反向交叉眼干擾特性建模與仿真分析

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(中國洛陽電子裝備試驗中心， 河南洛陽 471003)

0 引言

雷達干擾與抗干擾的博弈一直是電子戰中的熱點領域[1]，其中交叉眼干擾是為對抗單脈沖角跟蹤雷達或雷達導引頭而專門設計的一種干擾技術，主要用于飛機、艦船等武器平臺上對來襲的雷達末制導導彈進行角度誘偏。隨著相控陣技術的逐漸成熟，器件成本及工程實現難度的下降，交叉眼干擾逐漸從一種科學理論成為一種實用技術，其性能優勢逐步顯現出來，因此，交叉眼干擾技術被認為是最具發展前景的現代電子防衛手段之一[2-8]。據報道，意大利電子公司已于2001年突破了交叉眼干擾的關鍵技術。目前已經作為電子戰支援裝置安裝在歐洲臺風戰斗機上。這種干擾機采用了10 m左右的短基線，每個翼尖安裝有前向和后向天線，以防御前向和后向的攻擊，據稱可以100%的可靠度實現100 m的脫靶距離。俄羅斯的Sorbtsiya干擾機也能夠實現交叉眼干擾，已經裝備Su-271B/30/35 Flanker系列戰斗機。顯然地，作為被干擾的一方，開展交叉眼干擾對抗技術研究是很有意義的。

目前，現有文獻中對交叉眼干擾特性和對抗方法研究較少。文獻[9]指出，交叉眼信號和目標信號存在多普勒頻差，以此作為干擾檢測的依據，通常干信比大于15 dB，且多普勒分辨率取決于相干處理時間，在動態條件下增大處理時間會引起多普勒譜展寬。文獻[10]提出利用正交極化接收來檢測交叉眼干擾的存在性，實際上反向結構使得干擾和回波的極化差異很小，此時檢測概率會急劇下降。文獻[8]中認為，當所接收信號為交叉眼干擾信號時，單脈沖角跟蹤雷達和接收波束方向圖將表現出差接收波束方向圖的特征，而差接收波束方向圖將表現出和接收波束的方向圖特征，且和接收波束最大輸出響應方向將偏離真實目標方向。本文分析結果表明，現有研究中并沒有區分交叉眼的反向結構，非反向交叉眼干擾才會出現文獻[11]所述的這個特征，而反向交叉眼干擾則沒有這個特征。本文以比幅測角體制單脈沖角跟蹤雷達為例，針對非反向和反向交叉眼干擾分別建立了和、差通道接收信號模型，對交叉眼干擾在其和、差接收信號中所表現出的特征開展較深入研究，進行了大量的仿真分析，驗證了上述結論，為探索對抗交叉眼干擾的可能手段提供技術支持。

1 非反向交叉眼干擾條件下的單脈沖和、差接收信號數學模型與仿真

交叉眼干擾根據實現不同可以分為兩種模型：非反向交叉眼干擾和反向交叉眼干擾，如圖1所示。非反向交叉眼是指通過一個接收機接收雷達信號，然后通過功分器將信號分為兩路，經過放大、反相調制，通過兩個干擾機發射出去。反向交叉眼是指通過兩個接收機接收雷達信號，經過放大調相后，通過兩個反向路徑發射出去。這兩種模型的干擾信號傳輸路徑不同，如圖2所示，從而導致干擾效果出現差異。

(a)非反向交叉眼干擾

(b)反向交叉眼干擾圖1交叉眼干擾模型

首先，對非反向交叉眼干擾模型進行分析。設移相器相移為Δφ，兩個干擾支路的幅度匹配程度可以表示為

(1)

式中，G1和G2分別為交叉眼干擾兩個支路的增益。

設單脈沖雷達天線和方向圖為FΣ(θ)，差方向圖為FΔ(θ)，天線增益為G，雷達波長為λ，雷達發射信號為s0，雷達和干擾機的距離為R，干擾機方向與雷達天線視軸夾角為θr，兩個干擾天線與雷達視軸的夾角為θJ1和θJ2，兩個干擾天線之間的距離為L，姿態角為θc，如圖2所示，則干擾設備收到的雷達信號可以表示為

(2)

經過兩個支路處理后，發射的干擾信號為

(3)

即

(4)

因此，干擾條件下單脈沖和、差通道的輸出信號響應可以分別寫成如下形式：

(5)

式中，

θJ1=θr+θe

(6)

θJ2=θr-θe

(7)

(8)

(9)

在理想條件下，即β=1， Δφ=180°，R1=R2時，和、差信號響應可表示為

Σ=S(θr)[FΣ(θJ1)-FΣ(θJ2)]

Δ=S(θr)[FΔ(θJ1)-FΔ(θJ2)]

(10)

對式(10)進行仿真，和通道響應在視軸方向出現零點，變為差波束的形式；而差通道響應在視軸方向出現峰值，變為和波束的形式，如圖3所示。

(a)差通道響應

(b)和通道響應圖3 β=1, Δφ=180°, R1=R2時非反向交叉眼干擾下單脈沖方向圖

2 反向交叉眼干擾信號模型

反向交叉眼干擾會受到雷達波束方向圖的兩次調制，具有與非反向交叉眼干擾不同的特性，尤其是和波束，下面給出具體的建模過程。

兩個支路的幅度匹配程度可以表示為

(11)

式中，G1和G2為兩個支路的增益(功率增益)，如圖4所示。圖4示出的結構中，位于左邊的天線所接收的信號被放大20～40 dB并從右邊的天線轉發出去，同樣，位于右側的天線所接收的信號被放大并從左側天線轉發出去，但在該電路中存在著180°的相移。為了使干擾機更有效，這兩個信號路徑的長度嚴格相等。

圖4 反向交叉眼干擾結構示意圖

假設交叉眼干擾設備的收發天線為全向天線，干擾設備的兩個天線收到的信號分別為

(12)

經過兩個支路后，發射的干擾信號為

(13)

即

(14)

雷達天線接收的和、差信號為

(15)

化簡得到

Σ=S(θr)(1+βejΔφ)

(16)

式中，

(17)

θJ1=θr+θe

(18)

θJ2=θr-θe

(19)

(20)

從上式可以看出，β和Δφ是和波束的幅度因子，S(θr)是和波束的形狀因子，因此β和Δφ不會影響和波束的形狀。這一點與非反向交叉眼干擾不同，這是由于兩者發射的干擾信號經過不同的傳播路徑，受到不同的調制。為了更加直觀地說明這個問題，以β=1, Δφ=180°,R1=R2的理想情況討論。此時，受雷達方向圖的影響，反向交叉眼干擾發射的兩個干擾信號幅度是反相不等幅的，在雷達接收干擾時，再次受到和方向圖的調制，信號變為等幅反相。非反向交叉眼干擾發射的兩個干擾是等幅反相的，干擾進入雷達時受到雷達方向圖的調制，變為反相不等幅，從而只在視軸方向出現一個零點凹陷，其他方向不為零。下面通過仿真試驗證明上述結論。

3 反向交叉眼干擾仿真試驗

3.1 和差接收通道的響應特征

仿真中，天線采用高斯波束，半功率波束寬度θB=4.4°，波束偏置角θ0=0.46θB。兩個干擾機距離L=13 m，目標姿態角θc=0°。不考慮目標回波，只考慮兩個干擾機的信號，干擾機結構為反向交叉眼干擾。

1) 和通道響應特征

從上節的推導結果可以看出，在反向交叉眼干擾下，和通道響應形狀不隨β, Δφ發生變化。限于篇幅，這里只給出了不同Δφ時的仿真曲線，如圖5所示。從圖中可以看出，該曲線形狀不隨Δφ而發生變化。

圖5 和通道響應

2) 差通道響應特征

圖6給出反向交叉眼干擾下，不同R，β及Δφ的仿真結果。從圖中可以看出，在比較理想的條件下，差通道的響應出現峰值，變為和波束的形式。

3.2 和差信號功率之比的響應特征

圖7示出了當接收信號為交叉眼干擾信號時，參數R，β及Δφ不同取值組合情況下，差、和接收信號功率之比與方位角θr間的關系曲線的仿真計算結果。由圖7可見：在給定的幾種取值組合情況下，差、和接收信號功率之比與θr間的關系曲線均出現了不同程度的畸變，甚至在某些θr取值范圍內出現了差接收信號功率大于和接收信號功率的情況。R越小、β越接近于1、 Δφ越接近180°，畸變越明顯，交叉眼干擾的誘偏能力越強，出現差信號功率大于和信號功率的θr取值范圍也越大。

(a)R=1000m，β=0．9(b)R=1000m，β=0．8(c)R=2000m，β=0．9(d)R=2000m，β=0．8(e)R=4000m，β=0．9(f)R=4000m，β=0．8圖6 不同參數下差通道響應

(a)R=1000m，β=0．9(b)R=1000m，β=0．8(c)R=2000m，β=0．9(d)R=2000m，β=0．8(e)R=4000m，β=0．9(f)R=4000m，β=0．8圖7 單脈沖比曲線

4 結束語

通過研究可以發現，反向交叉眼結構和非反向交叉眼結構具有不同的干擾效果。1) 在理想干擾條件下即β=1, Δφ=180°,R1=R2，非反向交叉眼干擾導致單脈沖雷達的和通道響應在視軸方向出現零點凹陷，變為差波束的形式，而差通道響應出現峰值，變為和波束的形式，此時雖然會使得和通道的干擾信號對消，無法將干擾信號作為期望信號檢測和處理，但是不會影響目標回波信號差通道的響應，因此單脈沖比依然會發生畸變，換言之，在差通道響應發生畸變的條件下依然會有一定干擾效果，這和文獻[9]中的結論不同。2) 在理想條件下，反向交叉眼干擾下差通道響應也出現峰值，變為和波束的形式。和通道響應不隨β及Δφ的變化而發生變化，在視軸方向保持一個峰值，這與非反向交叉眼具有明顯差異。3) 反向交叉眼干擾下，單脈沖雷達差接收波束的方向圖發生了畸變，干擾源與單脈沖雷達間的距離越小，兩干擾點源輸出信號功率越接近，相位越接近于反向，差通道響應圖越表現出和波束的特征，并在目標方向附近出現極大值。同時，單脈沖比曲線也會發生畸變，甚至會出現差接收信號功率大于和接收信號功率的情況。

[1] 張思遠,李永禎,肖順平. 空間兩點源的單脈沖測角極化響應研究[J]. 雷達科學與技術, 2015, 13(5):467-472.

ZHANG Siyuan, LI Yongzhen, XIAO Shunping. Polarimetric Response for Dual-Point Sources in Monopulse Angular Measurement System[J]. Radar Science and Technology, 2015, 13(5):467-472.(in Chinese)

[2] CHARLAND S. Future EW:Counter-Missile Technologies[R]. Ottawa:Sky Industries Inc, 2011.

[3] TUCKER T W, VIDGER B. Cross-Eye Jamming Effectiveness[R]. Ottawa:Tactical Technologies Inc, 2009.

[4] 楊沛斌,張娜. 基于作戰效能評估的交叉眼干擾設備在飛機上的布局[J]. 航空科學技術, 2015, 26(6):35-38.

YANG Peibin, ZHANG Na. Layout of Cross-Eye Jamming Equipment on Aircraft Based on Combat Effectiveness Evaluation Method[J]. Aeronautical Science & Technology, 2015, 26(6):35-38.(in Chinese)

[5] 張偉,莫翠瓊,陳秋菊,等. 交叉眼技術對角跟蹤雷達導引頭的干擾效果分析[J]. 航天電子對抗, 2015, 31(3):14-16.

ZHANG Wei, MO Cuiqiong, CHEN Qiuju, et al. Effect Analysis of Cross-Eye Jamming on Angle-Tracking Radar Seeker[J]. Aerospace Electronic Warfare, 2015, 31(3):14-16.(in Chinese)

[6] 馬逸超. 交叉眼干擾半實物仿真技術研究[J]. 現代防御技術, 2014, 42(1):170-174.

[7] DU PLESSIS W P, ODENDAAL J W, JOUBERT J. Tolerance Analysis of Cross-Eye Jamming Systems[J]. IEEE Trans on Aerospace and Electronic Systems, 2011, 47(1):740-745.

[8] DU PLESSIS W P. Platform Skin Return and Retrodirective Cross-Eye Jamming[J]. IEEE Trans on Aerospace and Electronic Systems, 2012, 48(1):490-500.

[9] 曹菲,劉慶云,辛增獻. 交叉眼干擾數學建模[J]. 現代雷達, 2013, 35(6):69-72.

[10] 宗志偉,李永禎,施龍飛,等. 全極化雷達相干兩點源角度欺騙干擾識別方法[J]. 電波科學學報, 2014, 29(4):621-626.

[11] CHANDLER C A. Cross-Eye Jamming Detection and Mitigation:US7843376[P]. 2010-11-30.