对雷达的无源对抗技术.ppt

对雷达的无源对抗技术 9 1箔条干扰9 2反射器9 3假目标和雷达诱饵9 4隐身技术 9 1箔条干扰 雷达通过对目标回波的检测和分析 发现目标并确定其性质 雷达对抗就是要通过破坏雷达回波的特性 达到干扰雷达正常工作的目的 前面所讲的噪声压制性干扰和欺骗干扰都是靠发射电磁波信号达到干扰雷达目的的 这种有源干扰方法存在一些问题 就像雷达信号可以作为对方攻击的信标一样 干扰信号也会成为对方的信标 除了采用有源方法以外 还可以采用无源方法 产生杂乱 虚假回波或减弱目标回波 破坏雷达的正常工作 无源干扰也能够破坏和妨碍雷达检测回波 在某些方面具有较有源干扰更明显的优点 如 1 能够干扰各种体制的雷达 如频率捷变 频率分集 单脉冲 相控阵和微波成像雷达 2 干扰空域大 频带宽 3 制造简单 使用方便 干扰可靠 研制周期短 无源干扰技术主要包括以下6种 1 箔条 干扰丝 带 产生干扰回波 以遮盖目标或破坏雷达对目标的跟踪 2 反射器 以强的回波形成假目标或改变地形地物的雷达图像进行目标伪装 3 等离子气悬体 形成吸收雷达电波的空域 以掩护目标 4 假目标 主要针对警戒雷达 大量假目标使雷达目标分配系统饱和 5 雷达诱饵 主要针对跟踪雷达 使雷达不能跟踪真目标 6 隐身 技术 综合采用多种技术 尽量减小目标的反射能量 使得雷达难以发现自己 在实战中 有源干扰和无源干扰常常配合使用 9 1 1箔条干扰的一般特性箔条的是使用最早和最广泛的一种无源干扰技术 历次战争证明其在保护飞机和舰船方面具有优越的性能 箔条通常由金属箔切成的条 镀金属的介质构成或直接由金属丝制成 其中使用最多的是半波长的振子 这种振子对电磁波谐振 散射波最强 材料最省 它们在空间的大量随机分布 所产生的散射对雷达造成干扰 其特性类似噪声 遮盖目标回波 箔条干扰各个反射体之间的距离通常比波长大几十倍到上百倍 因而它并不改变大气的电磁性能 箔条的使用方式有两种 一是在一定空域中大量投掷 形成宽数公里长数十公里的干扰走廊 以掩护战斗机群的通过 这时 雷达分辨单元中 箔条产生的回波功率远大于目标的回波功率 雷达便不能发现和跟踪目标 另一种是飞机或舰船自卫时投放箔条 这种箔条快速散开 形成比目标大的多的回波 而目标本身作机动运动 这样雷达不再跟踪目标而跟踪箔条 为了能够干扰不同极化和波长的雷达 箔条也采用长达几十米甚至上百米的干扰丝或干扰带 箔条干扰能够同时对不同方向 不同频率的多部雷达进行干扰 但是对具有速度处理能力的雷达来说 其干扰效果会严重下降 箔条干扰的技术指标包括 箔条的有效反射面积 频率特性 极化特性 频谱特性 衰减特性 遮挡效应以及散开时间 下降速度 投放速度 粘连系数 体积和重量等 这些指标受各种因素影响较大 一般根据实验来确定 9 1 2箔条的有效反射面积箔条干扰是大量随机分布的箔条振子的响应总和 箔条总的有效反射面积等于箔条数乘以单根箔条的平均有效反射面积 我们首先研究单根箔条的有效反射面积 目标的有效反射面积可以定义为目标散射总功率P2和照射功率密度S1的比值 即 P2 S1 如果E2为反射波在雷达处的电场强度 E1为照射波在目标处的电场强度 目标斜距为R 则 9 1 设箔条为半波长的理想导线 如图9 1所示 入射波的场强为E1 与箔条的夹角为 则E1产生的感应电流的最大值为 9 2 其中 R 73 为半波振子的辐射电阻 为波长 图9 1半波长振子的有效反射面积 该感应电流在雷达处产生的电场强度E2为 9 3 将 9 2 9 3 式代入 9 1 式 则可以得到单根箔条的有效反射面积 9 4 考虑箔条在三维空间的任意分布 则箔条的平均有效反射面积为单根箔条的面积在空间立体角中的平均值 即 其中 则 9 5 在投放箔条时 要保证在每个雷达分辨单元里箔条的有效反射面积是目标有效反射面积的 0Kj倍 因此在雷达分辨单元内箔条的根数由下式确定 9 6 9 1 3箔条的频率响应为了得到大的有效反射面积 通常采用半波长振子箔条 但半波长箔条的频带很窄 只有中心频率的15 20 为了增加频带宽度 可以采用两种方法 一是增大单根箔条的直径或宽度 但是带宽的增加量有限 且容易带来重量 体积和下降速度等问题 二是采用不同长度的箔条混合包装 为了便于生产 每包中箔条长度的种类不宜太多 以5 8种为宜 9 1 4箔条干扰的极化特性短箔条在空间投放以后 由于本身所受重力和气候的影响 在空间将趋于水平取向且旋转地下降 这时箔条对水平极化雷达的回波强 而对垂直极化雷达信号反射很小 为了使箔条能够干扰垂直极化的雷达 可以在箔条的一端配重 使箔条降落时垂直取向 但下降速度变快 并且在箔条投放一段时间以后 箔条云出现两层 上边一层为水平取向 下边一层为垂直取向 时间越长 两层分开的越远 但在飞机自卫情况下 刚投放时 受飞机湍流的影响 箔条取向可以达到完全随机 能够干扰各种极化的雷达 长箔条 长于10cm 在空中的运动规律可以认为是完全随机的 能够对各种极化雷达实施干扰 箔条云的极化特性还与雷达波束的仰角大小有关 在90 仰角时 水平取向的箔条对水平极化和垂直极化雷达的回波差不多 但在低仰角时 对水平极化雷达的回波比对垂直极化雷达的回波要强的多 9 1 5箔条回波信号的频谱箔条云回波是大量箔条的反射信号之和 每根箔条回波的强度和相位是随机的 其频谱可以认为是高斯谱 其频谱中心对应于箔条云移动的中心频率 其频谱宽度主要取决于风速 风速越大 频谱越宽 箔条云的平均运动速度v0为 9 7 其中 vF vL分别为风的平均速度和箔条的平均下降速度 应当指出的是 箔条云的频谱宽度通常只有几十赫兹 即使在阵风 旋风作用下 其谱宽也只有几百赫兹 因此对具有多普勒频率处理功能的雷达来说 干扰效果要明显降低 这时 可以采用复合式干扰 利用有源干扰产生宽带多普勒噪声 以弥补箔条干扰带宽的不足 9 1 6箔条的战术应用箔条的优越性能使它在现代战争中有着日益广泛的应用 用于在主要攻击方向上形成干扰走廊 以掩护目标接近重要的军事目标 或制造假的进攻方向 用于洲际导弹再入大气层时形成假目标 用于飞机自卫 舰船自卫时的雷达诱饵 1 箔条用于飞机自卫箔条用于飞机自卫是利用箔条对雷达信号的强反射 将雷达对飞机的跟踪吸引到对箔条的跟踪上 为了达到该目的 箔条必须在宽频带上具有比被保护飞机大的有效反射面积 必须保证在雷达的每个分辨单元内至少有一包箔条 如图9 2所示 图9 2箔条诱饵的投放时间要求 在径向方向 箔条的投放时间间隔ti应小于飞机飞过距离分辨单元 的时间 即 9 8 其中 为飞机飞行方向与径向方向的夹角 在切线方向 箔条的投放时间间隔应小于飞机飞过雷达角度分辨单元的时间 即 9 9 飞机在箔条的投放中应保证箔条的快速散开 并且在方向上作适当的机动 可以躲避雷达的跟踪 这种箔条对飞机身后雷达的干扰更为有利 这时 雷达的距离波门将首先锁定在距雷达较近的箔条上 2 箔条用于舰船自卫箔条用于舰船自卫时 一种方法是大面积投放 形成箔条云以掩护舰船 因为舰船体积的庞大 其有效反射面积高达数千甚至数万平方米 这需要专门的远程投放设备 其价格昂贵 箔条用量也大 另一种是把箔条作为诱饵 以干扰敌攻击机或导弹对舰船的瞄准攻击 实战表明 箔条对飞航式反舰导弹的干扰特别有效 而且更经济 灵活 已成为现代舰船广泛采用的电子对抗手段 这种诱饵式箔条的干扰原理是 当舰上侦察设备发现来袭导弹后 立即在舰上迎着导弹来袭方向发射快速离舰散开的箔条弹 使之和舰船都处于雷达的分辨单元之内 从而使导弹跟踪到比舰船回波强得多的箔条云上 同时 舰船应根据导弹来袭方向 舰船航向 航速以及风速作快速机动 以躲避雷达的跟踪 值得一提的是 舰船的运动速度慢 有效反射面积大 应尽早发现来袭导弹 为舰船发射箔条弹和作机动提供足够的时间 9 2反射器 在雷达干扰中 还需要使用不同形式的反射器 以产生强烈的雷达反射回波 一个理想的导电金属板 当其尺寸远大于波长时 可以对法线方向的入射波产生强烈的反射 其有效反射面积为 9 10 式中A为金属板的面积 如果入射波的方向偏离法线方向 则反射波将偏离入射波的方向 相应的有效反射面积将显著减小 因此对反射器的主要要求如下 1 以小的尺寸和重量 获得尽可能大的有效反射面积 2 要具有足够宽的方向图 为此 人们研制了多种性能优越的反射器 例如角反射器 双锥反射器 龙伯透镜反射器 万 阿塔反射器等 9 2 1角反射器角反射器是利用三个互相垂直的金属板制成的 如图9 3所示 根据各个面形状的不同 可以分为三角形 圆形和方形角反射器 图9 3角反射器 1 角反射器的有效反射面积角反射器可以在较大的角度范围内 将入射波经过三次反射 按原入射方向反射回去 当入射波平行于一个面时 由另两个面完成反射 因而具有很大的有效反射面积 如图9 4所示 角反射器的最大反射方向为角反射器的中心轴 它与三个垂直轴的夹角相等 为54 75 在中心轴方向的有效反射面积为最大 因此只要求得角反射器对于中心轴的等效平面面积 代入式 9 10 就可以得到最大有效反射面积 图9 4角反射器的原理 9 13 比较上述结果可以看出 在垂直轴a相等的情况下 三角形角反射器的有效反射面积最小 圆形的次之 方形的最大 角反射器的有效反射面积与波长成反比 雷达波长不同 有效反射面积不同 信号强度也不同 角反射器对制造的准确性要求很高 如果三个面的夹角不是90 或反射凹凸不平 将引起有效反射面积的显著减小 在边长a比波长大得多时 角度偏差应小于 0 5 板面的不平程度要求 l 2 4 mm 但是这些缺点 从反雷达双频识别角反射器来说 并非坏事 在实际使用中 考虑到制造的难易程度 安装的坚固性 以及材料的变形等因素 通常选择三角形角反射器 2 角反射器的方向性角反射器的方向性用方向图来表示 反射器的方向图越宽越好 以便在较宽的角度范围内对雷达信号都有强的回波 三角形角反射器水平方向图的半功率宽度为40 圆形的为30 方形的最窄 为25 增宽角反射器方向图宽度的方法之一是采用增大角反射器顶端面积的变形角反射器 这种角反射器的方向图宽度可以由一般角反射器的40 增大到60 但是由于制造复杂 体积较大 使用不便 实际上没有被采用 图9 5三角形角反射器的垂直方向图 通常采用的角反射器是四象限的角反射器 这种四格的三角形角反射器可以覆盖40 4的角度范围 如果采用两个相同的四格角反射器 使它们相差45 配置 则可以覆盖40 8的角度范围 基本上具有全方位覆盖性能 四格角反射器适用于地面 水面 空中使用的常常是八格的角反射器 三角形角反射器的垂直方向图如图9 5所示 最大方向的仰角为35 方向图宽度为 而圆形和方形角反射器的宽度分别为31 和29 这种方向图对于地面目标伪装来说是极为不利的 来袭飞机由远及近 角反射器在远距离 低仰角 上反射信号太弱 就达不到伪装的目的 常用来改善角反射器低仰角性能的方法有两种 一种是增大角反射器的底边面积 但也只能得到几度的改善 另一种是将反射器架高 并将它倾斜一个角度 则经角反射器反射的回波有直接照射到角反射器上的直接波和经地面反射到角反射器上的间接波 由于这两种波之间存在波程差 而使合成的垂直方向图呈现多瓣状 当 35 时 合成的垂直方向图的最大方向的仰角最低 小于10 但方向图太窄 当 15 时 垂直方向图的最大方向仰角为15 左右 但方向图较宽 3 角反射器的频率特性如公式 9 10 所示 角反射器的最大有效反射面积与波长的平方成反比 这是不同于普通目标的 一般目标的有效反射面积与雷达的工作波长没有关系 因此 雷达可以通过双波段工作 分别测量其回波功率 来区别角反射器和一般目标 为了对付雷达的双波段识别 一是采用金属网和金属板做成的复合式角反射器 使金属网部分对高频雷达波不产生反射 而对低频雷达波又能全部反射 使得角反射器对低 高频雷达的有效反射面积相同 二是利用角反射器各边不成90 时 有效反射面积减小与频率的关系 选择合适的偏差角 展宽角反射器的频带 9 2 2龙伯透镜反射器龙伯透镜反射器是在龙伯透镜的局部表面上加上金属反射面而构成的 龙伯透镜是一个介质圆球 其折射率n随着半径r变化 即 9 14 式中a为透镜的外半径 具有这样折射率的龙伯透镜可以把外径上的一个点辐射源变成平面波辐射出去 或把透镜所截获的入射平面波集中为一点 龙伯透镜反射器根据所加金属反射面大小不同 有90 140 180 的反射器 它们的波束宽度分别为90 140 180 当a 时 龙伯透镜的有效反射面积为 9 15 实际的龙伯透镜反射器 由于介质损耗和制造的不完善等因素 其有效反射面积比理论值要小1 5dB左右 龙伯透镜反射器的优点是体积小 有效反射面积大 在水平方向和垂直方向都有宽的方向性 缺点是需要专门的材料和制造工艺 造价高 重量大 现在 其产品已经系列化 9 3假目标和雷达诱饵 假目标和雷达诱饵是破坏敌防空系统对目标的选择 跟踪和摧毁的有效对抗手段之一 它广泛用于重要目标的保护 飞机 战略武器的突防和飞机舰船的自卫 假目标通常在结构上比较复杂 性能逼真 能够自主独立飞行 大量的假目标将使雷达操作员发生混乱 增加识别时间或使自动数据处理系统饱和 迫使敌方对假目标进行攻击 减少真目标受攻击的机会 雷达诱饵通常是指飞机和舰船为了破坏敌雷达或导弹的跟踪系统而发射或投放的假目标 使雷达或导弹的跟踪系统跟踪诱饵 达到保护飞机或舰船的目的 一般目标的假目标和诱饵的制造通常要求有大的雷达有效反射面积 而隐身飞行器的假目标和诱饵却要求有较一般目标小得多的反射面积 9 3 1带有发动机的假目标火箭式假目标或无人驾驶飞机 可以在目标信号的强度 速度 加速度 甚至更多的信号特征上模拟真目标 可以实现长时间的飞行 因此 这类假目标通常包括三个部分 发动机 飞行控制系统和干扰设备 除了其本身对雷达信号的反射外 还装有无源反射器或有源的干扰发射机或转发器 甚至还有红外 激光等干扰设备 9 3 2火箭式雷达诱饵雷达诱饵一般在目标受到雷达或导弹跟踪时才发射或投放 其作用距离较近 飞行控制简单 体积 重量都远比假目标小 价格也较低 为了破坏雷达对目标的跟踪 雷达诱饵对雷达的反射功率应当比目标对雷达信号的反射功率大若干倍 以便将雷达的跟踪吸引到对诱饵的跟踪上来 火箭式诱饵的初速度决定于雷达跟踪支路的动态特性 应根据诱饵和被保护目标在角度 距离和速度都在导弹或雷达的分辨单元之内这一要求来选择初始速度 保证把雷达跟踪支路的选通门引诱到诱饵上 被保护目标在发射诱饵的同时 则应在速度和方向上适当机动 以保护目标 如果诱饵上装有有源干扰机 则要求雷达接收的干扰信号功率和目标回波信号之比不小于压制系数 如果为无源诱饵则要求诱饵的有效反射面积和目标的有效反射面积之比不小于压制系数 9 3 3投掷式诱饵投掷式雷达诱饵也称为一次性使用的雷达诱饵 它通常不带发动机 由箔条 角反射器等廉价的无源散射器材制成 也有使用有源干扰机作为投掷式诱饵的 但这种干扰机更多地用于分布式干扰 投掷式雷达诱饵为了完成保护目标的功能 除了满足干扰功率要求外 还要求诱饵所产生的假目标信号的作用时间应大于等于距离 角度和速度跟踪系统的时常数 由于不带发动机 投掷式诱饵一般作具有一定初速度的自由落体运动 因此 有源与无源诱饵的功率和时间等限制条件对投掷式雷达诱饵在结构上 性能上提出了很严格的要求 对脉冲式雷达来说 诱饵的作用时间决定于诱饵在脉冲体积内的停留时间 对连续波雷达来说 则取决于诱饵相对雷达的径向速度在速度跟踪系统通频带内的停留时间以及诱饵在天线方向图内的停留时间 因此 应当合理设计诱饵的空气动力学特性和发射方向 速度 9 3 4拖曳式诱饵拖曳式诱饵随被保护目标一起运动 两者具有相同的运动特性 因而 一般雷达和跟踪系统无法通过运动特性来区分目标和诱饵 且方式灵活 造价低廉 因此具有很好的应用前景 被认为是对付跟踪雷达和导弹的费效比最高的方案之一 拖曳式诱饵通过电缆与被保护目标相连接 由被保护目标提供电源 并且控制诱饵的工作 在完成任务后 割断电缆即可 由于拖曳式诱饵受控于被保护目标 因此诱饵上的干扰机和目标上的干扰机可以协同工作 完成复杂的干扰任务 特别是对付单脉冲雷达的好方法 拖曳式诱饵的电缆长度主要取决于目标所面临的威胁武器的杀伤半径以及诱饵对目标的运动性能的影响 通常电缆长度为90 150m 9 4隐身技术 隐身技术是一项综合技术 用以极力减小飞行器的各种观测特征 使敌方的探测器不能发现目标 或使得其探测距离大大缩短 隐身技术包括减小飞行器的雷达特征 红外特征 电视特征等 其中减小雷达特征主要是减小目标的有效反射面积 1 合理设计目标的外形 在满足飞机的空气动力学要求条件下 尽量减小雷达截面积 例如 采用角反射小的翼身混合体 全埋式座仓 V型垂尾 发动机半埋式安装 进气口置于机身背部 取消外挂式武器吊仓等 一般来说 表面没有明显的突变 表面的曲率半径小 都可以使回波大大降低 2 选用非金属材料 机体采用反射率低的非金属材料以减小回波信号 3 采用反雷达涂层 在产生强烈反射的部位 如发动机进气口 机翼前沿及突出部位 用吸收涂层加以覆盖 4 对目标进行复数加载 以控制目标的散射 5 利用等离子气悬体 吸收雷达信号 减小信号的发射