全極化雷達(dá)抗拖曳式有源干擾技術(shù)

劉玉靜，蘇宏艷，楊彩霞，樊潤(rùn)東

（北京遙感設(shè)備研究所，北京 100191）

0 引言

面對(duì)復(fù)雜多變的作戰(zhàn)環(huán)境，雷達(dá)必須具有在惡劣戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下仍然能夠正常工作的能力。為了提升雷達(dá)的抗干擾性能，需從干擾本身的信號(hào)特征、釋放過(guò)程以及相應(yīng)的抵抗原理進(jìn)行研究，盡量減小甚至消除干擾所帶來(lái)的負(fù)面影響，使雷達(dá)能夠正常工作。現(xiàn)有的雷達(dá)大多是單極化狀態(tài)工作體制，針對(duì)有源干擾，主要是在時(shí)域、頻域、空域進(jìn)行對(duì)抗。而隨著數(shù)字射頻存儲(chǔ)器技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)生的有源干擾使得雷達(dá)在時(shí)域、頻域和空域都難以鑒別和抑制。極化抗干擾技術(shù)利用目標(biāo)、干擾的極化特征差異，對(duì)干擾進(jìn)行抑制，是制導(dǎo)雷達(dá)一種新的抗干擾的有力手段。充分利用極化雷達(dá)的優(yōu)勢(shì)，提高對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)跟蹤能力以及抗干擾能力，具有重要的研究意義。

近年來(lái)，隨著人們對(duì)目標(biāo)極化散射行為的本質(zhì)認(rèn)識(shí)日益加深，并且在極化捷變和分集技術(shù)的工程實(shí)現(xiàn)上取得了突破，有關(guān)極化信息在目標(biāo)極化檢測(cè)、干擾抑制、信號(hào)增強(qiáng)與濾波等方面的研究已有較多基礎(chǔ)，并正在逐漸成為熱門研究課題，尤其是極化濾波抗干擾方面。極化濾波是提高雷達(dá)抗干擾能力的一門新興技術(shù)，它是根據(jù)雷達(dá)目標(biāo)信號(hào)與干擾信號(hào)極化狀態(tài)之間的差別選擇發(fā)射或接收天線的極化狀態(tài)，或利用虛擬極化技術(shù)使干擾輸出最小，有用信號(hào)輸出最大，應(yīng)用前景廣闊。文獻(xiàn)［3］提出了虛擬極化適配的概念，從理論上解決了對(duì)穩(wěn)態(tài)目標(biāo)的極化測(cè)量問(wèn)題，并根據(jù)虛擬極化適配的原理提出了多凹口極化濾波和單凹口自適應(yīng)極化濾波等直接抑制干擾電磁波的抗干擾技術(shù)。當(dāng)干擾信號(hào)和有用信號(hào)在時(shí)域、頻域以及空域的狀態(tài)特征都很接近時(shí)，可以考慮利用干擾和信號(hào)在極化方面的差異，采用適當(dāng)?shù)男盘?hào)處理技術(shù)對(duì)其加以區(qū)分，從而達(dá)到有效抑制干擾、改善信號(hào)接收質(zhì)量的目的。

1 拖曳式誘餌有源干擾機(jī)理

拖曳式誘餌作為一種典型的非相干雙點(diǎn)源干擾，工作示意圖如圖1 所示，其干擾過(guò)程主要包括4 個(gè)階段：

圖1 拖曳式誘餌示意圖

1）機(jī)載雷達(dá)告警，釋放誘餌干擾

當(dāng)機(jī)載雷達(dá)告警器發(fā)現(xiàn)受到威脅時(shí)，載機(jī)釋放誘餌，通過(guò)截獲對(duì)方發(fā)射的信號(hào)，轉(zhuǎn)發(fā)或者應(yīng)答模式發(fā)射干擾信號(hào)。開(kāi)始階段，載機(jī)距離雷達(dá)較遠(yuǎn)，加之誘餌與載機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性基本一致，雷達(dá)無(wú)法從距離、速度和角度分辨出誘餌。

2）載機(jī)機(jī)動(dòng)，形成三角態(tài)勢(shì)

機(jī)動(dòng)的目的主要有兩個(gè)，一是避免載機(jī)與誘餌形成無(wú)效錐形區(qū)域，二是拉大了雷達(dá)與載機(jī)連線與雷達(dá)與誘餌連線之間的夾角，得到更好的角度欺騙效果。

3）夾角增大，導(dǎo)引頭被誘騙

隨著雷達(dá)與目標(biāo)的距離減小，夾角逐漸增大。由于拖曳式誘餌干擾信號(hào)的功率一般比目標(biāo)回波功率大，根據(jù)雙點(diǎn)源干擾的原則，雷達(dá)的跟蹤角將位于目標(biāo)與誘餌之間，且靠近功率較大的誘餌，隨著載機(jī)的機(jī)動(dòng)，載機(jī)將會(huì)向雷達(dá)波束的邊緣移動(dòng)。

4）載機(jī)逃離，精確打擊失效

當(dāng)目標(biāo)與誘餌之間的夾角大于雷達(dá)半波束寬度時(shí)，載機(jī)逃離雷達(dá)波束，僅留下拖曳式誘餌留在雷達(dá)波束內(nèi)，雷達(dá)丟失目標(biāo)，精確制導(dǎo)失敗。

接收天線截獲的威脅信號(hào)輸入信號(hào)接收機(jī)/處理器，其輸出再去控制干擾波形產(chǎn)生器，以產(chǎn)生各種最佳調(diào)頻、調(diào)幅或調(diào)相等調(diào)制的干擾波形，對(duì)付各種特定威脅雷達(dá)。技術(shù)產(chǎn)生器產(chǎn)生的射頻信號(hào)，經(jīng)轉(zhuǎn)換器變成光頻信號(hào)，然后由拖曳光纖送到誘餌飛行體上，在那里再轉(zhuǎn)換成微波射頻信號(hào)，經(jīng)末級(jí)功率放大后由發(fā)射天線輻射出去。如果接收器發(fā)生故障，接收天線的信號(hào)可直接經(jīng)獨(dú)立的寬帶轉(zhuǎn)發(fā)器輸入轉(zhuǎn)換器再經(jīng)光纖送到誘餌飛行體上，這時(shí)，誘餌僅是一個(gè)簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)發(fā)式誘餌。投放誘餌的時(shí)機(jī)和干擾發(fā)射裝置的控制，可由載機(jī)上雷達(dá)告警系統(tǒng)給出的指令啟動(dòng)。

2 極化抗拖曳式誘餌有源干擾

2.1 極化濾波與鑒別

有源干擾可分為壓制式噪聲干擾、假目標(biāo)干擾等幾個(gè)類別，尤其在多個(gè)假目標(biāo)干擾的環(huán)境下，為了能夠準(zhǔn)確識(shí)別目標(biāo)，獲取目標(biāo)的極化特征，需要先對(duì)多個(gè)目標(biāo)進(jìn)行鑒別。由于逼真假目標(biāo)與目標(biāo)特性相近，在時(shí)域、頻域很難進(jìn)行鑒別，研究目標(biāo)和干擾的極化鑒別技術(shù)，從極化域的角度分析目標(biāo)和干擾的差異，鑒別出真、假目標(biāo)，從而設(shè)計(jì)極化濾波器濾除有源干擾，增強(qiáng)目標(biāo)信號(hào)檢測(cè)概率。

有源壓制式干擾的判決，可以從時(shí)域或者頻域的角度進(jìn)行判斷，從時(shí)域和頻域均可以根據(jù)能量準(zhǔn)則來(lái)判斷有源壓制干擾的存在與否。當(dāng)回波信號(hào)的接收電平與平均噪聲電平的差值大于門限時(shí)，判斷存在有源壓制式干擾。針對(duì)有源假目標(biāo)干擾，尤其是多假目標(biāo)的場(chǎng)合，從時(shí)域和頻域均不能判斷檢測(cè)的峰值單元是真目標(biāo)或假目標(biāo)，此時(shí)需要從極化域?qū)φ婕倌繕?biāo)進(jìn)行判決。

假設(shè)雷達(dá)的2 個(gè)發(fā)射天線的極化方式為垂直極化和水平極化，接收天線同時(shí)也采用水平極化天線和垂直極化天線進(jìn)行接收目標(biāo)回波信號(hào)和干擾信號(hào)。對(duì)接收到的回波信號(hào)采用類似二元檢測(cè)的方式進(jìn)行極化鑒別，選擇Re( z)作為檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量，則判決表示式為：

式中，門限根據(jù)檢測(cè)需求設(shè)定，=[，，…，z]，z=[ z，z，…，z]，，，…，z分別表示每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的觀測(cè)統(tǒng)計(jì)量，為接收的信號(hào)統(tǒng)計(jì)量。

在完成壓制干擾和假目標(biāo)干擾鑒別之后，利用相干矩陣遞推算法自適應(yīng)地估計(jì)回波的極化狀態(tài)信息，分別對(duì)目標(biāo)和干擾信號(hào)參數(shù)進(jìn)行極化估計(jì)，設(shè)計(jì)相應(yīng)極化濾波器完成濾除干擾的信號(hào)處理。極化濾波的關(guān)鍵是獲取“最佳接收極化”，即確定極化接收通道間的加權(quán)系數(shù)，計(jì)算途徑包括均值估計(jì)、迭代計(jì)算等。極化濾波最為典型的應(yīng)用是通過(guò)極化對(duì)消實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)主瓣干擾的抑制。常見(jiàn)的雷達(dá)主瓣干擾包括隨隊(duì)式干擾、自衛(wèi)式干擾等，位于雷達(dá)天線探測(cè)目標(biāo)時(shí)的天線主波束內(nèi)，往往具有時(shí)域、頻域覆蓋目標(biāo)回波而空域與目標(biāo)無(wú)法區(qū)分的特點(diǎn)，傳統(tǒng)抗干擾措施難以奏效。

2.2 極化域抗干擾處理流程

從上述分析中，可以總結(jié)出針對(duì)光纖拖曳式誘餌有源干擾的極化處理流程，首先需要利用雙極化天線接收回波信號(hào)，并進(jìn)行下變頻和匹配濾波處理，再對(duì)有源干擾進(jìn)行基于多脈沖回波的時(shí)域估計(jì)，利用得到的極化參數(shù)估計(jì)值輸入極化鑒別器，鑒別出誘餌假目標(biāo)；利用得到的極化參數(shù)估計(jì)值設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的單凹口極化濾波器，對(duì)誘餌干擾進(jìn)行極化濾波，最終得到較高的信噪比，從而提高目標(biāo)的檢測(cè)性能。具體工作流程圖如圖2 所示。

圖2 極化信息處理流程

2.3 仿真校驗(yàn)

雷達(dá)采用水平垂直雙極化發(fā)射，水平垂直雙極化接收的同時(shí)雷達(dá)極化信息測(cè)量體制。假設(shè)誘餌入射角為，拖曳線長(zhǎng)度為，則誘餌到雷達(dá)的距離為：

式中，目標(biāo)距雷達(dá)距離為=500 m，目標(biāo)方位角、俯仰角設(shè)定為0°，輸入信噪比為SNR=0 dB，目標(biāo)極化散射矩陣如式（3）所示。拖曳式誘餌拖曳線長(zhǎng)度設(shè)定為=150 m，誘餌與雷達(dá)視線的夾角為=0.5°，誘餌干擾的干噪比JNR=10 dB，誘餌采用轉(zhuǎn)發(fā)式假目標(biāo)干擾的形式對(duì)雷達(dá)進(jìn)行干擾，干擾極化參數(shù)用極化角描述如式（4）所示。其它參數(shù)設(shè)置如表1 所示。

表1 計(jì)算機(jī)仿真參數(shù)設(shè)置

式中，表示目標(biāo)的極化；h表示干擾的極化。

圖3 為拖曳式誘餌極化濾波仿真結(jié)果，可以看出，存在拖曳式誘餌時(shí)，目標(biāo)所在距離單元為第133 個(gè)，誘餌所在距離單元為第173 個(gè)，此時(shí)需要對(duì)假目標(biāo)參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，進(jìn)而利用極化鑒別器對(duì)假目標(biāo)誘餌進(jìn)行鑒別，最后利用極化濾波器對(duì)假目標(biāo)進(jìn)行抑制從而獲得目標(biāo)的位置，角度等信息。在能夠比較精確估計(jì)誘餌的極化參數(shù)的前提下，能夠?qū)φT餌假目標(biāo)進(jìn)行有效的抑制，目標(biāo)能量得到了保持，在目標(biāo)與誘餌極化參數(shù)趨近正交的情況下，還會(huì)產(chǎn)生1～3 dB 的目標(biāo)信號(hào)增益，統(tǒng)計(jì)信干比提高了30 dB 以上，大幅度提高了目標(biāo)檢測(cè)性能。

圖3 拖曳式誘餌極化濾波

3 室內(nèi)半實(shí)物仿真校驗(yàn)

針對(duì)拖曳式誘餌有源干擾，進(jìn)行了室內(nèi)半實(shí)物仿真試驗(yàn)，并針對(duì)不同的干擾進(jìn)行了相應(yīng)的極化處理，得到了相應(yīng)的處理結(jié)果。

1）噪聲壓制干擾極化信號(hào)處理

目標(biāo)通過(guò)目標(biāo)模擬器上位機(jī)進(jìn)行設(shè)置，目標(biāo)位置位于900 m。噪聲壓制干擾通過(guò)干擾機(jī)上位機(jī)進(jìn)行設(shè)置，噪聲功率設(shè)置-20 dB，噪聲帶寬為20 MHz。將目標(biāo)信號(hào)通過(guò)垂直極化喇叭饋出，干擾信號(hào)通過(guò)45°線極化喇叭饋出，主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭采用分時(shí)極化工作體制，接收目標(biāo)和干擾機(jī)信號(hào)。處理結(jié)果如圖4—6 所示

圖4 信號(hào)脈壓相參積累

通過(guò)圖4 和圖5 可以看出，利用目標(biāo)與噪聲之間的極化差異，設(shè)計(jì)相應(yīng)極化濾波器，能夠檢測(cè)出淹沒(méi)在噪聲中的目標(biāo)，目標(biāo)位于第31 個(gè)距離單元。通過(guò)圖6 可以看出，極化濾波處理可達(dá)到將近30 dB 的干擾抑制。

圖5 極化濾波處理

圖6 極化濾波處理（一維距離向）

2）獨(dú)立假目標(biāo)干擾極化信號(hào)處理

目標(biāo)通過(guò)目標(biāo)模擬器上位機(jī)進(jìn)行設(shè)置，目標(biāo)位置位于900 m。獨(dú)立假目標(biāo)干擾通過(guò)干擾機(jī)上位機(jī)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置干信比為10 dB，假目標(biāo)位置為1 050 m 處。將目標(biāo)信號(hào)通過(guò)垂直極化喇叭饋出，干擾信號(hào)通過(guò)45°線極化喇叭饋出，主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭采用分時(shí)極化工作體制，接收目標(biāo)和干擾機(jī)信號(hào)。

通過(guò)對(duì)目標(biāo)和干擾信號(hào)的極化相角和幅角估計(jì)，進(jìn)行極化鑒別處理，判斷真假目標(biāo)，并針對(duì)假目標(biāo)設(shè)計(jì)極化濾波器，圖7 為極化濾波處理前后的一維距離像結(jié)果，從圖中可以看出，經(jīng)過(guò)極化濾波處理，可以將假目標(biāo)濾除，剩余真目標(biāo)信息，干信比提升30 dB 左右，有利于目標(biāo)檢測(cè)。

圖7 極化濾波處理（一維距離向）

3）陣列假目標(biāo)干擾極化信號(hào)處理

目標(biāo)通過(guò)目標(biāo)模擬器上位機(jī)進(jìn)行設(shè)置，目標(biāo)位置位于900 m。陣列假目標(biāo)干擾通過(guò)干擾機(jī)上位機(jī)進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置干信比為10 dB，假目標(biāo)個(gè)數(shù)為40 個(gè)，起始距離150 m，終止距離2 000 m。將目標(biāo)信號(hào)通過(guò)垂直極化喇叭饋出，干擾信號(hào)通過(guò)45°線極化喇叭饋出，主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭采用分時(shí)極化工作體制，接收目標(biāo)和干擾機(jī)信號(hào)。

圖8 和圖9 給出目標(biāo)和混有陣列假目標(biāo)的回波信號(hào)進(jìn)行脈壓和相參積累之后的結(jié)果，從圖中可以看出，目標(biāo)完全被陣列假目標(biāo)淹沒(méi)，在時(shí)頻域無(wú)法區(qū)分檢測(cè)。通過(guò)極化參數(shù)估計(jì)與極化鑒別后，進(jìn)行極化濾波處理，能夠有效抑制陣列假目標(biāo)信號(hào)。由于陣列假目標(biāo)信號(hào)是通過(guò)一個(gè)喇叭空饋，因此認(rèn)為所有假目標(biāo)信號(hào)的極化特征相同，如果多假目標(biāo)是通過(guò)不同極化喇叭空饋時(shí)，可逐一對(duì)多假目標(biāo)設(shè)計(jì)相應(yīng)極化濾波器濾除干擾信號(hào)。

圖8 陣列假目標(biāo)相參積累

圖9 極化濾波處理（一維距離向）

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于極化濾波處理的抗拖曳式有源干擾方法，首先在分析拖曳式有源干擾機(jī)理的基礎(chǔ)上，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證了其對(duì)目標(biāo)檢測(cè)的影響，進(jìn)一步利用極化參數(shù)估計(jì)得到誘餌的極化參數(shù)，在輸入干噪比5 dB 以上時(shí)，估計(jì)結(jié)果較為精確，能夠做為下一步極化鑒別和極化濾波的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，然后進(jìn)行了室內(nèi)半實(shí)物仿真，對(duì)噪聲壓制干擾和假目標(biāo)干擾設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的單凹口極化濾波器進(jìn)行極化抑制，抑制效果達(dá)到30 dB。