極化分集干擾分析及驗證試驗

戴幻堯，王建路，周 瑞，石 川

（1.中國人民解放軍63892 部隊，河南 洛陽 471003；2.空軍航空大學，吉林 長春 130022）

0 引言

單脈沖技術在精確制導武器中的應用已非常廣泛，為了與之對抗，美軍在空軍、海軍多個型號裝備上部署了具備交叉極化干擾能力的電子對抗裝備，例如F-16CD Block60 吊艙、艦載電子戰(zhàn)系統(tǒng)APECS-II、SLQ-32（V）電子戰(zhàn)系統(tǒng)等等。美軍的APECS-II 艦載電子戰(zhàn)系統(tǒng), 具有自適應交叉極化干擾功能，具有噪聲/欺騙多種干擾波形，采用了相控陣多波束天線，可覆蓋方位360°和高低角30°的范圍，它以脈沖和連續(xù)波方式輻射大功率干擾，可同時對付16 個目標，與以前的相控陣天線相比，此系統(tǒng)可實現(xiàn)變極化（專門對付單脈沖威脅源），能對付多種復雜信號，是世界上第1 部以交叉極化干擾為主要手段、以單脈沖主動雷達導引頭為作戰(zhàn)對象的電子干擾（ECM）系統(tǒng)。該系統(tǒng)已經(jīng)出口了包括葡萄牙、荷蘭、希臘、巴基斯坦等在內(nèi)的多個國家，美國海軍的SLQ-32(V)電子戰(zhàn)系統(tǒng)，法國的ARBB33 干擾機和以色列的SEWS 電子戰(zhàn)系統(tǒng)也采用了類似技術。美軍新一代干擾機AN/ALQ-249 也具備極化分集能力。極化分集干擾技術屬于一種智能的干擾樣式和技術，對雷達系統(tǒng)會產(chǎn)生全程、不同效果的干擾威脅。本文在分析極化分集干擾的基礎上，測量了典型單脈沖雷達和差波束天線方向圖的正交極化分量。為了給后續(xù)的工程研究打下基礎，通過極化分集干擾的等效替代試驗證實了這種干擾技術的有效性。

1 極化分集干擾原理及裝備情況

早在1967 年，美國國家航空和航天局（NASA）建立的航天測控和數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡（STADAN）在使用固定單極化天線對地球軌道衛(wèi)星進行跟蹤時，就發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星姿態(tài)變化導致的極化失配會嚴重破壞自動跟蹤系統(tǒng)，這種現(xiàn)象出現(xiàn)的時間占衛(wèi)星通過觀測區(qū)域總時間的22%。蘇聯(lián)也發(fā)現(xiàn)了單脈沖雷達天線的方向圖具有復雜的極化結構，并且測角精度容易受到通道一致性、目標的去極化作用、多徑散射造成的去極化等因素的影響，并根據(jù)單脈沖雷達天線的這種固有屬性設計了交叉極化干擾樣式，但是沒有披露詳細的技術細節(jié)。2010 年，美國空軍實驗室對某X 波段雷達導引頭在交叉極化干擾條件下的定向性能進行了大量的微波暗室實驗，實驗結果表明極化干擾具有非常好的干擾效果，圖1 為暗室測量試驗的場景照片，但是沒有詳細的試驗細節(jié)公布。在最新一版的美國《應對新一代威脅的電子戰(zhàn)》一書中，變極化干擾被歸結為下一代雷達干擾技術。

圖1 美國空軍實驗室試驗的場景

交叉極化干擾機試圖在差通道中產(chǎn)生一個交叉極化分量，該分量相對于雷達極化分量更大，從而使得誤差達到或超過雷達波束寬度的一半。交叉極化利用了單脈沖天線的固有缺陷，圖2 顯示了干擾機對交叉極化信號的響應與共極化信號的響應，可以看出顯著的差異：交叉極化和波束在視軸方向上為零陷，此外還有一個高于共極化波束的旁瓣結構。相反，差交叉極化波束在視軸方向具有最大值。如果交叉極化干擾機功率足夠大（干信比為30 dB），則單脈沖跟蹤雷達接收到的交叉極化分量比同極化分量強。這將使得單脈沖跟蹤雷達跟蹤采用交叉極化的干擾信號，從而遠離目標，單脈沖跟蹤雷達跟蹤采用交叉極化的干擾信號情況如圖3 所示。美海軍的極化分集干擾裝備應用情況如圖4 所示。

圖2 交叉極化干擾機對交叉極化與共極化信號的響應

圖3 單脈沖跟蹤雷達跟蹤使用交叉極化的干擾信號情況

圖4 美海軍的極化分集干擾裝備應用情況

RAVEN 電子對抗系統(tǒng)是一款由洛克希德·馬丁加拿大公司研制的水面艦艇電子對抗系統(tǒng)，使用交叉極化的欺騙、噪聲和復合干擾，以干擾敵對勢力對電磁頻譜的利用。

RAVEN 為所有海軍平臺提供360°的反艦導彈(ASMD)自我保護，并具有高度可擴展性，俯仰覆蓋為-30°～+60°。RAVEN 由一組極化可操控的中/高頻天線(6～18 GHz)組成，可選擇低頻或甚高頻。RAVEN 基于RAMSES(可重編程的高級多模式艦載電子對抗系統(tǒng))的現(xiàn)代改進技術，DRFM 瞬時帶寬為2 GHz、中心頻率精度為1 MHz。RAVEN 采用開放架構，升級更加便捷，以適應現(xiàn)代威脅。與傳統(tǒng)的雷達干擾機不同，RAVEN 使用先進的射頻和脈沖重復間隔（PRI）預測技術，能夠?qū)κ褂枚喾N復雜PRI 和射頻捷變模式的現(xiàn)代雷達系統(tǒng)，產(chǎn)生超前和滯后的假目標。對各種雷達系統(tǒng)和雷達制導導彈，RAVEN 可產(chǎn)生欺騙和遮蔽對抗信號。RAVEN 實現(xiàn)了片上系統(tǒng)(SoC)技術，應用于特殊模式技術、軟殺傷評估和天線穩(wěn)定和控制技術。SoC 設計是高度模塊化的，易于適應各種天線組件和船舶穩(wěn)定接口。

據(jù)最新報道，美國雷聲公司下一代干擾機（NGJ）具備智能、變極化干擾能力，并已完成飛行試驗。該系統(tǒng)為吊艙形式，其中最重要的技術是有源電子掃描陣列（AESA）。AESA 帶寬非常寬，采用瓦片式T/R組件，包含T 支路的高效高功率GaN 放大器和R 支路的低噪聲放大器，2 個支路都包含移相器和增益控制元件。雙極化孔徑元件使系統(tǒng)極化可以選擇。陣列包含與FIRES 軟件定義接收器/技術生成器單元(SDREU)進行通信的數(shù)字控制器，并向每個模塊發(fā)送數(shù)字信號，設置控制AESA 波束（波束指向角，極化，頻率等）的參數(shù)。交叉極化技術AESA 使得該干擾系統(tǒng)具有了多極化、變極化干擾的能力。2016 年10 月27 日，NGJ 在飛行中進行了極化分集的驗證，RMR 在測試范圍內(nèi)對所接收的極化數(shù)據(jù)進行測量和記錄。7次飛行性能試驗中，發(fā)射線極化的角度分別為15°,30°,45°,60°,75°,90°。 在 飛 機 飛 行 期 間 ，AESA 從+45～-45進行指向角度掃描。數(shù)據(jù)還通過開放式四邊形四角形喇叭和一組頻譜儀進行采集。后面，下一代干擾機還開展了多次性能試驗。

2 極化分集干擾技術

控制干擾信號極化的手段常有2 種：一是在天線口面加裝極化天線罩的無源手段，這不便于用于機載電子自衛(wèi)對抗系統(tǒng)。因為隨著飛機的運動，交叉極化干擾的極化形式必須實時地與接收到的雷達極化特性保持正交，而無源控制極化的方法無法保證實時變極化的要求。第二種是通過給一對正交雙極化的天線饋入相干信號，控制2 個信號的幅度和相位來實現(xiàn)，技術方案如圖5 所示。圖中，一對正交極化天線接收雷達信號，通過正交極化接收、反向極化變換轉(zhuǎn)發(fā)來實現(xiàn)自適應交叉極化干擾，反向結構設計和反向交叉眼的前端結構設計類似，發(fā)射和接收有一個180°的相位反相。交叉極化干擾可以采用噪聲類型干擾，也可以采用復制轉(zhuǎn)發(fā)類干擾信號(相干)，也使用重復噪聲(基于DRFM 的相干噪聲調(diào)制)。

圖5 基于轉(zhuǎn)發(fā)干擾的結構

雙通道反向轉(zhuǎn)發(fā)產(chǎn)生正交極化的必要條件是：2個通道在轉(zhuǎn)發(fā)過程中增益保持一致，相位差反相，相差180°。因為行波管屬于非線性器件，難以保證幅度的一致性和相位的穩(wěn)定性，所以多年來工程化一直難以實現(xiàn)。但隨著固態(tài)功率放大器技術水平的不斷提高，在不同頻段上可以采用相應頻段的功放，其線性放大特性得以保證一致，此外，隨著數(shù)字儲頻技術、收發(fā)隔離技術的不斷發(fā)展，干擾機不僅可以做到收發(fā)分時工作，通過特殊設計還可以實現(xiàn)收發(fā)同時工作，這就使轉(zhuǎn)發(fā)式交叉極化干擾具備了工程實現(xiàn)的可能。

基于極化變換轉(zhuǎn)發(fā)原理的自適應交叉極化干擾，可以自適應地生成與之極化正交的干擾信號，省卻了極化估計的環(huán)節(jié)，通過收發(fā)分時/同時工作、功率放大、數(shù)字射頻存儲并轉(zhuǎn)發(fā)給雷達，使單脈沖雷達形成錯誤的角度測量信息，能夠有效地掩蓋真實目標所在空間位置。

3 極化分集干擾的等效替代試驗

對某單脈沖雷達樣機開展天線方向圖的正交雙極化測量實驗和干擾實驗。實驗數(shù)據(jù)分析表明，交叉極化方向圖與主極化方向圖的幅度結構基本一致，比主極化的水平低30 dB，如圖6 所示。

圖6 主極化和交叉極化的方向圖

考慮天線的相位特性后，根據(jù)實測數(shù)據(jù)得到了俯仰向的角度鑒別曲線,如圖7 所示。角度鑒別曲線的實測結果在線性區(qū)間性能良好，主極化和交叉極化的結構類似，斜率接近，差異較小，交叉極化的角度鑒別曲線平坦度比如主極化，存在明顯起伏。方位向的角度鑒別曲線，在線性區(qū)間性能良好，主極化和交叉極化的結構類似，斜率相反。交叉極化的角度鑒別曲線平坦度比如主極化，存在明顯起伏。

圖7 主、交叉極化的角度鑒別曲線

圖8 給出了兩種不同干信比條件下雷達角度測量輸出結果，從圖8（a）可以看出，在無干擾條件下，目標基本位于中心方位，方位和俯仰測量值基本是0，有微小的起伏，關掉目標源后，角度量測值完全是噪聲，此時角度輸出值是無效值；當切換為交叉極化干擾后，角度輸出值發(fā)生很大變化，方位和俯仰測量值不再是0°方向，方位輸出在-1°～-2°之間起伏變化，俯仰值是+1°起伏變化。將干信比提高到情況2，從圖8（b）可以看出，角度輸出值發(fā)生很大變化，方位和俯仰測量值不再是0°方向，方位輸出在-3°～-4°之間起伏變化，俯仰值是-1°起伏變化。上述結果說明了交叉極化干擾的有效性。

圖8 干擾加載后雷達樣機的方位通道俯仰通道輸出

4 結束語

極化分集干擾的實質(zhì)是對干擾信號進行極化域調(diào)制，可以是實時跟蹤雷達極化變化的“極化瞄準”干擾，也可以是和雷達完全正交的“交叉極化”信號，也可以是按一定時序變化的“極化切換”干擾，或是類似噪聲的“隨機極化”干擾。極化分集干擾拓寬了干擾樣式變化的維度，從時域、空域、頻域、能量域四個維度拓展到了時、空、頻、能量、極化域五個維度。如果雷達對抗系統(tǒng)具備極化域測量和極化調(diào)制干擾能力，就能夠利用雷達的某些特性或者缺陷，有望取得顯著的干擾效果。