一種雙極化單脈沖被動雷達實現方案

宋立眾 喬曉林

（哈爾濱工業大學（威海），山東 威海 264209）

引 言

反輻射導彈是一種重要的反雷達技術，在現代戰爭中發揮著極為關鍵的作用，因此它已成為各國競相研制的主要作戰武器之一。目前比較常用的反輻射導彈有美國的“哈姆”、“默虹”和先進反輻射制導導彈（AARGM）、英國的“阿拉姆”、法國的“阿瑪特”以及俄羅斯的 AS－12等［1－5］。被動雷達導引頭是反輻射導彈的關鍵技術之一，它具有隱蔽性好、抗干擾能力強等優點，因此在現代戰爭中備受青睞［6］。現代戰爭要求被動雷達導引頭具有寬頻帶、高靈敏度、高分辨率、高精度和優良的抗干擾性能，研制新一代的被動雷達導引頭在軍事上具有重要意義。被動雷達導引頭采用寬帶天線系統被動接收敵方輻射源的電磁輻射信號，通過對這些信號的截獲、分選、識別和測角跟蹤，引導反輻射導彈摧毀敵方的輻射源目標。傳統被動雷達導引頭一般采用單脈沖的測角方法［7－9］，利用寬帶單脈沖天線陣列獲取輻射源的方位和俯仰二維方向信息，該方法具有單脈沖雷達測角精度高和抗干擾能力強的優點。傳統被動雷達導引頭的天線系統多采用圓極化超寬帶天線［10］，例如平面或圓錐等角螺旋天線、平面阿基米德螺旋天線等，這些天線均具有圓極化和寬波束性能，眾多學者對這些天線開展了深入的研究［11－14］。與此同時，電磁波極化信息的利用已成為目前研究的熱點，新體制極化雷達系統在電子戰等領域具有明顯的優越性和巨大的發展潛力。全極化矢量雷達導引頭可以感知輻射源空間電磁輻射信號的幅度、相位、到達角和極化特征的完整信息，將會帶來導引頭系統整體性能的提高，因此，它成為被動雷達導引頭的發展趨勢之一。基于此，本文提出了一種雙極化單脈沖被動雷達導引頭實現方案，以期提高傳統被動雷達導引頭的目標檢測、識別和抗干擾性能。在新體制雙極化被動雷達導引頭設計中，關鍵技術是寬帶雙極化單脈沖天線系統的研制，因此，本文設計了一種寬帶雙極化Vivaldi天線，并由其組成四單元單脈沖陣列，為該導引頭方案的可實現性提供了技術支撐。Vivaldi天線廣泛應用于雷達和無線通信系統中［15－16］，其特點是結構緊湊、低剖面、工作頻帶寬、方向圖為端射等，因此，本文以Vivaldi天線設計理論為基礎，研制了一種雙極化的寬帶天線，該天線兩個極化端口的方向圖的主波束都在視線方向，同時也實現了較好的極化端口隔離度和極化純度。文中給出了基于雙極化Vivaldi天線單元的單脈沖天線系統的實驗測試結果，該天線系統在寬帶范圍內形成了和波束與差波束，也獲得了較好的交叉極化電平和波束性能指標，因此，本文中給出的天線系統是一種有效的寬帶雙極化單脈沖天線實現方案，適用于在雙極化被動雷達導引頭中應用。

1 雙極化單脈沖雷達導引頭系統結構與原理

傳統的被動雷達導引頭采用單脈沖測角技術，其天線系統為圓極化寬帶單脈沖天線。在單脈沖雷達中，常用的測角方法包括比幅式、比相式、振幅和差式和相位和差式等，其中和差方向圖的形成以及角誤差信號的提取可以采用模擬電路的形式實現，也可以采用數字方法實現。隨著微波技術和數字電路技術的發展，數字雷達技術獲得越來越多的應用。本文提出一種雙極化數字單脈沖雷達導引頭系統，該系統引入寬帶雙極化單脈沖天線，采用多路寬帶微波接收機，在信號處理機內采用數字方法形成和差波束以及角誤差信號提取，同時還要完成目標信號的截獲、分選與識別，該雙極化被動雷達導引頭系統實現方案如圖1所示。

圖1 一種雙極化單脈沖被動雷達導引頭實現方案

本文提出的雙極化單脈沖天線配置方案如圖2所示，該天線系統由四個相同的雙極化天線單元組成，每個天線具有垂直極化和水平極化兩個端口，分別用V和H表示，用來感知空間電磁波的極化信息，天線單元之間的距離均為d.圖2中的坐標系為右手笛卡爾坐標系，同時可定義相應的標準球坐標系，其坐標定義為（r，θ，φ）.根據圖2中的天線配置，可知垂直和水平極化的和差波束分別為

式中：SAH、SBH、SCH和SDH分別為四個天線單元的水平極化接收信號分量；SAV、SBV、SCV和SDV分別為四個天線單元的垂直極化接收信號分量；ΣH和ΣV分別為和波束的水平和垂直極化分量；ΔaH和ΔaV分別為方位差波束的水平和垂直極化分量；ΔeH和ΔeV分別為俯仰差波束的水平和垂直極化分量。于是，理想天線單元條件下，垂直和水平極化的角誤差函數形式相同；例如水平極化的方位和俯仰角誤差信號可分別表示為

由式（7）和（8）可解算出目標的空間角度。

圖2 一種雙極化單脈沖天線配置方案

2 雙極化單脈沖導引頭信號處理方案

根據上面的被動雷達導引頭設計方案，8路信號變成視頻信號后進入信號處理機，在信號處理機內完成信號的檢測、信號分選、輻射源識別、空間角度測量，最后給出角誤差信號，引導導彈跟蹤輻射源目標。在具體工作過程中，被動雷達導引頭首先采用瞬時測頻技術測得信號的工作頻率，然后進行圖3所示的信號處理過程。雷達利用和波束信號進行目標信號的檢測，在此基于雙極化的雷達體制，引入極化匹配檢測技術，有效獲得信號的能量，提高檢測概率。信號截獲完成后，對含有信號的脈沖進行信號的分選與識別，對識別后的輻射源進行測角和跟蹤。在信號分選與識別過程中，可采用極化識別技術，在信號的脈沖描述字中引入極化和狀態信息，在原有的幅度、頻率、脈沖重復頻率的基礎上，進一步改善了系統信號分選與識別能力，尤為重要的是，極化識別技術可顯著增強其抗干擾性能。為分析方便，考慮一個輻射源信號的情況；設該輻射源信號以（θ，φ）方向入射，且假設其載波頻率fi已測量得到，于是其復包絡信號表達式為

圖3 雙極化信號處理方案

式中：Ei（t）為幅度包絡函數；φi（t）為相位包絡函數；rect（t）為脈沖寬度為τ的矩形脈沖函數，其表達式為

pi（t）為入射信號的極化矢量，其表達式為

γi和ηi分別為入射信號的幅度和相位極化參數。此時，經過天線接收以及信號處理機采樣后得到的和差信號和分別寫為

式中：ΣHr（n）和ΣVr（n）分別為和通道的水平和垂直極化分量的采樣信號；ΔaHr（n）和ΔeHr（n）分別為差通道水平極化的方位和俯仰采樣信號；ΔaVr（n）和ΔeVr（n）分別為差通道垂直極化的方位和俯仰采樣信號；h為與天線有關的常數，此處假設各個天線單元的垂直和水平極化通道特性相同。雷達系統采用極化匹配檢測技術，則信號的瞬時幅度為

由式（18）可見極化匹配檢測技術有效地獲取了信號的能量信息，這可以顯著增強檢測性能。該采樣信號的瞬時幅度和相位極化參數估值為

根據式（19）和（20）可以計算得到相應的瞬態歸一化Stokes參數，它們分別為

可以將歸一化Stokes矢量作為極化特征進而作為信號分選和輻射源識別的重要依據，該極化矢量為

進一步，此雷達系統中所接收到的輻射源脈沖信號可以用含有極化參數的脈沖描述字PDW來表示，其中第k個輻射源的脈沖描述字可寫為

式中：TOAk為脈沖到達時間；PWk為脈沖寬度；CFk為載波頻率；DOAk為脈沖到達方向；APk為脈沖幅度；為信號的Stokes極化參數。

3 寬帶雙極化Vivaldi單脈沖天線設計與實現

針對上述提出的雙極化單脈沖雷達導引頭實現方案，基于Vivaldi天線形式，設計和實現了一種寬帶雙極化單脈沖天線。該天線的基本設計思想是將兩個相同的平面型Vivaldi天線正交放置，使得它們的主波束方向一致。兩個平面型Vivaldi天線分別采用階梯變換的微帶線饋電。該Vivaldi天線由微帶電路技術制成，它包含一個含有指數漸變縫隙的金屬地板、微帶饋電線和介質基板組成。在金屬地板上還有一段與指數漸變縫隙相連接的矩形縫隙和一個圓形腔，它們分別用來實現電磁耦合饋電和阻抗匹配。具體的平面型Vivaldi天線幾何結構如圖4所示，制作的天線實物照片如圖5所示。圖4中的天線幾何參數由數值計算優化獲得。選擇的介質基板厚度為1mm，相對介電常數為2.2，介質上的銅箔厚度為0.036mm，其他的相關幾何參數為：AR＝90°，DSL＝10mm，H＝ 60mm，L＝ 60mm，LG＝4.8mm，LTA＝10m，LTC＝2.5mm，RR＝5mm，WSL＝5mm，b＝70mm.

為驗證所提出方案的有效性，本文采用上面結構的四個相同的雙極化Vivaldi天線組成單脈沖天線系統，單元天線之間的距離為80mm，其實物照片如圖6所示。

在單脈沖陣列條件下，對天線單元的性能進行了實際測量。天線的輸入駐波比（VSWR）和極化端口隔離度采用矢量網絡分析儀E8362B測得；在此選擇一個天線單元，給出其輸入駐波比和極化端口隔離度測試結果，它們分別如圖7和8所示，可以看出兩個極化端口的輸入駐波比具有很好的一致性，在工作頻率3～7GHz范圍內，平均駐波比為2；兩個極化端口的隔離度在工作頻率3～7GHz范圍內低于－28dB，隔離特性良好。

在微波暗室中，采用天線遠場測試系統對該天線陣列的輻射方向圖和極化特性進行了測試。應用本文中所提出的和差方向圖形成方法，對測試得到的主極化和交叉極化實驗測試數據進行處理，分別合成了主極化的和差波束以及交叉極化的和差波束，在此部分，給出一個平面內的波束合成結果。本文單脈沖天線測試的頻率范圍是3～7GHz，發射端采用超寬帶標準喇叭天線，該天線放置在極化轉臺上，在發射功率不變的條件下，分別發射垂直和水平極化的電磁波；待測天線放置在接收端，分別接收垂直和水平極化的電磁波，進而測得在垂直和水平極化基條件下的主極化和交叉極化分量；對單元測試的數據進行波束形成計算，獲得對應的主極化和交叉極化的和差波束。水平極化端口和垂直極化端口的和差波束分別如圖9和圖10所示。由圖9和圖1 0可見，在兩個極化通道上，針對3～7GHz的寬帶頻率范圍，均較好地形成了和差方向圖，而且兩個極化通道的方向圖表現出較好的一致性；兩個極化通道的波束寬度隨著頻率的升高呈現出變窄的趨勢；對于水平極化通道，在主波束方向上，頻率為3 GHz、5GHz和7GHz時的交叉極化電平分別約為－28.19dB、－22.72dB和－18.17dB，而對于垂直極化通道，在主波束方向上這三個頻點的交叉極化電平分別約為－28.84dB、－20.54dB和－18.16dB，表現出較好的極化純度；對于水平極化通道，頻率為3 GHz、5GHz和7GHz時的零點深度分別約為－24.6dB、－35.9dB和－29.3dB，而對于垂直極化通道，這三個頻點的零點深度分別約為－37.2dB、－28.5dB和－29.7dB，可見差波束也形成了；通過和差波束的關系，可以實現空間角度的測量。進一步，該天線的性能指標還可以通過改進加工精度等方法得以進一步提高。根據上述的實驗結果可知，該天線設計方案是可行的，它為新體制寬帶被動雷達導引頭單脈沖天線系統的研制提供了一條有效的技術途徑。

4 結 論

研制新一代被動雷達導引頭在軍事上具有重要的意義。本文提出了一種寬帶雙極化單脈沖被動雷達導引頭的實現方案，該方案以四單元雙極化Vivaldi天線構成雙平面單脈沖天線系統，可以在寬帶條件下感知輻射源的極化和方向信息。研究了具體的雷達系統原理與實現方案，基于該雷達導引頭體制，提出了極化匹配檢測方法與瞬態極化識別干擾抑制技術，有效提高了雷達導引頭的電子戰性能。文中還設計了具體的雙極化Vivaldi單脈沖天線系統，測試結果滿足設計要求，進一步證明了所提方案的可行性。本文提出的全極化被動雷達導引頭的概念為研制新一代的被動雷達提供了一條有效途徑，在工程上具有較為重要的實際意義。

［1］桑成軍，李學森，沙 祥.反輻射導彈發展趨勢及對抗措施［J］.艦船電子對抗，2011，34（2）：29－35.

SANG Chengjun，LI Xuesen，SHA Xiang.Development tendency of ARM and countermeasure［J］.Shipboard E－lectronic Countermeasure，2011，34（2）：29－35.（in Chinese）

［2］宋銀鎖，馬妙技.導引頭共形相控陣天線研究進展［J］.航空兵器，2008（6）：44－47.

SONG Yinsuo，MA Miaoji.The advance on seeker conformal phased array antennas［J］.Aero Weaponry，2008（6）：44－47.（in Chinese）

［3］程 煒，樊 祥，馮 源.彈載干擾系統方案設計與仿真分析［J］.制導與引信，2011，32（1）：18－22.

CHENG Wei，FAN Xiang，FENG Yuan.Conceptual design and simulation analysis of a Rocket－board jamming system［J］.Guidance ＆Fuse，2011，32（1）：18－22.（in Chinese）

［4］楊 莉，吳陽春，樊 祥.對抗反輻射導彈技術分析［J］.探測與控制學報，2006，28（2）：53－56.

YANG Li，WU Yangchun，FAN Xiang.Analysis of countermeasure techniques to anti－radiation missile ［J］.Journal of Detection ＆ Control，2006，28（2）：53－56.（in Chinese）

［5］王占鋒，呂緒良，吳曉聯，等.對抗反輻射導彈雷達誘餌配置與作戰效能分析［J］.解放軍理工大學學報：自然科學版，2007，8（3）：270－273.

WANG Zhanfeng，LV Xuliang，WU Xiaolian，et al.Analysis of scheme of decoy and its operation efficiency in antagonizing anti－radiation missile［J］.Journal of PLA University of Science and Technology，2007，8（3）：270－273.（in Chinese）

［6］馬 洪，漆蘭芬，張業榮.寬帶被動導引頭天線系統性能分析［J］.電波科學學報，1998，13（2）：151－156.

MA Hong，QI Lanfen，ZHANG Yerong.The antennas performance of broad－band passive－guiding system［J］.Chinese Journal of Radio Science，1998，13（2）：151－156.（in Chinese）

［7］李興華，顧爾順.ARM干涉儀導引頭對chirp信號輻射源測角誤差研究［J］.系統工程與電子技術，2008，30（12）：2349－2351.

LI Xinghua，GU Ershun.Study on error in chirp radiator direction－finding using ARM interferometer seeker［J］.Systems Engineering and Electronics，2008，30（12）：2349－2351.（in Chinese）

［8］劉 義，趙志超，王雪松，等.反輻射導彈復合測角抗誘偏干擾方法［J］.宇航學報，2009，30（5）：2122－2127.

LIU Yi，ZHAO Zhichao，WANG Xuesong，et al.Approach of anti－decoy based on complex angle measuring System［J］.Journal of Astronautics，2009，30（5）：2122－2127.（in Chinese）

［9］曲志昱，司錫才，謝紀嶺.相干源誘偏下比相被動雷達導引頭測角性能分析［J］.系統工程與電子技術，2008，30（5）：824－827.

QU Zhiyu，SI Xicai，XIE Jiling.Analysis of phasecomparison passive－radar－seeker angle measurement with decoy of coherent source［J］.Systems Engineering and Electronics，2008，30（5）：824－827.（in Chinese）

［10］馬 洪，李 娜，漆蘭芬.主被動復合導引頭天線共口徑配置研究［J］.電波科學學報，2004，19（3）：338－342.（in Chinese）

MA Hong，LI Na，QI Lanfen.Common－caliber antennas configuration schemes for passive／active compounded guiding system［J］.Chinese Journal of Radio Science，2004，19（3）：338－342.（in Chinese）

［11］LIU Chunheng，LU Yueguang，DU Chunlei，et al.The broadband spiral antenna design based on hybrid backed－cavity［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2010，58（6）：1876－1882.

［12］HERTEL T W，SMITH G S.Analysis and design of two－arm conical spiral antennas［J］.IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，2002，44（1）：25－37.

［13］NAKANO H，SASAKI S，OYANAGI H，et al.Cavity－backed Archimedean spiral antenna with strip absorber［J］.IET Microwaves，Antennas ＆ Propagation，2008，2（7）：725－730.

［14］CHEN T K，HUFF G H.Stripline－fed Archimedean spiral antenna［J］.IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters，2011，10：346－349.

［15］CHIO T H，SCHAUBERT D H.Parameter study and design of wide－band wide scan dual－polarized tapered slot antenna arrays［J］.IEEE Trans Antennas and Propagation，2000，48（6）：879－886.

［16］徐 志，劉其中，章傳芳，等.改進型Vivaldi天線［J］.電波科學學報，2008，23（3）：471－475.

XU Zhi，LIU Qizhong，ZHANG Chuanfang，et al.Modified Vivaldi antenna［J］.Chinese Journal of Radio Science，2008，23（3）：471－475.（in Chinese）