雷達(dá)極化測(cè)量技術(shù)

趙鵬飛

(西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西西安 710071)

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，雷達(dá)和雷達(dá)對(duì)抗是取得戰(zhàn)爭(zhēng)勝利的重要保障［1］。雷達(dá)對(duì)抗是阻止敵方雷達(dá)及其武器系統(tǒng)有效使用電磁頻譜的電子對(duì)抗措施，而對(duì)抗的前提是對(duì)敵方目標(biāo)的電子情報(bào)(Electronic Intelligence，ELINT)的獲取，電子情報(bào)主要是對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射的信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)的結(jié)果［2］，電子情報(bào)不僅能及時(shí)地提供有關(guān)威脅系統(tǒng)的信息，而且還能提供有關(guān)防御系統(tǒng)的信息，為下步的電子干擾提供有利的支持。

極化信息同雷達(dá)信號(hào)中的幅度、相位、頻率、波形一樣，是雷達(dá)信號(hào)的重要參量［3］。不同的輻射源，其極化方式不同，測(cè)量電磁波信號(hào)的極化方式對(duì)輻射源信號(hào)分類、識(shí)別都具有重要意義。常用的電子偵察系統(tǒng)偵察輻射源的參數(shù)包括輻射源的方位角、信號(hào)載頻、信號(hào)調(diào)制樣式、脈沖重復(fù)周期、脈沖寬度等，而針對(duì)輻射源的天線極化方式的偵察很少。其實(shí)傳統(tǒng)的對(duì)雷達(dá)的偵察系統(tǒng)相當(dāng)于采用的是獨(dú)立于雷達(dá)信號(hào)極化的圓極化偵察，這種偵察方式能夠偵收到絕大部分輻射源信號(hào)，但其結(jié)果往往是除了損失1/2的入射信號(hào)功率外，同時(shí)損失了對(duì)入射信號(hào)極化特性的檢測(cè)、分辨和識(shí)別能力［4］。為更好地對(duì)輻射源進(jìn)行分類、識(shí)別，文中針對(duì)雷達(dá)輻射源極化的檢測(cè)與測(cè)量，提出了正交雙通道測(cè)量極化方法，并對(duì)該方法進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法是正確的。

1 雷達(dá)電波極化方式

1.1 極化橢圓

由麥克斯韋方程組推導(dǎo)出了時(shí)變電磁波的基本表達(dá)式，該表達(dá)式是建立在一定的理想條件下。因?yàn)槔走_(dá)天線與偵查接收天線距離較遠(yuǎn)，可以看作是遠(yuǎn)場(chǎng)，電磁波在大氣中傳播姑且認(rèn)為是在均勻介質(zhì)中傳播，所以發(fā)射的無線電波認(rèn)為是均勻的平面電磁波，也稱為橫電磁波(Transverse Electro－Magnetic Wave)簡(jiǎn)稱TEM 波［5］。

對(duì)于電磁波而言，極化描述了電場(chǎng)矢量端點(diǎn)作為時(shí)間的函數(shù)所形成的空間軌跡的形狀和旋向［6］。平面電磁波的電矢量在直角坐標(biāo)系中可分解為水平和垂直兩個(gè)分量，而這兩個(gè)分量之間的相對(duì)關(guān)系就構(gòu)成了平面電磁波的極化方式［7－8］。

一般情況下，一個(gè)沿+z方向傳播的單色電磁波的電場(chǎng)矢量E既有x方向的分量［9］，又有y方向的分量，用復(fù)矢量表示為

式(1)還可以寫為

由以上3式可以看出，當(dāng)Ex≠0、Ey≠0并且φ≠0時(shí)，消去參數(shù)γ，得出一般情況下的橢圓方程

由此可見，平面電磁波的極化橢圓由E0x、E0y和3個(gè)參量惟一確定。如果只考慮橢圓的形狀而忽略其大小，那么只需要兩個(gè)參數(shù)φ和γ就可以描述一個(gè)極化橢圓。其中，φ是相位差，γ是垂直極化電波幅度與水平極化電波幅度比值的反正切。如圖1所示，一般情況下平面電磁波電場(chǎng)矢量的軌跡圖。

圖1 平面電磁波的極化橢圓

極化橢圓的旋轉(zhuǎn)方向是這樣規(guī)定的(IEEE Test Antenna Standard，1979):如果電場(chǎng)矢量旋向與傳播方向滿足右手螺旋定則，則稱為右旋極化;如果電場(chǎng)矢量旋向與傳播方向滿足左手螺旋定則，則稱之為左旋極化。

1.2 電波的極化形式

根據(jù)平面電磁波的電場(chǎng)矢量端點(diǎn)在空間中的軌跡圖形，一般可劃分為3種極化形式，即線極化、圓極化和橢圓極化［10－11］。

(1)線極化。

當(dāng)E0y或E0y有一個(gè)為0，極化橢圓蛻化為一條線段，對(duì)應(yīng)的極化方式為線極化。當(dāng)E0x=0時(shí)，電磁波對(duì)應(yīng)的極化方式是垂直線極化;當(dāng)E0y=0時(shí)，電磁波對(duì)應(yīng)的極化方式是水平線極化。當(dāng)φ=－180°或180°時(shí)，即使水平方向或者垂直方向的分量的幅度不為0，其極化方式也是線極化。該線極化與x軸的夾角θ和兩者之間的幅度比有關(guān)系［12］，而θ=arctan(E0y/E0x)。

(2)圓極化。

當(dāng)垂直分量的幅度與水平分量的幅度相等且兩者之間的相位差為+90°或－90°時(shí)，極化橢圓蛻化為圓形，+90°對(duì)應(yīng)左旋圓極化，－90°對(duì)應(yīng)右旋圓極化。

(3)橢圓極化。

除了以上兩種情況外，剩下的都是橢圓極化，通過偵收測(cè)得橢圓傾角γ、橢圓率角ε和橢圓尺寸A來區(qū)分不同的橢圓極化。

2 正交極化天線法

正交極化天線法是采用兩個(gè)正交的極化天線接收雷達(dá)信號(hào)，接收到的信號(hào)通過兩個(gè)相參通道，經(jīng)過一系列處理，測(cè)出兩個(gè)通道信號(hào)的幅度比和相位差，從而輸出雷達(dá)信號(hào)的極化方式。這兩個(gè)正交的極化天線可以是垂直線極化和水平線極化的結(jié)合，也可以是左旋圓極化和右旋圓極化的結(jié)合，僅兩者的數(shù)據(jù)處理部分不同，其原理是相同的。這種方法又稱為幅度—相位法［13］。

以常見的極化雷達(dá)信號(hào)為例，為了方便計(jì)算，姑且認(rèn)為該極化雷達(dá)發(fā)射的電磁波是平面電磁波，任何一個(gè)平面電磁波都可以表示為

式中，f為雷達(dá)信號(hào)的載波頻率;φx、φy分別為水平方向和垂直方向電波的初相。

該雷達(dá)信號(hào)進(jìn)入極化分集接收系統(tǒng)后，在水平通道和垂直通道的響應(yīng)就是Ex和Ey

兩者間的幅度比為

相位差為

水平通道和垂直通道的信號(hào)混頻，放大，中頻濾波和正交相位處理，分別輸出兩路正交的I、Q信號(hào)

式中，k、a為經(jīng)過混頻和低通濾波器的增益;φl為本振的初相。提取信號(hào)的幅度值，得到信號(hào)的幅度分別為

信號(hào)相位差的提取得到

通過式(11)和式(12)可以計(jì)算出信號(hào)的幅度比和相位差為

對(duì)比式(7)～式(8)和式(13)～式(14)可以看出，所求的幅度比χ'=χ，相位差φ'=φ。所以由所求的幅度比和相位差來判別雷達(dá)信號(hào)的極化方式是正確的。

3 實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果及分析

當(dāng)雷達(dá)發(fā)射的是左旋橢圓極化，雷達(dá)信號(hào)的頻率為f=1 020 MHz，接收機(jī)帶寬200 MHz，其中心頻率為f0=1 000 MHz。以一個(gè)左旋的極化橢圓為例，設(shè)初值E0x=1，φx=π/3，E0y=2，φy=π/2。理論上，接收機(jī)的水平通道和垂直通道都有信號(hào)并且幅度之比為2∶1，仿真得出，水平通道和垂直通道的I、Q信號(hào)時(shí)域特性曲線如圖2和圖3所示。

幅度比均值為:2.000 1+8.226 1e－008i幅度比方差為:3.186 6e－005－2.047 5e－009i

相位差均值為:0.523 51+6.654 5e－008i相位差方差為:8.404 8e－005－2.571 5e－010i取其實(shí)部，可以得出幅度比為 2.000 1，可認(rèn)為是2;相位差為0.523 51，接近于π/6。所測(cè)得幅度比和相位差與實(shí)際雷達(dá)信號(hào)的幅度比和相位差相符，推導(dǎo)出該雷達(dá)信號(hào)的極化方式為左旋橢圓極化，仿真結(jié)果成立。

4 優(yōu)缺點(diǎn)

正交極化天線法的優(yōu)點(diǎn)是能瞬時(shí)測(cè)出雷達(dá)信號(hào)的極化方式，只要有雷達(dá)信號(hào)進(jìn)入接收機(jī)，在末端就會(huì)有極化方式的輸出。隨著高速數(shù)字電路和數(shù)字信號(hào)處理(DSP)技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)過高速A/D變換的大量數(shù)字信號(hào)能夠得到快速處理，將這些技術(shù)應(yīng)用到雷達(dá)極化測(cè)量上，能夠大大縮短極化測(cè)量時(shí)間，為戰(zhàn)場(chǎng)提供了時(shí)間保障。其次是能夠處理同時(shí)到來的多個(gè)信號(hào)，可同時(shí)識(shí)別多部極化雷達(dá)，為雷達(dá)偵察的信號(hào)預(yù)處理提供了重要的參數(shù)依據(jù)。另外對(duì)于極化捷變雷達(dá)的測(cè)量很有效果，能夠迅速測(cè)量極化捷變雷達(dá)極化參數(shù)，引導(dǎo)干擾信號(hào)進(jìn)行極化干擾。

正交極化天線法的缺點(diǎn)有:

(1)該方法采用了雙通道處理，比單通道處理多一倍的設(shè)備量，提高了雷達(dá)極化偵察的成本。

(2)該方法必須要求雙通道各個(gè)器件的參數(shù)必須保持一致，處理時(shí)間上也要保持同步，對(duì)器件性能要求很高。

(3)該方法對(duì)數(shù)據(jù)處理部分要求也很高，需要高速大規(guī)模的集成器件來處理大量的高速數(shù)字信號(hào)。

5 結(jié)束語(yǔ)

文中只對(duì)水平和垂直這一對(duì)正交極化做了仿真，其實(shí)在理論上，只要是一對(duì)正交的極化天線都能夠測(cè)出雷達(dá)信號(hào)的極化，它們之間的關(guān)系只是坐標(biāo)與坐標(biāo)之間的變換關(guān)系，所以有了水平和垂直這一對(duì)正交極化天線就能推導(dǎo)出其他正交極化天線的算法。

文中對(duì)接收系統(tǒng)的流程和一些主要算法做了仿真，僅考慮了接收機(jī)的內(nèi)噪聲，外界的雜波，外界噪聲和各種有源無源干擾都以理想狀態(tài)對(duì)待，在實(shí)際應(yīng)用中還會(huì)存在一些新的問題。

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