目前反辐射武器大多采用单脉冲测角的被动导引头,其测向原理是:两个以上的独立支路同时被动接收目标信号,然后再将这些信号加以比较给出目标角位置的信息。通常对每个测向坐标平面都要采用两个独立的接收支路,即方位平面两个支路、俯仰平面两个支路。
有源诱偏技术是公认的对抗被动导引头的有效方法之一。由于反辐射武器体积限制,PRS天线不能太大,这意味着其天线波束不可能很窄,此外有效捕获目标辐射源也要求天线波束必须有足够宽度,这是PRS的弱点,也是诱偏技术的突破点。
角度分辨力是被动雷达导引头的重要指标之一,也是影响测角特性的重要因素。由于反辐射导弹(无人机)的弹径比较小,天线口径受到限制,因此天线方向图宽度较大,即PRS的角度分辨力较差。一般PRS采用平面螺旋天线或者曲折臂天线,波束宽度在频带范围内(PRS一般要求是频率超宽带的,如 2GHz~18GHz,0.5GHz~40GHz)为 60°~110°,在这种情况下,PRS分辨力至少为Δ θ R =(0.8~0.9) θ 0.5 。正是因为PRS有如此不足,才给对抗反。辐射武器提供了重要的途径(最有效的是角度诱偏)。当然,反辐射武器也可以利用一些方法,改善角度分辨力,增强抗干扰能力。因此,深入研究PRS的角度分辨力对于反辐射武器的干扰/抗干扰均有重要的意义。
所谓分辨力,是指雷达能够相当确切可靠地从群目标中分辨出单个目标的能力。从定量角度讲,角度分辨力可以用两个目标方向之间的最小夹角来衡量。角度分辨力有潜在分辨力和实际分辨力的差别,下面先讨论潜在分辨力。
假设两个目标斜距相同,相互间夹角为Δ θ ,则输入信号的自相关函数为
式中, 分别是两个目标的输入信号。很显然,在不考虑信号幅度的条件下有:
式中, F ( θ )和 F ( θ + Δ θ )是角度相隔Δ θ 的两个天线的振幅方向图。
因此,自相关函数可以进一步写为
为简单起见,不妨令 F ( θ )为钟形函数,即有 ,其中 γ 代表方向图宽度的系数,所以有:
经过推算可得:
式中, E oe 为给定波形的高频能量,即有
以 电平计算的自相关函数的宽度为
这是雷达的潜在分辨力,雷达系统的实际分辨力可能远远低于潜在分辨力,这时它不仅与波束宽度有关,还与信噪比、天线旁瓣,以及信号源之间的相对强度有关。
文献[1]详细分析了振幅和差式单脉冲系统和相位和差式单脉冲系统的角度分辨力,并进行比较,得出了基本结论:
(1)振幅式单脉冲雷达对于在和方向图主波束之内的临近目标的干扰信号的反应要比相位式单脉冲雷达的反应更灵敏些。但是,如果干扰目标在和方向图的主波束之外,相位式单脉冲雷达对干扰目标的反应就更灵敏些。
(2)一般性分析雷达对目标的分辨能力是十分复杂的,而且雷达甚至对于两个目标的分辨能力也只能用某个概率值来表示。一般而言,当两个目标之间的角度间隔相当于方向图的0.85 倍时,即可以分辨两个目标。
从系统对抗的过程来看,反辐射武器对目标的跟踪及攻击过程可以划分为两个阶段:一是由导引头引导的制导飞行;二是在武器本身速度作用下的惯性飞行,也可称为失控飞行,其失控高度 h 由反辐射武器自身运动参数 v m 、 a m 及杀伤半径 R m 等指标决定,可近似为常数。如图3.4所示,对于站间距为 D 的诱偏系统和失控高度为 h 的反辐射武器系统来说,可以得到有源诱偏系统相对PRS形成的最大张角为 ,式中 D ≥ d ′(站间安全距离),证明如下。
如图3.3所示,反辐射导引头所在位置为( x , h ) ,有:
图3.3 反辐射武器与诱饵站位置关系示意图
因此,夹角 φ 可以写为
令 ,为了得到极大值,让 φ 对 x 求微分并令其等于零,即求解方程:
式(3-9)等于零,也就是 ,经过推导化简,即:
求解式(3-11),得到 x =0,即当 x =0时, φ 取到最大值 φ max :
如图3.4所示,在距离诱偏系统较远的地方,被动导引头PRS跟踪指向其天线口面处由多个点源合成的波阵面的法线方向。继续前飞,将到达一个临界分辨位置,在该位置诱饵站正好处于导引头的跟踪边缘,再往前飞,诱饵站将处于导引头的跟踪角 α 之外。此时的位置称为临界跟踪位置 M 。飞越临界跟踪位置后,导引头由跟踪状态转为搜索状态,诱偏系统各点源重新进入导引头搜索范围内。
图3.4 反辐射导弹飞行阶段示意图
若 φ < α ,则该布阵的诱偏系统能够成功对抗反辐射武器攻击,其成功概率不仅和诱偏系统参数设置、功率控制、工作方式有关,而且与导引头对信号分选识别处理的硬件和软件设计有关。
若 φ > α ,则反辐射武器有摧毁诱偏系统中任意某站的可能。此时当有反辐射武器告警时,雷达和诱偏系统可采取必要的关机、辐射控制等手段对抗反辐射武器:当反辐射武器临近临界跟踪位置 M 时,辐射源降高压或突然转变辐射方向,使得反辐射武器被动导引头突然失去锁定目标,被迫重新拉起或按记忆攻击合成场强方向,也可以达到诱偏使用目的。