單脈沖雷達(dá)角跟蹤系統(tǒng)干擾效果及實(shí)際應(yīng)用研究

鄒 震,朱寶增,陳福興

(中國電子科技集團(tuán)公司 51所,上海 201802)

0 引 言

單脈沖雷達(dá)具有較強(qiáng)的跟蹤能力,被廣泛地應(yīng)用在導(dǎo)彈制導(dǎo)、方位角追蹤等方面。由于其應(yīng)用的廣泛性,人們對(duì)單脈沖雷達(dá)的角度欺騙也進(jìn)行了更深入的研究,提出了很多干擾措施。在早期,利用單脈沖雷達(dá)內(nèi)部的缺陷,噪聲干擾對(duì)單脈沖雷達(dá)曾經(jīng)起到一定的作用。但隨著現(xiàn)代雷達(dá)性能的提高,單脈沖雷達(dá)放棄了距離自動(dòng)跟蹤,采用固定波門、通道合并等技術(shù),單脈沖雷達(dá)已實(shí)現(xiàn)對(duì)噪聲干擾源的抗干擾;所以現(xiàn)在又提出相干干擾、非相干干擾和閃爍干擾等新一代干擾方法。

1 單脈沖雷達(dá)角跟蹤系統(tǒng)工作原理

單脈沖雷達(dá)利用一個(gè)脈沖就可以將目標(biāo)信息提取完整,所以稱為單脈沖雷達(dá)?，F(xiàn)代單脈沖雷達(dá)不僅能夠抑制幅度調(diào)制的干擾信號(hào),并且具有較強(qiáng)的跟蹤干擾源的能力。

根據(jù)從回波中獲取角信息方式的不同,單脈沖雷達(dá)可分為振幅定向法、相位定向法、綜合定向法。這3種定向方法都可以與3種角度鑒別器(振幅式、相位式、和差式)相搭配來獲得目標(biāo)角度信息,因此綜合起來有9種形式的單脈沖雷達(dá)系統(tǒng)。

1.1 單脈沖雷達(dá)定向原理

振幅和差式單脈沖雷達(dá)為了確定一個(gè)平面內(nèi)的目標(biāo)角坐標(biāo),需要2個(gè)互相疊交的天線方向性圖(如圖1所示),并且它們的中心線與等強(qiáng)信號(hào)方向偏離角度相等。目標(biāo)經(jīng)兩天線接收到的信號(hào)的振幅差表示目標(biāo)對(duì)等強(qiáng)信號(hào)方向的偏移量,而振幅差值的符號(hào)表示目標(biāo)相對(duì)于等強(qiáng)信號(hào)方向的偏離方向。

相位和差式單脈沖雷達(dá)的2個(gè)天線單元的中心完全不重合,各天線單元具有完全相同的方向性圖(如圖2所示),并平行地指向目標(biāo),因此,各天線接收到的回波信號(hào)幅度相等,而相位不同,利用式(1)可以根據(jù)2個(gè)分開的天線所收到的回波信號(hào)的相位差來確定目標(biāo)方向角:

式中:θ為目標(biāo)與等強(qiáng)信號(hào)方向夾角;λ為波長;Δφ為相位差。

圖1 單脈沖雷達(dá)振幅定向法角坐標(biāo)的測(cè)定

圖2 單脈沖雷達(dá)相位定向法角坐標(biāo)測(cè)定

1.2 單脈沖雷達(dá)系統(tǒng)框圖

單脈沖雷達(dá)多采用4個(gè)天線構(gòu)成水平和俯仰2個(gè)平面的角度測(cè)量系統(tǒng)。由于俯仰平面和水平平面原理類似,所以本文僅在一個(gè)平面內(nèi)討論測(cè)量系統(tǒng)。

振幅和差式單脈沖雷達(dá)系統(tǒng)框圖如圖3所示。信號(hào)通過和差網(wǎng)絡(luò)后形成和、差支路,和差信號(hào)經(jīng)過變頻通道后進(jìn)行檢波、鑒相,得到角度誤差信號(hào),再由誤差信號(hào)控制天線調(diào)整方向,直到差信號(hào)為零,和信號(hào)最大時(shí),說明天線等強(qiáng)信號(hào)方向?yàn)槟繕?biāo)方向。

由于相位和差式單脈沖雷達(dá)對(duì)相位要求較高,比較難以控制和實(shí)現(xiàn),所以振幅和差式單脈沖雷達(dá)應(yīng)用比較多,本文僅針對(duì)振幅和差式單脈沖雷達(dá)進(jìn)行干擾實(shí)現(xiàn)的研究與最終的效果仿真。

圖3 振幅和差式單脈沖雷達(dá)系統(tǒng)框圖

2 對(duì)振幅和差式單脈沖雷達(dá)角跟蹤系統(tǒng)的干擾

2.1 非相干干擾

由位于跟蹤系統(tǒng)不可分辨的角度范圍內(nèi)的2個(gè)以上干擾源產(chǎn)生的干擾,稱為多點(diǎn)干擾。如果2個(gè)干擾源的相位獨(dú)立無關(guān),則稱這種干擾為非相干干擾。

設(shè)有2個(gè)干擾源,它們?cè)谀繕?biāo)雷達(dá)處產(chǎn)生的和差信號(hào)可表示為:

由此可以推導(dǎo)出鑒相器輸出誤差信號(hào)為:

式中:Δ θ為兩干擾源對(duì)目標(biāo)雷達(dá)的夾角;Kpd為與系統(tǒng)通路有關(guān)的傳輸系數(shù)。

可以推斷出單脈沖雷達(dá)跟蹤系統(tǒng)穩(wěn)定平衡(Ud=0)時(shí),其誤差角為:

式中:θ為瞄準(zhǔn)軸和一個(gè)目標(biāo)干擾源的偏角;β為兩干擾源信號(hào)幅度比。

根據(jù)以上對(duì)非相干干擾的分析,可以得出如下結(jié)論:

(1)因?yàn)榉窍喔筛蓴_只能使得目標(biāo)雷達(dá)跟蹤角偏離干擾源,但是其仍然在干擾源連線上,所以2個(gè)干擾源之間的距離要求非?？量?在大型系統(tǒng)、多戰(zhàn)斗平臺(tái)上可以采用。

(2)由于需要在多個(gè)分散的平臺(tái)上裝載,所以成本很高,而且平臺(tái)間的信息交互也變得很重要。

(3)公式(5)滿足閃爍干擾的基本原理,所以在采用非相干干擾時(shí)可以采用閃爍干擾來提高干擾效率。

(4)由于2個(gè)干擾源所成夾角不能超過單脈沖雷達(dá)自身分辨角,如果單脈沖雷達(dá)分辨角足夠小的話,使用單脈沖雷達(dá)導(dǎo)引的導(dǎo)彈落在干擾源之間,由于導(dǎo)彈的殺傷面積很大,這樣也會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成損壞。

(5)現(xiàn)代單脈沖雷達(dá)普遍采用的比例導(dǎo)引技術(shù),也會(huì)對(duì)干擾效果產(chǎn)生一定影響,特別是噪聲干擾、閃爍干擾。

2.2 相干干擾

相干干擾就是由空間中2個(gè)在高頻相位上存在一定關(guān)系的干擾源所產(chǎn)生的干擾。它是利用在空間上相隔一定距離的2個(gè)點(diǎn)源信號(hào)(其在幅度上相等,相位上相差180°)在空間產(chǎn)生極為嚴(yán)重的相位波前失真。這種信號(hào)會(huì)使天線跟蹤點(diǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離開2個(gè)干擾源間距之外。

相干干擾產(chǎn)生角誤差的一般表達(dá)式為:

式中:θ為單脈沖雷達(dá)跟蹤誤差角;β為兩干擾源信號(hào)振幅比;φ為2個(gè)干擾信號(hào)相位差;Δθ為2個(gè)干擾源對(duì)雷達(dá)的張角。

圖4 干擾信號(hào)相位差、幅度比與誤差角的關(guān)系

由圖4可以得知,當(dāng)幅度比越接近于1時(shí),相位差越接近180°,則干擾產(chǎn)生的誤差角越大;當(dāng)兩路相位差大于 180°±15°時(shí),干擾產(chǎn)生誤差角變得比較平緩,干擾效果不明顯;當(dāng)兩路信號(hào)幅度比為1、相位差為180°時(shí),產(chǎn)生的誤差角是無窮大的,但是此時(shí)由于兩路信號(hào)的反向、等幅,所以兩路信號(hào)將被抵消。

通過上述對(duì)相干干擾的分析,可以得出以下結(jié)論:

(1)相干干擾可以使得單脈沖雷達(dá)跟蹤角偏離2個(gè)干擾源中心連線,在保證足夠偏離狀態(tài)下,可以起到很好的保護(hù)作用;

(2)由于要求相位的高精度控制,所以對(duì)通道一致性要求較高,最好能進(jìn)行相位的實(shí)時(shí)校準(zhǔn);

(3)相干干擾要求幅度也是精確可控的,但是如果滿足大干擾壓制比的情況下,需要采用行波管,而行波管的隨機(jī)相位偏移是需要考慮的;

(4)相干干擾需要進(jìn)行相位的實(shí)時(shí)校準(zhǔn),所以整個(gè)通道比較小,經(jīng)過計(jì)算,只要2個(gè)天線距離達(dá)到10 m基本可以滿足干擾要求。此時(shí)相對(duì)于非相干干擾方式,相干干擾方式具有在單個(gè)平臺(tái)上安裝的優(yōu)勢(shì),提高了平臺(tái)的機(jī)動(dòng)性。

3 干擾效果仿真

在此采用相干干擾方式,對(duì)振幅和差式單脈沖雷達(dá)進(jìn)行干擾效果仿真。相干干擾系統(tǒng)原理框圖如圖5所示。

圖5 相干干擾系統(tǒng)原理框圖

系統(tǒng)工作狀態(tài)為:信號(hào)經(jīng)過接收通道1、2被接收并送到控制單元;系統(tǒng)做必要處理;送出干擾信號(hào),發(fā)射通道1、2將干擾信號(hào)由天線發(fā)射出去實(shí)施干擾。

信號(hào)在干擾系統(tǒng)之外所經(jīng)過的路程相等,所以2路信號(hào)只需要在干擾系統(tǒng)內(nèi)保證相位差變換了180°,即可完成相干干擾。

這里模擬了一個(gè)單脈沖制導(dǎo)平臺(tái)在相干干擾機(jī)干擾情況下的飛行路線,假定單脈沖制導(dǎo)平臺(tái)在距離干擾機(jī)20 km時(shí)開啟單脈沖制導(dǎo)方式,單脈沖雷達(dá)波束寬度為5°,每10 m進(jìn)行一次跟蹤方向引導(dǎo)。

根據(jù)先前得出公式、單脈沖制導(dǎo)平臺(tái)參數(shù),假定單脈沖兩干擾源距離為10 m,當(dāng)幅度比為0.9,相位差為175°,如圖6所示,得到當(dāng)單脈沖制導(dǎo)平臺(tái)離飛機(jī)100 m時(shí),方位向距離為129 m;假定相干干擾兩路信號(hào)幅度比為0.85,相位差為170°,如圖7所示,可以看出當(dāng)制導(dǎo)導(dǎo)彈離飛機(jī)100 m時(shí),方位向距離為78 m。

圖6 相干干擾下,單脈沖制導(dǎo)導(dǎo)彈飛行軌跡(幅度比0.85,相位差 179°)

圖7 相干干擾下,單脈沖制導(dǎo)導(dǎo)彈飛行軌跡(幅度比 0.85,相位差 170°)

4 結(jié)論

非相干干擾也能將干擾目標(biāo)引偏,但其缺點(diǎn)是引偏方向在兩干擾源之間,此種干擾必須滿足一定的安裝距離,而相干干擾由于是將單脈沖制導(dǎo)平臺(tái)引導(dǎo)至干擾源連線之外,所以在自我保護(hù)及實(shí)際使用中有很多優(yōu)點(diǎn)。

以上仿真結(jié)果表明,如果控制好幅度、相位,則相干干擾具有非常好的干擾效果。至于如何提高幅度、相位的一致性、精確性,則需要提高電路的穩(wěn)定性;對(duì)兩路通道電長度進(jìn)行一定的約束與增配,盡量保證電長度相近,這樣可以使得在一定帶寬內(nèi),相位一致性較好,為相位、幅度控制提供一定保證。

上面的計(jì)算結(jié)果都是基于穩(wěn)定干擾情況下的偏離角,但是單脈沖制導(dǎo)平臺(tái)肯定是首先跟蹤到目標(biāo),然后才被干擾的,此時(shí)可能由于其它方面因素,使得干擾信號(hào)不能實(shí)現(xiàn)干擾效果,所以在干擾系統(tǒng)中需要先對(duì)單脈沖進(jìn)行距離和速度拖引,使其跟蹤波門需要重新掃描跟蹤,這樣干擾信號(hào)由于其大的壓制比才能對(duì)單脈沖雷達(dá)起到干擾作用。這也是實(shí)際應(yīng)用中非常重要的一點(diǎn)。

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