一種針對旁瓣消隱雷達的假目標干擾方法

李一立，陶建鋒，李興成

(空軍工程大學 防空反導(dǎo)學院, 西安 710051)

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一種針對旁瓣消隱雷達的假目標干擾方法

李一立，陶建鋒，李興成

(空軍工程大學 防空反導(dǎo)學院, 西安 710051)

旁瓣消隱技術(shù)是現(xiàn)代防空雷達中常用的一種空域抗干擾措施，其對脈沖式欺騙干擾的抑制尤為明顯。為了最終形成航跡欺騙干擾，文中在研究旁瓣消隱系統(tǒng)的工作原理基礎(chǔ)上，采用交叉極化干擾突破旁瓣消隱系統(tǒng)來形成假目標，利用旁瓣消隱雷達假目標檢測概率作為評價指標來分析干擾效果，還分析了極化正交性及干擾功率對干擾效果的影響，最后通過仿真驗證了這一方法的有效性。

交叉極化干擾；旁瓣消隱；極化正交性；干噪比

0 引 言

目前，隨著相參體制、脈沖壓縮等技術(shù)在雷達系統(tǒng)中的應(yīng)用，非相參的壓制干擾效率低，干擾效果差的特點日益突出，且干擾機自身容易暴露，迫使干擾方從壓制干擾向精準干擾轉(zhuǎn)型[1]。航跡欺騙[2]干擾是精準電子戰(zhàn)的一個發(fā)展方向，其在獲得雷達部分先驗知識基礎(chǔ)上，干擾機向被干擾雷達發(fā)射經(jīng)過精確調(diào)制的相參干擾信號，形成假目標點跡，最終在雷達顯示器上形成預(yù)定的假目標航跡。這種干擾提高了干擾能量利用率，實現(xiàn)了有針對性的精準干擾。

航跡欺騙干擾有主瓣欺騙和旁瓣欺騙兩種方式，由于現(xiàn)代雷達具有波束靈活多變的特點，不能保證干擾總是從主瓣進入，很多情況下仍需進行旁瓣干擾。為了從旁瓣實施航跡欺騙，首先要解決如何使干擾脈沖突破雷達空域抗干擾措施，進入雷達數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)。常用的空域抗干擾措施主要有：旁瓣對消(SLC)、旁瓣消隱(SLB)、低旁瓣天線(LSL)等措施，其中SLB技術(shù)對航跡欺騙這種脈沖式干擾影響最大[3]。目前，對如何精準地干擾旁瓣消隱系統(tǒng)，形成虛假目標鮮有研究。本文研究將如何通過交叉極化干擾實現(xiàn)對旁瓣消隱雷達的假目標干擾。

1 SLB系統(tǒng)

1.1 SLB系統(tǒng)組成及工作原理

SLB技術(shù)模型[4]如圖1所示，采用主通道和輔助通道的兩通道系統(tǒng)，兩個通道都由收發(fā)天線、接收機、平方律檢波器組成，其主通道輸出為U，輔助通道輸出為V。其中，主天線是定向天線，主瓣窄而旁瓣較寬，而輔助天線采用的是全向天線，其增益Ga要遠低于主天線的主瓣增益G，而大于主天線的旁瓣增益Gs。為了討論方便，將輔助天線增益Ga與主天線旁瓣增益Gs的比值定義為β=Ga/Gs。

圖1 旁瓣消隱系統(tǒng)模型

雷達工作時，主通道的輸出信號U、輔助通道輸出V送入比較器，比較器輸出與消隱門限值F進行比較，當V/U>F時，系統(tǒng)判定有干擾從雷達旁瓣進入，此時消隱邏輯將產(chǎn)生消隱脈沖控制選通電路封閉主通道輸出，副瓣干擾被消隱掉。當V/U>F時，主通道輸出通過選通電路，進入信號處理環(huán)節(jié)。通過消隱邏輯的主通道信號再與測門限值Y比較，如果信號大于檢測門限值Y，主通道輸出將被確認為目標回波并送入數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)。

1.2 SLB假目標檢測概率

SLB系統(tǒng)工作效能主要是根據(jù)其檢測概率、消隱概率等概率值來評價的，根據(jù)本文所研究的對象，用欺騙干擾條件下旁瓣消隱雷達發(fā)現(xiàn)概率，即用假目標發(fā)現(xiàn)概率來分析干擾效果。

設(shè)主輔通道中旁瓣干擾信號幅度為S、R，通過平方律檢波器后都是由信號和加性高斯白噪聲組成，主通道輸出信號U為窄帶高斯噪聲加信號的包絡(luò)，其概率密度函數(shù)為

(1)

式中：I0(x)為零階修正貝塞爾函數(shù)。

同理，輔助通道V也是窄帶高斯噪聲加信號的包絡(luò)，其概率密度函數(shù)為

(2)

從式(1)、式(2)可以看出，接收的是干擾信號時，S2/2σ2、R2/2σ2則分別是主輔通道中的干噪比。S、R實際上是同一干擾信號被主、輔天線分別調(diào)制的結(jié)果，在信號形式上是相同的，只是信號幅度不同而已，假設(shè)干擾信號為J，那么分別有

(3)

式中：Gs(θ)，Ga(θ)分別表示主天線和輔助天線在干擾入射角度上的旁瓣增益。將β=Ga/Gs帶入式(3)得

R2=β2*S2

(4)

將式(4)帶入式(2)得

(5)

檢測概率P可由u、v的聯(lián)合概率密度表示，假設(shè)u、v是相互獨立的，那么P可以表示為

p=∫R∫pm(u)pa(v)dudv

(6)

我們所關(guān)心的SLB系統(tǒng)假目標檢測概率PSD就是對式(6)在積分過程中選取不同的積分上下限(下標S代表在SLB系統(tǒng)條件下)。即PSD表達式為

(7)

將MarcumQ函數(shù)引入概率計算，MarcumQ函數(shù)的定義為

(8)

將式(7)變形為

(9)

將式(8)帶入式(9)可得

(10)

式(10)就是單個脈沖情況下SLB系統(tǒng)的假目標發(fā)現(xiàn)概率表達式。

2 交叉極化干擾假目標形成方法

SLB主天線的主極化和交叉極化方向圖分別為Mz(θ)、Cz(θ)，輔助天線主極化與交叉極化方向圖分別為MF(θ)、CF(θ)。典型情況下，主天線要求主極化方向圖的主瓣波束窄且旁瓣波束低，這就導(dǎo)致在窄波束的瞄準線上顯示出一個很深的交叉極化谷點。在旁瓣區(qū)，交叉極化響應(yīng)的抑制并沒有旁瓣主極化響應(yīng)那么大，而輔助天線幾乎在整個角度覆蓋范圍都能明顯地抑制交叉極化響應(yīng)。正是基于這種變化，破壞了SLB系統(tǒng)的工作基礎(chǔ)，使利用交叉極化干擾SLB雷達成為了可能。典型的SLB主輔天線共極化方向圖和交叉極化方向圖，如圖2所示[5]。

圖2 主輔天線增益圖

根據(jù)電磁波理論可知，電磁波主輔接收天線上感應(yīng)的開路電壓可表示為

V=Eih

(11)

式中:Ei為接收回波的電場矢量;h為天線在該方向上的有效高度矢量。這里把h分解為主極化和交叉極化兩個正交分量，記為

h=[M(θ)C(θ)]T

(12)

相應(yīng)地，接收回波的電場矢量中也存在主極化和交叉極化兩個部分，在本文探討的情況下，假設(shè)雷達天線的接收信號都是干擾信號，其中共極化干擾信號是因為干擾信號極化與雷達信號極化方式不能嚴格正交引起的，則接收回波的電場矢量可表示為

(13)

式中：ε為干擾極化與主極化的極化傾角夾角，兩部分信號除了極化方式及信號功率不同之外，其他調(diào)制參數(shù)完全相同。

旁瓣消隱器中主輔通道的平方律檢波器的輸出分別為

(14)

比較器的輸出為

(15)

由前面的分析可知，對于共極化的干擾信號，式(15)退化為

(16)

當共極化干擾信號從主天線旁瓣進入時，MF(θ)>Mz(θ)，導(dǎo)致比較器的結(jié)果V(t)/U(t)大于檢測門限值F，以及導(dǎo)致旁瓣干擾信號被消隱，無法實現(xiàn)干擾目的。

對于交叉極化干擾信號，式(15)退化為

(17)

當交叉極化干擾信號從主天線旁瓣進入時，CF(θ)

對干擾方來說，存在兩方面問題：(1)需要提高干擾功率，以克服雷達天線對交叉極化干擾的抑制，對于典型的拋物面天線，干擾機至少要增加20 dB的干擾功率，有時為了保證干擾效果，甚至需要增加30 dB～40 dB[6]。(2)干擾信號未與雷達信號極化方式嚴格正交會產(chǎn)生一部分共極化干擾信號，雖然回波中的主要分量是交叉極化的干擾，但由于雷達的主輔天線的交叉極化增益小，而共極化增益大，即使干擾信號中有較小的共極化分量也會對干擾效果帶來較大的影響。

3 交叉極化干擾信號調(diào)制

為了最終實現(xiàn)航跡欺騙，需要對干擾信號和干擾時機進行精確設(shè)計，目前對欺騙干擾信號的調(diào)制主要通過數(shù)字射頻存儲等技術(shù)形成，這些技術(shù)已經(jīng)相當成熟，在此僅作簡要介紹。這里的調(diào)制主要分為四個方面 ：(1)交叉極化調(diào)制；(2)假目標距離調(diào)制；(3)假目標速度調(diào)制；(4)假目標角度調(diào)制。

假設(shè)雷達發(fā)射線性調(diào)頻信號，其信號可表示為

(18)

式中：A表示信號幅度；g(t)為矩形函數(shù)；f0表示信號載頻；μ是線性調(diào)頻斜率。

利用射頻存儲技術(shù)，對雷達信號接收并調(diào)制。其信號形式為

J(t)=kexp(jα)g(t-Δt)exp[2π(f0+fd)(t-Δt)+

(19)

式中：k為干擾與信號的幅度之比；Δt表示干擾信號相對于回波信號的時間延遲，是干擾方對所接收的雷達信號距離調(diào)制的結(jié)果，Δt所對應(yīng)的假目標距離是RF=cΔt/2；fd是干擾信號相對于回波信號的多普勒頻移，是干擾方對所接收的雷達信號速度調(diào)制的結(jié)果，對應(yīng)假目標的徑向速度為vr=fdλ/2。對雷達實施方位欺騙實質(zhì)上是從雷達旁瓣注入干擾，確定主瓣波束的角度延遲量為Δθ，則干擾機對應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)時延為T=Δθ/W(W是被干擾雷達天線轉(zhuǎn)速，通過電子偵察獲得)。

干擾機對截獲的雷達信號按照上述方法進行調(diào)制后，就能夠在雷達顯示器上獲得所設(shè)定距離、速度、方位的假目標，最后將干擾信號按照交叉極化的方式調(diào)制并向雷達旁瓣發(fā)射，就完成了對SLB雷達的交叉極化干擾。

4 干擾效果分析

1)雷達參數(shù)設(shè)置：基于第2節(jié)的分析，按照典型的交叉極化方向圖進行仿真，如圖3所示。雷達采用恒虛警檢測,信號參數(shù)為：脈寬τ=100μs，帶寬B=2 MHz，μ=0.02 MHz/μs，載波中心頻率f0=0 MHz。

2)干擾參數(shù)設(shè)置：基于第3節(jié)的分析，在仿真中，假目標距離設(shè)置為75km，假目標徑向速度設(shè)置為300 m/s，方位延遲為15°。

仿真1：對SLB雷達實施共極化欺騙干擾，雷達接收機輸入端干噪比為10 dB，經(jīng)雷達脈壓處理但未經(jīng)SLB處理后的波形如圖3a)所示，圖3b)是經(jīng)過SLB處理后的波形。可以看出，干擾信號獲得了雷達的壓縮增益，在脈沖壓縮輸出端有較高的干噪比，由于SLB系統(tǒng)的存在而被消隱，因此無法進入雷達的信號處理環(huán)節(jié)，不能實現(xiàn)干擾目的。

圖3 SLB對共極化干擾信號處理結(jié)果

仿真2：對SLB雷達實施交叉極化欺騙干擾，雷達接收機輸入端干噪比為10 dB，經(jīng)雷達脈壓處理但未經(jīng)SLB處理的波形如圖4a)所示，圖4b)是經(jīng)過SLB處理后的波形。假目標干擾信號從主天線旁瓣進入，受到一定程度抑制，但由于干擾信號與雷達信號相參，可獲得雷達部分脈沖壓縮增益，只要干擾功率達到雷達最小可檢測功率，干擾信號就能夠通過SLB系統(tǒng)進入雷達的信號處理環(huán)節(jié)，并在預(yù)定的位置上形成了虛假目標，實現(xiàn)干擾目的。從這個仿真中也可以看出，在相同輸入干噪比的情況下，交叉極化干擾信號功率比共極化信號小得多，這與上文的分析是一致的。

圖4 SLB對交叉極化干擾信號處理結(jié)果

仿真3：根據(jù)式(13)及上文分析，干擾功率及干擾信號正交性對交叉極化干擾有效性會產(chǎn)生影響。通過蒙特卡洛仿真研究二者對交叉極化干擾的影響，每個干噪比條件下仿真1000次，圖5為仿真結(jié)果。

圖5 極化隔離度對干擾效果的影響

由圖5可以看出，對SLB實施共極化干擾時，隨著干噪比的增大，干擾信號始終無法突破SLB系統(tǒng)，也就無法形成假目標，干擾無效。另外三條曲線分別對應(yīng)著極化傾角為90°、85°、60°，當極化傾角為90°時，為了克服天線對交叉極化的抑制，干擾機需要多付出20 dB左右的干擾功率，這與理論分析是一致的，在干噪比達到一定值時，交叉極化干擾能夠很好地實現(xiàn)干擾目的，這驗證了交叉極化干擾方法的有效性。干擾信號不能嚴格正交時，干擾機需要付出更高的干擾功率。當極化傾角于嚴格正交相差5°時，干擾機需要再增加20 dB左右的干擾功率，這是由兩個因素導(dǎo)致的，一是沒有嚴格正交造成干擾功率的損失，二是天線對交叉極化信號的抑制造成的，這符合上文的理論分析。當極化傾角惡化到60°時，交叉極化干擾無法很好地實現(xiàn)干擾。隨著硬件性能的提升，現(xiàn)代干擾機能夠保證極化傾角保持在±5°之內(nèi)，可以滿足干擾需求。

5 結(jié)束語

通過分析，交叉極化干擾信號能夠突破SLB系統(tǒng)，進入雷達的信號處理環(huán)節(jié)，在預(yù)定距離、速度、方位上形成假目標點跡，實現(xiàn)了對SLB雷達的假目標欺騙式干擾，對最終完成航跡欺騙具有重要的應(yīng)用價值，是一種可行的干擾方式。但交叉極化干擾為了克服雷達對交叉極化的抑制及自身正交性不足的影響，需要增加較大的干擾功率，同時需要被干擾雷達更多的先驗知識，這給實現(xiàn)交叉極化干擾帶來了一定的困難，是以后研究的重點。

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李一立 男，1991年生，碩士研究生，研究方向為電子對抗。

陶建鋒 男，1964年生，教授，研究方向為雷達系統(tǒng)建模。

李興成 男，副教授，研究方向為電子對抗。

A False Target Jamming Method to the Radar with SLB

LI Yili，TAO Jianfeng，LI Xingcheng

(School of Air and Missile Defense College, Air Force Engineering University, Xi′an 710051, China)

Modern radar usually adopts side-lobe blanking as the air-space anti-jamming technique, SLB can suppress the impulse interference evidently. For the success of phantom track interference, the operating principle of SLB is studied, and the method of the cross-polarization interference to make the jamming signal breakthrough the SLB is adopted, and the electronic false target is formed. Is aralyzed false target detection probability to evaluate the jamming effect is broughtin and how the polarization orthogonality and interference power effect the interference. At last, the simulation proves the effectiveness of the method.

cross-polarization interference; side-lobe blanking; polarization orthogonality; interference-noise power ratio

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.04.017

李一立 Email：85624335@qq.com

2015-11-10

2016-01-21

TN972

A

1004-7859(2016)04-0073-05