交叉眼干擾半實物仿真技術研究*

馬逸超

(1．航空制導武器航空科技重點實驗室,河南 洛陽 471009； 2．中國空空導彈研究院,河南 洛陽 471009)

0 引言

制導系統(guidance system)的半實物仿真(hardware in loop simulation)技術對于檢驗和提高武器系統的作戰效能有著非常重要的意義。射頻制導半實物仿真試驗室，是考察制導武器在復雜電子對抗條件下對目標截獲、跟蹤以及抗干擾能力的重要設施；能夠在試驗室內對武器系統性能進行有效評估。交叉眼干擾是隨著電子技術發展出現的一種新型干擾，能夠對雷達角跟蹤回路產生有效干擾。本文對交叉眼干擾原理以及半實物仿真的實現難度進行了分析，并初步提出了一條工程可實現途徑。

1 交叉眼干擾分析

以下首先對交叉眼干擾的工作原理進行分析，之后將對在試驗室內模擬干擾的半實物仿真技術要求進行分析[2]。

1.1 欺騙式干擾對雷達的作用原理

欺騙式干擾是干擾設備通過對雷達信號的截獲分析，并選擇合適的調制參數生成干擾信號；誘使雷達測距、測速、測角回路的測量信息與真實值產生偏離[3]。以下分別為雷達原理方程，以及干擾對雷達的作用方程[4]：

(1)

雷達收到的干擾功率為

(2)

式中：Pt為雷達發射功率；Prj為雷達收到干擾功率；Pj為雷達干擾機功率；Gj為干擾機發射天線在雷達方向上的增益；Gt為雷達天線增益；Gr為雷達接收天線在干擾方向的增益；Rj為干擾機與雷達之間的距離；σ為目標雷達散射截面。

由式(1)，(2)可知，干擾信號與目標回波信號功率公式不同，信號特征也有差異；因此在干擾與目標仿真模型設計時，應對干擾機功率、雷達接收天線在干擾方向的增益、目標類型、作用距離等參數進行綜合模型設計，才能較真實地模擬復雜電子對抗環境。

1.2 交叉眼干擾的工作原理

交叉眼干擾是一種針對雷達角跟蹤通道的干擾方式。它采用2個或多個在空間上相隔一定距離的干擾輻射源發射模擬雷達回波，并使其在功率/相位等參數上滿足一定條件，各發射信號在雷達接收天線口面合成，形成局部特殊輻射場。該輻射場的波前在雷達所在位置的局部發生畸變以產生假象，使以平面波前檢測為原理的雷達，誤認為輻射源在另外的虛假位置。交叉眼干擾參數選擇適當時，可以使被干擾雷達的瞄準軸超出兩干擾源連線的方向，產生較大的角誤差。交叉眼干擾機通常由2路獨立的干擾機組成，如圖1 所示[5]。其中接收天線R1與發射天線J2處于同一位置，接收天線R2與發射天線J1處于同一位置，工作時還需要保證2路射頻通道寬帶信號的相位一致性。

圖1 交叉眼干擾機工作原理圖Fig.1 Cross-eye jamming machine working principle diagram

設2相干干擾源在天線孔徑處產生的電場相位差為φ，通過計算可求得天線跟蹤的方向θ滿足公式：

(3)

由于角度θ很小，tanθ≈θ，所以有

(4)

式中: θ為誘偏誤差角；β為2個信號振幅比；Δθ為2個干擾源之間的角度差。

式(4)為交叉眼干擾的原理公式。從以上公式分析，相干干擾能直接干擾單脈沖雷達的角跟蹤系統。產生干擾的原理就是利用空間相隔一定距離的2個點源的信號在幅度上相等，相位相差180°，在空間產生極為嚴重的相位波前失真。雷達接收到這種信號后，就會使天線跟蹤點偏離開2個干擾源間距之外。

1.3 交叉眼干擾半實物仿真技術要求分析

從公式(4)的分析中可以得出結論：兩相干干擾源產生的相位波前失真，取決于干擾源的振幅比β，兩干擾源在天線孔徑處產生的電場相位差φ以及兩干擾源的距離。當干擾源之間的距離固定、相位相反、振幅相等時相位波前失真最大而與雷達的天線方向圖形狀無關。由公式分析可知當干擾參數選擇：β=1.0±0.1，φ=180°±5°時干擾效果較為明顯[6]。如果直接依照原理公式實現該項干擾的半實物仿真，目標模擬器的系統精度必須高于干擾控制參數一個數量級，這對于半實物仿真目標模擬器設計指標提出了很高的要求[7]。

首先,由于戰術導彈的雷達導引頭工作頻段較高，因此1 mm的距離誤差將造成幾十度的信號相位誤差。陣列式目標模擬器系統構成復雜，其微波連接電纜數量巨大，因此很難保證各輻射路徑相位的精度要求。其次，目標模擬器采用大量微波有源器件，其幅度/相位的工作特性不僅與頻率有關而且與功率和環境溫度有關，因此幅度相位控制精度很難滿足仿真需求[8]。

從以上2方面分析，直接使用交叉眼干擾的原理公式實現該項干擾的半實物仿真從工程角度考慮基本無法實現，因此需要從其他途徑研究實現交叉眼干擾仿真的方法。

2 交叉眼干擾仿真研究途徑

根據以上分析，直接采用交叉眼干擾原理公式進行半實物仿真試驗方案設計存在較大的技術難度，因此以下將從陣列式目標模擬器的工作原理出發進行分析并結合合成場原理，通過研究控制三元組的3個輻射單元的幅度/相位控制關系，使三元組在雷達天線處的相位波前畸變與交叉眼干擾效果等效。

2.1 陣列式目標模擬器原理

陣列式目標模擬器組成面陣的基礎常有矩形陣、四邊形陣、三角形陣等，其中，三角形陣天線之間的耦合最小，且對相同的視場角，所需天線數目最少，故最常使用。因此本文將主要針對采用三角形陣(簡稱三元陣)形式的目標模擬器進行研究。陣列式目標模擬器以3個天線為目標子陣，組成三元組，同時輻射電磁波。根據各天線輻射射頻信號能量的相對大小，存在一個等效的能量輻射中心，作為仿真的目標回波信號。三元組目標合成原理如圖2所示。

假設3個天線方位角分別為ψ1，ψ2，ψ3，俯仰角分別為θ1，θ2，θ3，其物理位置如圖3所示。

注：A，B，C為三元組的3個天線；R為觀測點到3個天線的距離圖2 三元組目標合成原理圖Fig.2 Three-element group target synthesis principle diagram

圖3 三元組物理位置示意圖Fig.3 Three-element group physical location

設A，B兩天線輻射信號的相位差為φ1，A，C之間的相位差為φ2，且A,B,C為同頻率信號，且觀測點到各天線的距離相等，即不存在波程差引起的相位差，則3路信號的合成場強為

E=Emejωt-αR-ψφ1φ2，

(5)

如果三元天線輻射的信號相位相同，則合成場強可簡化為

E=Emej(ωt-αR)，

(6)

式中：αR為傳輸路徑產生的相位差。

對于天線和觀測點相對位置固定的情況下，αR為常數，可通過調整信號的初相加以補償，故可令其為0。則合成場強為

E=Emejωt.

(7)

合成場強的指向即為三元陣等效能量輻射中心的指向，它也可由方位角ψ和俯仰角θ來描述，由空間矢量疊加原理可得，其正切分別為

(8)

以上即為三元組目標位置合成公式。由公式(8)可知，目標的等效位置不僅決定于三元組信號的幅度，也取決于三元組信號的相位。

2.2 三元組合成等效交叉眼干擾

由于采用3個天線進行目標位置合成，三元組在雷達天線處的合成波前可以不再是球面波，即波前相位產生畸變，其工作原理與交叉眼干擾有相似之處[9]。基準坐標系和天線坐標系如圖4所示，目標在基準坐標系中的角度位置為(ψ,θ)，雷達天線指向目標時，雷達天線口面上任一點在天線坐標下坐標為(X,Y,Z)，在系統基準坐標系下的坐標為(x, y, z)。從天線坐標系變換到基準坐標系：

圖4 基準坐標系和天線坐標系Fig.4 Reference coordinate and the antenna coordinate

三元組在基準坐標系下的角度坐標為 (ψ1,θ1),(ψ2,θ2),(ψ3,θ3),計算天線口面的接收場。天線上任意一點(x,y,z)到三元組第i個單元的距離為R，三元組各單元饋電幅度為Ei，各單元饋電相位為φi將各單元視為點源。根據雷達天線不同的口面場分布可以算出天線口面(x,y,z)處的接收場為[10]

(9)

式中：Is為雷達天線口面場分布。

以比相單脈沖雷達為例，將雷達天線口面分為4個區域，如圖5所示[11]。對這4個區域進行不同的饋電可以分別得到和波束以及俯仰差，方位差波束。4個象限同相饋電得到和波束；1，4象限同相饋電，2，3象限同相饋電并與1，4反相，得到方位差波束；1，2同相，3，4同相并與1，2反相，得到俯仰差波束。

圖5 雷達天線示意圖Fig.5 Schematic diagram of the radar antenna

三元組在雷達天線口面某一象限的合成場為

(10)

則可得出雷達測角的方位差與俯仰差表達式，令其計算結果與干擾誘偏狀態下的結果相等，通過對式(10)求解方程組可以求出三元組各單元的饋電幅度與相位。通過在微波暗室內，應用干涉儀式校準裝置對模擬的目標回波信號進行角度測量，其結果如表1所示。

表1 干擾誘偏角位置測量結果Table 1 Interference angle measurement results

測試數據表明，該仿真方法在模擬誘偏角較小時精度較高；模擬誘偏角較大時精度較低；該現象與系統幅度相位控制精度有關。當誘偏角較大時，對仿真信號的幅度相位控制精度要求較高，因此模擬精度較低。由以上分析可知：該方案產生的干擾信號具有與交叉眼干擾相似的指向效果。

3 結束語

本文通過對交叉眼干擾的工作原理，以及半實物仿真試驗室實現這一干擾仿真的難點進行分析，提出了從三元組目標位置合成原理出發實現交叉眼干擾半實物仿真的一種實現途徑。通過在實驗室利用目標模擬器校準裝置[12]進行測試證明，該方法實現的干擾效果與直接采用交叉眼干擾的原理公式相同，并且具備了較高的工程可實現能力。

參考文獻：

[1] 陳方予,趙蕾,李明.單脈沖測角系統干擾方法初探[J].現代防御技術，2009,37(6):96-100.

CHEN Fang-yu,ZHAO Lei,LI Ming. Jamming Monopulse Angle Measurement Study[J].Modern Defence Technology,2009,37(6):96-100.

[2] 楊立明,呂濤,陳寧.相干兩點源對比相單脈沖測角的干擾機理分析[J].彈箭與制導學報，2012,32(3):209-212.

YANG Li-ming,Lü Tao,CHEN Ning.Analysis of Interference Elemnets of Coherent Dual-Sources to Phase-Comparison Angle Tracking of Monopulse[J].Journal of Projectiles, Rockets,2012,32(3): 209-212.

[3] 周博,王石記,司錫才.比幅比相測角中誤判概率的研究[J].系統工程與電子技術,2003,25(11): 1324-1326.

ZHOU Bo,WANG Shi-ji,SI Xi-cai.Research on the Misjudgement Probability in the System Angle Measuring with Amplitude and Phase Information[J].System Engineering and Electronics,2003,25(11) 1324-1326.

[4] 婁澤廣,董勝波,范慶輝.脈沖壓縮雷達兩種測角方法的比較[J].現代防御技術,2012,40(1): 133-136.

LOU Ze-guang,DONG Sheng-bo, FAN Qing-hui. Comparison of Two Angle Measurement Method`s of Pulse Compression Radar[J].Modern Defence Technology,2012,40(1):133-136.

[5] 王慧萍,張有益.一種交叉眼干擾技術實現的新方法[J].艦船電子對抗,2007,30(6):23-25.

WANG Hui-ping,ZHANG You-yi.A New Method to Realize Cross-Eye Jamming Technique[J].Shipboard Electronic Countermeasure, 2007,30(6): 23-25.

[6] 黃慶東,張林讓,盧光躍.一種改進的交叉眼角度欺騙技術[J].通信技術,2009,42(8):73-78.

HUANG Qing-dong,ZHANG Lin-rang,LU Guang-yue. An Improved Cross-Eye Angular Deception Jamming Technique[J].Communication Technology,2009,42(8): 73-78.

[7] 鄧方藝,王鵬飛.被動雷達導引頭信號分選算法研究及仿真[J].現代電子技術,2012,35(13):72-74.

DENG Fang-yi , WANG Peng-fei.Signal Deinterleaving Algorithm of Passive Radar Seeker[J].Modern Electronic Technique,2012,35(13):72-74.

[8] 宋立眾,喬曉林,孟憲德.脈沖多普勒雷達導引頭角欺騙干擾的極化抑制[J].電波科學學報,2005,20(3):353-357.

SONG Li-zhong,QIAO Xiao-lin,MENG Xian-de.Polarization Suppression of Angle Cheating Interference in Pulse Doppler Radar Seeker[J].Chinese Journal of Radio Science,2005,20(3):353-357.

[9] 侯民勝,朱瑩,樊曉明.非相干干擾下導彈的命中誤差[J].現代電子技術,2010,33(9):11-13.

HOU Min-sheng,ZHU Ying,FAN Xiao-ming.Missile Hit Error Under Noncoherent Jamming[J].Modern Electronic Technique,2010,33(9):11-13.

[10] 倪震明,陳長海,劉俊.防空導彈導引頭建模與仿真[J].現代電子技術,2012,35(17):25-29.

NI Zhen-ming, CHEN Chang-hai, LIU Jun.Modeling and Simulation of Air-Defense Missile Seeker[J].Modern Electronic Technique,2012,35(17):25-29.

[11] 孫彪.相控陣雷達導引頭捷聯去耦數字平臺設計[J].電子設計工程,2012,20(13):79-82,85.

SUN Biao.Strap-Down Decoupling Digital Platform Design of Phased Array Radar Seeker[J].Electronic Design Engineering,2012,20(13):79-82,85.

[12] 同武勤,凌永順,張鑫.毫米波無源對抗技術淺析[J].光電技術應用,2004,19(3):49-52.

TONG Wu-qin,LING Yong-shun,ZHANG Xin.Brief Analysis of MMW Passive Countermeasure Technique[J].Electro-Optic Technology Application,2004,19(3):49-52.