运动调制的间断型长箔条散射特性研究_甘琳.pdf

甘琳，李健兵，杨坤龙，等.运动调制的间断型长箔条散射特性研究J.电波科学学报，2023，38（1）：114-122.DOI:10.12265/j.cjors.2022005GAN L,LI J B,YANG K L,et al.Research on the motion and scattering characteristics of intermittent long chaffJ.Chinese journal of radio science，2023，38（1）：114-122.（in Chinese）.DOI:10.12265/j.cjors.2022005运动调制的间断型长箔条散射特性研究甘琳1，2李健兵1，2*杨坤龙3王雪松1，2（1.国防科技大学电子科学学院,长沙 410073；2.国防科技大学 电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室,长沙 410073；3.解放军 95876 部队,张掖 734100）摘要 随着高分辨、分布式、组网融合的雷达系统的发展，传统箔条面临着干扰效率不足、三维维形困难等问题.针对发展低维高效的箔条干扰方式的需求，提出了一种由传统箔条串接而成的间断型长箔条，并通过模态分析和数值仿真研究了其在稀薄大气中的运动学特性和散射特性.该类箔条由考虑了缩短效应的多根传统箔条间隔一定距离依次相连形成，旨在通过约束传统箔条在稀薄大气中的自由扩散，维持雷达距离单元内较高的箔条密度，从而提高干扰效率.仿真结果表明：在不同指向条件下，单根 7.44 m 间断型长箔条两分钟内的雷达散射截面（radar cross section,RCS）均未出现下降趋势，仅在均值附近上下波动；单根 7.44 m 间断型长箔条在 X 波段各频点的平均 RCS 较同质量的传统箔条均有所提升，10 GHz 条件下至少提升了 3 dB；100 根随机分布的 7.44m 间断型长箔条形成的箔条云 RCS 均值约为9 dBsm，较相同条件下传统箔条形成的箔条云提升了 67 dB.新型间断型长箔条可为典型小 RCS 目标的高效费比防护提供支撑.关键词箔条；间断型长箔条；雷达散射截面(RCS)；雷达干扰；有限元法中图分类号TN972.4文献标志码A文章编号1005-0388（2023）01-0114-09DOI 10.12265/j.cjors.2022005Research on the motion and scattering characteristics of intermittent long chaffGAN Lin1,2LI Jianbing1,2*YANG Kunlong3WANG Xuesong1,2（1.College of Electronic Science and Technology,National University of Defense Technology,Changsha 410073,China；2.StateKey Laboratory of Complex Electromagnetic Effects on Electronics and Information System,National University of DefenseTechnology,Changsha 410073,China；3.Unit 95876 of PLA,Zhangye 734100,China）Abstract With the development of high-resolution,distributed,and network-integrated radar systems,thetraditional chaff is facing problems such as insufficient interference efficiency and difficulty in maintaining three-dimensional shape.In order to develop a new low-dimensional and efficient chaff jamming method,an intermittent longchaff is proposed,which is composed of traditional chaffs in series.Its motion and scattering characteristics in the thinatmosphere are studied by modal analysis and numerical simulation.This type of chaff is formed by connecting severaltraditional chaffs at a certain distance in consideration of shortening effect.It aims to maintain a high chaff density inthe distance cell by restricting the free diffusion of the traditional chaffs on it in the thin atmosphere,thereby improvingthe radar interference efficiency.Simulation results show that the radar cross section (RCS)of a single 7.44 mintermittent long chaff within two minutes does not show a downward trend under different pointing conditions,andonly fluctuates around the average value.The average RCS of a single 7.44 m intermittent long chaff at frequencypoints in the X-band is improved compared with traditional chaffs of the same quality,and at least 3 dB higher at 10GHz.The average RCS of the chaff cloud formed by 100 randomly distributed intermittent chaff is about 9 dBSm,which is 67 dB higher than that of the chaff cloud formed by traditional chaffs under the same conditions.The new 收稿日期：2022-01-07资助项目：国家自然科学基金(61771479,61625108)通信作者：李健兵 E-mail: 第 38 卷第 1 期电波科学学报Vol.38，No.12023 年 2 月CHINESE JOURNAL OF RADIO SCIENCEFebruary，2023 intermittent long chaff can provide support for the efficient cost-effective protection of typical small RCS targets.Keywordschaff；intermittent long chaff；radar crass section；radar jamming；finite element method 引言箔条是一种轻型的空中反射电磁波的体目标，是具有一定长度(一般为半波长)且长度远大于直径的金属或介质表面涂镀金属薄层的直条或直丝13.作为一种经典的无源干扰手段，箔条具有适用性强(低分辨、高分辨均适用)、应用广、制作简单、成本低廉等优势，在导弹突防、舰船和飞机自卫等方向都有十分广泛的应用.第二次世界大战以来，随着无源干扰技术的迅速发展，世界各国的海、陆、空、天等作战平台均装备了以箔条弹为主要手段的雷达无源干扰系统，多品种、多规格的箔条弹已经广泛应用于飞机、舰船、导弹等平台上.当前，国内外学者针对箔条的运动特性2-5、雷达散射截面(radar cross section,RCS)特性6-8、极化特性9-11等已经进行了长期研究并有成功的应用，但是仍存在以下几个问题：1)干扰效率不够.箔条在面对极化方向与自身方向正交的来波时干扰效果全无，而某些待保护目标可能要面临不同平台雷达的探测，这就要求箔条在抛撒时方向够随机、均匀，对抛撒方式提出了较大挑战，且不利于箔条干扰效率的充分发挥.2)空间维形能力差.在高空稀薄大气中，按传统方式形成的箔条云中各箔条是自由运动的，导致箔条云极易扩散变稀疏.如果要保证箔条云的干扰效果，则需要持续或间断地抛撒大量的箔条，这对待保护目标的载荷能力将形成较大的压力.3)经典箔条云在高空中只做简单的运动，难以对待保护目标的微动(进动和章动)特征形成有效的保护.随着箔条抗干扰技术的发展，对箔条干扰的识别与对抗方法愈加丰富，主要有基于回波起伏特性、多普勒效应、极化特征、时频分析等识别方法12-14，传统箔条已经很难满足诸多实际需要.近年来，随着箔条结构不断优化，产生了一些适用于特殊场景的箔条，如 V 型箔条、充气箔条、非谐振干扰绳1119等.也有学者设计了新型箔条结构，有效提升了箔条的散射能力.杨坤龙等提出的三维正交箔条较相同质量的传统箔条，平均 RCS 提高了 2.61 dB15.刘鑫等提出了一种基于角反射器的箔条 RCS 增强结构，使其相比单个箔条的 RCS 增大了 30 dB 以上16，但只在某些方向散射较强，且没有考虑运动调制带来的影响.因此研究散射效率高、维形能力强、可调制复杂运动的新型箔条结构具有重要意义.本文针对传统箔条云对先进雷达的反识别能力不足、维形困难等问题，提出一种间断型柔性箔条无源干扰物，使之在三维空间具有较好的维形能力，以提升其单位载荷质量下的干扰能力和干扰效率.采用理论推导和软件仿真相结合的方法，重点研究了此种箔条的运动学特性和电磁散射特性，为解决箔条应用中存在的问题、进一步进行箔条云团的特性研究打好理论基础.1 稀薄大气中间断型长箔条的运动特性间断型长箔条是由传统箔条在细线上间隔一定距离相连构成的，其结构如图 1 所示.通过细线可以限制子箔条在空中的自由扩散，从而提升箔条的维形能力，并形成特殊的干扰效果.l1l2d2d1l3lndnln+1lmlm+1dmdm+1lm+2图 1 单根间断型超长箔条结构Fig.1 Single intermittent ultra-long chaff structure 2Rsin(/2)R当待保护目标距离雷达很远时，其所在的雷达分辨单元空间区域是一个半径()很大、厚度()很薄的圆盘，如图 2 所示.利用这个特点，如果能够在待保护目标前后多个距离单元内布撒大量间断型长箔条，形成较强的可控干扰，则可对目标形成较好的保护.弹头雷达R振荡+旋转R图 2 间断型长箔条的雷达干扰示意图Fig.2 Radar interference of intermittent long chaff 箔条在低空大气中易受大气阻力影响，但在高空稀薄大气中空气阻力非常小，有利于运动控制.本文首先针对间断型超长箔条在高空稀薄大气的情况第 1 期甘琳，等：运动调制的间断型长箔条散射特性研究115 进行研究，对运动进行合理简化，获得其在典型调制下的运动规律，为散射和雷达特性分析提供支撑.1.1 仿真原理u(x,t)在空气阻力可以忽略的条件下，间断型超长箔条受运动调制后的运动变化情况可以用理论力学的方法直接进行分析，归结为