基于MIMO技術(shù)的“交叉眼”干擾對抗方法

牟成虎， 鄭 博， 徐 卉， 易 堃

(上海無線電設(shè)備研究所， 上海 200090)

基于MIMO技術(shù)的“交叉眼”干擾對抗方法

牟成虎， 鄭 博， 徐 卉， 易 堃

(上海無線電設(shè)備研究所， 上海 200090)

分析了“交叉眼”干擾的內(nèi)在機理，提出了采用MIMO雷達對抗交叉眼干擾的技術(shù)方法，經(jīng)仿真分析表明，該方法能夠有效對抗“交叉眼”干擾。

交叉干擾； 雷達對抗； 仿真分析

0 引言

“交叉眼”干擾是為對抗單脈沖角跟蹤雷達或雷達導(dǎo)引頭而專門設(shè)計的一種干擾技術(shù)，主要用于在飛機、艦船等武器平臺上對來襲的雷達末制導(dǎo)導(dǎo)彈進行角度誘偏[1]。隨著交叉眼干擾技術(shù)的不斷成熟已逐步開始應(yīng)用，并逐步裝備在先進的戰(zhàn)機和艦船等武器設(shè)備。這將使單脈沖雷達導(dǎo)引頭的作戰(zhàn)效能大幅降低。

國內(nèi)外文獻主要研究了“交叉眼”干擾的實現(xiàn)方法和效能分析[2-5]。文獻[6,7]指出“交叉眼”干擾對利用和通道定向的雷達(如圓錐掃描雷達)不具有干擾作用，文獻[3]指出可以利用這一點作為交叉眼干擾對抗的一種措施。但圓錐掃描法測角精度低，受目標(biāo)RCS起伏影響大等難以適應(yīng)現(xiàn)代導(dǎo)彈作戰(zhàn)使用需求。本文根據(jù)交叉眼干擾的技術(shù)特點，提出了一種基于MIMO雷達技術(shù)的交叉眼干擾對抗方法，可為雷達設(shè)計師對抗交叉眼干擾提供一種有效的技術(shù)途徑。

1 “交叉眼”干擾的原理

“交叉眼”干擾是利用兩路交叉釋放的干擾回波信號在單脈沖天線和路中疊加接近為零、在差路中疊加還存在一定信號強度。目標(biāo)回波信號在和路中疊加增強，在差路中疊加后幾乎為零，最后總的回波信號中和路信號主要為目標(biāo)信號、差路信號主要為干擾信號，從而使單脈沖比幅測角輸出的角誤差數(shù)據(jù)偏離目標(biāo)角位置。

“交叉眼”干擾實施方案一般是載機機翼兩端交叉放置兩對收發(fā)天線，以其幾何中心位置呈旋轉(zhuǎn)對稱和軸對稱，如圖1所示。從導(dǎo)引頭天線和路H點發(fā)射的信號經(jīng)J1接收天線接收后由S1天線輻射回導(dǎo)引頭天線和路H點，經(jīng)J2接收天線接收后移相180°后由S2天線輻射回導(dǎo)引頭H點。

圖1 交叉眼干擾示意圖

由于干擾設(shè)備兩對收發(fā)天線對稱布置，在空間中任意點H發(fā)射信號經(jīng)“交叉眼”兩路干擾設(shè)備接收輻射后回歸H點的路程基本相同(圖2中，H點y軸坐標(biāo)為2 km，x、z軸分別取-1 km～+1 km，干擾源接收天線J1與J2間距30 m，J1與S2間距為0.2 m，仿真計算兩干擾源回波總路程差小于0.040 82 mm)，由于在某路干擾路徑中加入了180°移相，使“交叉眼”兩路回波在H點相位相差180°，在兩路干擾發(fā)射信號強度相等情況下在H點疊加后信號強度接近為零。

xH(t) =xHJ1S1H(t)+xHJ2S2H(t)

(1)

式中：xHJ1S1H(t)為從H點出發(fā)路徑為H→J1→S1→H的信號；xHJ2S2H(t)為H點出發(fā)路徑為H→J2→S2→H的信號；λ為雷達工作波長。

圖2 交叉眼兩路回波在H點的路程差

單脈沖天線中，一般進行分區(qū)收發(fā)信號，然后通過和差器疊加輸出和路、差路信號。以一維兩路分區(qū)單脈沖天線為例，示意圖如圖3所示。

圖3 一維兩路分區(qū)的單脈沖天線示意圖

導(dǎo)引頭發(fā)射信號從和路H點功分兩路至A、B分區(qū)輻射出去，經(jīng)“交叉眼”干擾接收輻射后A、B兩分區(qū)接收干擾回波信號。A、B兩分區(qū)接收的干擾回波信號包含4部分，即A分區(qū)的接收信號分別為由A分區(qū)發(fā)射后經(jīng)干擾源由S1、S2輻射后回到A分區(qū)的信號[xHAJ1S1A(t)、xHAJ2S2A(t)]，由B分區(qū)發(fā)射后經(jīng)干擾源由S1、S2輻射后回到A分區(qū)的信號[xHBJ1S1A(t)、xHBJ2S2A(t)]；同樣，B分區(qū)的接收信號分別為由B分區(qū)發(fā)射后經(jīng)干擾源由S1、S2輻射后回到B分區(qū)的信號，由A分區(qū)發(fā)射后經(jīng)干擾源由S1、S2輻射后回到B分區(qū)的信號。

由前面分析，空間任一點H輻射信號分別經(jīng)“交叉眼”干擾兩路接收輻射后回波信號在H點疊加接近為零。因此，以上A、B分區(qū)接收信號可以進一步簡化為

(3)

圖4 A發(fā)射B接收兩路干擾信號路程差

由A分區(qū)發(fā)射經(jīng)“交叉眼”干擾后B分區(qū)接收的回波信號中兩路交叉眼干擾信號的路程差為1.511 mm見圖4(a)(仿真中A、B分區(qū)相位中心間距0.2 m，其它條件設(shè)置同圖2)，圖4(b)中將J1與J2距離調(diào)整為3 m，其路程差為0.151 1 mm。

由于路程存在差異，且隨著距離拉大產(chǎn)生的相位差變大，使兩路信號相位遠離180°，A、B分區(qū)接收的兩路干擾信號的疊加不為零。從圖4(a)、圖4(b)中可以看出，J1、J2距離越大，引起的A、B分區(qū)接收信號的路程差異越大，A、B分區(qū)中接收的兩路干擾信號的相位與180°差異越大，在A、B分區(qū)中疊加的干擾信號幅度越大(圖5，相同幅度兩路信號不同相位疊加損失情況)。因此，“交叉眼”干擾的兩路收發(fā)設(shè)備一般交叉安裝在載機兩翼尖，以獲得較好的干擾效果。

圖5 兩路等幅信號不同相位條件下疊加功率損失情況

A、B兩分區(qū)接收信號在集合H點疊加形成和路信號，在集合點D疊加形成差路信號。

(4)

式中：RHA為和路集合點H到A分區(qū)相位中心距離；RHB為和路集合點H到B分區(qū)相位中心距離；且一般有RHA=RHB；RDA為差路集合點D到A分區(qū)相位中心距離；RDB為差路集合點D到B分區(qū)相位中心距離；且一般有RDA=RDB+(2n+0.25)λ(式中n=0,1,2,…)，即等相位兩路信號至集合點D時相位反相。

由于信號xHBJ1S1A(t)與信號xHAJ2S2B(t)路程基本相等、相位相差180°，其疊加結(jié)果信號強度接近零，同樣信號xHBJ2S2A(t)與信號xHAJ1S1B(t)疊加后信號強度幾乎為零，和路回波中干擾信號強度接近零。

x∑C(t)= [xHBJ1S1A(t)+xHBJ2S2A(t)+

(6)

差路中信號xHBJ1S1A(t)與信號xHAJ2S2B(t)具有基本相等的路程且相位相差180°，但和差器中差路集合口D至A與D至B路程差對應(yīng)為180°相位，使兩個180°相位相抵或疊加為360°相位，實現(xiàn)兩路信號同相疊加，同理信號xHBJ2S2A(t)與信號xHAJ1S1B(t)在差路中同相疊加。因此,差路中保留了較強的干擾信號。

x∑C(t)={xHBJ1S1A(t)+xHBJ2S2A(t)-

(7)

在“交叉眼”干擾不作其它任何信號調(diào)制的情況下，單脈沖天線接收信號中和路為目標(biāo)回波信號xΣT(t)、差路為干擾信號xΔC(t)(差路零深對準(zhǔn)目標(biāo)，目標(biāo)回波幾乎為零)，導(dǎo)致單脈沖測角輸出角度數(shù)據(jù)不能真實反映目標(biāo)角位置。

2 MIMO雷達工作原理

MIMO(Multiple-input Multiple-output)雷達有多個發(fā)射支路和接收支路，各發(fā)射支路之間發(fā)射的信號相互正交，因此具有更多的自由度，在空間處理和干擾對抗方面比傳統(tǒng)和差三通道雷達具有天然優(yōu)勢。下面以頻率正交MIMO雷達為例，簡單介紹MIMO雷達工作原理。

假設(shè)MIMO雷達有M個收發(fā)分時復(fù)用通道(如圖6所示)，各通道相位中心之間距離為d。各發(fā)射通道發(fā)射的信號分別為Si(t)(i=1,2,3,…,M)，各個通道發(fā)射的信號頻率為fi，各通道內(nèi)信號頻率相差Δf(fi+1=fi+Δf,i=1,2,3,…,M)。

圖6 “交叉眼”干擾下雷達輸出目標(biāo)角誤差數(shù)據(jù)

陣列與目標(biāo)距離為R，則回波延時為τ0=2R/c，其中c為光速。另外，定義τ1=dsinθ/c，其中θ為入射角。假設(shè)各個通道同時發(fā)射，每個通道接收系統(tǒng)帶寬足夠?qū)捒梢越邮账邪l(fā)射通道的信號，則各通道接收的回波信號為Xk(t)(k=1,2,3,…,M)。

即每個通道接收到M個頻率的回波信號。在每個接收通道后匹配設(shè)置M個濾波器用以恢復(fù)每個發(fā)射信號所形成的回波信號，則可獲得M×M個匹配濾波輸出的回波信號。每個收發(fā)通道天線的位置已知，可采用空間譜估計的方法對目標(biāo)角位置進行估計，或?qū)γ總€信號移相相加后采用DBF技術(shù)在某個方向合成和差信號，再利用單脈沖測角技術(shù)獲得目標(biāo)的精確角位置。

3 利用MIMO技術(shù)對抗“交叉眼”干擾的方法

從第1節(jié)分析可見，“交叉眼”干擾在和路疊加信號為零，而在差路留有一定的干擾信號強度，該信號主要由單脈沖不同分區(qū)交叉收發(fā)信號在差路中同相疊加產(chǎn)生的。若能在接收回波信號中避免交叉收發(fā)信號，則可以使每個分區(qū)接收到的干擾信號強度接近為零。即A分區(qū)發(fā)射的相關(guān)回波信號只能由A分區(qū)接收、B分區(qū)發(fā)射的相關(guān)回波信號只能由B分區(qū)接收，利用“交叉眼”干擾自身的干擾機理，在A、B分區(qū)中接收的回波信號中“交叉眼”干擾信號強度為零。

MIMO雷達的處理技術(shù)正好可以實現(xiàn)上述工作。在MIMO雷達中每個通道發(fā)射信號相互正交，在每個通道接收回波信號中包含了豐富的多個發(fā)射通道的回波信號。在處理過程中通過濾波技術(shù)將其它通道發(fā)射的回波信號濾除，僅保留本通道自身發(fā)射信號的回波信號，這樣即可實現(xiàn)將“交叉眼”干擾信號濾除。然后利用每個通道接收的回波信號進行移相匹配處理，最后可利用空間譜估計或數(shù)字和差后單脈沖測角技術(shù)獲得目標(biāo)角誤差數(shù)據(jù)。

該方法成功利用了“交叉眼”干擾信號在空間單點回波疊加為零的特點，“交叉眼”干擾設(shè)計制造的越理想，該方法對其對抗的效果也將越有效。該處理方式，即保留了系統(tǒng)單脈沖測角功能，又使“交叉眼”干擾影響降到最低。其缺點是沒有利用交叉發(fā)射回波信號，導(dǎo)致相參積累的效果沒有常規(guī)MIMO雷達效果好，MIMO雷達的通道數(shù)量越多，其信噪比的損失越嚴(yán)重。但該方法可在彈目距離較近時使用，這也正好匹配了“交叉眼”干擾在近距離效果最佳的特點，起到較好抗干擾效果。

4 仿真驗證情況

仿真中導(dǎo)彈位置H點 y軸坐標(biāo)為2 km，x軸取-1 km～+1 km，干擾源接收天線J1與J2間距30 m，J1與S2間距為0.2 m，天線波束指向?qū)?zhǔn)目標(biāo)幾何中心；兩干擾輻射信號強度相等，相位相差180°。假設(shè)干擾輻射信號強度比目標(biāo)回波信號強度高20 dB，由此經(jīng)天線和差測角后獲得的角誤差輸出如圖7所示。從圖中可以看出，輸出的角誤差超過20°，已經(jīng)完全不能反映目標(biāo)的真實角位置。

圖7 抗干擾處理后雷達輸出目標(biāo)角誤差數(shù)據(jù)

采用MIMO技術(shù)進行“交叉眼”干擾對抗處理后，并利用數(shù)字和差單脈沖測角技術(shù)進行測角運算，測角輸出結(jié)果如圖8所示。從圖中可以看出，測角輸出結(jié)果中已經(jīng)消除了干擾的影響，輸出真實的目標(biāo)角誤差數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

圖8 抗干擾處理后雷達輸出目標(biāo)角誤差數(shù)據(jù)

本文提出一種利用MIMO技術(shù)對抗“交叉眼”干擾的技術(shù)方法，該方法利用了“交叉眼”干擾 在單點回波疊加為零的特點，采用MIMO技術(shù)處理使干擾信號自然消減，然后將濾除干擾后的回波信號形成進行單脈沖測角或空間譜估計測角，即避免了“交叉眼”干擾的影響，又實現(xiàn)了對目標(biāo)的精確測角。

通過仿真分析，驗證了該方法對“交叉眼”干擾對抗的有效性。

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MethodonCrossEyeJammingCountermeasureBasedonMIMOTechnology

MOUCheng-hu,ZHENGBo,XUHui,YIKun

(Shanghai Radio Equipment Research Institute, Shanghai 200090, China)

The inherent mechanism of cross eye jamming is analyzed. A method of using MIMO radar against cross eye jamming is presented. The simulation analysis shows that this method can effectively deal with cross eye jamming.

cross jamming; radar countermeasure; simulation analysis

1671-0576(2017)02-0001-05

2017-02-24

牟成虎(1980-)，男，高級工程師，碩士，主要從事相控陣?yán)走_導(dǎo)引頭技術(shù)研究。

TJ765.331

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