對ESM系統副瓣抑制接收機的干擾方法研究

(空軍預警學院， 湖北武漢 430019)

0 引言

隨著電磁干擾技術的日益發展，戰時雷達將面臨敵方干擾設備的大規模強干擾[1]。干擾機要想實施有效干擾，不可或缺的環節便是依靠其偵察系統對我方雷達的方位參數進行準確測量。而測向過程中，為了切除主路天線旁瓣或尾瓣接收到的輻射源信號，偵察系統通常會在天線接收信號之后設置一個副瓣抑制接收機來消除測向系統天線副瓣引起的測向錯誤。因此，為保護我方雷達的方位信息不被敵方準確偵測，可針對副瓣抑制接收機產生相應的干擾信號，使敵方偵察設備無法正常截獲我方雷達信號，最終達到保護我方雷達正常工作的目的。

目前，對于副瓣匿影系統，文獻[2]提出采用轉發式干擾的方式對副瓣匿影設備進行干擾，分析了干擾機和目標的相對距離對干擾效果的影響。文獻[3]針對脈沖壓縮雷達同樣采用了假目標轉發式干擾的干擾措施，并通過仿真驗證了干擾效果，但仿真實驗僅僅從可行性上進行了驗證，缺少相關因素對干擾效果影響的定量分析。針對上述問題，本文首先介紹了副瓣抑制接收機的工作原理，之后在此基礎上提出了一種保護我方雷達信號不被敵方接收機偵測的相干干擾策略，并通過公式推導分析了雷達及干擾信號在接收機中的具體處理過程，推出了能夠達到干擾效果的臨界干擾強度。最后，通過仿真，得出臨界強度隨入射角度及相位差的變化規律，以及取得最小值時應滿足的干擾條件。

1 ESM系統偵察工作原理分析

ESM偵察系統中，任何一個天線系統的波束圖，除主瓣外，還有旁瓣和尾瓣。天線的主瓣越窄，旁瓣及尾瓣增益就越不容易降低，輻射源信號也就越容易從天線的旁瓣及尾瓣進入偵察接收系統，影響偵察系統正確的測向。

對此，大多ESM系統中加裝了副瓣抑制接收機，通過在主天線基座加裝全向輔助天線的方式抑制來自偵察天線旁瓣及尾瓣的信號，僅使來自天線主瓣的信號進入偵察系統，從而抑制天線副瓣引起的測向錯誤，同時還可以消除天線掃描給測向帶來的影響。其基本組成如圖1所示[4]，主要包括了濾波器、放大器、檢波器、對數放大器以及視頻比較電路等。

圖1 副瓣抑制接收機基本組成框圖

其中，接收機主天線和輔助天線的增益不同，主天線主瓣增益大于全向的輔助天線增益，而輔助天線增益則大于主天線的旁瓣增益。主天線和輔助天線同時接收外界信號，將分別經過處理后的信號強度通過視頻比較電路進行比較，如果主天線信道(主路)來的信號功率大于輔助天線信道(副路)來的信號功率，接收機會得出如下的正確結論：信號是從主天線進入的目標信號，這時通過比較電路得到選通信號，目標信號被選通正常進入信號分析電路。若副路有信號且大于主路信號時(匿影門限為1)，信號被判為旁瓣來的干擾信號，則此時主天線的信號不被選通，從而不能給后面分析電路信號。這樣就保證了主天線的主瓣接收到的信號起方位引導作用，而旁瓣和尾瓣所收到的信號均被副路天線的主瓣抑制掉了[5-7]。

2 對副瓣抑制接收機的干擾方法及機理分析

2.1 對副瓣抑制接收機的干擾方法

針對副瓣抑制接收機通過比較主路信號和副路信號強度來切除干擾信號的工作原理，可以設置干擾源發射高強度干擾信號從接收機旁瓣進入，此時接收機會同時收到雷達及干擾源發出的兩種信號，通過控制干擾信號強度，使經過副瓣抑制接收機處理后的副路信號強度大于主路信號，此時接收機會判定為受到干擾，進而濾除收到的所有信號，導致我方雷達信號會隨干擾信號一同被濾除，從而保護了我方雷達信號不被敵方偵察設備所偵測。

根據這一干擾策略，本文擬采用相干信號對副瓣抑制接收機進行干擾，要求干擾信號與雷達信號有相同的載頻和脈沖參數，且我方雷達信號與干擾信號同時到達副瓣抑制接收機，通過控制干擾信號的干擾強度、入射角度以及與雷達信號的相位關系，使接收機的副路輸出大于主路輸出，進而使我雷達信號被濾除，起到理想的保護效果。

2.2 干擾機理分析

雷達、干擾源及副瓣抑制接收機的空間位置關系如圖2所示(假設雷達信號被天線主瓣接收，干擾信號則從天線第一副瓣進入)。

圖2 干擾配置示意圖

雷達信號及干擾信號從發射到在接收機內部的處理過程如圖3所示，圖中微波前端即為放大器、檢波器和對數放大器的集成裝置。

圖3 信號處理示意圖

設雷達信號與干擾信號分別為

(1)

式中，AS為雷達信號幅度，Aj為干擾信號幅度，ω為信號的角頻率，φS為雷達信號初相位，φ0為雷達信號和干擾信號相位差。

則兩信號到達接收機主瓣和副瓣信號分別為

(2)

接收機主路接收到的信號為經過主瓣增益后的雷達信號與副瓣增益后的干擾信號之和，副路接收到的信號為經過輔助天線增益的雷達信號與干擾信號之和，因此，主路信號與副路信號分別為

(3)

式中，G1為接收機主天線主瓣增益，G2為主天線第一副瓣增益，F為接收機輔助天線增益。

經過圖1所示接收機通道的濾波器、射頻放大、檢波、對數放大、視頻電路后的信號幅度輸出為[8]

(4)

式中，K為放大器的放大倍數。

此時，要想滿足副瓣抑制接收機的匿影條件使我方雷達信號被切除，就需要使Un>Um，將上式代入Un>Um可以得到關于Aj的一元二次方程：

(5)

式中，Δφ=kRa-kRb-φ0，為雷達信號和干擾信號分別到達接收機主瓣和副瓣的相位差。根據一元二次方程性質，并解該方程可得，當

(6)

時式(5)成立。此時即可保證經過信號處理后的副路信號功率大于主路信號，我方雷達信號與干擾信號同時被切除，進而達到了保護我方雷達信號不被敵方正常獲取的目的。

其中式(6)取等時的干擾強度值即為能夠達到干擾效果的臨界干擾強度(記為Ac)。假設我方雷達信號功率不變且從敵方接收天線主瓣增益峰值處進入，此時AS,G1為固定參數；F為接收機輔助天線增益同樣固定不變。而G2為接收機副瓣對干擾信號的增益，受我方干擾信號的入射角度θ控制，cos(Δφ)則由相位差Δφ決定。因此，Ac與干擾信號入射角θ和相位差Δφ有關。

3 仿真分析與驗證

以常用干擾機的副瓣抑制接收機性能參數為例，本文將接收機主瓣天線峰值增益G′1設為37 dB，第一副瓣峰值增益G′2設為7 dB，輔助天線增益F設為11 dB，方向示意圖如圖4所示(假設第一副瓣天線波束圖滿足sinc函數)，雷達發射脈沖功率設為18 kW，特性阻抗50 Ω(幅度AS為0.95 kV)，雷達及干擾信號均為頻率為3 GHz的余弦信號。仿真過程中忽略系統本身的測量誤差。

圖4 副瓣抑制接收機天線方向示意圖

3.1 臨界強度隨入射角的變化趨勢

當相位差Δφ取不同定值時，干擾的臨界強度Ac隨入射角θ的變化趨勢如圖5所示。

圖5 臨界強度隨入射角的變化趨勢圖

根據仿真結果可得：當Δφ∈[123°，180°]時，Ac隨入射角的增大先減小后增大，存在唯一極小值點，當干擾信號從副瓣波束最高增益處進入時，Ac取得最小值，此時可以以最小的干擾功率達到干擾效果；當Δφ∈[106°，123°]時，Ac隨入射角的變化存在兩個極小值點，分別分布在副瓣波束最高增益兩側，此時當干擾強度取得極小值時可以使干擾能量降到最低；當Δφ∈[0°，106°]時，Ac隨入射角的增大先增大后減小，存在一個極大值，干擾信號從副瓣波束兩側零點處進入時臨界強度可以取得最小值，進而使干擾能量最小化。

3.2 臨界強度隨相位差的變化趨勢

當入射角θ從主天線第一旁瓣最低增益向最高增益處遞增時(同一曲線的入射角θ為定值)，干擾的臨界強度Ac隨相位差Δφ的變化趨勢如圖6所示。

圖6 臨界強度隨相位差的變化趨勢圖

通過圖像可以看出，當入射角一定時，Ac隨相位差的增大而減小，當相位差為180°時，干擾強度可以取到最低值。同時，由仿真數據可得：當Δφ∈[0°，106°]時，Ac隨副瓣增益的增大而增大；當Δφ∈[106°，123°]時，Ac隨副瓣增益的增大先減小后增大；當Δφ∈[123°，180°]時，Ac隨副瓣增益的增大而減小。這與圖5反映的結論保持一致。

3.3 尋找最低臨界強度

將入射角θ和相位差Δφ同時設為參考變量進行仿真，得到臨界強度Ac的變化趨勢以及等值線如圖7(a)～(d)所示。

其中，圖7(a)更加直觀地顯示了臨界強度Ac隨入射角θ和相位差Δφ的變化趨勢，由圖7(a)～(c)可知使干擾的臨界強度最小的最優干擾條件為：入射角度為82°，即干擾信號從接收機副瓣最高增益處進入，相位差Δφ為180°，即使干擾信號和雷達信號到達接收機處的相位相反。此時可以得到當雷達信號輻射功率為80 kW時干擾信號的臨界強度為

Ac=AS·

12.1 kV

(7)

此時的臨界強度即為最低臨界強度，對應干擾功率2.9 MW即為最低臨界干擾功率。

(a) Ac隨θ、Δφ的變化趨勢

(b) Ac隨θ的變化趨勢

(c) Ac隨Δφ的變化趨勢

(d) Ac等值線圖7 臨界強度Ac隨相位差Δφ和入射角θ的變化趨勢圖

另外，從圖7(d)的等值線走勢圖可以看出，隨著相位差Δφ減小和主天線副瓣對干擾信號增益逐漸變大，Ac的增大幅度也越來越劇烈，因此，要想使臨界干擾強度盡可能小，其入射角度以及與雷達信號的相位差也應控制得更加精確，且更接近最優干擾條件，否則，會使臨界干擾強度急劇增大，進而導致能量的浪費。

3.4 雷達信號功率與最低干擾功率的關系

改變雷達信號發射功率PS，通過仿真可以得到滿足最優干擾條件的臨界干擾功率Pj(如圖8所示)，二者關系由式(7)可得

Pj=k2PS

(8)

圖8 雷達信號功率與最低干擾功率的關系

4 結束語

為了保護我方雷達信號不被敵方正常獲取，本文通過研究ESM系統中副瓣抑制接收機的工作原理，提出了一種使我方雷達信號不被敵方正常偵測的干擾策略及具體的相干干擾方式，并給出了嚴格的理論推導公式，得出了能夠達到干擾效果的臨界干擾強度。通過仿真驗證了入射角和相位差對臨界強度的影響，并得到了使臨界強度最低的干擾條件，即干擾信號從副瓣峰值增益處進入，且干擾信號和雷達信號到達接收機的相位相反。最后在此基礎上得出了雷達信號功率與最低干擾功率的關系表達式。本文提出的相干干擾信號使敵方副瓣抑制接收機將我方雷達信號以及干擾信號同時濾除，能夠達到保護我方雷達信號不被正常獲取的目的，對今后我軍解決大規模強干擾的難題有一定的借鑒意義。