外軍針對(duì)雷達(dá)主瓣和旁瓣的極化干擾技術(shù)分析

戴幻堯，劉文釗，周 波，王建路

（中國(guó)洛陽(yáng)電子裝備試驗(yàn)中心，河南 洛陽(yáng)471003）

0 引言

早在二十世紀(jì)九十年代末，美俄就發(fā)現(xiàn)了單脈沖雷達(dá)天線（包括幅度和差、相位和差）的方向圖具有復(fù)雜的極化結(jié)構(gòu)，并且測(cè)角精度容易受到通道一致性、目標(biāo)的去極化作用、多徑散射造成的去極化等因素的影響［1－7］，根據(jù)單脈沖雷達(dá)天線的這種固有屬性設(shè)計(jì)了交叉極化干擾樣式。從公開(kāi)報(bào)道的資料可以看出外軍極化干擾技術(shù)發(fā)展的基本現(xiàn)狀。

Northrop Grumman公司已將該干擾應(yīng)用于美軍的F-16CD／Block60戰(zhàn)斗機(jī)的干擾吊艙上，可以對(duì)一些地對(duì)空的跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)、空空制導(dǎo)雷達(dá)導(dǎo)引頭進(jìn)行有效的自衛(wèi)式的角度欺騙干擾。據(jù)報(bào)道，美軍新一代干擾機(jī)AN／ALQ-167，美軍航空兵機(jī)載威脅仿真模擬器上面都具備極化調(diào)制的干擾樣式。

美國(guó)的APECS-II艦載電子戰(zhàn)系統(tǒng)是美國(guó)Argo System Inc研制生產(chǎn)的新型水面艦艇電子戰(zhàn)系統(tǒng)，干擾機(jī)采用了相控陣多波束天線，可覆蓋方位360°和高低角30°的范圍。它在脈沖和連續(xù)波方式輻射大功率干擾，可同時(shí)對(duì)付16個(gè)目標(biāo)，與比較老的相控陣天線比，此系統(tǒng)可以變極化（專門對(duì)付單脈沖威脅源），已安裝（沒(méi)有外部波導(dǎo)也沒(méi)有水冷設(shè)備），并且能對(duì)付復(fù)雜信號(hào)，是世界上第一部以XPOL-JAM為主要手段、以單脈沖主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭為作戰(zhàn)對(duì)象的ECM系統(tǒng)。該系統(tǒng)已經(jīng)出口了包括葡萄牙、荷蘭、希臘、巴基斯坦等在內(nèi)的多個(gè)國(guó)家，美國(guó)海軍的SLQ-32（V）電子戰(zhàn)系統(tǒng)，法國(guó)的ARBB33干擾機(jī)和以色列的SEWS電子戰(zhàn)系統(tǒng)也采用了類似技術(shù)。

如圖1所示，部分俄制的機(jī)載自衛(wèi)電子干擾系統(tǒng)也具備交叉極化干擾，用以實(shí)現(xiàn)對(duì)部分機(jī)載火控雷達(dá)、面對(duì)空雷達(dá)制導(dǎo)導(dǎo)彈、空對(duì)空雷達(dá)制導(dǎo)導(dǎo)彈、艦對(duì)空雷達(dá)制導(dǎo)武器的電子干擾。

圖1 部分俄制自衛(wèi)干擾吊艙具備交叉極化干擾模式

1 交叉極化干擾原理

無(wú)論是幅度比較單脈沖，還是相位比較單脈沖技術(shù)，都存在一個(gè)潛在的薄弱點(diǎn)，那就是相對(duì)于設(shè)計(jì)的極化，它存在交叉極化（或稱為寄生極化），盡管電平低于－25dB。交叉極化天線方向圖的零點(diǎn)出現(xiàn)在設(shè)計(jì)極化的方向圖最大位置，交叉極化的最大點(diǎn)一般可能位于設(shè)計(jì)極化方向圖的－15dB左右的位置［8－9］，也就是說(shuō)，兩個(gè)極化波束顯示出不同的方向圖。因此，當(dāng)計(jì)算兩個(gè)波束的幅度差時(shí)，它們的兩個(gè)誤差信號(hào)方向圖是反相的。下面給出理論分析：

比幅單脈沖，和、差單脈沖測(cè)角公式：

一般只包含實(shí)部，得到：

根據(jù)不同的具體情況，會(huì)得到不同的和、差信號(hào)，進(jìn)而化簡(jiǎn)得到不同的形式。

考慮交叉極化信號(hào)的因素，干擾信號(hào)的極化和雷達(dá)的主極化的垂直程度可以用γ進(jìn)行表示，γ＝0表示與主極化完全垂直，單脈沖雷達(dá)的跟蹤誤差為信號(hào)與干擾造成的誤差之和。通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)，可以得到交叉極化干擾條件下的單脈沖雷達(dá)跟蹤誤差定義：

與公式（1）不同之處在于和、差的含義，其中

式中，和信號(hào)Σ＝目標(biāo)回波在和通道的響應(yīng)＋干擾機(jī)主極化在和通道的響應(yīng)＋干擾機(jī)交叉極化在和通道的響應(yīng)；差信號(hào)Δ＝目標(biāo)回波在差通道的響應(yīng)＋干擾機(jī)主極化在差通道的響應(yīng)＋干擾機(jī)交叉極化在差通道的響應(yīng)。

干擾條件下和差信號(hào)定義如表1所示。當(dāng)干擾不存在即K＝0時(shí)，公式（3）退化為常用結(jié)果即公式（1）。某單脈沖制導(dǎo)雷達(dá)的和–差極化方向圖等效仿真如圖2所示。

表1 干擾條件下和差信號(hào)定義

可以看出，主極化的和差方向圖、交叉極化的和差方向圖結(jié)構(gòu)差異很大，在中心方向上具有反相的特性。因此，當(dāng)計(jì)算兩個(gè)波束的幅度差時(shí)（幅度單脈沖技術(shù)要求執(zhí)行），它們的兩個(gè)誤差信號(hào)方向圖是反相的。主極化響應(yīng)形成的測(cè)角輸出和交叉極化響應(yīng)產(chǎn)生的測(cè)角輸出不僅數(shù)值不同，而且極性也不同。當(dāng)干擾機(jī)發(fā)射的信號(hào)有意識(shí)的保持和雷達(dá)極化正交時(shí)，就會(huì)是雷達(dá)角度跟蹤不穩(wěn)定甚至丟失目標(biāo)。

2 交叉極化干擾仿真

2.1 對(duì)單脈沖雷達(dá)主瓣的干擾效果

圖2 某單脈沖雷達(dá)導(dǎo)引頭和-差極化方向圖仿真

實(shí)施交叉極化干擾關(guān)鍵要突破兩個(gè)技術(shù)，一是實(shí)時(shí)測(cè)量、估計(jì)或檢測(cè)出雷達(dá)發(fā)射波的極化方式，同時(shí)產(chǎn)生與雷達(dá)發(fā)射波極化正交的噪聲干擾、假目標(biāo)干擾，或兼具欺騙和壓制效果的靈巧噪聲干擾；二是克服目標(biāo)運(yùn)動(dòng)或者干擾機(jī)平臺(tái)本身運(yùn)動(dòng)造成的極化狀態(tài)不穩(wěn)定造成的影響，盡量保證干擾的絕對(duì)正交。提出的自適應(yīng)交叉極化干擾就是不需要測(cè)量和估計(jì)雷達(dá)發(fā)射波的極化方式，不管雷達(dá)發(fā)射波的極化方式如何變化，只需要在干擾機(jī)的水平極化天線和垂直極化天線所接收的信號(hào)基礎(chǔ)上，通過(guò)極化變換的方法生成一組正交的信號(hào)，轉(zhuǎn)發(fā)給雷達(dá)，轉(zhuǎn)發(fā)干擾的延遲處理時(shí)間和目前DRFM轉(zhuǎn)發(fā)干擾的速度一樣（20ns量級(jí)），通過(guò)增大延遲可以兼具RGPO、VGPO、X-Pol干擾的效果。

通過(guò)大量仿真，圖3給出了極化正交性偏差為0、極化正交性偏差為20°條件下，干信比發(fā)生變化時(shí)的雷達(dá)角度鑒別曲線比較示意圖。圖3中K表示干擾信號(hào)功率和目標(biāo)回波信號(hào)功率的比值，即當(dāng)K＝0時(shí)表示完全沒(méi)有干擾信號(hào)，K＝10時(shí)，等效干信比為20dB。由圖可以看出，隨著干擾信號(hào)的增大，相比于未受干擾的角誤差信號(hào)發(fā)生很大變化，穩(wěn)定跟蹤點(diǎn)發(fā)生偏移，誤差曲線結(jié)構(gòu)發(fā)生很大變化，特別的當(dāng)K 達(dá)到10時(shí)，角度鑒別曲線在中心方向輸出一個(gè)極大值，并在半功率點(diǎn)附近85°和105°形成了穩(wěn)定的零點(diǎn)即穩(wěn)定跟蹤點(diǎn)。

圖3 不同干信比條件下的雷達(dá)角度鑒別曲線比較示意圖

圖4 給出了目標(biāo)初始位置目標(biāo)點(diǎn)左側(cè)時(shí)跟蹤過(guò)程中導(dǎo)引頭指向、目標(biāo)角度和假目標(biāo)角度隨時(shí)間的變化關(guān)系。從圖4可以看出，初始有一個(gè)短暫的跟蹤過(guò)程，之后由于交叉極化的干擾，測(cè)角誤差增大，出現(xiàn)假目標(biāo)。測(cè)角誤差驅(qū)動(dòng)導(dǎo)引頭向假目標(biāo)方向偏轉(zhuǎn)，最終導(dǎo)彈穩(wěn)定的跟蹤到假目標(biāo)方向，假目標(biāo)的相對(duì)位置趨于零。導(dǎo)彈在向假目標(biāo)方向偏轉(zhuǎn)的過(guò)程中，導(dǎo)彈指向遠(yuǎn)離真目標(biāo)，所以真目標(biāo)的相對(duì)位置一直增大，最后穩(wěn)定在－2.7°。

2.2 對(duì)防空警戒雷達(dá)旁瓣的干擾效果

旁瓣匿影技術(shù)（SLB）是現(xiàn)代防空雷達(dá)中常用的抗干擾措施，其對(duì)脈沖式欺騙干擾的抑制性能優(yōu)異，因此雷達(dá)抗干擾中普遍會(huì)具備旁瓣匿影功能［10］。然而，針對(duì)該項(xiàng)抗干擾技術(shù)，國(guó)外有過(guò)報(bào)道指出，主天線和輔助天線的交叉極化特性不一樣，如圖5所示。交叉極化增益如果在副瓣區(qū)域，輔助天線低于主天線，則無(wú)法啟動(dòng)匿影進(jìn)行選通，從而使干擾無(wú)法被匿影，從而形成有效干擾。因此，如果干擾方對(duì)己方的搜索、引導(dǎo)雷達(dá)采用交叉極化干擾，可以突破旁瓣匿影系統(tǒng)來(lái)形成假目標(biāo)，最終形成航跡欺騙干擾，使得雷達(dá)的抗干擾功能失效，破壞雷達(dá)的工作的性能。下面根據(jù)典型參數(shù)進(jìn)行仿真以驗(yàn)證極化干擾在旁瓣內(nèi)的干擾效果。

圖4 目標(biāo)初始位置在B點(diǎn)左側(cè)時(shí)跟蹤過(guò)程

仿真中，雷達(dá)信號(hào)參數(shù)如下，脈沖寬度τ＝10μs，帶寬B＝50MHz，主天線的旁瓣共極化增益GMZ＝3dB，主天線的交叉極化增益GCZ＝－10dB，隔離度13dB。輔助天線的共極化增益GMF＝12dB，輔助天線的交叉極化增益GCF＝－20dB，隔離度32dB，輸入端干噪比10dB。圖5給出主天線和輔助天線的全極化方向圖。圖6表明未采取極化干擾前，干擾信號(hào)在主通道響應(yīng)比輔助通道響應(yīng)低，所以經(jīng)過(guò)SLB處理判斷為旁瓣干擾信號(hào)，關(guān)閉輸出。

圖5 主輔天線方向圖

圖6 SLB對(duì)共極化干擾信號(hào)處理結(jié)果

當(dāng)采用極化干擾后，干擾的極化和輔助通道匹配，和主通道失配，主通道響應(yīng)比輔助通道響應(yīng)高，所以經(jīng)過(guò)SLB處理判斷為存在目標(biāo)（干擾有效形成了假目標(biāo)），開(kāi)放輸出，如圖7所示。

圖7 SLB對(duì)交叉極化干擾信號(hào)處理結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

在干擾應(yīng)用模式上，干擾機(jī)在突防過(guò)程中如果使用得當(dāng)，可以使SLB在主瓣對(duì)準(zhǔn)的時(shí)候開(kāi)始工作，造成目標(biāo)信號(hào)大概率被匿影，產(chǎn)生顯著地干擾效果。這是因?yàn)镾LB系統(tǒng)中主天線和輔天線對(duì)交叉極化的響應(yīng)不同，會(huì)改變主通道和輔助通道的信號(hào)響應(yīng)，主天線接收能量急劇下降，輔天線接收能量會(huì)強(qiáng)于主通道，觸發(fā)SLB系統(tǒng)工作，主通道閉鎖，目標(biāo)被匿影。特別的是部分其它利用相關(guān)處理的抗干擾措施也會(huì)受到極化干擾的影響，例如旁瓣對(duì)消。

總的來(lái)說(shuō)，極化干擾技術(shù)的應(yīng)用有兩種有效方式，第一，噪聲干擾＋自適應(yīng)交叉極化干擾，這樣可以有效對(duì)付具有干擾源定位模式的雷達(dá)，迫使雷達(dá)根據(jù)天線的交叉極化方向圖進(jìn)行噪聲干擾源／假目標(biāo)的跟蹤，阻止導(dǎo)引頭的測(cè)距、測(cè)速或前沿跟蹤；第二，基于相干波形的交叉極化干擾迫使雷達(dá)瞄準(zhǔn)線離開(kāi)真實(shí)目標(biāo)方向，在幾個(gè)不穩(wěn)定的零值點(diǎn)間徘徊。無(wú)論是采用DDS、DRFM，還是采用延遲線的相干干擾機(jī)都能充分利用雷達(dá)信號(hào)處理，獲得脈沖壓縮增益和檢波前積分增益可達(dá)到20dB。針對(duì)地面防空預(yù)警系統(tǒng)突防過(guò)程中，全程使用交叉極化干擾，在不同的干擾階段，對(duì)不同功用的雷達(dá)如預(yù)警、目標(biāo)指示、跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)均會(huì)產(chǎn)生不同的干擾效果。■