雷達(dá)導(dǎo)引頭對拖曳式誘餌干擾的檢測和識別新方法*

王建路，戴幻堯，韓 慧，汪連棟，喬會東

(電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471003)

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雷達(dá)導(dǎo)引頭對拖曳式誘餌干擾的檢測和識別新方法*

王建路，戴幻堯，韓 慧，汪連棟，喬會東

(電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽 471003)

有源拖曳式雷達(dá)誘餌能夠?qū)崿F(xiàn)角度欺騙、距離欺騙、速度欺騙三重干擾效果，它通過電纜與被保護(hù)目標(biāo)相連接，兩者具有相同的運(yùn)動特性，載機(jī)和拖曳式誘餌在距離、速度和角度上分辨不出來，導(dǎo)引頭的響應(yīng)會成為兩個(gè)射頻源的復(fù)雜函數(shù)，這將產(chǎn)生一個(gè)角度誤差，從而增加了導(dǎo)彈的脫靶距離。為了提高雷達(dá)抗拖曳式誘餌能力，從空間角度分辨力入手，在常規(guī)單脈沖雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上，利用了結(jié)構(gòu)的冗余信息，提取對角線差通道的接收信號，然后與和通道、俯仰差通道、方位差通道聯(lián)合建立方程組，求解得到目標(biāo)和誘餌的角度信息，并對兩者的信號幅度進(jìn)行了分離，提出了誘餌識別的方法。仿真結(jié)果證實(shí)了該方法的有效性。

對角差通道；四通道單脈沖雷達(dá)；誘餌識別；兩目標(biāo)分辨

0 引言

拖曳式雷達(dá)誘餌是一種典型的雙點(diǎn)源角度欺騙干擾模式，以其在實(shí)戰(zhàn)中表現(xiàn)出的優(yōu)良干擾效果，在現(xiàn)代空地電子對抗中占據(jù)著非常重要的地位。拖曳式誘餌主要用于飛機(jī)被敵方雷達(dá)鎖定時(shí)實(shí)施的自衛(wèi)式干擾，誘餌轉(zhuǎn)發(fā)的干擾信號和載機(jī)回波信號在空中對跟蹤雷達(dá)形成雙點(diǎn)源干擾，誘偏跟蹤雷達(dá)的跟蹤點(diǎn)，從而保護(hù)載機(jī)平臺的安全。拖曳式誘餌通過電纜與被保護(hù)目標(biāo)相連接，兩者具有相同的運(yùn)動特性，一般雷達(dá)和跟蹤系統(tǒng)無法通過運(yùn)動特性來區(qū)分目標(biāo)和誘餌。拖曳式誘餌的對抗研究一直是國內(nèi)外抗干擾研究領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)問題[1-4]，對抗拖曳式誘餌需要解決誘餌檢測和目標(biāo)與誘餌的識別問題。當(dāng)前關(guān)于拖曳式誘餌干擾對抗的研究集中在干擾原理分析、干擾性能仿真和效果評估等方面[1]，對干擾檢測和識別的研究甚少。目前拖曳式誘餌大多采用數(shù)字射頻存儲技術(shù)，在將雷達(dá)發(fā)射信號進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)的同時(shí)結(jié)合距離拖引、速度拖引、RCS調(diào)制等綜合手段使誘餌信號和目標(biāo)回波信號具有高度的相似性，從而使誘餌和目標(biāo)成為波束內(nèi)不可分辨的兩個(gè)“目標(biāo)”，因此，拖曳式誘餌與不可分辨的多目標(biāo)具有某種程度上的類似。文獻(xiàn)[5～6]基于瞬時(shí)匹配矩方法和模型簡化似然求解得到了兩目標(biāo)角度估計(jì)的解析表達(dá)式，但是前提條件是已知兩個(gè)目標(biāo)的信號功率或者已知二者的功率比。文獻(xiàn)[7]在此基礎(chǔ)上利用干擾檢測、雷達(dá)測量和跟蹤等信息實(shí)現(xiàn)了對目標(biāo)和誘餌相對功率比的估計(jì)。文獻(xiàn)[8～9]提出了基于接收回波條件分布的最大似然估計(jì)方法測量兩目標(biāo)的角度。文獻(xiàn)[10]提出通過計(jì)算質(zhì)心角度與聚類相結(jié)合的方法獲取目標(biāo)角度。這些方法均需要利用多個(gè)脈沖或多個(gè)相干處理周期進(jìn)行處理，容易受到目標(biāo)起伏的影響，并且降低了單脈沖雷達(dá)的數(shù)據(jù)率。對角差通道能夠用于提高單脈沖雷達(dá)的測角精度、抗主瓣干擾、波束內(nèi)兩目標(biāo)分辨等方面[11]，是非常有用的通道。文獻(xiàn)[12]介紹了一種利用四通道單脈沖技術(shù)對抗有源雷達(dá)誘餌干擾的方法，探討了利用不同差通道接收信號間的相位差信息對雷達(dá)誘餌進(jìn)行角度跟蹤的方法以及可能達(dá)到的角度跟蹤性能。但是，該方法首先需要將天線中心對準(zhǔn)干擾方向，將干擾在對角差通道陷零，然后進(jìn)行處理，實(shí)際中很難做到，在干信比是動態(tài)變化的條件下，是無法準(zhǔn)確獲知干擾方向的。本文對對角差通道特性進(jìn)行了深入分析，提出了一種新的單脈沖雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，能夠利用一個(gè)脈沖對波束內(nèi)目標(biāo)和誘餌進(jìn)行角度分辨，并對該新方法進(jìn)行了仿真分析。

1 拖曳式誘餌干擾和目標(biāo)回波的特性

拖曳式誘餌通過在導(dǎo)引頭雷達(dá)波束內(nèi)模擬一個(gè)與真實(shí)目標(biāo)十分“相似”的假目標(biāo)，利用空間非相干兩點(diǎn)源干擾原理引起相位波前畸變，干擾和破壞單脈沖雷達(dá)的角度測量，致使導(dǎo)彈失跟或誤導(dǎo)攻擊。實(shí)現(xiàn)角度欺騙的一個(gè)重要條件是誘餌能夠比較準(zhǔn)確地模擬目標(biāo)載機(jī)的相關(guān)特征，盡可能減小誘餌干擾信號與真實(shí)目標(biāo)信號之間的特征差異，以假亂真吸引導(dǎo)引頭雷達(dá)的波束指向，最大限度地延遲導(dǎo)引頭分辨目標(biāo)和誘餌的時(shí)間，以使得角度欺騙干擾效能最大化。誘餌模擬的目標(biāo)回波特征主要為幅度特性、時(shí)域特性和頻域特性。

誘餌系統(tǒng)通過對接收脈沖信號進(jìn)行RCS調(diào)制，使得產(chǎn)生的干擾信號幅度起伏特征與真實(shí)目標(biāo)回波起伏特性相類似。有源誘餌進(jìn)行幅度模擬需要對所保護(hù)的載機(jī)目標(biāo)估算其回波幅度的變化，并以此為依據(jù)對誘餌接收到的雷達(dá)信號進(jìn)行幅度調(diào)制。目標(biāo)回波的幅度是與目標(biāo)RCS直接相關(guān)的，復(fù)雜目標(biāo)的RCS計(jì)算是一個(gè)很繁雜的過程，誘餌系統(tǒng)實(shí)時(shí)計(jì)算目標(biāo)的精確RCS 是不現(xiàn)實(shí)的，因此通常采用RCS起伏的統(tǒng)計(jì)模型來描述目標(biāo)雷達(dá)回波幅度的變化。誘餌通過產(chǎn)生一個(gè)滿足目標(biāo)RCS起伏分布模型的隨機(jī)變量，用它控制程控衰減器對接收到的雷達(dá)發(fā)射脈沖信號的幅度進(jìn)行調(diào)制來實(shí)現(xiàn)模擬。誘餌的干擾形式多樣，在進(jìn)行角度欺騙的同時(shí)可以實(shí)施多種類型的復(fù)合干擾，通過距離欺騙能夠減小目標(biāo)回波信號和誘餌干擾信號在時(shí)域特征上的差異，通過速度欺騙可以減小目標(biāo)回波信號與誘餌干擾信號在多普勒特征上的差異。距離欺騙、速度欺騙等復(fù)合干擾方式的采用使得干擾信號與真實(shí)目標(biāo)回波信號的時(shí)頻域特征很相似，雷達(dá)導(dǎo)引頭難以利用時(shí)頻域差異分辨目標(biāo)和干擾。圖1(a)給出了誘餌和目標(biāo)信號的時(shí)域特征，可以看出，在每個(gè)脈沖重復(fù)時(shí)間內(nèi)，誘餌發(fā)射的干擾信號都和目標(biāo)回波重疊，并且功率大于目標(biāo)回波。圖1(b)給出了誘餌和目標(biāo)信號的頻域特征，其中vr為導(dǎo)彈速度，λ為雷達(dá)導(dǎo)引頭波長，可以看出，經(jīng)過多普勒處理后，誘餌信號將目標(biāo)回波掩蓋，雷達(dá)無法檢測到目標(biāo)，在這種情況下，雷達(dá)利用單脈沖體制進(jìn)行測角，測角結(jié)果位于兩者的能量質(zhì)心，在角度上也無法分辨誘餌和目標(biāo)。

圖1 誘餌和目標(biāo)信號特征

2 基于對角差信號的拖曳式誘餌干擾單脈沖檢測識別方法

2.1 常規(guī)單脈沖雷達(dá)的對角差信號提取

常規(guī)三通道單脈沖雷達(dá)如圖2所示，天線接收信號經(jīng)過混合器后得到和信號∑、方位差信號ΔA、俯仰差信號ΔE三個(gè)通道的信號，根據(jù)常規(guī)的單脈沖雷達(dá)處理過程，當(dāng)只存在一個(gè)目標(biāo)時(shí)：

ΔA=Tx∑

(1)

ΔE=Ty∑

(2)

式中，Tx和Ty是未知量，分別為目標(biāo)的方位誤差信號和俯仰誤差信號。通過求解方程可以得到Tx和Ty，進(jìn)而查表(或角度鑒別曲線)得到目標(biāo)的角度信息。三通道的單脈沖雷達(dá)只能得到波束內(nèi)單個(gè)目標(biāo)的方位角和俯仰角。

圖2 常規(guī)單脈沖雷達(dá)結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)同時(shí)存在誘餌和目標(biāo)時(shí)：

∑=∑1+∑2

(3)

ΔA=Tx1∑1+Tx2∑2

(4)

ΔE=Ty1∑1+Ty2∑2

(5)

式中，∑1、Tx1、Ty1為目標(biāo)信號的幅度、方位誤差信號、俯仰誤差信號，∑2、Tx2、Ty2為誘餌信號的幅度、方位誤差信號、俯仰誤差信號，均為未知數(shù)。三個(gè)方程通過分解實(shí)部和虛部得到6個(gè)方程，然而卻存在8個(gè)未知數(shù)(信號幅度包含絕對值和相位兩個(gè)參數(shù))，顯然是無法求解的，導(dǎo)致常規(guī)的單脈沖雷達(dá)無法分辨波束內(nèi)的兩個(gè)目標(biāo)。為了求解未知量，需要增加方程的數(shù)量。

通過研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)目標(biāo)處于不同角度時(shí)，被匹配負(fù)載吸收的對角差信號ΔΔ具有不同的響應(yīng)，這意味著ΔΔ中含有目標(biāo)的角度信息。因此，在常規(guī)單脈沖雷達(dá)的基礎(chǔ)上，引入輔助差通道，能夠得到額外信息，增加方程的數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)對波束內(nèi)目標(biāo)和誘餌的分辨。具體實(shí)現(xiàn)中，在常規(guī)三通道單脈沖雷達(dá)的基礎(chǔ)上，將圖2中接入匹配負(fù)載的ΔΔ信號引出作為輔助通道，得到一個(gè)四通道單脈沖雷達(dá)，如圖3所示。

圖3 包含對角差通道的單脈沖雷達(dá)結(jié)構(gòu)圖

2.2 目標(biāo)/誘餌混疊信號的單脈沖測角方法

經(jīng)過嚴(yán)格的數(shù)學(xué)證明，對于單個(gè)目標(biāo)，對角差通道響應(yīng)滿足以下條件：

∑ΔΔ=ΔAΔE

(6)

該條件可以用于判斷波束內(nèi)是否只有一個(gè)目標(biāo)．進(jìn)一步化簡，可以得到：

ΔΔ=(ΔA/∑)(ΔE/∑)∑=TxTy∑

(7)

當(dāng)同時(shí)存在誘餌和目標(biāo)時(shí)，可以得到由四個(gè)等式組成的觀測方程組。無論對于幅度和差單脈沖，還是相位和差單脈沖，求解方程組可以得到目標(biāo)和誘餌角度誤差信號。直接利用四個(gè)通道的輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，就能分別得到目標(biāo)和誘餌的信號幅度、角度信息，不需要兩個(gè)目標(biāo)的回波功率比、回波幅度概率分布等先驗(yàn)信息，只需要一個(gè)脈沖就能實(shí)現(xiàn)對時(shí)域、頻域混疊的兩個(gè)目標(biāo)回波進(jìn)行測角，計(jì)算過程簡單高效。

上面對單脈沖雷達(dá)兩目標(biāo)分辨的數(shù)學(xué)原理進(jìn)行了分析。下面從另一個(gè)方面對高分辨力進(jìn)行分析，能夠更加清晰地認(rèn)識角度高分辨的機(jī)理。和信號、方位差信號、俯仰差信號、對角差信號與角度的關(guān)系如圖4所示。常規(guī)的三通道單脈沖只利用了前三個(gè)信號，波束寬度較寬，可以近似認(rèn)為對角差信號將波束分裂為四個(gè)較窄的子波束，從而提高了角度分辨力。

圖4 四個(gè)通道信號響應(yīng)與目標(biāo)角度的關(guān)系

2.3 基于和信號分離的誘餌信號識別方法

通過上述處理后，可以分別得到兩個(gè)未知信號的角度信息，進(jìn)而分別得到兩個(gè)目標(biāo)的和信號，可以對兩個(gè)未知目標(biāo)的和信號進(jìn)行分離。換言之，基于對角差通道的測角方法能夠?qū)⒛繕?biāo)和誘餌的幅度、角度分離。為了成功誘騙單脈沖雷達(dá)導(dǎo)引頭、保護(hù)目標(biāo)，通常誘餌的信號強(qiáng)度大于目標(biāo)信號強(qiáng)度，所以根據(jù)分離后的信號幅度，可以判斷出真實(shí)目標(biāo)和誘餌。為了降低錯(cuò)誤率，可以利用多次測量進(jìn)行判決。圖5給出了基于和信號分離的誘餌識別流程。

圖5 基于和信號分離的誘餌識別流程

3 仿真試驗(yàn)

圖6 誘餌干擾下雷達(dá)測角結(jié)果

本節(jié)對誘餌識別方法進(jìn)行了性能仿真分析。雷達(dá)采用比幅和差單脈沖體制，子天線波束形狀為高斯波束，3dB波束寬度θB=6°，誘餌角度為(1.5°,1°)，目標(biāo)角度為(0°,0°)，均位于3dB波束內(nèi)，兩者回波相位隨機(jī)分布，干信比為5dB，目標(biāo)回波信噪比為SNR=30dB，仿真運(yùn)行了50次。圖6為誘餌轉(zhuǎn)發(fā)干擾下雷達(dá)測角結(jié)果。從圖6(a)可以看出，常規(guī)三通道單脈沖雷達(dá)無法區(qū)分誘餌和目標(biāo)，測角結(jié)果位于兩者之間的連線上。從圖6(b)可以看出，本文提出的基于輔助差通道的誘餌識別方法，能準(zhǔn)確識別誘餌和目標(biāo)，并給出了正確的測角結(jié)果。受噪聲影響，測角結(jié)果分布于目標(biāo)和誘餌的真實(shí)值周圍。

4 結(jié)束語

本文巧妙地提取和利用了單脈沖雷達(dá)對角線差通道的接收信號，分析了對角差通道的特性，提出了一種基于對角差通道的拖曳式誘餌干擾檢測和識別新方法。通過求解和通道、俯仰差通道、方位差通道、對角差通道建立的方程組，只需要一個(gè)脈沖就能對主波束內(nèi)的目標(biāo)和誘餌進(jìn)行角度分辨，顯著提高了單脈沖雷達(dá)的角度分辨能力。同時(shí)能夠?qū)⒑屯ǖ赖男盘栠M(jìn)行分離，根據(jù)分離后的信號來識別誘餌，計(jì)算過程簡單高效。在此基礎(chǔ)上對新方法進(jìn)行了仿真分析，驗(yàn)證了該方法的有效性。本文提出的誘餌檢測和識別方法適用于一個(gè)脈沖重復(fù)周期內(nèi)誘餌轉(zhuǎn)發(fā)單個(gè)信號的情況，后續(xù)的工作將進(jìn)一步研究誘餌轉(zhuǎn)發(fā)多個(gè)信號的識別方法?！?/p>

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A new method for detection and recognition of towed decoy jamming by radar seeker

Wang Jianlu,Dai Huanyao,Han Hui,Wang Liandong,Qiao Huidong
(State Key Laboratory of Complex Electromagnetic Environment Effects of Electronics and Information System, Luoyang 471003，Henan，China)

Active towed radar decoy can deceive radars in angle, distance and speed. It connects the protected target by a cable. The decoy and the target have the same motion characteristics, and they can’t be distinguished in distance, velocity and angle. The response of seeker will become a complicated function of the two RF source. This will produce an angle error, and increase the miss distance of the missile. In order to improve the ability of anti radar towed decoy, this problem is solved from the perspective of space resolution. Based on the conventional monopulse radar system structure, the signal of diagonal difference is extracted, and simultaneous equations are established by using signal of the sum channel, azimuth difference channel, elevation difference channel and diagonal difference channel. The angle and amplitude of target and decoy can be obtained by solving equations. Then the method of decoy recognition is proposed. Simulation results demonstrate the effectiveness of this method.

diagonal difference channel; four channel monopulse radar; decoy recognition; two targets resolution

國家自然科學(xué)基金(No.61301236)

2016-03-20；2016-06-18修回。

王建路(1984-)，男，助理研究員，博士，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)系統(tǒng)仿真、效能分析。

TN973.3；TN974

A