基于陣元方向圖的相控陣?yán)走_(dá)輻射源識(shí)別技術(shù)

關(guān) 欣，張玉虎

(海軍航空大學(xué)，山東 煙臺(tái) 264001)

0 引言

隨著軍事科技的飛速發(fā)展，軍事電子裝備研制成果日新月異。電子戰(zhàn)成為了現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的重要組成，取得了制電磁頻譜權(quán)就取得了戰(zhàn)爭(zhēng)的主動(dòng)權(quán)。相控陣?yán)走_(dá)以其掃描快、探測(cè)遠(yuǎn)、精度高、工作模式多等特點(diǎn)在電子戰(zhàn)中占據(jù)了重要地位，對(duì)相控陣?yán)走_(dá)輻射源的識(shí)別是電子對(duì)抗中的重要課題。對(duì)相控陣?yán)走_(dá)輻射源的識(shí)別研究現(xiàn)在主要集中于對(duì)相控陣?yán)走_(dá)快速離散掃描的識(shí)別，文獻(xiàn)[1]提出了幾種判斷相控陣體制的雷達(dá)的方法，包括通過到達(dá)時(shí)間、脈沖寬度和脈沖幅度來判斷，通過天線掃描的間隔時(shí)間變化規(guī)律和數(shù)據(jù)率的變化來判斷，以及通過前后偵收的脈沖數(shù)變化來判斷等，主要討論了方法的基本思路，而并未給出仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來證明識(shí)別的效果；文獻(xiàn)[2-5]是通過計(jì)算電子偵察設(shè)備截獲的雷達(dá)輻射源信號(hào)序列與特定波形的信號(hào)序列的相似度來識(shí)別相控陣體制的雷達(dá)輻射源，其中，文獻(xiàn)[2]采用三角脈沖序列作為對(duì)比序列，文獻(xiàn)[3-5]則采用正弦脈沖序列作為對(duì)比序列。文獻(xiàn)[6]統(tǒng)計(jì)分析了不同體制雷達(dá)的截獲脈沖序列的前后差值的分布情況，定義了幅度差均值的概念，并通過計(jì)算序列的幅度差均值來對(duì)相控陣?yán)走_(dá)進(jìn)行體制識(shí)別。文獻(xiàn)[7]通過定量分析相控陣?yán)走_(dá)的波束展寬變形的性質(zhì)，由Hausdorff距離和微似比進(jìn)行匹配，對(duì)相控陣?yán)走_(dá)的波束指向進(jìn)行識(shí)別。在相控陣?yán)走_(dá)波束的掃描過程中波束的寬度會(huì)展寬，波束的增益會(huì)下降，同時(shí)，波束的最大值指向也會(huì)偏移，這種現(xiàn)象會(huì)影響雷達(dá)對(duì)目標(biāo)探測(cè)的準(zhǔn)確性，因此對(duì)在相控陣?yán)走_(dá)陣面法線方向的目標(biāo)探測(cè)的準(zhǔn)確度較高。同時(shí)，由于相控陣?yán)走_(dá)波束的掃描由移相器完成，掃描的速度較快，因此對(duì)相控陣?yán)走_(dá)波束指向的實(shí)時(shí)識(shí)別沒有太大作用，但是對(duì)相控陣?yán)走_(dá)的陣面法線指向的識(shí)別有重要意義。文獻(xiàn)[8]通過精確測(cè)量雷達(dá)信號(hào)的脈沖重復(fù)頻率提取雷達(dá)信號(hào)的相對(duì)晶振鐘頻，從而對(duì)相控陣?yán)走_(dá)進(jìn)行個(gè)體識(shí)別。

本文以雙站偵察數(shù)據(jù)計(jì)算得到相控陣?yán)走_(dá)的陣面指向，以此計(jì)算得到相控陣?yán)走_(dá)陣面的陣列因子函數(shù)，并且考慮了經(jīng)過Taylor幅度加權(quán)的天線陣元激勵(lì)的陣列因子函數(shù)，進(jìn)而得到偵察接收機(jī)所在角度的陣列因子函數(shù)形式。將偵察接收的雷達(dá)信號(hào)波形與陣列因子函數(shù)比對(duì)得到各個(gè)角度信號(hào)增益，進(jìn)而擬合得到天線的陣元天線方向圖，最終將得到的陣元天線方向圖與庫中數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，完成對(duì)相控陣?yán)走_(dá)輻射源的個(gè)體識(shí)別。

1 相控陣?yán)走_(dá)天線方向圖

以線陣天線方向圖為例，假定組成天線陣列的每個(gè)陣元均相同，且均為全向天線，即陣元因子方向圖EP(Element Pattern)為

EEP=1。

(1)

而相控陣天線在遠(yuǎn)場(chǎng)合成的陣列因子AF(Array Factor)可以表示為

(2)

則相控陣天線方向圖F(θ)就是陣元天線方向圖經(jīng)過陣列因子調(diào)制后的結(jié)果，它等于組成陣列的陣元因子方向圖EEP與陣列因子A(θ)的乘積，并且假定采用均勻分布照射函數(shù),ai=1,i=1,2,…,N,則

(3)

由歐拉公式可得

(4)

方向圖中零點(diǎn)的位置為

(5)

2 Taylor幅度加權(quán)

由于陣元均勻分布的相控陣天線合成的方向圖函數(shù)在主瓣附近的副瓣的電平較高，實(shí)際應(yīng)用中通常是對(duì)陣元均勻排布的陣列進(jìn)行加權(quán)，以降低副瓣電平的影響，對(duì)于大型相控陣天線陣列的陣元激勵(lì)幅度加權(quán)通常采用Taylor幅度加權(quán)以獲得較高的主副瓣增益比。Taylor幅度加權(quán)是按照一定的規(guī)律調(diào)節(jié)各個(gè)陣元饋電的激勵(lì)電平，即調(diào)節(jié)式(2)中的參數(shù)ai,而不再采用均勻分布照射函數(shù)。

(6)

和展寬因子σ為

(7)

Taylor分布照射函數(shù)的陣列中各陣元的饋電激勵(lì)振幅為

(8)

式中:

(9)

經(jīng)過Taylor幅度加權(quán)得到的相控陣天線方向圖的主瓣與副瓣的電平比為R0，并且向兩側(cè)副瓣電平依次遞減，但是經(jīng)過Taylor幅度加權(quán)后的天線方向圖會(huì)出現(xiàn)波束展寬、增益降低等現(xiàn)象。

經(jīng)過仿真試驗(yàn)得到經(jīng)過Taylor幅度加權(quán)后的天線方向圖主瓣展寬的曲線,與未加權(quán)的天線方向圖主瓣展寬曲線相同,如圖1所示。

圖1 天線波束展寬曲線Fig.1 Beam broadening curve

因此,通過兩個(gè)電子偵察接收機(jī)的數(shù)據(jù)即可獲知所偵察的相控陣?yán)走_(dá)輻射源的陣列天線法線指向，相控陣?yán)走_(dá)波束的展寬是因?yàn)殛嚵幸蜃拥淖饔茫趻呙杞堑膾呙柽^程中，陣列因子的展寬隨掃描角余弦的倒數(shù)規(guī)律變化。

而增益幅度的衰減則是由陣列因子的天線圖特性決定的，假設(shè)組成相控陣列天線的陣元的方向圖是一致的，但是不同的相控陣?yán)走_(dá)天線的陣元天線特性是不同的，而且該特性是天線陣面的固有特性，存在于相控陣天線陣面的整個(gè)生命周期。因此對(duì)相控陣?yán)走_(dá)天線的陣元方向圖的偵察，是相控陣?yán)走_(dá)輻射源識(shí)別的重要方法。

方向圖偵察的關(guān)鍵技術(shù)就是對(duì)不同偏角波束振幅衰減的量測(cè)，通過不同偏角波束的振幅值對(duì)陣元天線方向圖進(jìn)行估計(jì)，從而達(dá)到對(duì)相控陣?yán)走_(dá)輻射源的識(shí)別。相控陣?yán)走_(dá)波束展寬識(shí)別流程如圖2所示。

圖2 識(shí)別流程圖Fig.2 Flow chart of recognition

3 相控陣天線方向圖的估計(jì)

因?yàn)榻?jīng)過幅度調(diào)制的相控陣?yán)走_(dá)天線方向圖與構(gòu)成陣列的陣元個(gè)數(shù)有關(guān)，同時(shí)也與雷達(dá)輻射源信號(hào)波長(zhǎng)、陣元間距等因素有關(guān)系，即

(11)

波束寬度已經(jīng)由上一節(jié)計(jì)算得到，式(11)得到了主瓣兩側(cè)的角度值，那么相控陣?yán)走_(dá)天線的口徑Nd就得到了，而相控陣?yán)走_(dá)采用d/λ≤0.5來控制掃描中不出現(xiàn)柵瓣，至此即可確定天線陣的陣元數(shù)目N。

得到了相控陣天線的陣元數(shù)量后即可估計(jì)出天線陣列因子函數(shù)。

4 陣元天線方向圖計(jì)算

通過天線陣列因子與陣元天線方向圖計(jì)算得到相控陣?yán)走_(dá)的天線方向圖。將上一節(jié)得到的天線方向圖移動(dòng)波束指向，得到偵察接收機(jī)所在的角度對(duì)應(yīng)的天線陣列因子，結(jié)合偵察接收機(jī)收到的天線方向圖計(jì)算振幅在每個(gè)脈沖上的增益，得到的信號(hào)增益曲線即為天線陣元方向圖。

5 相控陣?yán)走_(dá)的個(gè)體識(shí)別

由于同一部相控陣?yán)走_(dá)構(gòu)成天線的陣元天線基本一致，然而不同的相控陣?yán)走_(dá)天線的陣元天線方向圖不同，陣元因子(EF，用EEF表示)的陣元方向圖算式為

EEP=cosEE F/2θ。

(12)

理想狀態(tài)下的陣元天線方向圖應(yīng)該是確定陣元方向圖算式中的參數(shù)EEF，然而現(xiàn)實(shí)狀態(tài)下，θ=90°時(shí)，陣元方向圖的增益并不等于0，而且組成天線陣列的陣元之間存在微小差異，還要考慮環(huán)境因素的影響，因此等效的每個(gè)天線陣元的方向圖一般不會(huì)是式(12)的形式。為保證識(shí)別的準(zhǔn)確性，本文將得到的陣元方向圖與已知的天線方向圖進(jìn)行比對(duì)，計(jì)算相似程度來確定相控陣?yán)走_(dá)輻射源的身份，這就對(duì)平時(shí)的偵察工作提出了一定的要求，偵察數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性是相控陣?yán)走_(dá)輻射源識(shí)別的關(guān)鍵。

6 仿真實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)1相控陣?yán)走_(dá)陣面指向的確定。

由圖1可知，經(jīng)過Taylor幅度調(diào)制的主瓣在掃描過程中的展寬性質(zhì)與均勻分布天線方向圖主瓣的展寬性質(zhì)相同，兩個(gè)偵察站之間的夾角已知，計(jì)算天線陣面的發(fā)現(xiàn)指向。實(shí)驗(yàn)仿真計(jì)算兩個(gè)電子偵察站所處的天線陣面角度和兩站之間的夾角大小對(duì)天線陣面指向角的計(jì)算誤差。以內(nèi)側(cè)的電子偵察站所處的天線陣面的角度位置由10°～50°間隔10°變化，兩站之間的夾角分別取3°，5°，10°和15°這4個(gè)值來進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 不同角度、不同間距的誤差Table 1 Error at different angles and intervals (°)

實(shí)驗(yàn)2陣元方向圖的擬合效果。

實(shí)驗(yàn)采用偵察得到的脈沖數(shù)據(jù)與計(jì)算得到的陣列因子函數(shù)計(jì)算脈沖在各點(diǎn)的增益，擬合陣元方向圖，并與原始陣元方向圖比較，如圖3所示。

實(shí)驗(yàn)將以EEF=12的陣元天線構(gòu)成的天線方向圖計(jì)算天線的陣面法線指向角，兩個(gè)電子偵察站的位置分別為20°和25°。計(jì)算天線的陣列因子，并調(diào)整脈沖編號(hào)與角度值的關(guān)系，使得兩個(gè)圖像的峰值對(duì)應(yīng)；將該陣列因子與20°處的電子偵察站截獲的脈沖序列進(jìn)行計(jì)算，得到在各點(diǎn)的增益大??；再與構(gòu)成天線的真實(shí)的陣元天線方向圖進(jìn)行比較。

圖3 計(jì)算陣元方向圖Fig.3 Computed array element pattern

實(shí)驗(yàn)3方向圖的識(shí)別。

將計(jì)算得到的天線陣元方向圖與庫中的天線圖進(jìn)行比對(duì)，計(jì)算偏差度判斷相控陣?yán)走_(dá)的身份。實(shí)驗(yàn)以式(12)建立陣元天線方向圖數(shù)據(jù)庫，并以實(shí)驗(yàn)2計(jì)算得到的天線方向圖作為識(shí)別對(duì)象進(jìn)行識(shí)別。

調(diào)整實(shí)驗(yàn)2的參數(shù)EEF，計(jì)算在其分別為8,12和18時(shí)得到的陣元天線方向圖函數(shù)與式(12)仿真得到的曲線的偏差度，結(jié)果如圖4所示。

圖4 陣元天線方向圖Fig.4 Element antenna pattern

計(jì)算待識(shí)別曲線與數(shù)據(jù)庫內(nèi)曲線的偏差度，結(jié)果如表2所示。

表2 曲線偏差度Table 2 Curves deviation

綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以得到以下結(jié)論:

1) 隨著偵察設(shè)備所處陣面夾角的增大，偵察設(shè)備計(jì)算得到的陣面指向角的誤差也增大，但是誤差均在0.5°以內(nèi)，可以確定相控陣天線陣面的指向；

2) 由于接收到的雷達(dá)信號(hào)存在噪聲，而計(jì)算的天線陣列因子不存在噪聲，計(jì)算得到的陣元天線方向圖會(huì)在真實(shí)的陣元天線方向圖的周圍波動(dòng)；

3) 綜合分析可將匹配的閾值定為2.0，當(dāng)偏差度小于閾值時(shí)確定兩條曲線匹配成功，完成輻射源的識(shí)別。

7 結(jié)論

本文以雙站偵察數(shù)據(jù)計(jì)算得到相控陣?yán)走_(dá)的陣面指向，并以此計(jì)算得到相控陣?yán)走_(dá)陣面的陣列因子函數(shù)，進(jìn)而得到偵察接收機(jī)所在角度的陣列因子函數(shù)形式。將偵察接收的雷達(dá)信號(hào)波形與陣列因子函數(shù)比對(duì)得到各個(gè)角度信號(hào)增益，進(jìn)而擬合得到天線的陣元天線方向圖，最終將得到的陣元天線方向圖與庫中數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)完成對(duì)相控陣?yán)走_(dá)輻射源的個(gè)體識(shí)別。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法在前期偵察數(shù)據(jù)儲(chǔ)備充足的情況下，能夠有效地對(duì)相控陣?yán)走_(dá)輻射源進(jìn)行個(gè)體識(shí)別。本文由于缺少復(fù)雜形式陣元方向圖數(shù)據(jù)庫，未針對(duì)其進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，但是采用偏差度的曲線匹配方法能夠?qū)?fù)雜形式的陣元方向圖進(jìn)行快速匹配，運(yùn)算速度較快，無需獲得曲線的解析表達(dá)。

本文方法分析了相控陣?yán)走_(dá)的天線特征，而相控陣天線是其區(qū)別于其他體制雷達(dá)的最大特點(diǎn)，依據(jù)相控陣?yán)走_(dá)的天線特征對(duì)相控陣?yán)走_(dá)進(jìn)行個(gè)體識(shí)別，相對(duì)于依據(jù)脈沖信號(hào)的傳統(tǒng)特征來說更具有針對(duì)性。

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