外軍針對雷達主瓣和旁瓣的極化干擾技術分析

戴幻堯，劉文釗，周 波，王建路

（中國洛陽電子裝備試驗中心，河南 洛陽471003）

0 引言

早在二十世紀九十年代末，美俄就發現了單脈沖雷達天線（包括幅度和差、相位和差）的方向圖具有復雜的極化結構，并且測角精度容易受到通道一致性、目標的去極化作用、多徑散射造成的去極化等因素的影響［1－7］，根據單脈沖雷達天線的這種固有屬性設計了交叉極化干擾樣式。從公開報道的資料可以看出外軍極化干擾技術發展的基本現狀。

Northrop Grumman公司已將該干擾應用于美軍的F-16CD／Block60戰斗機的干擾吊艙上，可以對一些地對空的跟蹤制導雷達、空空制導雷達導引頭進行有效的自衛式的角度欺騙干擾。據報道，美軍新一代干擾機AN／ALQ-167，美軍航空兵機載威脅仿真模擬器上面都具備極化調制的干擾樣式。

美國的APECS-II艦載電子戰系統是美國Argo System Inc研制生產的新型水面艦艇電子戰系統，干擾機采用了相控陣多波束天線，可覆蓋方位360°和高低角30°的范圍。它在脈沖和連續波方式輻射大功率干擾，可同時對付16個目標，與比較老的相控陣天線比，此系統可以變極化（專門對付單脈沖威脅源），已安裝（沒有外部波導也沒有水冷設備），并且能對付復雜信號，是世界上第一部以XPOL-JAM為主要手段、以單脈沖主動雷達導引頭為作戰對象的ECM系統。該系統已經出口了包括葡萄牙、荷蘭、希臘、巴基斯坦等在內的多個國家，美國海軍的SLQ-32（V）電子戰系統，法國的ARBB33干擾機和以色列的SEWS電子戰系統也采用了類似技術。

如圖1所示，部分俄制的機載自衛電子干擾系統也具備交叉極化干擾，用以實現對部分機載火控雷達、面對空雷達制導導彈、空對空雷達制導導彈、艦對空雷達制導武器的電子干擾。

圖1 部分俄制自衛干擾吊艙具備交叉極化干擾模式

1 交叉極化干擾原理

無論是幅度比較單脈沖，還是相位比較單脈沖技術，都存在一個潛在的薄弱點，那就是相對于設計的極化，它存在交叉極化（或稱為寄生極化），盡管電平低于－25dB。交叉極化天線方向圖的零點出現在設計極化的方向圖最大位置，交叉極化的最大點一般可能位于設計極化方向圖的－15dB左右的位置［8－9］，也就是說，兩個極化波束顯示出不同的方向圖。因此，當計算兩個波束的幅度差時，它們的兩個誤差信號方向圖是反相的。下面給出理論分析：

比幅單脈沖，和、差單脈沖測角公式：

一般只包含實部，得到：

根據不同的具體情況，會得到不同的和、差信號，進而化簡得到不同的形式。

考慮交叉極化信號的因素，干擾信號的極化和雷達的主極化的垂直程度可以用γ進行表示，γ＝0表示與主極化完全垂直，單脈沖雷達的跟蹤誤差為信號與干擾造成的誤差之和。通過數學推導，可以得到交叉極化干擾條件下的單脈沖雷達跟蹤誤差定義：

與公式（1）不同之處在于和、差的含義，其中

式中，和信號Σ＝目標回波在和通道的響應＋干擾機主極化在和通道的響應＋干擾機交叉極化在和通道的響應；差信號Δ＝目標回波在差通道的響應＋干擾機主極化在差通道的響應＋干擾機交叉極化在差通道的響應。

干擾條件下和差信號定義如表1所示。當干擾不存在即K＝0時，公式（3）退化為常用結果即公式（1）。某單脈沖制導雷達的和–差極化方向圖等效仿真如圖2所示。

表1 干擾條件下和差信號定義

可以看出，主極化的和差方向圖、交叉極化的和差方向圖結構差異很大，在中心方向上具有反相的特性。因此，當計算兩個波束的幅度差時（幅度單脈沖技術要求執行），它們的兩個誤差信號方向圖是反相的。主極化響應形成的測角輸出和交叉極化響應產生的測角輸出不僅數值不同，而且極性也不同。當干擾機發射的信號有意識的保持和雷達極化正交時，就會是雷達角度跟蹤不穩定甚至丟失目標。

2 交叉極化干擾仿真

2.1 對單脈沖雷達主瓣的干擾效果

圖2 某單脈沖雷達導引頭和-差極化方向圖仿真

實施交叉極化干擾關鍵要突破兩個技術，一是實時測量、估計或檢測出雷達發射波的極化方式，同時產生與雷達發射波極化正交的噪聲干擾、假目標干擾，或兼具欺騙和壓制效果的靈巧噪聲干擾；二是克服目標運動或者干擾機平臺本身運動造成的極化狀態不穩定造成的影響，盡量保證干擾的絕對正交。提出的自適應交叉極化干擾就是不需要測量和估計雷達發射波的極化方式，不管雷達發射波的極化方式如何變化，只需要在干擾機的水平極化天線和垂直極化天線所接收的信號基礎上，通過極化變換的方法生成一組正交的信號，轉發給雷達，轉發干擾的延遲處理時間和目前DRFM轉發干擾的速度一樣（20ns量級），通過增大延遲可以兼具RGPO、VGPO、X-Pol干擾的效果。

通過大量仿真，圖3給出了極化正交性偏差為0、極化正交性偏差為20°條件下，干信比發生變化時的雷達角度鑒別曲線比較示意圖。圖3中K表示干擾信號功率和目標回波信號功率的比值，即當K＝0時表示完全沒有干擾信號，K＝10時，等效干信比為20dB。由圖可以看出，隨著干擾信號的增大，相比于未受干擾的角誤差信號發生很大變化，穩定跟蹤點發生偏移，誤差曲線結構發生很大變化，特別的當K 達到10時，角度鑒別曲線在中心方向輸出一個極大值，并在半功率點附近85°和105°形成了穩定的零點即穩定跟蹤點。

圖3 不同干信比條件下的雷達角度鑒別曲線比較示意圖

圖4 給出了目標初始位置目標點左側時跟蹤過程中導引頭指向、目標角度和假目標角度隨時間的變化關系。從圖4可以看出，初始有一個短暫的跟蹤過程，之后由于交叉極化的干擾，測角誤差增大，出現假目標。測角誤差驅動導引頭向假目標方向偏轉，最終導彈穩定的跟蹤到假目標方向，假目標的相對位置趨于零。導彈在向假目標方向偏轉的過程中，導彈指向遠離真目標，所以真目標的相對位置一直增大，最后穩定在－2.7°。

2.2 對防空警戒雷達旁瓣的干擾效果

旁瓣匿影技術（SLB）是現代防空雷達中常用的抗干擾措施，其對脈沖式欺騙干擾的抑制性能優異，因此雷達抗干擾中普遍會具備旁瓣匿影功能［10］。然而，針對該項抗干擾技術，國外有過報道指出，主天線和輔助天線的交叉極化特性不一樣，如圖5所示。交叉極化增益如果在副瓣區域，輔助天線低于主天線，則無法啟動匿影進行選通，從而使干擾無法被匿影，從而形成有效干擾。因此，如果干擾方對己方的搜索、引導雷達采用交叉極化干擾，可以突破旁瓣匿影系統來形成假目標，最終形成航跡欺騙干擾，使得雷達的抗干擾功能失效，破壞雷達的工作的性能。下面根據典型參數進行仿真以驗證極化干擾在旁瓣內的干擾效果。

圖4 目標初始位置在B點左側時跟蹤過程

仿真中，雷達信號參數如下，脈沖寬度τ＝10μs，帶寬B＝50MHz，主天線的旁瓣共極化增益GMZ＝3dB，主天線的交叉極化增益GCZ＝－10dB，隔離度13dB。輔助天線的共極化增益GMF＝12dB，輔助天線的交叉極化增益GCF＝－20dB，隔離度32dB，輸入端干噪比10dB。圖5給出主天線和輔助天線的全極化方向圖。圖6表明未采取極化干擾前，干擾信號在主通道響應比輔助通道響應低，所以經過SLB處理判斷為旁瓣干擾信號，關閉輸出。

圖5 主輔天線方向圖

圖6 SLB對共極化干擾信號處理結果

當采用極化干擾后，干擾的極化和輔助通道匹配，和主通道失配，主通道響應比輔助通道響應高，所以經過SLB處理判斷為存在目標（干擾有效形成了假目標），開放輸出，如圖7所示。

圖7 SLB對交叉極化干擾信號處理結果

3 結束語

在干擾應用模式上，干擾機在突防過程中如果使用得當，可以使SLB在主瓣對準的時候開始工作，造成目標信號大概率被匿影，產生顯著地干擾效果。這是因為SLB系統中主天線和輔天線對交叉極化的響應不同，會改變主通道和輔助通道的信號響應，主天線接收能量急劇下降，輔天線接收能量會強于主通道，觸發SLB系統工作，主通道閉鎖，目標被匿影。特別的是部分其它利用相關處理的抗干擾措施也會受到極化干擾的影響，例如旁瓣對消。

總的來說，極化干擾技術的應用有兩種有效方式，第一，噪聲干擾＋自適應交叉極化干擾，這樣可以有效對付具有干擾源定位模式的雷達，迫使雷達根據天線的交叉極化方向圖進行噪聲干擾源／假目標的跟蹤，阻止導引頭的測距、測速或前沿跟蹤；第二，基于相干波形的交叉極化干擾迫使雷達瞄準線離開真實目標方向，在幾個不穩定的零值點間徘徊。無論是采用DDS、DRFM，還是采用延遲線的相干干擾機都能充分利用雷達信號處理，獲得脈沖壓縮增益和檢波前積分增益可達到20dB。針對地面防空預警系統突防過程中，全程使用交叉極化干擾，在不同的干擾階段，對不同功用的雷達如預警、目標指示、跟蹤制導雷達均會產生不同的干擾效果。■