對(duì)相控陣?yán)走_(dá)的交叉極化干擾技術(shù)淺析*

甄曉鵬，艾小鋒，馮德軍，李永禎，甄曉改

(1.國(guó)防科技大學(xué)電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410073；

2.首都航天機(jī)械公司，北京 100076)

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對(duì)相控陣?yán)走_(dá)的交叉極化干擾技術(shù)淺析*

甄曉鵬1，艾小鋒1，馮德軍1，李永禎1，甄曉改2

(1.國(guó)防科技大學(xué)電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410073；

2.首都航天機(jī)械公司，北京 100076)

摘要：首先分析了電掃偶極子相控陣?yán)走_(dá)空域極化特性，討論了主極化及交叉極化分量在測(cè)角時(shí)振幅和差比值的不同。在簡(jiǎn)述交叉極化角欺騙干擾原理之后，結(jié)合單脈沖極化雷達(dá)的角度測(cè)量算法，分析了對(duì)相控陣?yán)走_(dá)進(jìn)行交叉極化角度欺騙干擾的影響參數(shù)及干擾效果。 仿真結(jié)果表明，對(duì)相控陣單極化雷達(dá)而言，該方法是一種頗具潛力的新型干擾方法。

關(guān)鍵詞：相控陣?yán)走_(dá)；和差波束；交叉極化；角欺騙干擾

0引言

20世紀(jì)80年代以來(lái)，以“愛(ài)國(guó)者”和“宙斯盾”系統(tǒng)為典型代表的美國(guó)第三代防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)，及90年代以后許多國(guó)家積極發(fā)展的新一代防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)均采用了相控陣?yán)走_(dá)，這預(yù)示著具有電控反應(yīng)時(shí)間短、波束指向靈活、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)的相控陣?yán)走_(dá)日漸成為現(xiàn)代防空系統(tǒng)的主角。作為對(duì)立方的導(dǎo)彈、飛機(jī)、艦船等武器裝備則面臨重大挑戰(zhàn)，尋求有效的相控陣?yán)走_(dá)干擾技術(shù)成為急迫的研究課題。

距離和角度測(cè)量是雷達(dá)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行跟蹤、定位的基礎(chǔ)，從電子戰(zhàn)技術(shù)角度出發(fā)，在距離信息的利用上，隨DRFM技術(shù)發(fā)展而興起的距離波門拖引干擾、多假目標(biāo)干擾等對(duì)相控陣?yán)走_(dá)均有一定的干擾效果[1]。在角度的欺騙上，目前較為成熟的理論為相干兩點(diǎn)源角度欺騙干擾，而兩點(diǎn)源相干干擾有空間實(shí)現(xiàn)上的制約，且易被利用相干兩點(diǎn)源和雷達(dá)目標(biāo)全極化回波特性差異對(duì)干擾進(jìn)行識(shí)別[2-4]。交叉極化干擾最初針對(duì)拋物面機(jī)械掃描雷達(dá)而提出，是利用其形成和差波束時(shí)，特有的“不理想”因素進(jìn)行角度欺騙干擾。與相干兩點(diǎn)源干擾相比，交叉極化干擾不存在相干兩點(diǎn)源干擾空間實(shí)現(xiàn)及兩干擾機(jī)收發(fā)天線極化矢量難以控制等因素的制約。旋轉(zhuǎn)拋物面機(jī)掃天線的交叉極化特性及交叉極化干擾對(duì)機(jī)掃雷達(dá)角度鑒別曲線的影響分析參見(jiàn)文獻(xiàn)[5~7]，而相控陣?yán)走_(dá)因其短電偶極子場(chǎng)的矢量性，合成的雷達(dá)單波束及測(cè)角和差波束空域極化特性與機(jī)掃天線并不相同，若交叉極化干擾對(duì)廣泛應(yīng)用的相控陣?yán)走_(dá)也可產(chǎn)生角欺騙干擾,則將有效掩護(hù)目標(biāo)突防。

目前，對(duì)相控陣天線輻射特性研究較多[8-9]，關(guān)于其極化特性略有涉及且主要集中在極化隔離度、極化空變特性等，對(duì)于相控陣?yán)走_(dá)單脈沖測(cè)角和差波束的極化特性及交叉極化干擾對(duì)該和差波束測(cè)角影響的研究則較為少見(jiàn)。本文在分析相控陣?yán)走_(dá)空域極化特性的基礎(chǔ)上，深入研究了相控陣?yán)走_(dá)測(cè)角時(shí)主極化及交叉極化分量的振幅和差特性，并對(duì)交叉極化干擾角欺騙效果進(jìn)行了仿真分析，理論分析及仿真結(jié)果表明采用交叉極化干擾技術(shù)對(duì)相控陣?yán)走_(dá)進(jìn)行角欺騙是可行的，在不同相位差下均對(duì)相控陣單極化雷達(dá)有良好角欺騙效果。

1相控陣?yán)走_(dá)單脈沖測(cè)角原理

1.1　短電偶極子的場(chǎng)

相控陣?yán)走_(dá)是由大量短導(dǎo)體排列組合而成，研究相控陣?yán)走_(dá)空域極化特性需首先分析短電偶極子輻射特征。設(shè)在x軸上有長(zhǎng)度為L(zhǎng)的偶極子，中心與原點(diǎn)重合，x向偶極子的空域極化特性，包圍偶極子的媒質(zhì)是空氣或真空，則在遠(yuǎn)場(chǎng)處的電場(chǎng)分量Er、Eθ、及Eφ的表達(dá)式[8]為：

(1)

式中，μ為媒質(zhì)的磁導(dǎo)率；I是長(zhǎng)度為l的偶極子上所有各點(diǎn)的電流值；k=2π/λ為波數(shù)，λ為波長(zhǎng)。觀測(cè)點(diǎn)在不同空間位置即不同的觀測(cè)方位及俯仰角度下，所接收電波的極化狀態(tài)不同。以俯仰極化為主極化，則方位向極化為其交叉極化分量，如圖1所示，a、b兩點(diǎn)方位角φ2=-φ1，俯仰角同為θ，在遠(yuǎn)場(chǎng)處a、b的主極化(即俯仰分量)分別為Eθ1、Eθ2且方向相同，交叉極化分量(即方位向電場(chǎng)分量Eφ1、Eφ2)則方向相反(即相位相差為π)。

圖1　x向偶極子與坐標(biāo)系

1.2　相控陣?yán)走_(dá)波束的交叉極化特性

圖2所示為一個(gè)二維M×N陣元的平面陣，每個(gè)陣元具有相同的方向圖。

圖2　平面偶極子陣列的布局圖

以俯仰向極化為主極化場(chǎng)，方位向極化為交叉極化場(chǎng)，由文獻(xiàn)[9]可知，間距分別為dx、dy，并且天線口徑電場(chǎng)為均勻分布時(shí)，主極化與交叉極化電場(chǎng)的陣因子和在極化基[θ，φ]下的場(chǎng)表示為：

(2)

(3)

天線波束指向在法線方向，俯仰角θ=45°時(shí)，xy向間距為0.7λ，諧振頻率為10GHz，偶極子長(zhǎng)度為1.5cm(半波長(zhǎng)偶極子)，距離地面高度為0.75cm，平面陣列布局如圖2所示。該x向二維5×5陣列歸一化方位極化方向圖如圖3所示。在主瓣內(nèi)交叉極化分量得到了15dB的抑制效果，且由圖3(a)可以看出在主瓣內(nèi)其交叉極化分量正負(fù)交替(即交叉極化分量矢量方向相反)。

圖3　x向陣列天線方向圖

1.3　振幅和差波束的主極化測(cè)角

在雷達(dá)測(cè)角算法中，等信號(hào)法測(cè)角[10]以其測(cè)角精度高、便于自動(dòng)測(cè)角等優(yōu)點(diǎn)在精密跟蹤雷達(dá)中得到廣泛應(yīng)用。等信號(hào)法測(cè)角包括相位和差法與振幅和差法，本文研究的交叉極化干擾主要針對(duì)振幅和差法。振幅和差等信號(hào)法測(cè)角采用兩個(gè)相同彼此重疊的波束，利用目標(biāo)在不同的空間位置兩波束接收到的信號(hào)強(qiáng)度比不同進(jìn)行目標(biāo)角度的測(cè)量。 圖4(a)為所設(shè)陣列主極化振幅和差波束；在-5°～5°范圍內(nèi)主極化振幅和差比值近似為線性，如圖4(b)所示。振幅和差法正是利用方位、俯仰差信號(hào)與相應(yīng)和信號(hào)振幅的比值，通過(guò)查表確定目標(biāo)在方位、俯仰向上偏離等信號(hào)軸的方向與角度的。

圖4　主極化振幅和差波束及和差比值列表

2對(duì)相控陣?yán)走_(dá)的交叉極化干擾

2.1振幅和差波束的交叉極化特性

由于其交叉極化分量在主極化最大值兩側(cè)反向(見(jiàn)圖1、圖3)，矢量方向相反。故和方向圖在等信號(hào)軸附近趨向于0，差方向圖在等信號(hào)軸附近趨于不為0的定值，如圖5(a)所示；差與和的比值在兩波束主極化等信號(hào)軸附近趨于無(wú)窮，如圖5(b)所示。

圖5　交叉極化振幅和差波束及和差比值列表

交叉極化分量在測(cè)角振幅和差比值上與主極化的差異使得交叉極化角欺騙干擾成為可能。無(wú)干擾時(shí)，由圖3可知交叉極化分量一般較小，其差和比值對(duì)測(cè)角影響可忽略不計(jì)；若有干擾時(shí)，雷達(dá)接收能量中交叉極化干擾能量與所接收到的信號(hào)能量相當(dāng)或遠(yuǎn)大于所接收到的信號(hào)能量，則所接收的交叉極化分量對(duì)測(cè)角和差比值的影響不可忽略。

2.2　干擾模型及參數(shù)分析

記m1(θ)、m2(θ)為相控陣單脈沖雷達(dá)天線波束1和波束2的主極化電壓方向圖，θ為目標(biāo)(干擾機(jī))偏離等信號(hào)軸角度，令等信號(hào)軸角度為0°，c1(θ)、c2(θ) 分別為單脈沖雷達(dá)交叉極化電壓方向圖。無(wú)干擾時(shí)，相對(duì)主極化，交叉極化峰值一般均低15 dB以上，對(duì)于幅度和差單脈沖測(cè)角體制雷達(dá)而言，根據(jù)角度鑒別公式[11-12]，對(duì)于實(shí)際角度為θ的目標(biāo)此時(shí)雷達(dá)測(cè)量角度為：

(4)

式中，*表示共軛；km為雷達(dá)角度鑒別曲線斜率。

當(dāng)交叉極化干擾存在時(shí)，干擾的存在使得交叉極化接收分量不可忽略，此時(shí)雷達(dá)的測(cè)量角度為：

(5)

式中，

(6)

式中，k為干擾與信號(hào)的幅度之比，α為交叉極化接收矢量c(θ)與主極化接收矢量m(θ)之間的相對(duì)相位差，β為干擾與信號(hào)之間的相對(duì)相位差。

1) 參數(shù)k的分析

(7)

2) 相對(duì)相位差

當(dāng)α+β=π/2時(shí)，測(cè)量角度主要由A、C項(xiàng)決定；

當(dāng)α+β→0、 π時(shí)，測(cè)角角度中C、D兩項(xiàng)值的影響逐漸增強(qiáng)，測(cè)量值由A、B、C、D四項(xiàng)共同決定。

3仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

兩個(gè)二維5×5陣列，組成相控陣?yán)走_(dá)振幅和差測(cè)角系統(tǒng)，其它參數(shù)不變。對(duì)其進(jìn)行交叉極化角度欺騙干擾，在α+β等于π/2、π時(shí)，不同干信比對(duì)雷達(dá)角度鑒別曲線的影響如圖6所示。α由接收站雷達(dá)決定。β由干擾機(jī)決定。對(duì)比圖6(a)、(b)可見(jiàn)，在一定干信比下，正如2.2節(jié)分析，不同的α+β值如α+β=π/2、 π時(shí)，測(cè)量角度由A、B、C、D四項(xiàng)的不同組合構(gòu)成，產(chǎn)生的角度欺騙干擾效果并不相同。相同的是，當(dāng)交叉極化干擾遠(yuǎn)大于信號(hào)強(qiáng)度(如40dB時(shí))，交叉極化主導(dǎo)，在等信號(hào)軸附近測(cè)量角度嚴(yán)重偏離實(shí)際項(xiàng)占據(jù)角度，且正負(fù)相反。

交叉極化干擾需要較高的干信比，以20dB干信比、α+β=π/2的交叉極化信號(hào)對(duì)雷達(dá)進(jìn)行角度欺騙干擾時(shí)，干擾機(jī)在不同的雷達(dá)瞄準(zhǔn)軸偏離角度下被測(cè)量的角度如表1所示。

圖6　不同交叉極化干擾干信比下的天線角度鑒別曲線

表1　干信比20 dB，α+β=π/2下不同偏離角度時(shí)的欺騙角度

測(cè)量角度與實(shí)際角度偏離角度符號(hào)相反，這使得雷達(dá)將瞄準(zhǔn)軸向錯(cuò)誤的方向修正，修正之后由表1可知又將產(chǎn)生更大的欺騙角度，如此循環(huán)往復(fù)，以欺騙的方式誘使雷達(dá)錯(cuò)誤地跟蹤干擾信號(hào)，并最終丟失目標(biāo)，該過(guò)程類似(距離、速度)波門拖引干擾。

4結(jié)束語(yǔ)

本文以相控陣?yán)走_(dá)的空域極化特性為基礎(chǔ)，推導(dǎo)并分析了其測(cè)角振幅和差波束中主極化及交叉極化分量的特性。指出交叉極化分量和差比值列表與主極化和差比值列表的差異使得交叉極化角度欺騙干擾成為可能。結(jié)合極化雷達(dá)回波接收理論，推導(dǎo)并分析了交叉極化角度欺騙干擾模型，通過(guò)仿真討論了影響交叉極化角度欺騙干擾的兩個(gè)參數(shù)α+β及干信比k，并分析了實(shí)際的干擾過(guò)程。相控陣?yán)走_(dá)陣元形式種類繁多，影響相控陣?yán)走_(dá)空域極化特性的因素眾多，空域極化特性的改變無(wú)疑也將給對(duì)相控陣?yán)走_(dá)交叉極化角度欺騙干擾帶來(lái)新的問(wèn)題，因此還需做進(jìn)一步的研究。作為該領(lǐng)域的初步探究，本文給出了對(duì)相控陣?yán)走_(dá)交叉極化角度欺騙干擾的分析方法，具有較好的應(yīng)用前景。■

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Analysis of cross-polarization jamming techology for phased array radar

Zhen Xiaopeng1, Ai Xiaofeng1, Feng Dejun1, Li Yongzhen1, Zhen Xiaogai2

(1.State Key Laboratory of Complex Electromagnetic Environmental Effects on Electronics & Information

System , National University of Defense Technology, Changsha 410073, Hunan,China;

2.Capital Aerospace Machinery Company, Beijing 100076,China)

Abstract:First the spatial polarization characteristics of the phased array radar is analyzed, and the difference of the amplitude sum-difference ratio, when the main polarization and the cross polarization components to measurement angle, is also discussed. After the principle of cross polarization angle deception jamming is introduced, the influence parameters and jamming effect of cross polarization angle deception jamming are analyzed. Simulation results show that the proposed method is a promising new method for phased array radar.

Key words:phased array radar; sum-difference beam; cross polarization; angle deception jamming

中圖分類號(hào)：TN972+.3; TN974

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：甄曉鵬(1988-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡p/多基地雷達(dá)新型干擾方法研究。

收稿日期：2015-09-17；2015-10-10修回。

*基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金(61372170)