極化雷達導(dǎo)引頭干擾技術(shù)研究

顧天一，唐 莽，陳 飛，王 衛(wèi)，梁 斌，徐大釗

（中國航天科工集團8511 研究所，江蘇 南京 210007）

0 引言

導(dǎo)彈是現(xiàn)代戰(zhàn)場中進行精確打擊的“殺手锏”武器之一，導(dǎo)引頭作為導(dǎo)彈的“眼睛”發(fā)揮了重要的制導(dǎo)與目標(biāo)識別作用，是對抗方首要的干擾對象。當(dāng)前，雷達導(dǎo)引頭主要是固定單一極化體制，有源干擾相應(yīng)的也會選擇斜極化或圓極化等固定極化干擾，以部分功率損耗為代價實現(xiàn)對導(dǎo)引頭的有效干擾。對雷達導(dǎo)引頭進行極化改造可提升其抗干擾能力，極化雷達導(dǎo)引頭能精確獲取目標(biāo)的極化信息，利用干擾和真實目標(biāo)在極化特征上的差異實現(xiàn)鑒別，能有效對抗固定極化有源干擾、雜波干擾等。相應(yīng)的，為有效對抗極化雷達導(dǎo)引頭，干擾也從時頻空域延伸到極化域，變極化干擾應(yīng)運而生。變極化干擾的本質(zhì)是對干擾信號在極化域上進行調(diào)制，與固定極化干擾最大的區(qū)別是，變極化干擾可以根據(jù)實際需求，以針對性的變化策略對抗極化雷達導(dǎo)引頭，是未來干擾技術(shù)發(fā)展的重要趨勢。本文以極化雷達導(dǎo)引頭為研究對象，通過對常見固定極化干擾、隨機極化干擾的作用機理和優(yōu)缺點分析研究，提出了目標(biāo)模擬隨機極化干擾和自適應(yīng)極化干擾，并開展了分析和研究。

1 極化雷達導(dǎo)引頭工作原理

極化雷達導(dǎo)引頭采用輪流發(fā)射一對極化狀態(tài)正交的電磁波，且雙極化同時接收的方式，匹配濾波后可以得出4 路信號，這4 路信號可形成目標(biāo)的極化散射矩陣，如圖 1 所示。

圖1 極化雷達導(dǎo)引頭的4 路信號

極化散射矩陣描述了入射波和目標(biāo)之間的相互作用，它包含了目標(biāo)在特定姿態(tài)和觀測頻率下的全部極化散射信息。極化散射矩陣把散射場E各分量和入射場E各分量聯(lián)系起來，用Jones 矢量可表示為：

當(dāng)導(dǎo)引頭距離目標(biāo)足夠遠時，則到達目標(biāo)處的入射波和到達接收處的散射波可看成平面波。因此，是一個二階矩陣，選擇水平垂直極化基（后文簡稱、極化）可表示為：

式中，第一個下標(biāo)字母表示接收極化，第二個下標(biāo)字母表示發(fā)射極化。如果目標(biāo)是線性散射體，那么由互易性定理可得，任意目標(biāo)的單站（后向）散射矩陣是對稱的，即s=s。

由圖2 可知，極化雷達導(dǎo)引頭處理目標(biāo)回波時，當(dāng)其4 個接收通道的分量與目標(biāo)有較大差異，則能利用極化特征進行干擾鑒別。

圖2 目標(biāo)與干擾識別示意圖

2 極化干擾技術(shù)分析

2.1 固定極化干擾

固定極化干擾是干擾輻射信號的極化形式不隨時間和頻率變化的干擾方式。表1 是典型固定極化的干擾對不同接收極化雷達導(dǎo)引頭干擾時的極化匹配系數(shù)。

表1 極化匹配系數(shù)

在實際工程應(yīng)用中一般采取45°斜極化干擾，以一定的功率損耗，換取對極化雷達導(dǎo)引頭的穩(wěn)定干擾。因此，一般采用大功率的壓制干擾，在極化雷達導(dǎo)引頭進行濾波處理后，仍會使得4 路接收通道中目標(biāo)信號被干擾信號覆蓋，或增大極化雷達導(dǎo)引頭處理后的極化散射矩陣誤差，降低正確識別跟蹤目標(biāo)的概率。但是，固定極化干擾的缺點是干擾信號的極化形式保持不變，極化雷達導(dǎo)引頭積累識別后，可以通過調(diào)整發(fā)射信號的極化分量，對其進行最大程度的對抗。

2.2 隨機極化干擾

現(xiàn)有極化雷達導(dǎo)引頭一般在脈沖積累、處理后，可對干擾的極化形式進行鑒別，可通過調(diào)整發(fā)射信號的極化與其正交來抑制干擾。針對其需要脈沖積累以判別干擾極化形式的特點，可以采用隨機極化干擾進行對抗。

隨機極化干擾主要是通過隨機調(diào)整2 路干擾信號的幅度和相位，使得干擾信號極化形式呈現(xiàn)隨機變化的情況。當(dāng)隨機極化干擾以小于極化雷達導(dǎo)引頭脈沖積累周期的時間進行隨機的極化變換時，可影響極化雷達導(dǎo)引頭的脈沖積累流程，使導(dǎo)引頭無法較準(zhǔn)確地判斷識別出干擾信號極化形式，作用過程的時序圖如圖3 所示。

圖3 隨機極化干擾時序圖

隨機極化干擾的Jones 矢量表示為：

式中，為干擾信號的幅度絕對值，γ()為極化幅角，φ()為極化相角。

此時，導(dǎo)引頭接收機輸入端干擾信號以電壓方程可表示為：

式中，h為極化雷達導(dǎo)引頭接收天線極化形式；γ和φ分別為接收天線的極化幅角與極化相角，考慮到干擾機與雷達導(dǎo)引頭通常處于相向坐標(biāo)系，故極化相角取負(fù)號。

為刻畫因為天線之間極化形式失配而造成的信號損失的程度，采用極化匹配系數(shù)來衡量，極化匹配系數(shù)表示為：

式中，p（）為當(dāng)前時刻實際接收的干擾功率；p（）為極化完全匹配時被接收的功率。

隨機極化干擾信號的極化幅角γ()和極化相角φ()在每個不同的脈沖積累周期里都為隨機數(shù)。圖4 為隨機極化干擾針對不同極化的接收天線的極化匹配系數(shù)。

圖4 隨機極化干擾的極化匹配系數(shù)

根據(jù)圖4 可知，當(dāng)極化幅角和極化相角服從均勻分布的隨機數(shù)時，有半數(shù)樣本的極化匹配系數(shù)大于0.5，且均值也約為0.5。由此可知，隨機極化干擾可對極化雷達導(dǎo)引頭脈沖積累的過程進行破壞，即使導(dǎo)引頭積累識別后發(fā)現(xiàn)了受到干擾，但也無法通過調(diào)整極化分量來對抗，保證了一定的干擾成功率。但是，由于目標(biāo)回波的RCS 受照射極化的影響，存在一個起伏的區(qū)間，隨著目標(biāo)姿態(tài)的改變，其回波的RCS 也呈現(xiàn)規(guī)律性的變化。而隨機極化干擾的信號在時域上呈現(xiàn)出的是隨機變化，極化雷達導(dǎo)引頭可以通過分析2組或多組積累脈沖之間的平均極化分量變化趨勢來識別目標(biāo)和干擾。

2.3 目標(biāo)模擬隨機極化干擾

傳統(tǒng)的干擾與真實目標(biāo)回波的極化特征存在較大差異，極化雷達導(dǎo)引頭在提取回波信號的極化散射矩陣后可以辨別。因此，在隨機極化干擾的基礎(chǔ)上加載被保護目標(biāo)的極化散射矩陣，可模擬目標(biāo)的極化散射特性，降低了由于極化不匹配而造成的干擾信號能量損失。

這種干擾技術(shù)要求干擾機配備被保護目標(biāo)的極化散射矩陣數(shù)據(jù)庫，輸入極化雷達導(dǎo)引頭信號的相關(guān)特征（如觀測角、頻率等）時，數(shù)據(jù)庫可輸出對應(yīng)的極化散射矩陣，并將其加載到干擾信號中，實現(xiàn)目標(biāo)極化散射特性模擬的隨機極化干擾。原理框圖如圖5 所示，圖中省略了信號處理部分。

圖5 極化散射矩陣加載示意圖

隨機極化干擾的極化形式提取為：

在加載特定觀測條件下目標(biāo)的極化散射矩陣后，干擾信號的極化形式變?yōu)?

此時，極化匹配系數(shù)為：

面對水平極化的導(dǎo)引頭信號，對目標(biāo)模擬隨機極化干擾和隨機極化干擾的極化匹配系數(shù)進行仿真計算，如圖6 所示。

圖6 極化匹配系數(shù)對比

若以極化匹配系數(shù)大于0.5 的次數(shù)比上總次數(shù)作為平均干擾有效概率，則：

計算可知，隨機極化干擾的平均干擾有效概率為53.28%，目標(biāo)模擬隨機極化干擾的平均干擾有效概率為57.82%，干擾有效概率在一定程度上提升，且目標(biāo)模擬隨機極化干擾的極化匹配系數(shù)均值相較于隨機極化干擾提升近20%。從統(tǒng)計的結(jié)果可知，目標(biāo)模擬隨機極化干擾有更大概率以較高的極化匹配系數(shù)，與目標(biāo)回波信號一同進入極化雷達導(dǎo)引頭的接收機，會獲得更好的干擾效果。

綜上所述，目標(biāo)模擬隨機極化干擾使得極化匹配系數(shù)的均值有所提高。即使極化雷達導(dǎo)引頭后續(xù)可改進目標(biāo)識別的算法策略，通過分析2 組積累脈沖之間的平均極化分量變化趨勢來識別目標(biāo)和干擾，目標(biāo)模擬隨機極化干擾會因為模擬了目標(biāo)回波的極化特征，其信號也能呈現(xiàn)同樣的起伏規(guī)律，使得極化雷達導(dǎo)引頭無法辨別，干擾效果更佳。

2.4 自適應(yīng)極化干擾

從作用原理上而言，目標(biāo)模擬隨機極化干擾是在完全不清楚導(dǎo)引頭信號極化形式的情況下，對隨機極化干擾進行了目標(biāo)極化散射矩陣的加載，具有一定的干擾效果，但不夠穩(wěn)定。未來極化干擾的發(fā)展趨勢是通過對極化雷達導(dǎo)引頭的信號進行及時、精確的極化測量，再在導(dǎo)引頭信號的基礎(chǔ)上調(diào)制生成相應(yīng)極化分量的干擾信號，可提高對極化雷達導(dǎo)引頭的干擾成功率。

圖7 為自適應(yīng)極化干擾樣機原理框圖，干擾機結(jié)構(gòu)包括2 路正交極化天線、2 路接收通道、2 路發(fā)射通道、極化調(diào)制模塊和信號處理模塊。干擾機為收發(fā)分時工作模式，具體工作時，首先接收導(dǎo)引頭信號后分為兩路信號，其中一路信號進行幅度比和相位差的測量，獲得導(dǎo)引頭信號的極化形式；另一路信號經(jīng)前端處理后，送入信號處理器進行時延、幅度和相位等調(diào)制，以產(chǎn)生“時頻空能”域的假目標(biāo)。隨后，輸出信號經(jīng)過調(diào)制、上變頻，完成極化域的調(diào)制后，經(jīng)2 路正交極化天線向?qū)б^發(fā)射。

圖7 自適應(yīng)極化干擾樣機原理框圖

雖然從原理上自適應(yīng)極化干擾可以使極化雷達導(dǎo)引頭的極化抗干擾措施失效。但由于當(dāng)前極化精確、實時測量技術(shù)的發(fā)展相對落后，自適應(yīng)極化干擾的工程實現(xiàn)難度較大，待未來微波器件的工藝水平和干擾機信號處理能力進一步發(fā)展后，自適應(yīng)極化干擾將會是對抗極化雷達導(dǎo)引頭的重要方式之一。

3 結(jié)束語

極化雷達導(dǎo)引頭能夠通過2路正交極化通道發(fā)射和接收回波信號提取目標(biāo)和干擾的極化散射矩陣，根據(jù)兩者極化散射矩陣的差異進行判別，具有很強的抗干擾能力。本文以極化雷達導(dǎo)引頭為研究對象，分析了4 種極化干擾方式的可行性和優(yōu)缺點。自適應(yīng)極化干擾因為精確測量了導(dǎo)引頭發(fā)射信號的極化分量，使極化雷達導(dǎo)引頭喪失了極化域抗干擾的優(yōu)勢，所以可實現(xiàn)對極化雷達導(dǎo)引頭的有效干擾，但缺點是干擾設(shè)備的研制成本高，質(zhì)量、體積較大，且極化測量精準(zhǔn)度、測量時間受器件工藝水平影響大，核心技術(shù)需要進一步研究與攻關(guān)。目標(biāo)模擬隨機極化干擾既模擬了目標(biāo)的極化域特征，又無需對導(dǎo)引頭信號進行精確的極化測量，易于工程應(yīng)用，是當(dāng)前應(yīng)當(dāng)大力發(fā)展的極化干擾方式。