對單脈沖雷達的交叉眼干擾效果分析

譚 信

(西南電子設備研究所，四川 成都 611731)

0 引 言

單脈沖雷達是20世紀50年代初期出現的一種精密跟蹤雷達[1]。它利用比較水平方向上2個波束的幅度和相位信息的方法確定方位，利用垂直方向上2個波束來確定仰角。理論上，單脈沖雷達可利用單個目標回波定向，因此具有很強的抗干擾性。目前，針對單脈沖體制雷達，較為有效的角度欺騙干擾方法有非相干干擾、交叉眼干擾和交叉極化干擾。

交叉眼干擾是一種相干干擾，它將單脈沖體制雷達測角引導至干擾源連線之外，對單脈沖雷達有較好的欺騙干擾作用。交叉眼干擾通常作為作戰平臺的自我防衛手段，如飛機、艦船等用于對主動雷達進行角度欺騙干擾[2]。

1 單脈沖測角原理

現代雷達普遍采用精確的單脈沖測角方式，能夠在一個脈沖周期內完成測角，相對于圓錐掃描雷達有如下優點：獲得角誤差信號時間短；不易受目標回波信號起伏的影響；測角精度高[3]等。根據取出角誤差信號的方法不同，單脈沖雷達可以分為振幅和差式單脈沖雷達和相位和差式單脈沖雷達[4]，本文重點介紹使用較為廣泛的振幅和差單脈沖測角方式，其原理方框圖如圖1所示。

圖1 振幅和差單脈沖雷達原理方框圖

振幅和差單脈沖雷達簡要工作原理：雷達在空間內發射4個相互部分重疊的波束，圖1中A、B、C、D分別代表4個饋源，將收到的4個回波信號進行和、差處理后得到和信號A+B+C+D，方位差信號(A+C)-(B+D)，俯仰差信號(A+B)-(C+D)，和、差信號經過各自的接收通道和中放處理，和、差兩信號經過相位檢波，輸出得到角誤差信號，變成相應的直流誤差電壓加到方位、俯仰伺服系統，控制天線在角度上跟蹤目標。和信號用于發射、觀察和測距，還可以用作相位比較的基準。

2 交叉眼干擾

2.1 交叉眼干擾的基本原理

交叉眼干擾采用2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，各發射信號合成雷達天線相位中心所在空間點的局部特殊輻射場[5]。該輻射場的波前在雷達所在位置的局部發生扭曲以產生假象，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，或者說到達角是虛假的。交叉眼干擾通常由2路獨立的干擾機組成，其收發天線配置如圖2 所示。實現交叉眼干擾的主要技術難點是如何保證兩干擾源J1、J2的信號在雷達接收天線口面處于穩定的反相。

圖2 交叉眼干擾收發天線配置

交叉眼干擾原理圖如圖3所示，干擾信號J1、J2到達雷達天線口面的信號具有穩定的相位關系，考慮干擾信號和目標回波同時存在的情況。AJ1、AJ2、Ar分別為J1，J2和目標回波信號的幅度，φ1，φ2分別為干擾信號J2和回波信號相對于干擾信號J1的相位差，θ3為目標偏離雷達等強信號方向的夾角,則雷達天線1，2接收到的回波信號為[6]：

(1)

經過波束形成網絡，得到和差信號EΣ,EΔ：

(2)

根據單脈沖雷達測向的原理，誤差信號為：

(3)

將天線方向圖在θ0方向展開冪級數，并取一階近似如式(4)：

F(θ0±θ)=F(θ0)?F′(θ0)θ

(4)

se(t)≈Kd(θ(1+b2+2bcosφ1+acosφ2+

acosφ2-abcos(φ1-φ2))+θ3(a2+

acosφ2+abcos(φ1-φ2)))

(5)

當誤差信號se(t)=0時，跟蹤天線的指向角θ′為：

(6)

2.2 各項參數對交叉眼干擾效果的影響

從公式(6)得出：跟蹤天線的指向角θ′的大小跟回波信號與干擾信號的幅度比a，兩干擾源幅度比b，3個信號之間的相位差φ1，φ2，兩干擾源相對于雷達對準軸的夾角Δθ，以及目標偏離兩干擾源中心線的角度(θ-θ3)有關。下面具體討論各參數對天線指向角θ′的影響。

(1) 當θ=θ3時，即目標角度與兩干擾源中心線角度重合，是典型的自衛式干擾場景，公式如下：

θ′=

(7)

(2) 當幅度比a趨于0時，即目標回波遠遠小于干擾信號時，公式(7)簡化為下式：

(8)

交叉眼干擾可以形成很大的角度測量誤差，該誤差可以偏出2個干擾源J1和J2實際的張角之外，這是傳統非相干干擾不能達到的。

(3) 當φ1=0時，即2個干擾源同相時，天線指向角為：

(9)

(4) 當φ1=π時，即2個干擾源反相時，天線指向角如式(10)：

(10)

3 交叉眼干擾效果分析

考慮機載自衛式干擾，2個干擾源分別位于載機的2個翼尖上，此時信號回波近似在2個干擾源中間，即近似滿足θ=θ3。下面對典型場景下的交叉眼干擾進行仿真，并分析各參數對干擾效果的影響。

3.1 幅度比b和相位差φ1對干擾效果的影響

仿真參數設置：a=-20 dB,Δθ=0.1°,φ2=0,θ=θ3=0.02°,b=[0.8,0.9,1,1.1,1.2]。天線指向角θ′與b，φ1的關系仿真結果如圖4所示，由圖4可知：

(1)φ1越接近180°，b越接近1，天線指向角度越大。當φ1=π，b≈1時，θ′→∞；

(2) 在b取5個不同值時，φ1在180°附近時，天線指向角明顯偏出2個干擾源實際的張角之外，取得優于非相干干擾的干擾效果；

(3) 在φ1=π附近變化時，天線指向角減小的速度非常快，當相位差φ1偏離π超過5°后，干擾效果就下降很多。

圖4 交叉眼干擾時θ′與b，φ1的關系

3.2 幅度比b對干擾效果的影響

仿真參數設置：a=-20 dB， Δθ=0.1°，φ2=0，θ=θ3，φ1=[178° 179° 180°]。

天線指向角θ′與b的關系仿真結果如圖5所示，由圖可知：

(1) 當φ1=180°時，在b≈1.01指向角達到極大值，稍微有所偏離b=1，這是由于目標回波信號引起的。

(2) 當φ1≠180°的時候，指向角的極大值點所對應的b也將偏離b=1.01，并隨著φ1向180°靠近而向b=1.01靠近。

圖5 交叉眼干擾時θ′與b的關系

3.3 幅度比a和φ2對干擾效果的影響

仿真參數設置：a=[0，0.1，0.2，0.3]，Δθ=0.1°，θ=θ3，φ1=180°，φ2=0或π。天線指向角θ′與a的關系仿真結果如圖6、圖7所示。由圖6和圖7可知：

(1) 在φ1=0時，由于存在目標回波，會引起出現最大值時的b≠1，增大的幅度隨著a的增大而增大，即在b≈1+a時，θ′→∞；

(2) 當φ1=π時，由于存在目標回波，會引起出現最大值時的b≠1，減小的幅度隨著a的增大而增大，即在b≈1-a時，θ′→∞。

圖7 交叉眼干擾時θ′與a的關系(φ2=π)

3.4 兩干擾源之間距離L和干擾源與雷達之間距離R對干擾效果的影響

仿真參數設置：b=[0.93 0.97 0.99]，5 km≤R≤30 km，L=20 m，φ1=180°，φ2=0。天線指向角與雷達、干擾源之間距離R的關系如圖8所示。由圖8可知：

(1)b越接近1，天線指向角越大，交叉眼干擾效果越好；

(2) 雷達跟蹤天線的指向角θ′隨著R增大而減小，即在R=5 km時交叉眼干擾效果要明顯優于R=30 km的情況。

圖8 交叉眼干擾時θ′與R的關系

仿真參數設置：b=[0.93 0.97 0.99]，R=20 km，10 m≤L≤30 m，φ1=180°，φ2=0。天線指向角與兩干擾源之間距離L的關系如圖9所示。由圖9可知：

(1)b越接近1，天線指向角越大，交叉眼干擾效果越好；

(2) 雷達跟蹤天線的指向角θ′與兩干擾源距離L成線性關系，θ′隨著L的增大而增大。

圖9 交叉眼干擾時θ′與L的關系

3.5 目標偏離兩干擾源中心線的角度(θ-θ3)對干擾效果的影響

仿真參數設置：b=[0.93 0.95 0.97]，a=-20 dB， Δθ=0.1°，φ1=180°，φ2=0。天線指向角與目標偏離兩干擾源中心線的角度的關系如圖10所示。由圖10可知：

(1) 雷達跟蹤天線的指向角θ′與(θ-θ3)成線性關系，變化范圍較小；

(2) (θ-θ3)對天線指向角的影響效果與a的大小有關，隨著a的增大干擾效果越發明顯。

圖10 交叉眼干擾時θ′與(θ-θ3)的關系

3.6 效果分析

通過計算機仿真幅度比、相位差和目標偏離兩干擾源中心線的角度等參數對天線指向角θ′的影響，在實際應用中，交叉眼干擾取得較好的干擾效果需滿足如下條件：

(1) 2個干擾源信號在天線口面的相位差控制在φ1=π偏差較小角度時，交叉眼干擾可以達到較好的效果；

(2) 為了減小搭載平臺體目標回波對干擾效果的影響，干擾機必須有足夠大的功率，從而保證交叉眼在b=1，φ1=π時達到最好的干擾效果；

(3) 2個干擾源之間距離L越大時，交叉眼干擾效果越好，對于機載交叉眼干擾，干擾源一般布置在飛機兩側翼尖；

(4) 不考慮目標回波的影響，干擾機與雷達之間距離R越小，交叉眼干擾效果越好，但要保證2個干擾源在一個雷達波束內。

4 結束語

單脈沖雷達具有良好的抗單點源干擾的性能，交叉眼干擾可以在滿足一定的限定條件下，對單脈沖雷達形成較好的干擾效果，但在實際工程實現時某些條件無法滿足，從而導致交叉眼干擾的性能大打折扣。單脈沖雷達角度跟蹤往往還需要在距離、速度上首先完成跟蹤，一旦距離、速度跟蹤回路遭到破壞，其角度跟蹤回路也會受到影響，因此對單脈沖雷達的干擾也可以避開其抗單點源干擾的優勢，同時對其距離、速度和角度回路進行干擾，從而達到事半功倍的效果。

[1] 司偉建，曲志昱，趙忠凱，等.現代電子對抗導論[M].北京:北京航空航天大學出版社,2016.

[2] 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.

[3] 孫富君，陶建鋒，孫宏偉.單脈沖雷達的角度跟蹤干擾研究[J].現代雷達,2004,26(1):17-18.

[4] 丁鷺飛，耿富錄.雷達原理[M].3版.西安:西安電子科技大學出版社,2002.

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[6] 陳安娜.對單脈沖雷達的相干兩點源干擾機理研究[J].航空兵器,2007(2):7-11.