對相控陣雷達的交叉極化干擾技術淺析*

甄曉鵬，艾小鋒，馮德軍，李永禎，甄曉改

(1.國防科技大學電子信息系統復雜電磁環境效應國家重點實驗室，湖南 長沙 410073；

2.首都航天機械公司，北京 100076)

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對相控陣雷達的交叉極化干擾技術淺析*

甄曉鵬1，艾小鋒1，馮德軍1，李永禎1，甄曉改2

(1.國防科技大學電子信息系統復雜電磁環境效應國家重點實驗室，湖南 長沙 410073；

2.首都航天機械公司，北京 100076)

摘要：首先分析了電掃偶極子相控陣雷達空域極化特性，討論了主極化及交叉極化分量在測角時振幅和差比值的不同。在簡述交叉極化角欺騙干擾原理之后，結合單脈沖極化雷達的角度測量算法，分析了對相控陣雷達進行交叉極化角度欺騙干擾的影響參數及干擾效果。 仿真結果表明，對相控陣單極化雷達而言，該方法是一種頗具潛力的新型干擾方法。

關鍵詞：相控陣雷達；和差波束；交叉極化；角欺騙干擾

0引言

20世紀80年代以來，以“愛國者”和“宙斯盾”系統為典型代表的美國第三代防空導彈武器系統，及90年代以后許多國家積極發展的新一代防空導彈武器系統均采用了相控陣雷達，這預示著具有電控反應時間短、波束指向靈活、可靠性高等優點的相控陣雷達日漸成為現代防空系統的主角。作為對立方的導彈、飛機、艦船等武器裝備則面臨重大挑戰，尋求有效的相控陣雷達干擾技術成為急迫的研究課題。

距離和角度測量是雷達對目標進行跟蹤、定位的基礎，從電子戰技術角度出發，在距離信息的利用上，隨DRFM技術發展而興起的距離波門拖引干擾、多假目標干擾等對相控陣雷達均有一定的干擾效果[1]。在角度的欺騙上，目前較為成熟的理論為相干兩點源角度欺騙干擾，而兩點源相干干擾有空間實現上的制約，且易被利用相干兩點源和雷達目標全極化回波特性差異對干擾進行識別[2-4]。交叉極化干擾最初針對拋物面機械掃描雷達而提出，是利用其形成和差波束時，特有的“不理想”因素進行角度欺騙干擾。與相干兩點源干擾相比，交叉極化干擾不存在相干兩點源干擾空間實現及兩干擾機收發天線極化矢量難以控制等因素的制約。旋轉拋物面機掃天線的交叉極化特性及交叉極化干擾對機掃雷達角度鑒別曲線的影響分析參見文獻[5~7]，而相控陣雷達因其短電偶極子場的矢量性，合成的雷達單波束及測角和差波束空域極化特性與機掃天線并不相同，若交叉極化干擾對廣泛應用的相控陣雷達也可產生角欺騙干擾,則將有效掩護目標突防。

目前，對相控陣天線輻射特性研究較多[8-9]，關于其極化特性略有涉及且主要集中在極化隔離度、極化空變特性等，對于相控陣雷達單脈沖測角和差波束的極化特性及交叉極化干擾對該和差波束測角影響的研究則較為少見。本文在分析相控陣雷達空域極化特性的基礎上，深入研究了相控陣雷達測角時主極化及交叉極化分量的振幅和差特性，并對交叉極化干擾角欺騙效果進行了仿真分析，理論分析及仿真結果表明采用交叉極化干擾技術對相控陣雷達進行角欺騙是可行的，在不同相位差下均對相控陣單極化雷達有良好角欺騙效果。

1相控陣雷達單脈沖測角原理

1.1　短電偶極子的場

相控陣雷達是由大量短導體排列組合而成，研究相控陣雷達空域極化特性需首先分析短電偶極子輻射特征。設在x軸上有長度為L的偶極子，中心與原點重合，x向偶極子的空域極化特性，包圍偶極子的媒質是空氣或真空，則在遠場處的電場分量Er、Eθ、及Eφ的表達式[8]為：

(1)

式中，μ為媒質的磁導率；I是長度為l的偶極子上所有各點的電流值；k=2π/λ為波數，λ為波長。觀測點在不同空間位置即不同的觀測方位及俯仰角度下，所接收電波的極化狀態不同。以俯仰極化為主極化，則方位向極化為其交叉極化分量，如圖1所示，a、b兩點方位角φ2=-φ1，俯仰角同為θ，在遠場處a、b的主極化(即俯仰分量)分別為Eθ1、Eθ2且方向相同，交叉極化分量(即方位向電場分量Eφ1、Eφ2)則方向相反(即相位相差為π)。

圖1　x向偶極子與坐標系

1.2　相控陣雷達波束的交叉極化特性

圖2所示為一個二維M×N陣元的平面陣，每個陣元具有相同的方向圖。

圖2　平面偶極子陣列的布局圖

以俯仰向極化為主極化場，方位向極化為交叉極化場，由文獻[9]可知，間距分別為dx、dy，并且天線口徑電場為均勻分布時，主極化與交叉極化電場的陣因子和在極化基[θ，φ]下的場表示為：

(2)

(3)

天線波束指向在法線方向，俯仰角θ=45°時，xy向間距為0.7λ，諧振頻率為10GHz，偶極子長度為1.5cm(半波長偶極子)，距離地面高度為0.75cm，平面陣列布局如圖2所示。該x向二維5×5陣列歸一化方位極化方向圖如圖3所示。在主瓣內交叉極化分量得到了15dB的抑制效果，且由圖3(a)可以看出在主瓣內其交叉極化分量正負交替(即交叉極化分量矢量方向相反)。

圖3　x向陣列天線方向圖

1.3　振幅和差波束的主極化測角

在雷達測角算法中，等信號法測角[10]以其測角精度高、便于自動測角等優點在精密跟蹤雷達中得到廣泛應用。等信號法測角包括相位和差法與振幅和差法，本文研究的交叉極化干擾主要針對振幅和差法。振幅和差等信號法測角采用兩個相同彼此重疊的波束，利用目標在不同的空間位置兩波束接收到的信號強度比不同進行目標角度的測量。 圖4(a)為所設陣列主極化振幅和差波束；在-5°～5°范圍內主極化振幅和差比值近似為線性，如圖4(b)所示。振幅和差法正是利用方位、俯仰差信號與相應和信號振幅的比值，通過查表確定目標在方位、俯仰向上偏離等信號軸的方向與角度的。

圖4　主極化振幅和差波束及和差比值列表

2對相控陣雷達的交叉極化干擾

2.1振幅和差波束的交叉極化特性

由于其交叉極化分量在主極化最大值兩側反向(見圖1、圖3)，矢量方向相反。故和方向圖在等信號軸附近趨向于0，差方向圖在等信號軸附近趨于不為0的定值，如圖5(a)所示；差與和的比值在兩波束主極化等信號軸附近趨于無窮，如圖5(b)所示。

圖5　交叉極化振幅和差波束及和差比值列表

交叉極化分量在測角振幅和差比值上與主極化的差異使得交叉極化角欺騙干擾成為可能。無干擾時，由圖3可知交叉極化分量一般較小，其差和比值對測角影響可忽略不計；若有干擾時，雷達接收能量中交叉極化干擾能量與所接收到的信號能量相當或遠大于所接收到的信號能量，則所接收的交叉極化分量對測角和差比值的影響不可忽略。

2.2　干擾模型及參數分析

記m1(θ)、m2(θ)為相控陣單脈沖雷達天線波束1和波束2的主極化電壓方向圖，θ為目標(干擾機)偏離等信號軸角度，令等信號軸角度為0°，c1(θ)、c2(θ) 分別為單脈沖雷達交叉極化電壓方向圖。無干擾時，相對主極化，交叉極化峰值一般均低15 dB以上，對于幅度和差單脈沖測角體制雷達而言，根據角度鑒別公式[11-12]，對于實際角度為θ的目標此時雷達測量角度為：

(4)

式中，*表示共軛；km為雷達角度鑒別曲線斜率。

當交叉極化干擾存在時，干擾的存在使得交叉極化接收分量不可忽略，此時雷達的測量角度為：

(5)

式中，

(6)

式中，k為干擾與信號的幅度之比，α為交叉極化接收矢量c(θ)與主極化接收矢量m(θ)之間的相對相位差，β為干擾與信號之間的相對相位差。

1) 參數k的分析

(7)

2) 相對相位差

當α+β=π/2時，測量角度主要由A、C項決定；

當α+β→0、 π時，測角角度中C、D兩項值的影響逐漸增強，測量值由A、B、C、D四項共同決定。

3仿真實驗與結果分析

兩個二維5×5陣列，組成相控陣雷達振幅和差測角系統，其它參數不變。對其進行交叉極化角度欺騙干擾，在α+β等于π/2、π時，不同干信比對雷達角度鑒別曲線的影響如圖6所示。α由接收站雷達決定。β由干擾機決定。對比圖6(a)、(b)可見，在一定干信比下，正如2.2節分析，不同的α+β值如α+β=π/2、 π時，測量角度由A、B、C、D四項的不同組合構成，產生的角度欺騙干擾效果并不相同。相同的是，當交叉極化干擾遠大于信號強度(如40dB時)，交叉極化主導，在等信號軸附近測量角度嚴重偏離實際項占據角度，且正負相反。

交叉極化干擾需要較高的干信比，以20dB干信比、α+β=π/2的交叉極化信號對雷達進行角度欺騙干擾時，干擾機在不同的雷達瞄準軸偏離角度下被測量的角度如表1所示。

圖6　不同交叉極化干擾干信比下的天線角度鑒別曲線

表1　干信比20 dB，α+β=π/2下不同偏離角度時的欺騙角度

測量角度與實際角度偏離角度符號相反，這使得雷達將瞄準軸向錯誤的方向修正，修正之后由表1可知又將產生更大的欺騙角度，如此循環往復，以欺騙的方式誘使雷達錯誤地跟蹤干擾信號，并最終丟失目標，該過程類似(距離、速度)波門拖引干擾。

4結束語

本文以相控陣雷達的空域極化特性為基礎，推導并分析了其測角振幅和差波束中主極化及交叉極化分量的特性。指出交叉極化分量和差比值列表與主極化和差比值列表的差異使得交叉極化角度欺騙干擾成為可能。結合極化雷達回波接收理論，推導并分析了交叉極化角度欺騙干擾模型，通過仿真討論了影響交叉極化角度欺騙干擾的兩個參數α+β及干信比k，并分析了實際的干擾過程。相控陣雷達陣元形式種類繁多，影響相控陣雷達空域極化特性的因素眾多，空域極化特性的改變無疑也將給對相控陣雷達交叉極化角度欺騙干擾帶來新的問題，因此還需做進一步的研究。作為該領域的初步探究，本文給出了對相控陣雷達交叉極化角度欺騙干擾的分析方法，具有較好的應用前景。■

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Analysis of cross-polarization jamming techology for phased array radar

Zhen Xiaopeng1, Ai Xiaofeng1, Feng Dejun1, Li Yongzhen1, Zhen Xiaogai2

(1.State Key Laboratory of Complex Electromagnetic Environmental Effects on Electronics & Information

System , National University of Defense Technology, Changsha 410073, Hunan,China;

2.Capital Aerospace Machinery Company, Beijing 100076,China)

Abstract:First the spatial polarization characteristics of the phased array radar is analyzed, and the difference of the amplitude sum-difference ratio, when the main polarization and the cross polarization components to measurement angle, is also discussed. After the principle of cross polarization angle deception jamming is introduced, the influence parameters and jamming effect of cross polarization angle deception jamming are analyzed. Simulation results show that the proposed method is a promising new method for phased array radar.

Key words:phased array radar; sum-difference beam; cross polarization; angle deception jamming

中圖分類號：TN972+.3; TN974

文獻標識碼：A

作者簡介：甄曉鵬(1988-)，男，碩士研究生，研究方向為雙/多基地雷達新型干擾方法研究。

收稿日期：2015-09-17；2015-10-10修回。

*基金項目：國家自然科學基金(61372170)