有源轉(zhuǎn)發(fā)式干擾的全極化單脈沖雷達(dá)抑制方法研究

李永禎胡萬秋*陳思偉殷加鵬王雪松②

①(國防科技大學(xué)電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 長沙 410073)

②(國防科技大學(xué)理學(xué)院 長沙 410073)

有源轉(zhuǎn)發(fā)式干擾的全極化單脈沖雷達(dá)抑制方法研究

李永禎①胡萬秋*①陳思偉①殷加鵬①王雪松①②

①(國防科技大學(xué)電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 長沙 410073)

②(國防科技大學(xué)理學(xué)院 長沙 410073)

有源轉(zhuǎn)發(fā)式干擾成為防空反導(dǎo)、反艦攻擊等典型作戰(zhàn)場景下非常重要的一種干擾樣式，對現(xiàn)代雷達(dá)形成了嚴(yán)重威脅。該文針對有源轉(zhuǎn)發(fā)式干擾對雷達(dá)形成的距離欺騙性假目標(biāo)干擾和角度欺騙性干擾兩種典型情況，研究了全極化單脈沖雷達(dá)識別轉(zhuǎn)發(fā)式干擾并加以抑制的方法，理論推導(dǎo)和仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明利用極化信息可以識別并抑制此類干擾，這對新一代極化雷達(dá)適應(yīng)復(fù)雜電磁環(huán)境問題的研究具有深刻的理論指導(dǎo)和借鑒意義。

雷達(dá)轉(zhuǎn)發(fā)式干擾；全極化；單脈沖；鑒別與抑制

1 引言

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)場電磁環(huán)境的日益復(fù)雜惡劣，尤其是電子對抗技術(shù)和裝備的快速發(fā)展，雷達(dá)系統(tǒng)的工作性能日益受到挑戰(zhàn)。目前，隨著數(shù)字儲頻(Digital Radio Frequency Memory, DRFM)、固態(tài)功放和超大規(guī)模集成電路等技術(shù)的快速發(fā)展，有源欺騙性干擾，尤其是轉(zhuǎn)發(fā)式干擾成為防空反導(dǎo)、反艦攻擊等典型應(yīng)用場景下非常重要的一種干擾樣式[13]-，諸如拖曳式有源誘餌，對現(xiàn)代雷達(dá)及雷達(dá)導(dǎo)引頭系統(tǒng)形成了嚴(yán)重威脅。

極化描述了電磁波的矢量運(yùn)動特征，是電磁波幅度、頻率、相位以外的一個(gè)重要基本參量。極化信息用于抗有源壓制式干擾的研究較多，并取得了較多的理論與實(shí)際應(yīng)用成果，諸如極化濾波、自適應(yīng)極化對消等[47]-，但是用于抗有源欺騙式干擾的研究相對較少，主要側(cè)重于距離多假目標(biāo)干擾，交叉極化干擾等識別與抑制方面[810]-。

隨著雷達(dá)極化理論與技術(shù)的蓬勃發(fā)展，同時(shí)極化測量體制雷達(dá)(簡稱為同時(shí)極化雷達(dá))已成為極化雷達(dá)技術(shù)發(fā)展的主流方向，具有在一個(gè)脈沖重復(fù)周期(Pulse Recurrence Time, PRT)內(nèi)獲得目標(biāo)與環(huán)境全極化特性的能力，為對抗復(fù)雜電子干擾提供了更為有效的應(yīng)用潛力。同時(shí)，對于防空反導(dǎo)、精確打擊等應(yīng)用而言，雷達(dá)一般采用單脈沖體制進(jìn)行目標(biāo)角度信息的測量，這也就是說，同時(shí)極化雷達(dá)測量體制與單脈沖測角體制相結(jié)合，這種新體制雷達(dá)(簡稱為全極化單脈沖雷達(dá))在一個(gè)PRT內(nèi)可以獲得目標(biāo)位置(距離、角度)和極化散射矩陣的完整測量。本文針對轉(zhuǎn)發(fā)式干擾對雷達(dá)及雷達(dá)導(dǎo)引頭形成的距離欺騙假目標(biāo)和角度欺騙性干擾兩種典型情況，分別研究了全極化單脈沖雷達(dá)識別轉(zhuǎn)發(fā)式干擾并加以抑制的方法，理論推導(dǎo)和仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法具有潛在的優(yōu)良抗干擾性能。

2 同時(shí)極化雷達(dá)接收信號的建模與信息反演

2.1 全極化單脈沖雷達(dá)目標(biāo)回波的建模與極化/角度信息測量

同時(shí)極化雷達(dá)是采用一對正交極化通道“同時(shí)發(fā)射、同時(shí)接收”的工作模式，原理上在一個(gè)PRT內(nèi)即可獲得目標(biāo)極化散射矩陣(Polarization Scattering Matrix, PSM)的完整測量。全極化單脈沖雷達(dá)的原理框圖如圖1所示。

消除距離、天線增益等調(diào)制系數(shù)Ae的影響，最后可以得到目標(biāo)PSM的估計(jì)值在理想情況下為

對于單脈沖測角而言，不失一般性，以方位角度測量為例進(jìn)行分析，水平、垂直(H/V)極化接收通道分別形成對應(yīng)的和差波束，某一極化通道的單脈沖測角原理示意如圖2所示。其中，α為雷達(dá)目標(biāo)與瞄準(zhǔn)軸的夾角，θ0為波束中心與等強(qiáng)信號軸的夾角。由于α較小，有f(θ0±α) ≈f(θ0)?f′(θ0)α成立，在此假設(shè)下，那么H/V極化通道分別形成的和((t))差((t ))波束為

圖1 全極化單脈沖雷達(dá)的原理框圖

圖2 單脈沖測角原理示意圖

因此，可以分別進(jìn)行角度測量，得到4組測角值，理論上都是一個(gè)值。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，在無干擾情況下可以對這些測量結(jié)果根據(jù)信噪比的大小進(jìn)行綜合處理，諸如求取平均等，可以提高測角精度。

其中，mk為測角斜率，理論上

2.2 轉(zhuǎn)發(fā)式干擾的全極化單脈沖雷達(dá)回波建模及其等效PSM

一般情況下，有源轉(zhuǎn)發(fā)式干擾是首先將雷達(dá)信號進(jìn)行接收，然后進(jìn)行特定的幅相、時(shí)延調(diào)制后通過收發(fā)共用天線轉(zhuǎn)發(fā)出去，模擬不同距離上的假目標(biāo)，對雷達(dá)(或雷達(dá)導(dǎo)引頭)形成欺騙干擾的效果。

對此信號進(jìn)行幅相調(diào)制后，再轉(zhuǎn)發(fā)出去，雷達(dá)水平、垂直極化通道接收的干擾信號為

其中，JB為與干擾機(jī)幅相調(diào)制、接收天線方向圖增益、距離衰減等因素有關(guān)的調(diào)制量。

在忽略接收機(jī)噪聲的條件下，對上述信號分別進(jìn)行H極化通道和V極化通道匹配濾波處理后，消除距離、天線增益等調(diào)制系數(shù)的影響，最后可以得到轉(zhuǎn)發(fā)式干擾等效PSM的估計(jì)值在理想情況下為

由式(10)可見，假目標(biāo)干擾的等效PSM是滿足互易性條件的。另外，對于轉(zhuǎn)發(fā)式有源干擾而言，H/V極化通道分別形成的和差波束為

分別進(jìn)行H/V極化通道匹配濾波，可以得到4個(gè)和波束值和4個(gè)差波束值。類似地，可以得到一組測角值，然后進(jìn)行綜合處理，得到有源轉(zhuǎn)發(fā)式干擾的角度測量值。

3 轉(zhuǎn)發(fā)式干擾的全極化單脈沖雷達(dá)鑒別與抑制方法

根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)式干擾與目標(biāo)的相對位置以及干擾效果，可以劃分為轉(zhuǎn)發(fā)式距離假目標(biāo)干擾和轉(zhuǎn)發(fā)式角度欺騙性干擾，下面分別論述這兩種情況的全極化單脈沖雷達(dá)鑒別與抑制方法。

3.1 轉(zhuǎn)發(fā)式距離多假目標(biāo)干擾的極化鑒別

轉(zhuǎn)發(fā)式距離假目標(biāo)干擾是在距離分辨單元上與真實(shí)目標(biāo)完全不重合，可以形成多個(gè)逼真假目標(biāo)，甚至可以形成穩(wěn)定航跡，雷達(dá)難以利用時(shí)頻域上的特征差異來鑒別，造成雷達(dá)資源浪費(fèi)、資源飽和的目的，達(dá)到有效干擾的效果。

在此情況下，轉(zhuǎn)發(fā)式距離假目標(biāo)干擾和真實(shí)目標(biāo)分別當(dāng)作獨(dú)立的目標(biāo)來處理。那么，對于PSM為的雷達(dá)目標(biāo)而言，理想條件下=S。一般情況下，目標(biāo)的主極化分量與交叉極化分量是不等的，統(tǒng)計(jì)上分析是大于交叉極化分量的，甚至達(dá)10 dB之多[11]，此時(shí)，目標(biāo)PSM的行列式的模值

而對于轉(zhuǎn)發(fā)式假目標(biāo)干擾而言，同時(shí)極化雷達(dá)處理后得到其等效PSM的估計(jì)值為=，此時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)式假目標(biāo)干擾PSM的行列式的模值為[12]

因此，可以利用目標(biāo)與轉(zhuǎn)發(fā)式干擾的PSM行列式模值的相對大小來進(jìn)行鑒別。需要說明的是，由于難以獲得目標(biāo)或干擾PSM的絕對測量值，實(shí)際應(yīng)用中可利用相對極化散射矩陣即可進(jìn)行判決處理，因此可以對測量得到的PSM矩陣進(jìn)行歸一化處理，然后再進(jìn)行判決是否為轉(zhuǎn)發(fā)式假目標(biāo)干擾。那么真假目標(biāo)的判決轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)二元假設(shè)檢驗(yàn)問題

其中，Xη為歸一化散射矩陣行列式的模值，ηT為判決門限，主要取決于測量PSM時(shí)的信噪比(干噪比)以及目標(biāo)特性。

3.2 轉(zhuǎn)發(fā)式角度欺騙干擾的極化鑒別

轉(zhuǎn)發(fā)式角度欺騙干擾，是指轉(zhuǎn)發(fā)的干擾信號在距離分辨單元上與目標(biāo)信號完全重合，而在角度上存在差異，形成非相干兩點(diǎn)源干擾，對雷達(dá)測角系統(tǒng)起到欺騙效果，破壞雷達(dá)角度的跟蹤。

目標(biāo)和轉(zhuǎn)發(fā)式干擾在距離分辨單元上重合在一起，那么雷達(dá)水平、垂直(H/V)極化通道接收的和差波束分別為

令βαδ=+，另由目標(biāo)的互易性可知，VHHV=SS。可以得到4個(gè)測角值，分別為

那么，若無干擾或單純?yōu)楦蓴_的情況下：

而存在轉(zhuǎn)發(fā)干擾的情況下：

因此，可以利用上述鑒別量的大小來鑒別其是否存在轉(zhuǎn)發(fā)干擾。判決的準(zhǔn)則是只要有一項(xiàng)大于某一門限值，則認(rèn)為存在轉(zhuǎn)發(fā)式干擾。全極化單脈沖雷達(dá)抗轉(zhuǎn)發(fā)式干擾的處理流程如圖3所示。

4 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

為了分析對抗效果，下面結(jié)合典型目標(biāo)的微波暗室測量數(shù)據(jù)，進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證本文所提方法的有效性和可行性。

4.1 轉(zhuǎn)發(fā)式距離多假目標(biāo)鑒別的仿真分析

圖3 全極化單脈沖雷達(dá)抗轉(zhuǎn)發(fā)式干擾的處理流程

下面通過對轉(zhuǎn)發(fā)式假目標(biāo)干擾的判決鑒別量仿真分析來說明本文算法的有效性，圖4給出了某飛機(jī)目標(biāo)和轉(zhuǎn)發(fā)式假目標(biāo)干擾在信噪比/干噪比SNR/JNR=20 dB情況下判決鑒別量的統(tǒng)計(jì)直方圖，蒙特卡洛仿真次數(shù)為104，干擾的極化狀態(tài)為右旋圓極化。圖5給出了典型目標(biāo)和轉(zhuǎn)發(fā)式假目標(biāo)干擾的判決鑒別量均值隨著信噪比(干噪比)的變化曲線，即天線極化方式[cosα, sinαej?], (α,?)∈([0,π], [0,2π])，所有情況下干擾的判決鑒別量均值隨著干噪比的變化曲線疊加在一起如圖5(a)所示，判決鑒別量方差隨著干噪比的變化曲線疊加在一起如圖5(b)所示；典型目標(biāo)為金屬球和某姿態(tài)下飛機(jī)目標(biāo)，PSM分別為，其判決鑒別量均值隨著信噪比的變化如圖5(c)和圖5(d)所示，蒙特卡洛仿真次數(shù)為104。

由圖4和圖5可見，轉(zhuǎn)發(fā)式干擾的判決鑒別量均值、方差與有源干擾天線的極化方式無關(guān)，主要取決于干噪比的大小，這有利于判決門限Tη的確定，由圖5(a)可見，在干噪比大于15 dB的情況下，判決鑒別量小于0.15，因此判決門限可以設(shè)定為Tη=0.2；而對于目標(biāo)而言，其判決鑒別量不僅與信噪比有關(guān)，同時(shí)與目標(biāo)的極化散射特性有關(guān)，但是目標(biāo)的判決鑒別量在統(tǒng)計(jì)上與轉(zhuǎn)發(fā)式干擾存在顯著差異，一般情況下大于0.5，這為真假目標(biāo)的鑒別提供了物理依據(jù)。

4.2 轉(zhuǎn)發(fā)式角度欺騙干擾鑒別的仿真分析

圖4 某飛機(jī)目標(biāo)和轉(zhuǎn)發(fā)式假目標(biāo)干擾的判決鑒別量統(tǒng)計(jì)直方圖

圖5 典型目標(biāo)和轉(zhuǎn)發(fā)式假目標(biāo)干擾的判決鑒別量均值隨著信噪比(干噪比)的變化曲線

這里也主要通過對轉(zhuǎn)發(fā)式角度欺騙干擾判決鑒別量仿真分析來驗(yàn)證本文算法的有效性，其中飛機(jī)目標(biāo)的散射矩陣及干擾的極化狀態(tài)選擇同4.1節(jié)。圖6給出了某飛機(jī)目標(biāo)在無干擾條件下全極化單脈沖雷達(dá)測角值和判決鑒別量隨著信噪比的變化曲線。其中，測角斜率km=30，雷達(dá)目標(biāo)與瞄準(zhǔn)軸的夾角α=0.5°，蒙特卡洛仿真次數(shù)為103。圖6(a)給出了飛機(jī)目標(biāo)測角誤差(角度測量值與真值之差)統(tǒng)計(jì)均值隨著信噪比的變化曲線；圖6(b)給出了飛機(jī)目標(biāo)測角誤差統(tǒng)計(jì)均值隨著夾角α的變化曲線，信噪比SNR=20 dB；圖6(c)給出了在無干擾情況下判決鑒別量η14統(tǒng)計(jì)均值隨著信噪比的變化曲線。圖7給出了存在轉(zhuǎn)發(fā)式欺騙干擾情況下飛機(jī)目標(biāo)的測角值和判決鑒別量隨著信噪比、目標(biāo)和干擾的夾角β的變化曲線。其中，干信比JSR=0 dB, α=0.5°，蒙特卡洛仿真次數(shù)為103。圖7(a)給出了存在干擾情況下飛機(jī)目標(biāo)測角誤差統(tǒng)計(jì)均值隨著干噪比的變化曲線，=0.5°；圖7(b)給出了存在干擾情況下飛機(jī)目標(biāo)測角誤差統(tǒng)計(jì)均值隨著夾角α的變化曲線，=0.5°, SNR=20 dB；圖7(c)給出了存在干擾情況下判決鑒別量η14統(tǒng)計(jì)均值隨著β的變化曲線，SNR=30 dB。

由圖6和圖7可見，在無干擾、高信噪比的條件下，雷達(dá)能夠以較高精度測量目標(biāo)的角度信息，判決鑒別量的統(tǒng)計(jì)均值也趨于零；存在轉(zhuǎn)發(fā)干擾的情況下，雷達(dá)目標(biāo)的角度測量值顯著偏離真實(shí)值，嚴(yán)重影響了雷達(dá)的正常工作，而判決鑒別量的統(tǒng)計(jì)均值大于零(尤其是目標(biāo)和干擾的角度偏差β較大、干噪比較高的情況)，這對于雷達(dá)導(dǎo)引頭抗拖曳式誘餌具有重要指導(dǎo)意義。

5 結(jié)束語

目前，轉(zhuǎn)發(fā)式有源欺騙性干擾成為防空反導(dǎo)、反艦攻擊等典型應(yīng)用場景下非常重要的一種干擾樣式，對現(xiàn)代雷達(dá)和雷達(dá)導(dǎo)引頭系統(tǒng)形成了嚴(yán)重威脅。事實(shí)上，這種干擾可以形成3種干擾效果，一是與目標(biāo)沒有重疊在一起，形成距離上多個(gè)假目標(biāo)，這是一類識別與抑制問題；二是完全覆蓋住目標(biāo)，形成角度欺騙性干擾，諸如拖曳式誘餌干擾，這是一個(gè)干擾存在性檢測與抑制問題；三是部分覆蓋目標(biāo)，可衍生認(rèn)為是拖引干擾，但這對于現(xiàn)代多功能多任務(wù)雷達(dá)系統(tǒng)而言，最終可以歸結(jié)為上兩個(gè)問題的研究。

本文基于同時(shí)測量體制的全極化雷達(dá)，研究了全極化單脈沖雷達(dá)識別轉(zhuǎn)發(fā)式干擾并加以抑制的方法，仿真結(jié)果較好地驗(yàn)證了利用極化和角度信息是對此類干擾具有良好的抗干擾應(yīng)用潛力，這對新一代極化雷達(dá)適應(yīng)復(fù)雜電磁環(huán)境問題的研究具有較好的理論指導(dǎo)和借鑒意義。

圖6 某飛機(jī)目標(biāo)在無干擾情況下全極化單脈沖雷達(dá)測角值與判決鑒別量隨著信噪比的變化曲線

圖7 存在干擾情況下飛機(jī)目標(biāo)測角值與判決鑒別量隨著干噪比、目標(biāo)和干擾夾角β的變化曲線

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李永禎： 男，1977年生，博士，副研究員，研究方向?yàn)槔走_(dá)極化信息處理、目標(biāo)檢測與識別.

胡萬秋： 男，1985年生，博士生，研究方向?yàn)槔走_(dá)極化信息獲取與處理、目標(biāo)識別.

陳思偉： 男，1984年生，博士，講師，研究方向?yàn)槔走_(dá)極化信息處理、SAR圖像處理、目標(biāo)識別.

Active Repeater Jamming Suppression Using Polarimetric Monopulse Radar

Li Yong-zhen①Hu Wan-qiu①Chen Si-wei①Yin Jia-peng①Wang Xue-song①②

①(State Key Laboratory of Complex Electromagnetic Environment Effects on Electronics and Information System, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)
②(College of Science, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

The active repeater jamming is a very important jamming technique in the modern warfare, especially for the air defense, anti-missile and anti-warship operations. It becomes a serious threat for the modern radar systems. This paper focuses on the representative distance-deception and angle-deception artifacts in radar formed by the active repeater jamming techniques. The discrimination and suppression of such active repeater jamming with fully polarimetric mono-pulse radar is studied. The theoretical investigations and simulation experiments demonstrate and validate that the utilization of polarization information has the capability to identify and suppress these jamming patterns. The obtained conclusion shows great potential for the further studies and can assist the investigation of the issue that how radar can be adapted to the complex electromagnetic environment.

Radar repeater jamming; Full polarimetry; Mono-pulse; Discrimination and suppression

TN957.51

A

1009-5896(2015)02-0276-07

10.11999/JEIT140146

2014-01-23 收到，2014-12-01改回

國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金(60802078) 資助課題

*通信作者：胡萬秋 wanqiu_1985@sina.com