雷達(dá)變極化干擾機(jī)理分析

孟慶翔，王肖洋

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雷達(dá)變極化干擾機(jī)理分析

孟慶翔1，王肖洋2

（1.中國人民解放軍 69222 部隊(duì)，新疆 巴音郭楞蒙古自治州 841600；2.中國洛陽電子裝備試驗(yàn)中心，河南 洛陽 471000）

變極化干擾正成為下一代干擾機(jī)發(fā)展的重要方向。提出利用正交變極化干擾對抗雷達(dá)的空域和極化域抗干擾措施，介紹了極化偵察的基本方法，定性分析了正交變極化干擾對抗副瓣對消、副瓣匿影和極化識(shí)別三種抗干擾措施的基本機(jī)理。分析表明，正交變極化干擾對抗雷達(dá)空域和極化域抗干擾措施具有其可行性。

變極化干擾；副瓣對消；副瓣匿影；極化識(shí)別

目前，有源雷達(dá)干擾通常選擇斜極化或圓極化，通過功率上犧牲3～6 dB的方式，達(dá)到對各種極化方式雷達(dá)的可靠干擾。但是當(dāng)雷達(dá)采用極化對消、副瓣對消、副瓣匿影、極化識(shí)別等抗干擾措施后，固定極化干擾能量損失達(dá)15 dB以上，即使有少量的干擾能量進(jìn)入形成假目標(biāo)，仍會(huì)被雷達(dá)信號處理抗干擾手段蔽除。

雷達(dá)變極化干擾的實(shí)質(zhì)是對干擾信號再次進(jìn)行極化域調(diào)制，變極化干擾可以是實(shí)時(shí)跟蹤雷達(dá)極化變化的“極化瞄準(zhǔn)干擾”，可以是在兩種極化狀態(tài)之間交替變化的“交變極化干擾”，也可以是干擾極化狀態(tài)隨機(jī)變化的“隨機(jī)極化干擾”。雷達(dá)變極化干擾拓寬了干擾樣式變化的維度，從空域、頻域、能量域三個(gè)維度拓展到了空、頻、能量、極化域四個(gè)維度。利用雷達(dá)天線空域極化特性，交變極化干擾可以對抗雷達(dá)空域抗干擾措施；進(jìn)一步采取有針對性的變化策略（比如正交變極化、隨機(jī)極化）還可以破壞雷達(dá)的極化抗干擾信號處理鏈路[1-3]。宙斯盾艦上部署的APECSⅡ/Ⅲ艦載干擾機(jī)，即具有極化分集干擾能力，可對主動(dòng)制導(dǎo)導(dǎo)引頭實(shí)施交叉極化誘偏干擾[4-5]。

1 國外極化干擾的發(fā)展應(yīng)用情況

電子干擾技術(shù)歷來被國外嚴(yán)密封鎖，國外對電子對抗領(lǐng)域的極化干擾技術(shù)研究起步較早，美國電子戰(zhàn)專家萊羅艾·范布朗特首次提出了交叉極化干擾對角度跟蹤雷達(dá)進(jìn)行角度誘偏的機(jī)理。美國防部在2001—2005年開始進(jìn)行極化捷變干擾機(jī)項(xiàng)目的預(yù)研。從公開報(bào)道的資料來看，目前交叉極化誘偏干擾技術(shù)在實(shí)際的電子戰(zhàn)系統(tǒng)中已經(jīng)得到應(yīng)用，美國銷售給約旦空軍的F-16 Block60和美軍裝備的EA-18G電子戰(zhàn)飛機(jī)均配備了交叉極化誘偏干擾裝置，美軍在新一代機(jī)載干擾吊艙（NGJ）中對極化干擾能力進(jìn)行了加強(qiáng)。廣泛部署于美軍宙斯盾艦的APECSⅡ/Ⅲ艦載干擾機(jī)，其具有極化分集干擾能力，可以對單脈沖制導(dǎo)導(dǎo)引頭實(shí)施交叉極化誘偏干擾。

2 極化偵察方法[6-9]

根據(jù)極化電磁理論，任意極化形式的單色波可以分解為2個(gè)正交極化分量，采用“相位—幅度”測量法，通過一對等相位中心的極化正交天線，測量兩幅天線接收信號的幅度比和相位差間接測得雷達(dá)波極化方向。

設(shè)雷達(dá)信號為線性調(diào)頻信號，且脈內(nèi)極化不變，在左右旋極化基下，兩天線偵收信號為：

表1 雷達(dá)波極化偵察參數(shù)表

雷達(dá)工作極化 偵查參數(shù)水平垂直45°135°左旋右旋 θπ/4π/4π/4π/40π/4 φ0ππ/23π/4π/2π/2

由表1可見，對于任意方向的線極化雷達(dá)，兩個(gè)圓極化天線偵收信號的幅度是相等的，雷達(dá)波極化方向是兩天線接收信號相位差的50%.受雷達(dá)天線俯仰和偵察天線俯仰關(guān)系的影響，偵察系統(tǒng)測得的雷達(dá)波極化方向并非完全等價(jià)于雷達(dá)的工作極化，還需結(jié)合一定的先驗(yàn)知識(shí)進(jìn)行綜合判定。

在實(shí)際應(yīng)用中，電子對抗作戰(zhàn)行動(dòng)、作戰(zhàn)對象不同，采用“相位-幅度法”估計(jì)雷達(dá)極化參數(shù)的實(shí)現(xiàn)也有所不同。

3 正交變極化干擾對抗空域抗干擾的機(jī)理分析

3.1 雷達(dá)天線交叉極化特性

典型天線交叉極化增益值如表2所示。

表2 典型天線交叉極化增益值

第一副瓣/dB交叉極化/dB 口面天線1-13.5-8 口面天線2-25-23 口面天線3-28-20 陣列天線-32-23

在雷達(dá)天線設(shè)計(jì)過程中，天線交叉極化抑制比是天線設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，但是受天線結(jié)構(gòu)、工藝或者是為了保證主極化方向增益特性而不得作出犧牲等原因，任何天線均存在寄生交叉極化。主極化方向圖與寄生交叉極化方向圖存在錯(cuò)位現(xiàn)象，通常認(rèn)為交叉極化方向圖在天線主瓣方向形成凹點(diǎn)，交叉極化增益最大值位于主極化方向圖的第一副瓣附近，交叉極化增益甚至超出主極化方向圖的第一副瓣增益，如圖1所示[10]。

圖1 天線交叉極化示意圖

3.2 正交變極化干擾對抗副瓣對消的機(jī)理分析

雷達(dá)的副瓣對消設(shè)有主天線和輔天線兩個(gè)接收通道，主天線窄波束接收，輔助天線全向接收，輔助天線增益與主天線的副瓣增益相當(dāng)。輔助天線接收的干擾信號與主天線接收的干擾信號加權(quán)求和，使主天線等效方向圖在干擾方向形成零點(diǎn)，抑制副瓣干擾。權(quán)值根據(jù)干擾方向變化作相應(yīng)調(diào)整，使主天線合成方向圖始終在干擾方向形成零點(diǎn)，副瓣對消能夠較好地對付連續(xù)波噪聲類干擾[11-12]。

副瓣對消算法的一個(gè)工作周期分為最優(yōu)對消權(quán)值計(jì)算和干擾對消兩個(gè)階段，與雷達(dá)一個(gè)脈沖重復(fù)周期接近。在最優(yōu)權(quán)值計(jì)算階段要求干擾環(huán)境相對穩(wěn)定，在干擾對消階段要求干擾環(huán)境與權(quán)值計(jì)算階段的干擾環(huán)境也相對穩(wěn)定，否則前一階段得到的最優(yōu)權(quán)值會(huì)在下一階段的干擾對消中失效。

副瓣對消主輔天線極化特性如圖2所示。受到寄生交叉極化的影響，干擾信號極化狀態(tài)發(fā)生變化，導(dǎo)致雷達(dá)接收到的干擾信號來向、幅度和相位發(fā)生變化，等價(jià)于干擾環(huán)境發(fā)生了變化，削弱副瓣對消效果。從圖2可以看出，干擾信號與雷達(dá)主極化匹配時(shí)，從雷達(dá)主天線的第一副瓣（方向B）進(jìn)入，輔助天線正常接收干擾信號；當(dāng)干擾信號與雷達(dá)交叉極化匹配時(shí)，干擾從方向A進(jìn)入，主天線接收干擾信號的方向發(fā)生變化，強(qiáng)度增強(qiáng)，輔助天線接收干擾信號明顯減弱。當(dāng)干擾源極化方式在雷達(dá)主極化和交叉極化之間交替變化時(shí)，主輔天線系統(tǒng)接收信號的來向和強(qiáng)度交替變化。

圖2 副瓣對消主輔天線極化特性

正交變極化干擾時(shí)序如圖3所示。圖4是針對一種自適應(yīng)副瓣對消算法設(shè)計(jì)的正交變極化干擾時(shí)序，t是偵察得到的雷達(dá)工作極化，p是雷達(dá)脈沖重復(fù)周期，也是極化狀態(tài)變化的周期。圖4是按照圖3的變極化時(shí)序設(shè)計(jì)噪聲干擾，副瓣對消對正交變極化調(diào)頻噪聲干擾抑制后的脈沖壓縮結(jié)果，對比發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的信干比（SCR）明顯降低，表明正交變極化干擾對副瓣對消有一定的干擾效果。

3.3 正交變極化干擾對抗副瓣匿影的機(jī)理分析

雷達(dá)的副瓣匿影也設(shè)有主天線和輔天線兩個(gè)接收通道，與副瓣對消的區(qū)別在于輔助天線增益稍大于主天線的副瓣增益，如圖5所示。在兩個(gè)接收通道的輸出端通過比較輸出信號的大小來選通/閉合主接收通道，能較好地對付脈沖型干擾，通常與副瓣對消配合使用[12]。

圖3 正交變極化干擾時(shí)序

圖4 正交變極化噪聲對副瓣對消的干擾效果

圖5 副瓣匿影主輔天線極化特性

如果信號是從天線主瓣方向A進(jìn)入的目標(biāo)回波，主通道輸出信號強(qiáng)度大于輔助通道輸出信號，此時(shí)主通道被選通目標(biāo)回波正常進(jìn)入信號分析電路。如果信號是從副瓣方向B進(jìn)來的干擾信號，輔助通道輸出信號強(qiáng)度大于主通道，此時(shí)主通道閉合，干擾能量無法進(jìn)入。

當(dāng)對雷達(dá)實(shí)施交叉極化干擾時(shí)，即干擾從方向C進(jìn)入，由于主天線寄生的交叉極化增益較強(qiáng)，主通道接收信號大于輔助天線接收信號，此時(shí)雷達(dá)誤以為信號是從主天線主瓣進(jìn)入的回波信號，主接收通道被選通，干擾能量成功從主天線進(jìn)入信號分析系統(tǒng)。實(shí)施交叉極化干擾，雖然干擾能量成功進(jìn)入，但存在的問題是，干擾能量進(jìn)入的同時(shí)，目標(biāo)回波能量也同時(shí)被接收，當(dāng)目標(biāo)回波能量較強(qiáng)時(shí)，干擾能量可能無法壓制目標(biāo)回波能量。

如果在一個(gè)脈沖重復(fù)周期內(nèi)，使干擾極化先與雷達(dá)接收極化匹配，讓雷達(dá)主接收通道閉合，此時(shí)主接收通道對中近區(qū)域較強(qiáng)的目標(biāo)回波閉合；再進(jìn)行交叉極化干擾，讓雷達(dá)主接收通道選通，此時(shí)對遠(yuǎn)區(qū)較弱的目標(biāo)回波選通，干擾能量則更大可能壓制遠(yuǎn)區(qū)目標(biāo)回波。極化變化的時(shí)機(jī)以被干擾雷達(dá)對被掩護(hù)目標(biāo)的燒穿距離為界。

4 正交變極化干擾對抗極化識(shí)別的機(jī)理分析

相參轉(zhuǎn)發(fā)式干擾形成的假目標(biāo)主要在時(shí)頻域形成欺騙和密集遮蓋效果，由于并不是真實(shí)目標(biāo)后向電磁散射形成的回波，因此不具有真實(shí)目標(biāo)電磁散射的極化特征。極化識(shí)別算法通過測得目標(biāo)后向電磁散射的極化相干矩陣，然后提取極化相干矩陣的特征值來鑒別真假目標(biāo)。目前各國現(xiàn)役極化雷達(dá)多屬于分時(shí)極化測量體制，即交替發(fā)射正交極化的脈沖波，在脈沖間進(jìn)行發(fā)射極化的切換，對每一個(gè)脈沖回波同時(shí)進(jìn)行雙極化接收。分時(shí)極化測量體制假設(shè)目標(biāo)姿態(tài)在相鄰兩個(gè)脈沖時(shí)間內(nèi)緩變，目標(biāo)姿態(tài)變化引起的散射特性變化可以忽略。

針對上述極化識(shí)別措施，有源假目標(biāo)干擾可以通過模擬真目標(biāo)電磁散射的極化相干矩陣，使假目標(biāo)的極化特征識(shí)別量超過極化識(shí)別的檢測門限，當(dāng)實(shí)施密集假目標(biāo)干擾時(shí)，可以抬高極化識(shí)別的檢測門限。極化偵察系統(tǒng)測得雷達(dá)脈沖重復(fù)周期和交替發(fā)射水平垂直極化波的時(shí)序后，對轉(zhuǎn)發(fā)式的有源假目標(biāo)按照雷達(dá)發(fā)射極化的變化時(shí)序進(jìn)行極化調(diào)制即可，干擾極化狀態(tài)變化周期為一個(gè)雷達(dá)脈沖重復(fù)周期。以圖6中變極化時(shí)序1實(shí)施干擾時(shí)，干擾信號形成極化相干矩陣中各元素關(guān)系為|HHj|=|VVj|＞|HVj|=|VHj|，以變極化時(shí)序2實(shí)施干擾時(shí)，極化相干矩陣中各元素關(guān)系為|HVj|=|VHj|＞|HHj|=|VVj|。無論采用變極化干擾時(shí)序1還是時(shí)序2實(shí)施干擾，均有|HH－HV|＞，假目標(biāo)均能夠通過極化識(shí)別門限。因此，只需掌握雷達(dá)脈沖重復(fù)周期規(guī)律即可，并不需要知道雷達(dá)發(fā)射極化變化時(shí)序。另外，當(dāng)極化雷達(dá)以更復(fù)雜的發(fā)射極化工作時(shí)，或者工作在全極化測量狀態(tài)時(shí)，干擾極化可以進(jìn)行隨機(jī)變化，產(chǎn)生一種極化噪聲，污染極化雷達(dá)測得的極化相干矩陣，使極化識(shí)別算法無法提取特征值。

圖6 針對極化識(shí)別的正交變極化干擾時(shí)序

5 結(jié)束語

文中定性分析了正交變極化干擾對幾種抗干擾方法的干擾機(jī)理，相關(guān)理論分析還需要深入推導(dǎo)，并有待廣泛實(shí)踐驗(yàn)證，但是變極化干擾在對抗極化域和空域抗干擾措施方面的潛力值得發(fā)掘?，F(xiàn)代雷達(dá)對抗已經(jīng)向時(shí)域、頻域、空域和極化域多維度綜合對抗轉(zhuǎn)變，變極化干擾還需與空時(shí)頻域干擾樣式相結(jié)合，綜合運(yùn)用才能充分發(fā)揮其干擾效能潛力。

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TN974

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2018.22.001

2095－6835（2018）22－0001－03

孟慶翔（1983—），男，碩士，助理工程師，研究方向?yàn)榉植际接?jì)算、電子對抗。王肖洋（1989—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)槔走_(dá)與雷達(dá)對抗。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕