雙極化對末制導(dǎo)雷達(dá)抗干擾能力影響?

解永亮 韓 偉 范加武

（91404部隊(duì)43分隊(duì) 秦皇島 066001）

1 引言

目前，反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)在抗干擾能力方面仍存在一些不足，主要表現(xiàn)在：對目標(biāo)與箔條形成的混合體難以快速識別；受多路徑效應(yīng)、目標(biāo)反射特性等影響，導(dǎo)致目標(biāo)回波幅度起伏大，影響對目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤；角反射體干擾和艦船目標(biāo)特征不易區(qū)分，識別概率較低。研究發(fā)現(xiàn)對雷達(dá)信號進(jìn)行雙極化處理，是末制導(dǎo)雷達(dá)提高抗干擾能力的一種有效的技術(shù)途徑。極化信息是除頻率、幅度、相位以外，描述電磁波矢量性的又一重要信息，極化濾波、極化增強(qiáng)、極化鑒別等抗干擾技術(shù)作為時域、頻域、功率域等常規(guī)抗干擾技術(shù)的補(bǔ)充，能夠有效對抗多種干擾樣式。可以預(yù)見，發(fā)展“時-頻-極化”域一體化的抗干擾技術(shù)必將成為雷達(dá)抗干擾領(lǐng)域的主流發(fā)展方向［1］。

2 雙極化原理概述

電磁波在傳播時，電場矢量在水平平面內(nèi)和垂直平面內(nèi)均有分量，被稱為電磁波的極化現(xiàn)象。常規(guī)雷達(dá)對目標(biāo)回波信號的檢測只利用幅度信息，只要目標(biāo)回波幅度在起伏過程中超過由背景噪聲或雜波所決定的門限，就有可能被檢測到，即有一定的檢測概率。而電磁波照射到目標(biāo)上時，由于目標(biāo)的形狀、結(jié)構(gòu)和材料的不同，會對發(fā)射電磁波產(chǎn)生不同的極化扭轉(zhuǎn)效應(yīng)［2］，目標(biāo)回波和雜波中包含有各自不同的極化信息，加以利用后可以實(shí)現(xiàn)在一定的信噪比情況下提高目標(biāo)的檢測概率；或者說，在一定的目標(biāo)檢測概率下，可以使所需的信雜比降低。因此增加極化檢測技術(shù)有助于雷達(dá)對微弱目標(biāo)的探測，雙極化雷達(dá)通過極化檢測方式可以先將一部分干擾濾除，更有利于干擾背景下目標(biāo)的檢測；同時，基于干擾信號與目標(biāo)回波在極化域的特征差異，通過增加極化域判別，從而提高雷達(dá)的抗干擾能力及目標(biāo)識別能力。

描述極化效應(yīng)的基礎(chǔ)理論是極化散射矩陣。主動雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射某種極化狀態(tài)的入射波，然后接收同種或者不同種極化狀態(tài)的反射回波。常用的發(fā)射—接收極化狀態(tài)有以下四種：HH為水平發(fā)射，水平接收；HV為水平發(fā)射，垂直接收；VH為垂直發(fā)射，水平接收；VV為垂直發(fā)射，垂直接收。交替發(fā)射同時接收模式工作時，交替發(fā)射兩種正交的極化波，在發(fā)射的間隙，極化狀態(tài)正交的兩副天線同時接收，這樣任意相鄰兩次接收的回波，就是所期望的四種極化組合（HH、HV、VH、VV）的目標(biāo)回波?，F(xiàn)在考慮一個沿天線方向傳播的線極化平面波，它照射到目標(biāo)上，任意方向的線極化分解為水平和垂直兩個正交的極化分量，分別用和表示水平極化和垂直極化電場，其中T表示發(fā)射天線產(chǎn)生的電場，下標(biāo)H和V分別代表水平方向和垂直方向，一般在水平照射場的作用下，目標(biāo)的散射場將由水平極化散射場和垂直極化散射場組成，并且有

式中：aHH表示水平極化入射場產(chǎn)生水平極化散射場的散射系數(shù)；aHV表示水平極化入射場產(chǎn)生水平極化散射場的散射系數(shù)。

同理，在垂直照射場作用下，目標(biāo)散射場也有兩部分：

式中：aVH表示垂直極化入射場產(chǎn)生水平極化散射場的散射系數(shù)；aVV表示垂直極化入射場產(chǎn)生水平極化散射場的散射系數(shù)。

上述散射成分中，水平散射場可被水平極化天線所接收，垂直散射場可被垂直極化天線所接收，所以有

3 極化檢測

在末制導(dǎo)雷達(dá)跟蹤過程中，對于噪聲壓制類干擾或能量很高的欺騙干擾來說，干擾進(jìn)入目標(biāo)的檢測單元時，抬高了目標(biāo)的檢測背景，目標(biāo)的信噪比下降，從而使目標(biāo)不能被正常檢測，無法進(jìn)行下一步的識別。通過極化檢測可以改善上述問題，極化檢測是利用雷達(dá)回波中的極化信息來改善雷達(dá)對目標(biāo)的檢測能力，從而為下一步的極化識別提供條件。

目前采用修正后的張量極化檢測器，檢測前將積累后同極化回波與交叉極化回波的功率對消作為極化檢測器的輸入，再參與極化檢測判決。由于空間隨機(jī)取向的箔條以及圓極化或斜極化的有源干擾均表現(xiàn)為同極化與交叉極化能量相當(dāng)，而艦船目標(biāo)的同極化分量遠(yuǎn)大于交叉極化分量，因此，采用極化對消處理后，干擾回波的能量大部分被對消掉，有效抑制干擾，提高信干比［4］，有利于雷達(dá)對目標(biāo)的檢測。

下面通過數(shù)據(jù)仿真，給出了典型干擾情形下，R-D二維檢測（基本型檢測方法）與極化檢測方式下目標(biāo)的檢測效果對比結(jié)果。圖1中在噪聲壓制干擾背景下，原始檢測后目標(biāo)2丟失，經(jīng)過極化處理后目標(biāo)1、目標(biāo)2均正常檢測出來，通過數(shù)據(jù)仿真分析得出，極化檢測可以提高目標(biāo)在有源干擾背景下的信干比，同時對機(jī)內(nèi)噪聲背景下的目標(biāo)信噪比也有改善。

4 典型干擾與艦船目標(biāo)的極化特征差異

針對末制導(dǎo)雷達(dá)的典型干擾，按干擾效果來劃分，干擾樣式大體可劃分為壓制式和欺騙式兩類。壓制式干擾包括有源噪聲調(diào)制干擾和無源箔條干擾等；欺騙式干擾包括無源誘餌（沖淡箔條、角反射體等）和有源假目標(biāo)干擾。下面根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對箔條干擾、角反射體干擾和有源干擾的極化特征與艦船目標(biāo)存在的差異進(jìn)行分析。

圖1 噪聲壓制干擾背景下檢測結(jié)果對比圖

4.1 箔條干擾

箔條云在空中的運(yùn)動規(guī)律可以認(rèn)為是隨機(jī)的，雷達(dá)接收到箔條云反射回波的垂直極化、水平極化分量基本相同，具有較強(qiáng)的去極化性，理論上它能夠干擾各種極化特性的雷達(dá)，而艦船目標(biāo)的去極化特性較弱；另外，箔條云的極化散射矩陣是由大量服從獨(dú)立同分布的箔條極化散射矩陣的相干合成，箔條云團(tuán)的極化散射矩陣不僅與單個箔條有關(guān)，同時還與箔條云的空間分布有關(guān)，箔條云在空間中徑向分布的改變也將導(dǎo)致散射矩陣的起伏，而艦船目標(biāo)的極化散射特性相比箔條穩(wěn)定的多。因此，通過對艦船和箔條干擾極化散射特性差異的分析研究，可以進(jìn)行箔條干擾的識別及對抗。

圖2是雷達(dá)分別跟蹤艦船和箔條干擾的數(shù)據(jù)，箔條干擾的極化參數(shù)穩(wěn)定性明顯比艦船差。

4.2 角反射體干擾

角反射體通過鏡面反射作用將電磁波從入射方向反射回去，當(dāng)入射波是線極化時，雷達(dá)接收到的同極化反射波的分量高，一般情況下其散射的同極化波比正交極化波大很多，去極化特性與艦船目標(biāo)相當(dāng)甚至更弱；另外，角反射體干擾的極化特性也與角反射體的姿態(tài)有關(guān)，其極化比分布于整個極化域，在某些角度下（如二面角的邊沿），角反射體具有較強(qiáng)的去極化特性，同時漂浮在海上的角反射體相對艦船較小，受海浪起伏等因素的影響更大，從而引起干擾極化特性的變化，此時角反射體干擾極化特征參數(shù)的穩(wěn)定性較艦船目標(biāo)差一些。

圖2 雷達(dá)跟蹤艦船和箔條干擾數(shù)據(jù)對比圖

圖3是一組角反射體干擾數(shù)據(jù)，此時干擾的去極化特性較弱，與艦船的極化參數(shù)取值較為相似，較難區(qū)分。

圖3 雷達(dá)跟蹤角反射體干擾數(shù)據(jù)圖

4.3 有源干擾

有源誘餌為提高干擾成功率，一般采用圓極化或斜極化的工作方式［5］，雷達(dá)用線極化進(jìn)行發(fā)射時，接收到的干擾信號共極化回波與交叉極化回波相當(dāng)，而艦船目標(biāo)的共極化回波比交叉極化回波要強(qiáng)。因此，通過共交極化比可區(qū)分有源干擾和艦船目標(biāo)。

圖4是雷達(dá)分別跟蹤有源干擾與艦船的數(shù)據(jù)，雷達(dá)跟蹤有源干擾與跟蹤艦船時的極化參數(shù)差異顯著。

5 仿真識別結(jié)果

基于典型干擾與艦船目標(biāo)在極化域的特征差異，可以有針對性的制定末制導(dǎo)雷達(dá)抗干擾措施。針對不同的干擾類型，通過對外場數(shù)據(jù)的處理和分析，給出了高速數(shù)據(jù)仿真的極化識別結(jié)果，下面分別對不同干擾情況下的原始回波數(shù)據(jù)和極化處理后數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析。

圖4 雷達(dá)跟蹤艦船和有源干擾數(shù)據(jù)對比圖

5.1 箔條干擾

質(zhì)心箔條施放后，箔條與艦船在多普勒和距離向重合，干擾與目標(biāo)成為混合體，從時、頻域較難區(qū)分。采用極化濾波方式進(jìn)行處理后，箔條干擾象素點(diǎn)被剔除，報(bào)出混合體中目標(biāo)位置的點(diǎn)。原始回波及極化識別結(jié)果見圖5。

圖5 質(zhì)心箔條與艦船混合體原始回波及極化識別結(jié)果

沖淡箔條干擾施放后形成多個假目標(biāo)干擾，如果達(dá)到雷達(dá)目標(biāo)檢測門限，時頻域判別后容易造成誤識別，但此時干擾的極化特征與艦船有所差別。圖6所示數(shù)據(jù)通過多幀極化濾波可以將箔條干擾剔除。

圖6 沖淡箔條極化識別結(jié)果

5.2 角反射體干擾

上文在角反射體與艦船目標(biāo)的極化特征差異論述中分析過，由于角反射體干擾與艦船的極化參數(shù)取值較為相似，較難區(qū)分。但在末制導(dǎo)雷達(dá)抗干擾數(shù)據(jù)處理中，對角反射體干擾回波的極化信息進(jìn)行數(shù)據(jù)識別算法改進(jìn)，仍可以對角反射體干擾進(jìn)行識別。圖7給出了中數(shù)據(jù)識別算法改進(jìn)前后的識別結(jié)果對比，圖中縱坐標(biāo)代表屬性識別結(jié)果，7代表干擾，5代表疑似，3代表艦船，在改進(jìn)后的仿真結(jié)果中增加了9代表金屬角反射體干擾。從圖中可以看出，原始時頻域識別下將角反射體識別為干擾的概率很低，基本上報(bào)艦船屬性，而增加極化識別后，能夠?qū)⒔饘俳欠凑_識別為干擾。

5.3 有源干擾

有源干擾的時頻域特征與艦船相似，從時、頻域特征上看，轉(zhuǎn)發(fā)干擾與目標(biāo)較難區(qū)分，回波幅度一般較高，有時在距離或多普勒向進(jìn)行拖引，容易導(dǎo)致雷達(dá)跟錯目標(biāo)或抬高背景從而丟失目標(biāo)，影響目標(biāo)的正常檢測和跟蹤。利用極化檢測及極化識別處理后，能夠有效剔除有源干擾，留下艦船目標(biāo)點(diǎn)。圖8為有源干擾背景下原始回波與極化識別結(jié)果對比。

圖7 角反射體干擾原始識別與數(shù)據(jù)識別算法改進(jìn)對比圖

圖8 有源干擾背景下原始回波與極化識別結(jié)果對比圖

6 結(jié)語

末制導(dǎo)雷達(dá)抗干擾決策中，目標(biāo)散射信號中的極化信息同目標(biāo)回波的幅度、相位、頻率、波形等信息一樣，是非常有用的信息，它在抗有無源干擾、目標(biāo)信號濾波和增強(qiáng)、目標(biāo)檢測和目標(biāo)識別中有著巨大的潛力。極化參數(shù)是描述電磁波的重要參數(shù)之一，它描述了電磁波的矢量特征，不同目標(biāo)對入射電磁波的極化有不同的散射極化，本文通過不同干擾與艦船的極化特征差異對比可以得出，艦船目標(biāo)的去極化特性較弱，而其他典型干擾除角反射體去極化特性與艦船目標(biāo)差異較小外，均表現(xiàn)出與艦船目標(biāo)明顯的極化特征差異，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，采用雙極化處理能夠有效提高末制導(dǎo)雷達(dá)抗干擾能力。