方法首先通过求解边界条件得到远场传输的未知振幅， 再将未知振幅进行平面波叠加得到散射场。 微扰法虽然可以求解大入射角下的散射， 但受瑞利误差的固有影响， 其只能用于计算表面起伏强度小于入射波长的情况。 KA近似-半确定面元法在描述海面时， 采用的是双尺度粗糙模型， 即小毛细波叠加在大尺度重力波上， 一系列频率连续的小尺度正弦波成分叠加在一起成为毛细波， 采用KA结合半确定面元的方法计算海面散射回波， 能够得到较精确的结果。 小斜率近似法， 以级数展开为基础， 用一系列的级数展开与叠加得到粗糙表面的斜率， 适用于较小均方根斜率的随机粗糙海面。 基尔霍夫近似法是一种经典的高频方法， 该方法实际上是基于物理光学近似法。

基于随机介质中的电磁散射理论、 随机粗糙面与目标的复合散射机理， 利用互易性原理、 迭代策略、 射线寻迹思想、 电磁场计算的近似方法、 数值方法、 混合方法以及相关并行技术， 建立实际海洋环境与典型军事目标复合电磁散射理论模型， 获取实际海洋环境中军事目标的后向RCS、 时域回波、 多普勒谱等雷达特征信号。

建模方法如下：

（1） 基于现有的海谱模型（PM谱、 JONSWAP谱、 Elfouhail谱等）， 采用线性滤波方法结合试验测量数据建立不同海况下实际动态海面的几何模型； 同时， 建立大尺度重力波上由小尺度毛细波调制的双尺度海洋表面模型。 根据波浪破碎概率和白冠覆盖率， 将Longtank模型和卷浪模型与动态海面模型进行叠加， 得到高海情下考虑波浪破碎现象的复杂海面模型。 建立实际色散海水的双Debye介电参数模型； 对于具有一定碎波覆盖率的海面， 基于气泡或水滴的密度、 粒子谱分布、 覆盖率， 获取体积比以及粒子有效介电常数， 结合Maxwell-Garnett混合介质模型等效介质理论， 获得含白浪和碎波区域海面的等效介电参数模型。

（2） 对于1～2级低海情， 海面高度起伏远小于入射波长， 采用微扰法（SPM）研究微起伏海面的电磁散射特性； 3级中等海情， 不存在破碎波情况下， 利用锥形波修正基尔霍夫近似（KA）和一阶小斜率近似（SSA-1）方法研究海面电磁散射； 采用高阶微扰法、 高阶基尔霍夫近似、 SSA-II研究高海情下海面的电磁散射问题， 重点考虑遮挡效应和多重散射效应对海面电磁散射的影响。

（3） 首先结合物理绕射（PTD）与改进等效电流近似（MECA）， 完成目标散射场计算； 再利用双尺度面元模型对大尺寸海面电磁散射场进行预估； 接着， 基于反射系数修正法及四路径镜向等效思想， 对粗糙面上每个镜向反射单元的复反射系数进行计算， 得到四路径复合散射预估方法； 最后， 对目标和海面的复合散射回波进行模拟。

对于目标与海面的复合散射， 目标散射场由四种路径的散射场构成： ①目标本身对入射波产生的散射； ②海面对目标散射场的二次反射产生的场； ③海面反射场经过目标二次散射产生的场； ④目标散射场经海面反射再次经过目标的散射场。

在这4条路径中， 路径①为目标直接散射场， 路径②、 ③、 ④体现了目标与海面的耦合作用， 这3条路径散射场的和称为耦合场。 将上述四部分的散射场矢量叠加， 得到半空间目标散射场， 再叠加海面散射场， 即可得到半空间复合散射的总散射场， 表示为

Etotal=Eplane+EPath－1+EPath-2+EPath－3+EPath－4

（4） 基于互易性定理和多路径散射思想， 研究动态海面与运动目标之间耦合散射的物理机理， 采用双级准静态方法建立考虑实际动态海面与运动目标复合模型的后向电磁散射回波信号， 分析不同海况、 目标参数下复合散射Doppler、 耦合散射Doppler的变化规律。

2回波特性试验设计

2.1对海面的低空挂飞近距回波特性试验

试验时将无线电近距回波特性装置通过专门研制的支架固定在飞机下方， 飞机按照设定的高度和路线掠海面飞行， 用专用工控机记录飞行过程中对海面的无线电回波信号， 使用GPS和摄像头辅助记录高度和海况信息。

数据采集系统示意图如图1所示。

试验时， 将GPS放置于驾驶舱内并固定好， 保持静止。 GPS全程记录飞行高度、 位置、 速度信息， 与无线电回波特性测试装置信号同时记录作为“时间-位置”参考。

试验中， 载机飞行路线如图2～3所示， 海面照片如图4所示。

2.2对海面与目标复合的回波特性试验

对海面与目标复合的回波特性试验在造波池水面上进行。 造波池水面照片如图5所示。 模拟海浪的谱

型包括规则波和不规则波： 规则波为波高0.5 m的正弦波， 根据运动方向分为标准规则波和45°规则波（与标准规则波的运动方向相差45°）； 不规则波的波高和波长不定， 最大波高0.5 m， 分为东海波和南海波。

利用造波池区域作为试验有效区域。 用单根细钢丝绳在造波池的上方形成引信产品运动轨道， 钢丝绳一端在地面上生根， 另一端用吊车吊钩吊起形成所需俯仰角度。 引信两端加过渡段， 连接成引信运载飞行体。 把钢丝绳穿过引信二舱壳体和过渡段， 将引信运载飞行体安装在运动轨道上， 通过氟塑料滑块与钢丝绳形成摩擦运动。

待造波池产生规定的模拟海浪后， 试验人员在地面用牵引绳控制引信沿钢丝绳轨道以一定速度从造波池的一端运动到另一端， 完成一次数据采集， 以获取在低空条件下引信对海情的回波信号。

试验示意图如图6所示。

2.3试验数据

在低海情下， 获得引信波束大入射角斜照射海面时不同弹目距离条件下的引信多普勒回波实测信号， 如图7所示。  引信对低海情海面大入射角斜照射时回波相对较小， 引信对目标回波幅度受弹目距离调制作用， 图中鼓包为目标的多普勒回波， 回波幅度随距离增大而减小。

3海杂波背景回波试验采集数据与仿真数据对比

在低海情（1～2级）下， 海面回波实测结果如图8所示， 图8（a）为模拟海面条件下的引信回波实测结果， 图8（b）为正弦规则波条件下的引信回波实测结果。

从图中可以看出， 随着引信高度的不断降低， 海面照射区域减少， 但由于引信与海面距离接近， 所以回波幅度依然呈上升趋势。 由于海面是不规则波， 整个高度范围内回波幅度会出现轻微震荡， 正弦规则波具有随高度减小而一直增大的趋势。

引信波束垂直海面， 仿真计算不同海情引信多普勒回波幅度， 计算结果如图9所示。

导弹反超空目标时采用俯冲攻击方式， 从高到低逐渐接近海面的过程中， 回波幅度受距离、 海情和入射角的调制。 从仿真结果可以看出， 引信波束垂直海面时， 不同海情条件下引信的回波区别较大， 低级别海情的引信回波幅度比高级别海情的引信回波幅度大。 可以解释为： 海面散射以表面镜像散射分量为主， 电磁散射贡献主要来自引信波束垂直的海面局部； 垂直入射时， 海情越高， 垂直于引信波束的海表面部分越少， 海表面的散射回波就越弱； 大入射角时， 海情越高， 垂直于波束的海表面部分越多， 海表面的散射回波就越强。