一種基于極化信息的機(jī)載拖曳式誘餌存在性檢測(cè)與抑制方法研究

李永禎胡萬(wàn)秋 孫 豆 李重威

(國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 長(zhǎng)沙 410073)

一種基于極化信息的機(jī)載拖曳式誘餌存在性檢測(cè)與抑制方法研究

李永禎*胡萬(wàn)秋 孫 豆 李重威

(國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 長(zhǎng)沙 410073)

該文提出了一種利用極化信息對(duì)機(jī)載拖曳式誘餌進(jìn)行檢測(cè)和抑制的方法。建立了拖曳式誘餌干擾條件下雷達(dá)目標(biāo)的全極化雷達(dá)回波模型，分析了轉(zhuǎn)發(fā)式誘餌干擾和雷達(dá)目標(biāo)在單脈沖雷達(dá)測(cè)角系統(tǒng)中不同極化通道響應(yīng)函數(shù)的差異，利用存在和不存在干擾時(shí)測(cè)得的目標(biāo)極化散射矩陣散度的差異，提出了一種轉(zhuǎn)發(fā)式拖曳誘餌存在性的檢測(cè)方法，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的干擾抑制算法。仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性和有效性。該文的研究工作為有效檢測(cè)與抑制拖曳式誘餌提供了一條新的途徑，對(duì)提高雷達(dá)末制導(dǎo)系統(tǒng)在干擾條件下的精確打擊能力具有重要參考意義。

轉(zhuǎn)發(fā)式有源誘餌；極化；極化散度；干擾抑制

1 引言

拖曳式雷達(dá)有源誘餌(Towed Radar Active Decoy, TRAD)作為一種載機(jī)外干擾源，通過(guò)施放與載機(jī)回波相似的非相干/相干干擾信號(hào)，使得雷達(dá)接收的目標(biāo)回波和干擾信號(hào)互相干涉混疊，引起雷達(dá)觀測(cè)的不確定，致使目標(biāo)跟蹤失效，進(jìn)而使導(dǎo)彈命中概率急劇下降。目前，TRAD已成為空戰(zhàn)中飛機(jī)目標(biāo)的重要保護(hù)手段[1-3]。

由于TRAD在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中具有比較好的作戰(zhàn)效果，20世紀(jì)80年代中期以來(lái)，美、法等國(guó)家掀起了研制TRAD的熱潮。目前，歐美國(guó)家公開(kāi)報(bào)道的拖曳式雷達(dá)誘餌主要有ALE-50, ALE-55, Ariel, Sky Buzzer, BO2D等，其典型干擾樣式是轉(zhuǎn)發(fā)式干擾、噪聲壓制干擾和調(diào)制應(yīng)答式干擾。但現(xiàn)役大量裝備的拖曳式有源誘餌多為第1代誘餌(如ALE-50等)，這也是唯一經(jīng)過(guò)實(shí)戰(zhàn)檢驗(yàn)的誘餌[4]，其基本功能是通過(guò)對(duì)雷達(dá)發(fā)射脈沖進(jìn)行直接放大轉(zhuǎn)發(fā)或簡(jiǎn)單調(diào)制放大轉(zhuǎn)發(fā)而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)發(fā)或應(yīng)答。因此本文從實(shí)際需求出發(fā)，主要研究轉(zhuǎn)發(fā)式拖曳誘餌干擾的對(duì)抗問(wèn)題。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于拖曳式誘餌干擾的研究主要集中在干擾原理分析、性能仿真和效果評(píng)估等[5-9]方面，而關(guān)于干擾鑒別與抑制方法的研究較少。由于TRAD能夠逼真地模擬目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)等特性，使得二者在時(shí)域、頻域和空域上的差異都較小，常規(guī)的信號(hào)處理方法難以對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)和分辨，無(wú)法抑制誘餌干擾。而極化描述了電磁波的矢量性，是幅度、頻率、相位以外的一個(gè)重要基本參量，利用雷達(dá)目標(biāo)和有源電子干擾在極化特性上的差異進(jìn)行真假鑒別與抑制方法的研究日益增多[5,10,11]。然而，極化信息用于拖曳式誘餌干擾的鑒別與抑制方法研究尚少見(jiàn)諸報(bào)道。

事實(shí)上，目標(biāo)回波信號(hào)的極化與雷達(dá)發(fā)射信號(hào)極化密切相關(guān)，而有源拖曳式誘餌干擾信號(hào)的極化與雷達(dá)發(fā)射極化無(wú)關(guān)，即二者合成信號(hào)為一個(gè)固定極化信號(hào)和一個(gè)與目標(biāo)變極化效應(yīng)相關(guān)的信號(hào)的矢量疊加，這與當(dāng)無(wú)干擾條件下僅為與目標(biāo)變極化效應(yīng)相關(guān)的信號(hào)極化存在差異，可以通過(guò)極化編碼等方式加以檢測(cè)與抑制。本文研究了利用極化信息進(jìn)行抑制機(jī)載拖曳式誘餌干擾的方法，給出了轉(zhuǎn)發(fā)式誘餌干擾和雷達(dá)目標(biāo)在單脈沖極化雷達(dá)測(cè)角系統(tǒng)中的不同極化通道響應(yīng)函數(shù)，提出了一種轉(zhuǎn)發(fā)式誘餌干擾的存在性檢測(cè)與抑制方法，并結(jié)合典型干擾場(chǎng)景仿真驗(yàn)證了該方法的有效性。

2 全極化雷達(dá)回波模型及極化散射矩陣(PSM)的估計(jì)

2.1 目標(biāo)的全極化雷達(dá)回波模型及其PSM的估計(jì)

對(duì)于垂直極化接收天線(V)而言，雷達(dá)目標(biāo)的和差通道信號(hào)為：

進(jìn)而可以估計(jì)得到目標(biāo)的PSM為：

也即通過(guò)任意一對(duì)脈沖信號(hào)，可估計(jì)出目標(biāo)的PSM值為：

2.2 存在拖曳式誘餌干擾下的雷達(dá)全極化回波模型及其等效PSM的估計(jì)

機(jī)載拖曳式有源誘餌在使用過(guò)程中，由于它與載機(jī)的航速、航向及雷達(dá)散射特征基本相同，雷達(dá)無(wú)法從角度、距離和速度上將目標(biāo)與誘餌進(jìn)行分辨，因此雷達(dá)會(huì)將目標(biāo)與誘餌當(dāng)作一個(gè)目標(biāo)進(jìn)行處理，造成測(cè)角偏差，并最終失去對(duì)目標(biāo)的攻擊能力。設(shè)有源誘餌的極化方式為不妨設(shè)有源誘餌和目標(biāo)的幾何關(guān)系如圖1所示。其中，θS表示飛機(jī)目標(biāo)與瞄準(zhǔn)軸的夾角，θJ表示有源誘餌與瞄準(zhǔn)軸的夾角。

圖1 目標(biāo)和有源誘餌的空間關(guān)系示意圖Fig. 1 Spatial relationship diagram of target and active decoy

其中，b為與誘餌干擾功率、雷達(dá)發(fā)射功率、天線增益、雷達(dá)與目標(biāo)距離等因素有關(guān)的一個(gè)常量因子，θJ表示有源誘餌與瞄準(zhǔn)軸的夾角，J(t)為有源誘餌干擾的信號(hào)形式。

對(duì)于垂直極化接收天線而言，雷達(dá)目標(biāo)的和差通道信號(hào)為：

對(duì)于轉(zhuǎn)發(fā)式有源誘餌而言，不妨設(shè)干擾信號(hào)與雷達(dá)發(fā)射調(diào)制信號(hào)波形存在如下關(guān)系：

其中，G為轉(zhuǎn)發(fā)增益。因此，依然選擇任意的兩組極化方式脈沖信號(hào)激勵(lì)目標(biāo)時(shí)的雷達(dá)接收信號(hào)，對(duì)其和通道信號(hào)進(jìn)行匹配濾波、幅相標(biāo)定以后，此時(shí)得到如下關(guān)系式：

此時(shí)，仍按式(5)和式(6)計(jì)算出此時(shí)的等效PSM(記為列矢量)為：

也即對(duì)于任意一對(duì)脈沖，估計(jì)出的PSM值與目標(biāo)PSM真實(shí)值存在顯著差異，且互不相同，這為有源誘餌存在的檢測(cè)、鑒別與抑制提供了依據(jù)和支撐。

3 TRAD的存在性檢測(cè)與抑制算法

3.1 極化檢測(cè)特征量的設(shè)計(jì)

由式(5)、式(6)和式(11)可知，假設(shè)雷達(dá)的發(fā)射信號(hào)為由N個(gè)不同極化方式的子脈沖組成的極化調(diào)制脈沖信號(hào)，

當(dāng)沒(méi)有干擾時(shí)，考慮到此時(shí)為跟蹤狀態(tài)，雷達(dá)接收回波的信噪比較高，因此目標(biāo)PSM的M組估計(jì)值精度較高，一致性好；而存在有源誘餌干擾時(shí)，計(jì)算M組PSM的估計(jì)值與目標(biāo)真實(shí)PSM值相差較大，且互不相同。因此，可以借鑒極化聚類(lèi)中心和極化散度[14]的概念來(lái)刻畫(huà)此種差異，設(shè)計(jì)有源誘餌存在性檢測(cè)的鑒別量。

若M組PSM估計(jì)值記為列矢量為那么PSM的聚類(lèi)中心定義為：

PSM的分布散度定義為：

其中，上標(biāo)“H”表示共軛轉(zhuǎn)置。

其分布散度為：

因此，可以根據(jù)PSM值分布散度的相對(duì)大小來(lái)檢驗(yàn)是否存在轉(zhuǎn)發(fā)式拖曳式誘餌干擾信號(hào)，即：

其中，Th為鑒別門(mén)限，與子脈沖的個(gè)數(shù)、干信比等因素有關(guān)，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析一般可取值為0.2。

3.2 極化抑制算法

前面給出了干擾存在性的檢驗(yàn)方法，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)雷達(dá)各個(gè)子脈沖的接收回波的極化特性的差異，可以濾除干擾信號(hào)，并進(jìn)行單脈沖測(cè)角處理，給出正確的角度測(cè)量值。

由式(7)、式(8)和式(9)可知，對(duì)于任一對(duì)子脈沖而言，對(duì)差通道信號(hào)進(jìn)行匹配濾波、幅相標(biāo)定以后，此時(shí)得到如下關(guān)系式：

根據(jù)經(jīng)典單脈沖測(cè)角方法，此時(shí)測(cè)角值為：

根據(jù)式(20)、式(21)，目標(biāo)角度值可以由式(22)得到

由式(23)，式(24)可見(jiàn)，經(jīng)過(guò)不同子脈沖信息的融合，可以得到目標(biāo)角度的精確測(cè)量值，且該值與子脈沖的極化狀態(tài)無(wú)關(guān)。

4 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

假設(shè)在我方跟蹤階段敵方戰(zhàn)機(jī)發(fā)現(xiàn)被鎖定后投放拖曳式誘餌進(jìn)行對(duì)抗，我方雷達(dá)測(cè)角方式為比幅單脈沖測(cè)角，敵方拖曳式誘餌工作方式為直接放大轉(zhuǎn)發(fā)。發(fā)射的子脈沖均為線極化，可以統(tǒng)一由k=0;1;2;···;N-1表示，相位差ηk=0。雷達(dá)發(fā)射信號(hào)的中心頻率f0=10GHz ，目標(biāo)為某飛機(jī)在某姿態(tài)角下的散射矩陣為b/a=1，天線的主瓣寬度4°。圖2給出鑒別量η隨發(fā)射信號(hào)子脈沖個(gè)數(shù)N的變化曲線。

從圖2可見(jiàn)，隨著子脈沖數(shù)N的增大，η的值單調(diào)增加，這意味著作為判斷干擾存在與否的鑒別量性能也隨著子脈沖數(shù)的增加而改善。這個(gè)結(jié)論在直觀上可以這樣理解：對(duì)于N=4和N=8這兩種情況，發(fā)射子脈沖的極化按照k=0;1;2;···;N-1的取法，N=4的情況顯然包含在N=8中，即后者多包含了k=1,3,5,7四組極化，這必然導(dǎo)致散度值的增加。另外觀察圖2的|G|=5, |G|=20, |G|=35三條曲線可以發(fā)現(xiàn)，隨著轉(zhuǎn)發(fā)增益|G|的增大，相應(yīng)的η值也隨之增大，但是從|G|=20到|G|=35增加的幅度并不十分明顯。圖3給出了N=16時(shí)，η隨|G|增大的漸進(jìn)過(guò)程。由圖3可見(jiàn)，即使當(dāng)|G|不是特別大時(shí)，鑒別量η的值也是十分接近極限值的，這說(shuō)明，本鑒別算法適用范圍是較為寬泛的。

圖4仿真分析了干擾極化狀態(tài)對(duì)鑒別量的影響，其中γJ∈[0;90°], ηJ∈[0;360°]。 從圖 4的結(jié)果可見(jiàn)，γJ, ηJ的變化對(duì)鑒別量的值影響明顯，且在γJ∈[0;90°], ηJ∈[0;360°]范圍內(nèi)存在峰值和谷值。這意味著對(duì)于干擾方可以通過(guò)控制不同極化通道的幅度比將鑒別量的值減小到最小，以此提高干擾性能。但是即使是在鑒別量值最小的時(shí)刻，本文設(shè)定的門(mén)限依然有效。

圖2 鑒別量 η 隨發(fā)射信號(hào)子脈沖個(gè)數(shù)N的變化曲線Fig. 2 The curvilinear relations between the identification η and the number of transmitted sub-pulsesN

圖3 η 隨 |G| 的變化曲線Fig. 3 The curvilinear relations between η and |G|

最后，在判定存在拖曳式干擾后，采用本文所提出的辦法進(jìn)行抑制。圖5給出了測(cè)角值隨干擾轉(zhuǎn)發(fā)增益|G|的變化曲線，其中θS=0.5°,θJ=1.5°，信噪比為10 dB，干擾抑制之前的角度測(cè)量值取所有子脈沖組合測(cè)角的均值。由圖5可見(jiàn)，在未采用抑制算法之前，隨著轉(zhuǎn)發(fā)增益的增大，角度測(cè)量值將逐漸離開(kāi)真實(shí)值過(guò)渡到θJ，采用本文算法后，角度測(cè)量值在真實(shí)值附近波動(dòng)，表明拖曳式誘餌干擾得到了有效的抑制。

圖4 干擾信號(hào)的相位描述子(γJ;ηJ)對(duì) η的影響Fig. 4 The influence of the phase descriptor (γJ;ηJ) of the interfering signal onη

圖5 極化抑制前后的角度測(cè)量結(jié)果比較Fig. 5 Comparison of angle measurements before and after polarization suppression

5 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)載拖曳式有源干擾是對(duì)抗防空導(dǎo)彈的有效手段，對(duì)導(dǎo)彈末制導(dǎo)構(gòu)成了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。本文研究了利用極化信息鑒別機(jī)載拖曳式有源轉(zhuǎn)發(fā)干擾的方法，并給出了抑制該類(lèi)型干擾的算法，理論分析和計(jì)算機(jī)仿真均證實(shí)了本文算法的正確性和有效性。本文的研究工作對(duì)于雷達(dá)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)、干擾系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)等應(yīng)用領(lǐng)域有著一定的參考價(jià)值。

即使晚年，西湖邊的云松書(shū)舍也沒(méi)有成為他最終的選擇。他毫無(wú)疑問(wèn)是香港的產(chǎn)物，是那個(gè)特殊時(shí)代的產(chǎn)物，離開(kāi)了這樣的時(shí)空來(lái)看金庸，無(wú)論褒之貶之都沒(méi)有歷史感，對(duì)歷史人物要有同情之理解，錢(qián)穆先生是對(duì)的。何況他生平的言行還有許多不到能細(xì)說(shuō)、能說(shuō)清楚的語(yǔ)境。

[1]陳義, 崔艷鵬, 鐘昭, 有源拖曳式誘餌的干擾樣式及對(duì)抗措施探討[J]. 航天電子對(duì)抗, 2011, 27(5): 10-12, 60. Chen Y, Cui Y, and Zhong Z. Jamming modes and countermeasures of TRAD[J].Aerospace Electronic Warfare, 2011, 27(5): 10-12, 60.

[2]Ken Nor lin and Jim Murray. Simulations in support of towed flight demonstration[J].National Aeronautics and Space Administration, 1998, 24(8): 256-261.

[3]廖云, 何松華, 張軍. 脈沖多普勒雷達(dá)抗拖曳式干擾方法研究[J]．雷達(dá)科學(xué)與技術(shù), 2009, 7(5): 325-328． Liao Y, He S H, and Zhang J. Method research on monopulse Doppler radar countering towed decoy jamming[J].Radar Science and Technology, 2009, 7(5): 325-328.

[4]白渭雄, 焦光龍, 付紅衛(wèi). 拖曳式誘餌對(duì)抗技術(shù)研究[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù), 2009, 31(3): 579-582. Bai W X, Jiao G L, and Fu H W. Study on antagonistic technology of towed decoys[J].Systems Engineering and Electronics, 2009, 31(3): 579-582.

[5]范文同, 王星, 葉廣強(qiáng). 機(jī)載拖曳式雷達(dá)有源誘餌作戰(zhàn)效能研究[J]. 現(xiàn)代電子技術(shù), 2010(3): 10-12. Fan W T, Wang X, and Ye G Q. Combat effectiveness study for airborne towed radar active decoy[J].Modern Electronics Technique, 2010(3): 10-12.

[6]張娟, 張林讓, 張嬌云. 拖曳式誘餌對(duì)多普勒雷達(dá)導(dǎo)引頭的干擾仿真[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào), 2007, 19(1): 114-117. Zhang J, Zhang L R, and Zhang J Y. Analysis of towed decoy against pulse Doppler radar seeker[J].Journal of System Simulation, 2007, 19(1): 114-117.

[7]王斯財(cái), 南英, 劉經(jīng)緯. 導(dǎo)彈迎擊時(shí)飛機(jī)的最佳逃逸策略研究[J]. 航空兵器, 2009(4): 28-32. Wang S C, Nan Y, and Liu J W. Optimal escape strategy of Pighter against oncoming missiles[J].Aero Weaponry, 2009(4): 28-32.

[8]崔旭. 拖曳式雷達(dá)有源誘餌干擾技術(shù)研究[D]. [碩士論文], 電子科技大學(xué), 2005. Cui X. Research on active decoy interference technology of towed radar[D]. [Master disertation], University of Electronic Science and Technology of China, 2005.

[9]Kerins W J. Analysis of towed decoys[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 1993, 29(4): 1222-1227.

[10]李永禎. 瞬態(tài)極化統(tǒng)計(jì)特性及處理的研究[D]. [博士論文], 國(guó)防科技大學(xué), 2004. Li Y Z. Study on statistical characteristics and processing of instantaneous polarization[D]. [Ph.D. dissertation], National University of Defense Technology, 2004.

[11]施龍飛. 雷達(dá)極化抗干擾技術(shù)研究[D]. [博士論文], 國(guó)防科技大學(xué), 2008. Shi L F. Study on the suppression of interference with radar polarization information[D]. [Ph.D. dissertation], National University of Defense Technology, 2008.

[12]王雪松. 寬帶雷達(dá)極化信息處理[M]. 長(zhǎng)沙: 國(guó)防科技大學(xué)出版社, 2005. Wang X S. Wideband Radar Polarization Information Processing[M]. Changsha: National University of Defense Technology Press, 2005.

[13]白渭雄, 唐宏, 陶建峰. 拖曳式誘餌對(duì)單脈沖雷達(dá)的干擾分析[J]. 電子信息對(duì)抗技術(shù), 2007, 22(6): 39-42. Bai W X, Tang H, and Tao J F. Analysis of towed decoy jamming on monopulse radar[J].Electronic Information Warfare Technology, 2007, 22(6): 39-42.

[14]李永禎, 胡萬(wàn)秋, 陳思偉, 等. 有源轉(zhuǎn)發(fā)式干擾的全極化單脈沖雷達(dá)抑制方法研究[J]. 電子與信息學(xué)報(bào), 2015, 37(2): 276-282. Li Y Z, Hu W Q, Chen S W,et al.. Active repeater jamming suppression using polarimetric monopulse radar[J].Journal of Electronics&Information Technology, 2015, 37(2): 276-282.

李永禎(1977-)，男，內(nèi)蒙古人，博士后，研究員，國(guó)防科技大學(xué)電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，主要研究方向?yàn)樾麦w制雷達(dá)與電子對(duì)抗。

E-mail: e0061@sina.com

胡萬(wàn)秋(1985-)，男，內(nèi)蒙古人，博士，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)信號(hào)處理和陣列天線設(shè)計(jì)。

E-mail: huwanqiu_1985@sina.com

孫 豆(1992-)，女，陜西人，國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)闃O化雷達(dá)成像、雷達(dá)信號(hào)處理與目標(biāo)識(shí)別。

E-mail: m17607310296@163.com

李重威(1993-)，男，湖南郴州人，國(guó)防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)榭臻g信息獲取與處理技術(shù)。

E-mail: 13501120017@163.com

Scheme for Polarization Detection and Suppression of TRAD

Li Yongzhen Hu Wanqiu Sun Dou Li Zhongwei
(State Key Laboratory of Complex Electromagnetic Environment Effects on Electronics and Information System,National University of Defense Technology,Changsha410073,China)

This paper focuses on the countermeasures of airborne towed radar active decoy. Moreover, a detection and suppression scheme of Towed Radar Active Decoy (TRAD) using polarization information is proposed. A full-polarization radar echo model with the presence of jamming is established. Furthermore, based on a monopulse radar angle measurement system, the difference between the characteristics of TRAD and radar targets in different polarization channels is analyzed. A detection scheme is proposed using the differences of target Polarization Scattering Matrix (PSM) divergence with the presence and absence of TRAD. Subsequently, the corresponding jamming suppression algorithm is developed. The efficiency and advantages of the proposed algorithm are validated via theoretical analyses and simulation studies. This paper provides an effective method to detect TRAD and can provide a significant reference for improving the precision strike of terminal guidance radar under jamming.

Towed Radar Active Decoy (TRAD); Polarization; Polarization discrimination; Jamming suppression

TN95

A

2095-283X(2016)06-0666-07

10.12000/JR16115

李永禎, 胡萬(wàn)秋, 孫豆, 等. 一種基于極化信息的機(jī)載拖曳式誘餌存在性檢測(cè)與抑制方法研究[J]. 雷達(dá)學(xué)報(bào), 2016, 5(6): 666-672.

10.12000/JR16115.

Reference format:Li Yongzhen, Hu Wanqiu, Sun Dou,et al.. Scheme for polarization detection and suppression of TRAD[J].Journal of Radars, 2016, 5(6): 666-672. DOI: 10.12000/JR16115.

2016-10-12；改回日期：2016-12-28

*通信作者：李永禎 e0061@sina.com

國(guó)家自然科學(xué)基金(61490692)

Foundation Item: The National Natural Science Foundation of China (61490692)