對(duì)單脈沖雷達(dá)的交叉眼干擾效果分析

譚 信

(西南電子設(shè)備研究所，四川 成都 611731)

0 引 言

單脈沖雷達(dá)是20世紀(jì)50年代初期出現(xiàn)的一種精密跟蹤雷達(dá)[1]。它利用比較水平方向上2個(gè)波束的幅度和相位信息的方法確定方位，利用垂直方向上2個(gè)波束來確定仰角。理論上，單脈沖雷達(dá)可利用單個(gè)目標(biāo)回波定向，因此具有很強(qiáng)的抗干擾性。目前，針對(duì)單脈沖體制雷達(dá)，較為有效的角度欺騙干擾方法有非相干干擾、交叉眼干擾和交叉極化干擾。

交叉眼干擾是一種相干干擾，它將單脈沖體制雷達(dá)測(cè)角引導(dǎo)至干擾源連線之外，對(duì)單脈沖雷達(dá)有較好的欺騙干擾作用。交叉眼干擾通常作為作戰(zhàn)平臺(tái)的自我防衛(wèi)手段，如飛機(jī)、艦船等用于對(duì)主動(dòng)雷達(dá)進(jìn)行角度欺騙干擾[2]。

1 單脈沖測(cè)角原理

現(xiàn)代雷達(dá)普遍采用精確的單脈沖測(cè)角方式，能夠在一個(gè)脈沖周期內(nèi)完成測(cè)角，相對(duì)于圓錐掃描雷達(dá)有如下優(yōu)點(diǎn)：獲得角誤差信號(hào)時(shí)間短；不易受目標(biāo)回波信號(hào)起伏的影響；測(cè)角精度高[3]等。根據(jù)取出角誤差信號(hào)的方法不同，單脈沖雷達(dá)可以分為振幅和差式單脈沖雷達(dá)和相位和差式單脈沖雷達(dá)[4]，本文重點(diǎn)介紹使用較為廣泛的振幅和差單脈沖測(cè)角方式，其原理方框圖如圖1所示。

圖1 振幅和差單脈沖雷達(dá)原理方框圖

振幅和差單脈沖雷達(dá)簡(jiǎn)要工作原理：雷達(dá)在空間內(nèi)發(fā)射4個(gè)相互部分重疊的波束，圖1中A、B、C、D分別代表4個(gè)饋源，將收到的4個(gè)回波信號(hào)進(jìn)行和、差處理后得到和信號(hào)A+B+C+D，方位差信號(hào)(A+C)-(B+D)，俯仰差信號(hào)(A+B)-(C+D)，和、差信號(hào)經(jīng)過各自的接收通道和中放處理，和、差兩信號(hào)經(jīng)過相位檢波，輸出得到角誤差信號(hào)，變成相應(yīng)的直流誤差電壓加到方位、俯仰伺服系統(tǒng)，控制天線在角度上跟蹤目標(biāo)。和信號(hào)用于發(fā)射、觀察和測(cè)距，還可以用作相位比較的基準(zhǔn)。

2 交叉眼干擾

2.1 交叉眼干擾的基本原理

交叉眼干擾采用2個(gè)在空間上相隔一定距離的干擾輻射源，發(fā)射模擬雷達(dá)回波，并使其在功率/相位等參數(shù)上滿足一定條件，各發(fā)射信號(hào)合成雷達(dá)天線相位中心所在空間點(diǎn)的局部特殊輻射場(chǎng)[5]。該輻射場(chǎng)的波前在雷達(dá)所在位置的局部發(fā)生扭曲以產(chǎn)生假象，使以平面波前檢測(cè)為原理的雷達(dá)誤認(rèn)為輻射源在另外的虛假位置，或者說到達(dá)角是虛假的。交叉眼干擾通常由2路獨(dú)立的干擾機(jī)組成，其收發(fā)天線配置如圖2 所示。實(shí)現(xiàn)交叉眼干擾的主要技術(shù)難點(diǎn)是如何保證兩干擾源J1、J2的信號(hào)在雷達(dá)接收天線口面處于穩(wěn)定的反相。

圖2 交叉眼干擾收發(fā)天線配置

交叉眼干擾原理圖如圖3所示，干擾信號(hào)J1、J2到達(dá)雷達(dá)天線口面的信號(hào)具有穩(wěn)定的相位關(guān)系，考慮干擾信號(hào)和目標(biāo)回波同時(shí)存在的情況。AJ1、AJ2、Ar分別為J1，J2和目標(biāo)回波信號(hào)的幅度，φ1，φ2分別為干擾信號(hào)J2和回波信號(hào)相對(duì)于干擾信號(hào)J1的相位差，θ3為目標(biāo)偏離雷達(dá)等強(qiáng)信號(hào)方向的夾角,則雷達(dá)天線1，2接收到的回波信號(hào)為[6]：

(1)

經(jīng)過波束形成網(wǎng)絡(luò)，得到和差信號(hào)EΣ,EΔ：

(2)

根據(jù)單脈沖雷達(dá)測(cè)向的原理，誤差信號(hào)為：

(3)

將天線方向圖在θ0方向展開冪級(jí)數(shù)，并取一階近似如式(4)：

F(θ0±θ)=F(θ0)?F′(θ0)θ

(4)

se(t)≈Kd(θ(1+b2+2bcosφ1+acosφ2+

acosφ2-abcos(φ1-φ2))+θ3(a2+

acosφ2+abcos(φ1-φ2)))

(5)

當(dāng)誤差信號(hào)se(t)=0時(shí)，跟蹤天線的指向角θ′為：

(6)

2.2 各項(xiàng)參數(shù)對(duì)交叉眼干擾效果的影響

從公式(6)得出：跟蹤天線的指向角θ′的大小跟回波信號(hào)與干擾信號(hào)的幅度比a，兩干擾源幅度比b，3個(gè)信號(hào)之間的相位差φ1，φ2，兩干擾源相對(duì)于雷達(dá)對(duì)準(zhǔn)軸的夾角Δθ，以及目標(biāo)偏離兩干擾源中心線的角度(θ-θ3)有關(guān)。下面具體討論各參數(shù)對(duì)天線指向角θ′的影響。

(1) 當(dāng)θ=θ3時(shí)，即目標(biāo)角度與兩干擾源中心線角度重合，是典型的自衛(wèi)式干擾場(chǎng)景，公式如下：

θ′=

(7)

(2) 當(dāng)幅度比a趨于0時(shí)，即目標(biāo)回波遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于干擾信號(hào)時(shí)，公式(7)簡(jiǎn)化為下式：

(8)

交叉眼干擾可以形成很大的角度測(cè)量誤差，該誤差可以偏出2個(gè)干擾源J1和J2實(shí)際的張角之外，這是傳統(tǒng)非相干干擾不能達(dá)到的。

(3) 當(dāng)φ1=0時(shí)，即2個(gè)干擾源同相時(shí)，天線指向角為：

(9)

(4) 當(dāng)φ1=π時(shí)，即2個(gè)干擾源反相時(shí)，天線指向角如式(10)：

(10)

3 交叉眼干擾效果分析

考慮機(jī)載自衛(wèi)式干擾，2個(gè)干擾源分別位于載機(jī)的2個(gè)翼尖上，此時(shí)信號(hào)回波近似在2個(gè)干擾源中間，即近似滿足θ=θ3。下面對(duì)典型場(chǎng)景下的交叉眼干擾進(jìn)行仿真，并分析各參數(shù)對(duì)干擾效果的影響。

3.1 幅度比b和相位差φ1對(duì)干擾效果的影響

仿真參數(shù)設(shè)置：a=-20 dB,Δθ=0.1°,φ2=0,θ=θ3=0.02°,b=[0.8,0.9,1,1.1,1.2]。天線指向角θ′與b，φ1的關(guān)系仿真結(jié)果如圖4所示，由圖4可知：

(1)φ1越接近180°，b越接近1，天線指向角度越大。當(dāng)φ1=π，b≈1時(shí)，θ′→∞；

(2) 在b取5個(gè)不同值時(shí)，φ1在180°附近時(shí)，天線指向角明顯偏出2個(gè)干擾源實(shí)際的張角之外，取得優(yōu)于非相干干擾的干擾效果；

(3) 在φ1=π附近變化時(shí)，天線指向角減小的速度非常快，當(dāng)相位差φ1偏離π超過5°后，干擾效果就下降很多。

圖4 交叉眼干擾時(shí)θ′與b，φ1的關(guān)系

3.2 幅度比b對(duì)干擾效果的影響

仿真參數(shù)設(shè)置：a=-20 dB， Δθ=0.1°，φ2=0，θ=θ3，φ1=[178° 179° 180°]。

天線指向角θ′與b的關(guān)系仿真結(jié)果如圖5所示，由圖可知：

(1) 當(dāng)φ1=180°時(shí)，在b≈1.01指向角達(dá)到極大值，稍微有所偏離b=1，這是由于目標(biāo)回波信號(hào)引起的。

(2) 當(dāng)φ1≠180°的時(shí)候，指向角的極大值點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的b也將偏離b=1.01，并隨著φ1向180°靠近而向b=1.01靠近。

圖5 交叉眼干擾時(shí)θ′與b的關(guān)系

3.3 幅度比a和φ2對(duì)干擾效果的影響

仿真參數(shù)設(shè)置：a=[0，0.1，0.2，0.3]，Δθ=0.1°，θ=θ3，φ1=180°，φ2=0或π。天線指向角θ′與a的關(guān)系仿真結(jié)果如圖6、圖7所示。由圖6和圖7可知：

(1) 在φ1=0時(shí)，由于存在目標(biāo)回波，會(huì)引起出現(xiàn)最大值時(shí)的b≠1，增大的幅度隨著a的增大而增大，即在b≈1+a時(shí)，θ′→∞；

(2) 當(dāng)φ1=π時(shí)，由于存在目標(biāo)回波，會(huì)引起出現(xiàn)最大值時(shí)的b≠1，減小的幅度隨著a的增大而增大，即在b≈1-a時(shí)，θ′→∞。

圖7 交叉眼干擾時(shí)θ′與a的關(guān)系(φ2=π)

3.4 兩干擾源之間距離L和干擾源與雷達(dá)之間距離R對(duì)干擾效果的影響

仿真參數(shù)設(shè)置：b=[0.93 0.97 0.99]，5 km≤R≤30 km，L=20 m，φ1=180°，φ2=0。天線指向角與雷達(dá)、干擾源之間距離R的關(guān)系如圖8所示。由圖8可知：

(1)b越接近1，天線指向角越大，交叉眼干擾效果越好；

(2) 雷達(dá)跟蹤天線的指向角θ′隨著R增大而減小，即在R=5 km時(shí)交叉眼干擾效果要明顯優(yōu)于R=30 km的情況。

圖8 交叉眼干擾時(shí)θ′與R的關(guān)系

仿真參數(shù)設(shè)置：b=[0.93 0.97 0.99]，R=20 km，10 m≤L≤30 m，φ1=180°，φ2=0。天線指向角與兩干擾源之間距離L的關(guān)系如圖9所示。由圖9可知：

(1)b越接近1，天線指向角越大，交叉眼干擾效果越好；

(2) 雷達(dá)跟蹤天線的指向角θ′與兩干擾源距離L成線性關(guān)系，θ′隨著L的增大而增大。

圖9 交叉眼干擾時(shí)θ′與L的關(guān)系

3.5 目標(biāo)偏離兩干擾源中心線的角度(θ-θ3)對(duì)干擾效果的影響

仿真參數(shù)設(shè)置：b=[0.93 0.95 0.97]，a=-20 dB， Δθ=0.1°，φ1=180°，φ2=0。天線指向角與目標(biāo)偏離兩干擾源中心線的角度的關(guān)系如圖10所示。由圖10可知：

(1) 雷達(dá)跟蹤天線的指向角θ′與(θ-θ3)成線性關(guān)系，變化范圍較小；

(2) (θ-θ3)對(duì)天線指向角的影響效果與a的大小有關(guān)，隨著a的增大干擾效果越發(fā)明顯。

圖10 交叉眼干擾時(shí)θ′與(θ-θ3)的關(guān)系

3.6 效果分析

通過計(jì)算機(jī)仿真幅度比、相位差和目標(biāo)偏離兩干擾源中心線的角度等參數(shù)對(duì)天線指向角θ′的影響，在實(shí)際應(yīng)用中，交叉眼干擾取得較好的干擾效果需滿足如下條件：

(1) 2個(gè)干擾源信號(hào)在天線口面的相位差控制在φ1=π偏差較小角度時(shí)，交叉眼干擾可以達(dá)到較好的效果；

(2) 為了減小搭載平臺(tái)體目標(biāo)回波對(duì)干擾效果的影響，干擾機(jī)必須有足夠大的功率，從而保證交叉眼在b=1，φ1=π時(shí)達(dá)到最好的干擾效果；

(3) 2個(gè)干擾源之間距離L越大時(shí)，交叉眼干擾效果越好，對(duì)于機(jī)載交叉眼干擾，干擾源一般布置在飛機(jī)兩側(cè)翼尖；

(4) 不考慮目標(biāo)回波的影響，干擾機(jī)與雷達(dá)之間距離R越小，交叉眼干擾效果越好，但要保證2個(gè)干擾源在一個(gè)雷達(dá)波束內(nèi)。

4 結(jié)束語(yǔ)

單脈沖雷達(dá)具有良好的抗單點(diǎn)源干擾的性能，交叉眼干擾可以在滿足一定的限定條件下，對(duì)單脈沖雷達(dá)形成較好的干擾效果，但在實(shí)際工程實(shí)現(xiàn)時(shí)某些條件無法滿足，從而導(dǎo)致交叉眼干擾的性能大打折扣。單脈沖雷達(dá)角度跟蹤往往還需要在距離、速度上首先完成跟蹤，一旦距離、速度跟蹤回路遭到破壞，其角度跟蹤回路也會(huì)受到影響，因此對(duì)單脈沖雷達(dá)的干擾也可以避開其抗單點(diǎn)源干擾的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)對(duì)其距離、速度和角度回路進(jìn)行干擾，從而達(dá)到事半功倍的效果。

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