末制導(dǎo)雷達(dá)抗拖曳式干擾的方法研究

陳伯孝， 劉玉靜， 朱東晨

(1.西安電子科技大學(xué)雷達(dá)信號處理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安710071;2.毫米波遙感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100854)

0 引言

在現(xiàn)代及未來戰(zhàn)爭中，精確制導(dǎo)導(dǎo)彈是主要的作戰(zhàn)武器之一。然而，導(dǎo)引頭末制導(dǎo)雷達(dá)面臨的電磁干擾環(huán)境復(fù)雜多變，抗電子干擾和低截獲概率等電子戰(zhàn)性能已成為現(xiàn)代先進(jìn)導(dǎo)引頭的最重要的技術(shù)指標(biāo)之一。因此，研制新體制高性能的先進(jìn)雷達(dá)導(dǎo)引頭已成為十分迫切的任務(wù)。在實(shí)際作戰(zhàn)中，末制導(dǎo)雷達(dá)面臨的干擾樣式主要包括各種無源干擾和有源干擾。近年來，對拖曳式干擾及其對抗方法的研究成為了雷達(dá)抗有源干擾領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。而拖曳式干擾作為有源噪聲壓制式干擾的一種，干擾和目標(biāo)位于同一個(gè)主波束內(nèi)，而且在時(shí)間上遮蔽了目標(biāo)回波信號，這樣會導(dǎo)致信干比的嚴(yán)重下降，進(jìn)而造成顯著的測角偏差，導(dǎo)彈不能有效跟蹤目標(biāo)，失去作戰(zhàn)效能。在雷達(dá)導(dǎo)引頭天線波束寬度一定條件下，在時(shí)域、頻域和空域均難以抑制干擾。

目前，具有極化測量能力的雷達(dá)逐漸成為雷達(dá)技術(shù)的主流方向之一，利用極化信息可以提高雷達(dá)抗干擾、檢測和識別等能力[1-3]。極化濾波技術(shù)是一種重要的抗干擾方法，它基于目標(biāo)和干擾信號的極化域特性差異，可以有效地從極化域抑制干擾。文獻(xiàn)[4-6]提出了虛擬極化適配、單凹口極化濾波器和多凹口邏輯乘極化抑制濾波器、非線性極化矢量變換等概念，并將其用到極化抗雜波干擾技術(shù)中。文獻(xiàn)[7-9]中對高頻地波雷達(dá)的極化濾波問題進(jìn)行了深入研究，提出了序貫極化濾波，極化域-頻域聯(lián)合抑制多干擾等方法。文獻(xiàn)[10]對自適應(yīng)極化濾波器的理論性能進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[11]研究了高分辨極化雷達(dá)檢測中極化濾波器的選擇問題。文獻(xiàn)[12]提出了一種基于極化二元陣的空域虛擬極化濾波算法。文獻(xiàn)[13-15]中結(jié)合斜投影算子，提出了一種零相移的極化濾波方法。

本文為了對抗彈載雷達(dá)中的拖曳式干擾，將極化濾波技術(shù)應(yīng)用于末制導(dǎo)雷達(dá)中，建立了彈載單脈沖雷達(dá)的全極化接收信號模型，分析了干擾的極化參數(shù)估計(jì)方法，并利用極化濾波方法對拖曳式干擾進(jìn)行抑制，最后進(jìn)行單脈沖測角。

1 信號模型

目標(biāo)和拖曳式誘餌干擾如圖1(a)所示，雷達(dá)位于坐標(biāo)原點(diǎn)。假設(shè)目標(biāo)沿著y 軸反向運(yùn)動，目標(biāo)和干擾之間的攬繩長為D。雷達(dá)和目標(biāo)之間的距離為RT，和干擾之間的距離為RJ。目標(biāo)的方位和俯仰角分別為θT和φT，干擾的方位和俯仰角分別為θJ和φJ(rèn)。那么目標(biāo)和干擾的角度關(guān)系滿足下式：

圖1 目標(biāo)和干擾空間示意圖

為了分析方便，本文只考慮方位角，此時(shí)目標(biāo)和干擾如圖1(b)所示。單脈沖雷達(dá)的天線陣為一種正交半波振子為單元組成的雙極化天線陣列，天線陣面如圖2所示，包含水平極化和垂直極化陣子，不考慮天線單元之間的互耦，天線可以在空間一定角度范圍內(nèi)進(jìn)行相位掃描。雷達(dá)工作時(shí)，可以任意設(shè)置水平極化天線或垂直極化天線為主天線，其余的為輔助天線，由主天線發(fā)射信號，輔助天線只接收信號。不妨設(shè)水平極化天線為主天線，而垂直極化天線為輔助天線，由水平極化天線發(fā)射信號，發(fā)射信號為s(t)。每個(gè)天線均包含和、差通道，兩個(gè)天線和、差通道的歸一化方向圖函數(shù)均相同，和通道的歸一化方向圖函數(shù)為FΣ(θ)，差通道的歸一化方向圖函數(shù)為FΔ(θ)。水平極化天線的極化方式為hH=[1，α]T，垂直極化天線的極化方式為hV=[α，1]T，α 為天線交叉極化分量，當(dāng)天線的極化純度較高時(shí)，例如天線的極化隔離度為30 dB，此時(shí)α 可以近似為0。

式中：βT和βJ是與天線增益，空間傳播損耗等有關(guān)的復(fù)常數(shù);nΣh(t)和nΔh(t)分別為和、差通道的噪聲，均為零均值的高斯白噪聲。

假設(shè)兩天線的天線增益相同，那么垂直極化天線的和、差通道的接收信號分別為

式中：nΣv(t)和nΔv(t)分別為和、差通道的噪聲，均為零均值的高斯白噪聲。式(5)中第1項(xiàng)均為目標(biāo)信號，第2項(xiàng)均為干擾信號。

圖2 雙極化天線陣面圖

圖3 信號處理流程圖

2 極化濾波算法

由于在整個(gè)脈沖重復(fù)周期內(nèi)，干擾信號所持續(xù)的時(shí)間一般要大于目標(biāo)回波信號，在僅有干擾信號的距離單元內(nèi)，對全極化回波信號進(jìn)行采樣和極化狀態(tài)估值，可以獲得極化濾波器矢量參數(shù)。在理想情況下，各路和、差通道滿足幅相一致性要求，那么和、差通道極化濾波器參數(shù)相同，所以僅用和通道進(jìn)行極化參數(shù)估計(jì)。

根據(jù)極化相干矩陣和Stokes矢量之間的關(guān)系[16]，可以得到干擾極化的Stokes矢量的估計(jì)值為

式中：km為鑒角曲線的斜率。

綜上所述，可以得到信號處理流程如圖3所示。取水平極化天線的和通道和垂直極化天線的和通道的干擾數(shù)據(jù)，進(jìn)行干擾的極化方式估計(jì)，然后設(shè)計(jì)濾波權(quán)值抑制干擾。而差通道也利用同一組權(quán)值進(jìn)行干擾抑制，將和、差通道的濾波輸出結(jié)果分別進(jìn)行脈沖壓縮和相干積累，然后進(jìn)行單脈沖測角和目標(biāo)跟蹤。

3 干擾抑制性能分析

由于目標(biāo)的極化散射特性隨著雷達(dá)視角和目標(biāo)的姿態(tài)而改變，在實(shí)際中，目標(biāo)的極化散射特性并不已知。在理想情況下，天線的極化純度較高，即α=0。目標(biāo)的極化方式為hs=ShH=[shh，svh]T，而極化濾波的權(quán)矢量滿足

而實(shí)際中，當(dāng)目標(biāo)為大型目標(biāo)，且反射面為光滑平面時(shí)，目標(biāo)散射的交叉極化分量一般都遠(yuǎn)小于主極化分量[16]，即svh?shh，并不滿足與干擾極化方式正交的條件。所以在進(jìn)行極化干擾抑制之后，信噪比會存在一定損失，此時(shí)對測角性能產(chǎn)生影響。為了降低干擾對消對后續(xù)測角結(jié)果的影響，需要增加相干積累的脈沖數(shù)來彌補(bǔ)信噪比損失。

4 計(jì)算機(jī)仿真

目標(biāo)極化hs歸一化相關(guān)系數(shù)為0.88，即相關(guān)性較強(qiáng)。主、輔天線的天線方向圖為高斯方向圖，波束寬度為8°。兩天線的極化隔離度均為30 dB。

圖4所示分別為水平極化天線的和、差通道在干擾抑制前后的信號進(jìn)行脈沖壓縮得到的結(jié)果，可以看出在干擾抑制前目標(biāo)淹沒在干擾中，而在進(jìn)行干擾抑制后，能夠發(fā)現(xiàn)目標(biāo)峰值。

圖4 水平極化天線干擾抑制前后的脈沖壓縮結(jié)果

進(jìn)一步，假設(shè)目標(biāo)與干擾極化狀態(tài)完全正交，則假設(shè)目標(biāo)極化散射矩陣為hs= [1，-0.8j]T，保持其他參數(shù)不變。此時(shí)，根據(jù)式(16)，此時(shí)干擾極化hj與目標(biāo)極化hs歸一化相關(guān)系數(shù)為0.11，即相關(guān)性較弱(接近正交)。

由圖5可以看出，當(dāng)目標(biāo)與干擾極化越接近正交時(shí)，抑制干擾效果越好，目標(biāo)信噪比損失越小。圖5 中目標(biāo)信噪比損失相比圖4(a)要小3 dB左右。

假設(shè)目標(biāo)的輸入SNR 為(0～15)d B，而進(jìn)行脈沖壓縮的信噪比增益為20 dB。此時(shí)沒有干擾和干擾抑制后的測角對比結(jié)果如圖6所示，測角性能用角度測量的均方根誤差來衡量，仿真中蒙特卡洛試驗(yàn)次數(shù)為200次。由圖6可知，干擾抑制后的測角性能較沒有干擾時(shí)的測角性能差，其原因是在極化濾波時(shí)會導(dǎo)致SNR 損失。

圖6 測角性能與輸入SNR 之間的關(guān)系

5 結(jié)束語

本文探討了彈載雷達(dá)中利用極化濾波對抗拖曳式干擾的方法。建立了彈載單脈沖雷達(dá)的全極化信號接收模型，并根據(jù)和通道數(shù)據(jù)對干擾的極化方式進(jìn)行估計(jì)，根據(jù)干擾和目標(biāo)之間的極化特性差異設(shè)計(jì)極化濾波器對干擾進(jìn)行抑制。當(dāng)目標(biāo)和干擾的極化差異越大時(shí)，即目標(biāo)和干擾的極化相關(guān)性越低時(shí)，抑制干擾的效果越好，此時(shí)進(jìn)行干擾對消損失的信噪比也越小。在未來的工作中，如何通過算法增大目標(biāo)和干擾之間的極化差異獲得更好的濾波輸出性能，以及如何對抗多類型的干擾將成為進(jìn)一步研究的工作。