一種雙極化單脈沖被動(dòng)雷達(dá)實(shí)現(xiàn)方案

宋立眾 喬曉林

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)（威海），山東 威海 264209）

引 言

反輻射導(dǎo)彈是一種重要的反雷達(dá)技術(shù)，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)揮著極為關(guān)鍵的作用，因此它已成為各國(guó)競(jìng)相研制的主要作戰(zhàn)武器之一。目前比較常用的反輻射導(dǎo)彈有美國(guó)的“哈姆”、“默虹”和先進(jìn)反輻射制導(dǎo)導(dǎo)彈（AARGM）、英國(guó)的“阿拉姆”、法國(guó)的“阿瑪特”以及俄羅斯的 AS－12等［1－5］。被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭是反輻射導(dǎo)彈的關(guān)鍵技術(shù)之一，它具有隱蔽性好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中備受青睞［6］?，F(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)要求被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭具有寬頻帶、高靈敏度、高分辨率、高精度和優(yōu)良的抗干擾性能，研制新一代的被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭在軍事上具有重要意義。被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭采用寬帶天線系統(tǒng)被動(dòng)接收敵方輻射源的電磁輻射信號(hào)，通過(guò)對(duì)這些信號(hào)的截獲、分選、識(shí)別和測(cè)角跟蹤，引導(dǎo)反輻射導(dǎo)彈摧毀敵方的輻射源目標(biāo)。傳統(tǒng)被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭一般采用單脈沖的測(cè)角方法［7－9］，利用寬帶單脈沖天線陣列獲取輻射源的方位和俯仰二維方向信息，該方法具有單脈沖雷達(dá)測(cè)角精度高和抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭的天線系統(tǒng)多采用圓極化超寬帶天線［10］，例如平面或圓錐等角螺旋天線、平面阿基米德螺旋天線等，這些天線均具有圓極化和寬波束性能，眾多學(xué)者對(duì)這些天線開(kāi)展了深入的研究［11－14］。與此同時(shí)，電磁波極化信息的利用已成為目前研究的熱點(diǎn)，新體制極化雷達(dá)系統(tǒng)在電子戰(zhàn)等領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)越性和巨大的發(fā)展?jié)摿?。全極化矢量雷達(dá)導(dǎo)引頭可以感知輻射源空間電磁輻射信號(hào)的幅度、相位、到達(dá)角和極化特征的完整信息，將會(huì)帶來(lái)導(dǎo)引頭系統(tǒng)整體性能的提高，因此，它成為被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭的發(fā)展趨勢(shì)之一?；诖?，本文提出了一種雙極化單脈沖被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭實(shí)現(xiàn)方案，以期提高傳統(tǒng)被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭的目標(biāo)檢測(cè)、識(shí)別和抗干擾性能。在新體制雙極化被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵技術(shù)是寬帶雙極化單脈沖天線系統(tǒng)的研制，因此，本文設(shè)計(jì)了一種寬帶雙極化Vivaldi天線，并由其組成四單元單脈沖陣列，為該導(dǎo)引頭方案的可實(shí)現(xiàn)性提供了技術(shù)支撐。Vivaldi天線廣泛應(yīng)用于雷達(dá)和無(wú)線通信系統(tǒng)中［15－16］，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、低剖面、工作頻帶寬、方向圖為端射等，因此，本文以Vivaldi天線設(shè)計(jì)理論為基礎(chǔ)，研制了一種雙極化的寬帶天線，該天線兩個(gè)極化端口的方向圖的主波束都在視線方向，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了較好的極化端口隔離度和極化純度。文中給出了基于雙極化Vivaldi天線單元的單脈沖天線系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，該天線系統(tǒng)在寬帶范圍內(nèi)形成了和波束與差波束，也獲得了較好的交叉極化電平和波束性能指標(biāo)，因此，本文中給出的天線系統(tǒng)是一種有效的寬帶雙極化單脈沖天線實(shí)現(xiàn)方案，適用于在雙極化被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭中應(yīng)用。

1 雙極化單脈沖雷達(dá)導(dǎo)引頭系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

傳統(tǒng)的被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭采用單脈沖測(cè)角技術(shù)，其天線系統(tǒng)為圓極化寬帶單脈沖天線。在單脈沖雷達(dá)中，常用的測(cè)角方法包括比幅式、比相式、振幅和差式和相位和差式等，其中和差方向圖的形成以及角誤差信號(hào)的提取可以采用模擬電路的形式實(shí)現(xiàn)，也可以采用數(shù)字方法實(shí)現(xiàn)。隨著微波技術(shù)和數(shù)字電路技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字雷達(dá)技術(shù)獲得越來(lái)越多的應(yīng)用。本文提出一種雙極化數(shù)字單脈沖雷達(dá)導(dǎo)引頭系統(tǒng)，該系統(tǒng)引入寬帶雙極化單脈沖天線，采用多路寬帶微波接收機(jī)，在信號(hào)處理機(jī)內(nèi)采用數(shù)字方法形成和差波束以及角誤差信號(hào)提取，同時(shí)還要完成目標(biāo)信號(hào)的截獲、分選與識(shí)別，該雙極化被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案如圖1所示。

圖1 一種雙極化單脈沖被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭實(shí)現(xiàn)方案

本文提出的雙極化單脈沖天線配置方案如圖2所示，該天線系統(tǒng)由四個(gè)相同的雙極化天線單元組成，每個(gè)天線具有垂直極化和水平極化兩個(gè)端口，分別用V和H表示，用來(lái)感知空間電磁波的極化信息，天線單元之間的距離均為d.圖2中的坐標(biāo)系為右手笛卡爾坐標(biāo)系，同時(shí)可定義相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)球坐標(biāo)系，其坐標(biāo)定義為（r，θ，φ）.根據(jù)圖2中的天線配置，可知垂直和水平極化的和差波束分別為

式中：SAH、SBH、SCH和SDH分別為四個(gè)天線單元的水平極化接收信號(hào)分量；SAV、SBV、SCV和SDV分別為四個(gè)天線單元的垂直極化接收信號(hào)分量；ΣH和ΣV分別為和波束的水平和垂直極化分量；ΔaH和ΔaV分別為方位差波束的水平和垂直極化分量；ΔeH和ΔeV分別為俯仰差波束的水平和垂直極化分量。于是，理想天線單元條件下，垂直和水平極化的角誤差函數(shù)形式相同；例如水平極化的方位和俯仰角誤差信號(hào)可分別表示為

由式（7）和（8）可解算出目標(biāo)的空間角度。

圖2 一種雙極化單脈沖天線配置方案

2 雙極化單脈沖導(dǎo)引頭信號(hào)處理方案

根據(jù)上面的被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭設(shè)計(jì)方案，8路信號(hào)變成視頻信號(hào)后進(jìn)入信號(hào)處理機(jī)，在信號(hào)處理機(jī)內(nèi)完成信號(hào)的檢測(cè)、信號(hào)分選、輻射源識(shí)別、空間角度測(cè)量，最后給出角誤差信號(hào)，引導(dǎo)導(dǎo)彈跟蹤輻射源目標(biāo)。在具體工作過(guò)程中，被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭首先采用瞬時(shí)測(cè)頻技術(shù)測(cè)得信號(hào)的工作頻率，然后進(jìn)行圖3所示的信號(hào)處理過(guò)程。雷達(dá)利用和波束信號(hào)進(jìn)行目標(biāo)信號(hào)的檢測(cè)，在此基于雙極化的雷達(dá)體制，引入極化匹配檢測(cè)技術(shù)，有效獲得信號(hào)的能量，提高檢測(cè)概率。信號(hào)截獲完成后，對(duì)含有信號(hào)的脈沖進(jìn)行信號(hào)的分選與識(shí)別，對(duì)識(shí)別后的輻射源進(jìn)行測(cè)角和跟蹤。在信號(hào)分選與識(shí)別過(guò)程中，可采用極化識(shí)別技術(shù)，在信號(hào)的脈沖描述字中引入極化和狀態(tài)信息，在原有的幅度、頻率、脈沖重復(fù)頻率的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步改善了系統(tǒng)信號(hào)分選與識(shí)別能力，尤為重要的是，極化識(shí)別技術(shù)可顯著增強(qiáng)其抗干擾性能。為分析方便，考慮一個(gè)輻射源信號(hào)的情況；設(shè)該輻射源信號(hào)以（θ，φ）方向入射，且假設(shè)其載波頻率fi已測(cè)量得到，于是其復(fù)包絡(luò)信號(hào)表達(dá)式為

圖3 雙極化信號(hào)處理方案

式中：Ei（t）為幅度包絡(luò)函數(shù)；φi（t）為相位包絡(luò)函數(shù)；rect（t）為脈沖寬度為τ的矩形脈沖函數(shù)，其表達(dá)式為

pi（t）為入射信號(hào)的極化矢量，其表達(dá)式為

γi和ηi分別為入射信號(hào)的幅度和相位極化參數(shù)。此時(shí)，經(jīng)過(guò)天線接收以及信號(hào)處理機(jī)采樣后得到的和差信號(hào)和分別寫(xiě)為

式中：ΣHr（n）和ΣVr（n）分別為和通道的水平和垂直極化分量的采樣信號(hào)；ΔaHr（n）和ΔeHr（n）分別為差通道水平極化的方位和俯仰采樣信號(hào)；ΔaVr（n）和ΔeVr（n）分別為差通道垂直極化的方位和俯仰采樣信號(hào)；h為與天線有關(guān)的常數(shù)，此處假設(shè)各個(gè)天線單元的垂直和水平極化通道特性相同。雷達(dá)系統(tǒng)采用極化匹配檢測(cè)技術(shù)，則信號(hào)的瞬時(shí)幅度為

由式（18）可見(jiàn)極化匹配檢測(cè)技術(shù)有效地獲取了信號(hào)的能量信息，這可以顯著增強(qiáng)檢測(cè)性能。該采樣信號(hào)的瞬時(shí)幅度和相位極化參數(shù)估值為

根據(jù)式（19）和（20）可以計(jì)算得到相應(yīng)的瞬態(tài)歸一化Stokes參數(shù)，它們分別為

可以將歸一化Stokes矢量作為極化特征進(jìn)而作為信號(hào)分選和輻射源識(shí)別的重要依據(jù)，該極化矢量為

進(jìn)一步，此雷達(dá)系統(tǒng)中所接收到的輻射源脈沖信號(hào)可以用含有極化參數(shù)的脈沖描述字PDW來(lái)表示，其中第k個(gè)輻射源的脈沖描述字可寫(xiě)為

式中：TOAk為脈沖到達(dá)時(shí)間；PWk為脈沖寬度；CFk為載波頻率；DOAk為脈沖到達(dá)方向；APk為脈沖幅度；為信號(hào)的Stokes極化參數(shù)。

3 寬帶雙極化Vivaldi單脈沖天線設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

針對(duì)上述提出的雙極化單脈沖雷達(dá)導(dǎo)引頭實(shí)現(xiàn)方案，基于Vivaldi天線形式，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種寬帶雙極化單脈沖天線。該天線的基本設(shè)計(jì)思想是將兩個(gè)相同的平面型Vivaldi天線正交放置，使得它們的主波束方向一致。兩個(gè)平面型Vivaldi天線分別采用階梯變換的微帶線饋電。該Vivaldi天線由微帶電路技術(shù)制成，它包含一個(gè)含有指數(shù)漸變縫隙的金屬地板、微帶饋電線和介質(zhì)基板組成。在金屬地板上還有一段與指數(shù)漸變縫隙相連接的矩形縫隙和一個(gè)圓形腔，它們分別用來(lái)實(shí)現(xiàn)電磁耦合饋電和阻抗匹配。具體的平面型Vivaldi天線幾何結(jié)構(gòu)如圖4所示，制作的天線實(shí)物照片如圖5所示。圖4中的天線幾何參數(shù)由數(shù)值計(jì)算優(yōu)化獲得。選擇的介質(zhì)基板厚度為1mm，相對(duì)介電常數(shù)為2.2，介質(zhì)上的銅箔厚度為0.036mm，其他的相關(guān)幾何參數(shù)為：AR＝90°，DSL＝10mm，H＝ 60mm，L＝ 60mm，LG＝4.8mm，LTA＝10m，LTC＝2.5mm，RR＝5mm，WSL＝5mm，b＝70mm.

為驗(yàn)證所提出方案的有效性，本文采用上面結(jié)構(gòu)的四個(gè)相同的雙極化Vivaldi天線組成單脈沖天線系統(tǒng)，單元天線之間的距離為80mm，其實(shí)物照片如圖6所示。

在單脈沖陣列條件下，對(duì)天線單元的性能進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量。天線的輸入駐波比（VSWR）和極化端口隔離度采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E8362B測(cè)得；在此選擇一個(gè)天線單元，給出其輸入駐波比和極化端口隔離度測(cè)試結(jié)果，它們分別如圖7和8所示，可以看出兩個(gè)極化端口的輸入駐波比具有很好的一致性，在工作頻率3～7GHz范圍內(nèi)，平均駐波比為2；兩個(gè)極化端口的隔離度在工作頻率3～7GHz范圍內(nèi)低于－28dB，隔離特性良好。

在微波暗室中，采用天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)對(duì)該天線陣列的輻射方向圖和極化特性進(jìn)行了測(cè)試。應(yīng)用本文中所提出的和差方向圖形成方法，對(duì)測(cè)試得到的主極化和交叉極化實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分別合成了主極化的和差波束以及交叉極化的和差波束，在此部分，給出一個(gè)平面內(nèi)的波束合成結(jié)果。本文單脈沖天線測(cè)試的頻率范圍是3～7GHz，發(fā)射端采用超寬帶標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線，該天線放置在極化轉(zhuǎn)臺(tái)上，在發(fā)射功率不變的條件下，分別發(fā)射垂直和水平極化的電磁波；待測(cè)天線放置在接收端，分別接收垂直和水平極化的電磁波，進(jìn)而測(cè)得在垂直和水平極化基條件下的主極化和交叉極化分量；對(duì)單元測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)行波束形成計(jì)算，獲得對(duì)應(yīng)的主極化和交叉極化的和差波束。水平極化端口和垂直極化端口的和差波束分別如圖9和圖10所示。由圖9和圖1 0可見(jiàn)，在兩個(gè)極化通道上，針對(duì)3～7GHz的寬帶頻率范圍，均較好地形成了和差方向圖，而且兩個(gè)極化通道的方向圖表現(xiàn)出較好的一致性；兩個(gè)極化通道的波束寬度隨著頻率的升高呈現(xiàn)出變窄的趨勢(shì)；對(duì)于水平極化通道，在主波束方向上，頻率為3 GHz、5GHz和7GHz時(shí)的交叉極化電平分別約為－28.19dB、－22.72dB和－18.17dB，而對(duì)于垂直極化通道，在主波束方向上這三個(gè)頻點(diǎn)的交叉極化電平分別約為－28.84dB、－20.54dB和－18.16dB，表現(xiàn)出較好的極化純度；對(duì)于水平極化通道，頻率為3 GHz、5GHz和7GHz時(shí)的零點(diǎn)深度分別約為－24.6dB、－35.9dB和－29.3dB，而對(duì)于垂直極化通道，這三個(gè)頻點(diǎn)的零點(diǎn)深度分別約為－37.2dB、－28.5dB和－29.7dB，可見(jiàn)差波束也形成了；通過(guò)和差波束的關(guān)系，可以實(shí)現(xiàn)空間角度的測(cè)量。進(jìn)一步，該天線的性能指標(biāo)還可以通過(guò)改進(jìn)加工精度等方法得以進(jìn)一步提高。根據(jù)上述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，該天線設(shè)計(jì)方案是可行的，它為新體制寬帶被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭單脈沖天線系統(tǒng)的研制提供了一條有效的技術(shù)途徑。

4 結(jié) 論

研制新一代被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭在軍事上具有重要的意義。本文提出了一種寬帶雙極化單脈沖被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭的實(shí)現(xiàn)方案，該方案以四單元雙極化Vivaldi天線構(gòu)成雙平面單脈沖天線系統(tǒng)，可以在寬帶條件下感知輻射源的極化和方向信息。研究了具體的雷達(dá)系統(tǒng)原理與實(shí)現(xiàn)方案，基于該雷達(dá)導(dǎo)引頭體制，提出了極化匹配檢測(cè)方法與瞬態(tài)極化識(shí)別干擾抑制技術(shù)，有效提高了雷達(dá)導(dǎo)引頭的電子戰(zhàn)性能。文中還設(shè)計(jì)了具體的雙極化Vivaldi單脈沖天線系統(tǒng)，測(cè)試結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求，進(jìn)一步證明了所提方案的可行性。本文提出的全極化被動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭的概念為研制新一代的被動(dòng)雷達(dá)提供了一條有效途徑，在工程上具有較為重要的實(shí)際意義。

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