一種基于反向陣的多點(diǎn)源交叉眼干擾實(shí)現(xiàn)方法

王寒冰，干 鵬，程浩岳，湯永浩，胡航瑋

（1.中國航天科工集團(tuán)8511 研究所，江蘇 南京 210007； 2.北京機(jī)電工程研究所，北京 100074）

0 引言

交叉眼干擾技術(shù)用于對單脈沖雷達(dá)實(shí)施角度欺騙干擾［1-4］，通過發(fā)射兩路或多路幅度近似相等、相位相差180°的干擾信號(hào)，可使單脈沖雷達(dá)產(chǎn)生錯(cuò)誤的目標(biāo)角度信息，迫使單脈沖雷達(dá)跟蹤波束指向偏離被保護(hù)的飛機(jī)、艦船等平臺(tái)本身，無法準(zhǔn)確跟蹤真實(shí)目標(biāo)，甚至可造成單脈沖雷達(dá)跟蹤環(huán)路失鎖，從而起到電子防護(hù)作用。

傳統(tǒng)兩點(diǎn)源交叉眼干擾技術(shù)要想獲得良好的干擾效果，要求發(fā)射的兩路干擾信號(hào)在單脈沖雷達(dá)接收天線口面必須具有嚴(yán)格的相位差180°。但在實(shí)際應(yīng)用中，交叉眼干擾設(shè)備所搭載平臺(tái)的振動(dòng)、搖擺等因素，必定會(huì)對干擾信號(hào)的傳輸路徑產(chǎn)生影響，造成傳輸路徑誤差，從而導(dǎo)致相應(yīng)的相位誤差，因此無法時(shí)刻保證兩路干擾信號(hào)在單脈沖雷達(dá)接收天線口面處相位相差180°，這一直是交叉眼干擾技術(shù)實(shí)際應(yīng)用的一大難題［5-8］。后來，國外學(xué)者提出將反向天線應(yīng)用于交叉眼干擾技術(shù)中，反向天線結(jié)構(gòu)可自補(bǔ)償干擾環(huán)路中由路徑差、平臺(tái)振動(dòng)等因素引入的相位差，從而在不考慮內(nèi)部電路傳輸路徑誤差情況下，保證兩路干擾信號(hào)在雷達(dá)接收天線口面處相位相差180°，但該交叉眼干擾方法仍面臨系統(tǒng)參數(shù)要求嚴(yán)格等問題。

近年來，基于反向陣的多點(diǎn)源交叉眼干擾技術(shù)得到了各國學(xué)者的廣泛關(guān)注與研究［9-15］，該技術(shù)通過將多個(gè)反向交叉眼干擾機(jī)布置在空間上，形成了多環(huán)路組合，可有效提升干擾誤差角度。與兩點(diǎn)源反向交叉眼技術(shù)相比，基于反向陣的多點(diǎn)源交叉眼干擾技術(shù)具有更高的系統(tǒng)自由度，系統(tǒng)參數(shù)容限更加寬松。然而，基于反向陣的多點(diǎn)源交叉眼干擾技術(shù)還處于理論研究階段，在研發(fā)和實(shí)際應(yīng)用方面存在著收發(fā)隔離度差、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等諸多難點(diǎn)。

本文提出了一種基于反向陣的多點(diǎn)源交叉眼干擾實(shí)現(xiàn)方法，與兩點(diǎn)源交叉眼干擾技術(shù)相比，該方法采用多單元反向天線陣列，一方面提高了交叉眼干擾系統(tǒng)自由度，降低了系統(tǒng)對干擾信號(hào)幅度和相位的控制精度要求；另一方面利用反向天線陣列的方向自回溯特性，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)彌補(bǔ)波程差引起的相位差，無需估計(jì)來波方向，即可保證兩路干擾信號(hào)在單脈沖雷達(dá)接收天線口面的相位差為180°。同時(shí)，本方法采用收發(fā)分開的2 個(gè)天線陣列，收發(fā)隔離度好，可實(shí)現(xiàn)同時(shí)收發(fā)，且降低了干擾環(huán)路的設(shè)計(jì)復(fù)雜度，易于工程實(shí)現(xiàn)。

1 基于反向陣的多點(diǎn)源交叉眼干擾理論分析

以對抗比幅單脈沖雷達(dá)為例，干擾場景如圖1 所示，左側(cè)為單脈沖雷達(dá)，右側(cè)為多點(diǎn)源反向交叉眼干擾系統(tǒng)，R為雷達(dá)天線中心與干擾機(jī)天線陣列中心的距離，θr為雷達(dá)視軸相對于干擾機(jī)中心的轉(zhuǎn)角，θc為干擾機(jī)相對雷達(dá)中心的轉(zhuǎn)角，θe為干擾機(jī)天線陣列相對雷達(dá)視線的半張角。

圖1 比幅單脈沖雷達(dá)干擾場景

多點(diǎn)源反向交叉眼干擾系統(tǒng)的天線陣列為由N個(gè)相同的天線陣元（N為偶數(shù)）組成的均勻線性Van Atta 陣列，如圖2 所示，總長度為D，陣元間距為dc。天線陣元1 與N互為一組收發(fā)天線對，被稱為干擾環(huán)路1，天線陣元2 與N-1 組成干擾環(huán)路2，以此類推，天線陣元n與N-n+1 組成干擾環(huán)路n，總共組成N/2 個(gè)干擾環(huán)路。天線陣元n接收的雷達(dá)信號(hào)經(jīng)過調(diào)制后產(chǎn)生干擾信號(hào)，并送至天線陣元N-n+1 輻射；同理，天線陣元N-n+1 接收的雷達(dá)信號(hào)經(jīng)過調(diào)制后產(chǎn)生干擾信號(hào)，送至天線陣元n輻射。為保證天線陣列的反向結(jié)構(gòu)，每個(gè)干擾環(huán)路的饋線長度應(yīng)相等。

假設(shè)干擾環(huán)路n中，2 個(gè)干擾信號(hào)的幅度比為an，相位差為Δ?n，且不同干擾環(huán)路之間的傳輸路徑差已被精確補(bǔ)償。在遠(yuǎn)場條件下，考慮到干擾環(huán)路n相對于雷達(dá)視線的半張角θn很小，θn≈θe，則單脈沖雷達(dá)的和通道與差通道的信號(hào)輸出可分別表示為：

式中，PΣ(θ)和PΔ(θ)分別為單脈沖雷達(dá)和通道與差通道的方向圖增益，Pc(θ)為干擾天線單元的方向圖增益。

比幅單脈沖測角系統(tǒng)用和通道接收的信號(hào)歸一化差通道接收的信號(hào)，并取歸一化后信號(hào)的實(shí)部，可得到單脈沖比為：

根據(jù)文獻(xiàn)［16］中的結(jié)論，單脈沖測角結(jié)果θi與單脈沖比MJ為線性關(guān)系，可表示為：

通過進(jìn)一步對和差通道的天線方向圖做泰勒級數(shù)展開和近似，單脈沖測角結(jié)果可以近似表達(dá)為：

式中，Gcj為交叉眼干擾增益，表達(dá)式為：

由式（5）可知，當(dāng)干擾系統(tǒng)天線基線長度確定，即θe固定后，單脈沖雷達(dá)測角誤差的決定因素為交叉眼干擾增益Gcj。根據(jù)式（6）可知，理論上當(dāng)式（7）—（8）成立時(shí)，交叉眼干擾增益Gcj最大，即單脈沖雷達(dá)測角誤差最大。

另外，通過式（7）可以看出，為獲得最大干擾增益，多點(diǎn)源交叉眼干擾環(huán)路的幅度比無需按照兩點(diǎn)源的情況（幅度比為1，即0 dB）設(shè)計(jì)，因此參數(shù)容限要求更寬松，即對幅度控制精度要求更低，具體分析見下文3.1 小節(jié)。

2 實(shí)現(xiàn)方法

在實(shí)際應(yīng)用中，若每個(gè)干擾環(huán)路的一對陣元天線均用來接收和發(fā)射，則一般采用如圖3 所示的選通電路，該干擾環(huán)路包含了放大轉(zhuǎn)發(fā)器、移相器和環(huán)形器等部分，設(shè)計(jì)較復(fù)雜。另一方面，由于每個(gè)天線利用環(huán)形器收發(fā)切換工作，因此無法保證收發(fā)同時(shí)，可能導(dǎo)致一對陣元天線均無法接收完整雷達(dá)脈沖信號(hào)，或跨脈沖周期接收雷達(dá)信號(hào)，針對脈寬較寬或采用脈間捷變的雷達(dá)，干擾效能將受影響。

圖3 典型干擾環(huán)路選通電路

本節(jié)提出一種基于反向陣的多點(diǎn)源交叉眼干擾實(shí)現(xiàn)方法，可實(shí)現(xiàn)同時(shí)收發(fā)，且降低干擾環(huán)路設(shè)計(jì)復(fù)雜度。

反向天線陣列采用2 個(gè)平行的線陣，分別記為線陣A和線陣B，如圖4 所示。線陣A和線陣B的陣元數(shù)均為N，N為偶數(shù)且N≥4；線陣A用于接收雷達(dá)信號(hào)，線陣B用于發(fā)射干擾信號(hào)；線陣A由間隔距離L的子陣A1 和子陣A2 組成，A1 和A2 都是以d0為間隔的均勻陣，且天線單元個(gè)數(shù)均為N/2，其中d0一般取值為最大工作頻點(diǎn)對應(yīng)的半波長，以避免出現(xiàn)干擾波束柵瓣，使干擾主瓣增益降低；線陣B由子陣B1 和子陣B2 組成，陣元分布情況與線陣A相同，在垂直方向與線陣A間隔l0。

圖4 反向天線陣列示意圖

線陣A與線陣B中各個(gè)陣元的交聯(lián)關(guān)系如圖5 所示，線陣A中第1， 2， …，N/2 個(gè)陣元（即子陣A1）接收到雷達(dá)信號(hào)后，分別輸送至干擾環(huán)路1， 2， …，N/2進(jìn)行相位調(diào)制和幅度調(diào)制，產(chǎn)生前N/2 路干擾信號(hào)，再將各路干擾信號(hào)將分別送至線陣B中第N，N-1，…，N/2+1 個(gè)陣元（即子陣B2）輻射出去。同理，線陣A中第N/2+1，N/2+2， …，N個(gè)陣元（即子陣A2）接收到雷達(dá)信號(hào)，經(jīng)干擾環(huán)路N/2+1，N/2+2，…，N調(diào)制后，所產(chǎn)生的后N/2 路干擾信號(hào)由線陣B中第N/2，N/2-1， …， 1 個(gè)陣元（即子陣B1）輻射出去，從而完成干擾信號(hào)的發(fā)射。

圖5 陣列A 與陣列B 中各個(gè)陣元交聯(lián)關(guān)系示意圖

干擾環(huán)路主要由移相器和放大轉(zhuǎn)發(fā)器等部分組成，如圖6 所示，用于精確控制每個(gè)干擾環(huán)路中對雷達(dá)信號(hào)的相位調(diào)制量和幅度調(diào)制量。 干擾環(huán)路1， 2， …，N/2 分別和干擾環(huán)路N，N-1， …，N/2+1構(gòu)成干擾環(huán)路對，通過幅相調(diào)制，使每個(gè)干擾環(huán)路對中的2 個(gè)干擾信號(hào)均具有適當(dāng)?shù)南辔徊詈头缺?，可保證單脈沖雷達(dá)產(chǎn)生較大的測角誤差，即獲得良好的干擾效果。

圖6 干擾環(huán)路組成示意圖

3 仿真實(shí)驗(yàn)

本節(jié)通過仿真實(shí)驗(yàn)分析基于反向陣的多點(diǎn)源交叉眼干擾系統(tǒng)參數(shù)容限和干擾效能。仿真中，假設(shè)線陣A和線陣B的陣元數(shù)為4，陣元間距d0=0.015 m，線陣A和線陣B的垂直間隔l0=0.25 m，子陣A1 和子陣B1 分別與子陣A2 和子陣B2 間隔5 m。單脈沖雷達(dá)的工作頻率為10 GHz，其與干擾機(jī)相距5 km，以單脈沖雷達(dá)為視角，干擾機(jī)的角度方向與單脈沖雷達(dá)跟蹤波束中心指向相差2°。

3.1 系統(tǒng)參數(shù)容限分析

不考慮平臺(tái)回波，兩點(diǎn)源反向交叉眼干擾增益等高線如圖7 所示，實(shí)際等高線關(guān)于幅度比a=0 dB 對稱，為簡單起見，這里省去了幅度比a＞0 dB 時(shí)對應(yīng)的等高線；基于反向陣的多點(diǎn)源交叉眼干擾增益等高線如圖8 所示，考慮了干擾環(huán)路1 幅度比a1和相位差Δ?1分別取不同值。對比圖7 和圖8 可看出，在相同干擾增益條件下，基于反向陣的多點(diǎn)源交叉眼干擾對應(yīng)的等高線范圍明顯大于兩點(diǎn)源反向交叉眼干擾對應(yīng)的等高線范圍，因此基于反向陣的多點(diǎn)源交叉眼干擾可允許系統(tǒng)參數(shù)在更大范圍內(nèi)取值，即對幅度和相位控制精度要求更低。

圖7 傳統(tǒng)兩點(diǎn)源交叉眼干擾增益等高線

圖8 基于反向陣的多點(diǎn)源交叉眼干擾增益等高線

3.2 干擾效能

考慮干擾環(huán)路1 中幅度比a1=-0.4 dB 且相位差Δ?1=180°；干擾環(huán)路2 中幅度比a2取值范圍為[ -2 dB， 2 dB]，相位差Δ?2取值范圍為[175°， 185°]，同時(shí)考慮平臺(tái)回波，則對單脈沖雷達(dá)實(shí)施交叉眼干擾時(shí)，單脈沖雷達(dá)的實(shí)際測角結(jié)果如圖9 所示。可以看出，Δ?2越接近180°，單脈沖雷達(dá)的實(shí)際測角結(jié)果與目標(biāo)真實(shí)角度偏差越大；Δ?2為180°時(shí)，a取值在和區(qū)間內(nèi)，可使得單脈沖雷達(dá)測角誤差大于3°。

圖9 理想幅度比和相位差下的單脈沖測角結(jié)果

現(xiàn)考慮相位差存在1°以內(nèi)的誤差，幅度比an存在0.1 dB 以內(nèi)的誤差，令Δ?n和an分別在區(qū)間[179°，181°]和[ -0.1 dB，0.1 dB]內(nèi)服從均勻分布，則當(dāng)干擾機(jī)與單脈沖雷達(dá)的干擾距離不同時(shí)，單脈沖雷達(dá)測角誤差如圖10 所示?？梢钥闯觯蓴_距離在8 km 以內(nèi)時(shí)，單脈沖雷達(dá)的測角誤差不小于1°，且隨著干擾距離縮短，單脈沖雷達(dá)的測角誤差增大。因此，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文所提實(shí)現(xiàn)方法能對單脈沖雷達(dá)測角系統(tǒng)造成嚴(yán)重測角偏差。

圖10 存在幅相調(diào)制誤差時(shí)單脈沖測角誤差

4 結(jié)束語

本文介紹了基于反向陣的多點(diǎn)源交叉眼干擾理論，并提出一種實(shí)現(xiàn)方法。通過采用2 個(gè)分置的天線陣列，分別用于接收雷達(dá)信號(hào)和發(fā)射干擾信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)收發(fā)同時(shí)，提升干擾效能；同時(shí)降低了干擾環(huán)路的設(shè)計(jì)復(fù)雜度，利于工程實(shí)現(xiàn)。仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，通過在適當(dāng)區(qū)間內(nèi)調(diào)制每個(gè)干擾環(huán)路對中2 個(gè)干擾信號(hào)的相位差和幅度比，該方法能對單脈沖雷達(dá)測角系統(tǒng)造成嚴(yán)重測角偏差，同時(shí)可允許干擾信號(hào)存在一定的幅度和相位調(diào)制誤差。