雷达极化测量技术

赵鹏飞

(西安电子科技大学电子工程学院，陕西西安 710071)

在现代战争中，雷达和雷达对抗是取得战争胜利的重要保障［1］。雷达对抗是阻止敌方雷达及其武器系统有效使用电磁频谱的电子对抗措施，而对抗的前提是对敌方目标的电子情报(Electronic Intelligence，ELINT)的获取，电子情报主要是对雷达系统发射的信号进行观测的结果［2］，电子情报不仅能及时地提供有关威胁系统的信息，而且还能提供有关防御系统的信息，为下步的电子干扰提供有利的支持。

极化信息同雷达信号中的幅度、相位、频率、波形一样，是雷达信号的重要参量［3］。不同的辐射源，其极化方式不同，测量电磁波信号的极化方式对辐射源信号分类、识别都具有重要意义。常用的电子侦察系统侦察辐射源的参数包括辐射源的方位角、信号载频、信号调制样式、脉冲重复周期、脉冲宽度等，而针对辐射源的天线极化方式的侦察很少。其实传统的对雷达的侦察系统相当于采用的是独立于雷达信号极化的圆极化侦察，这种侦察方式能够侦收到绝大部分辐射源信号，但其结果往往是除了损失1/2的入射信号功率外，同时损失了对入射信号极化特性的检测、分辨和识别能力［4］。为更好地对辐射源进行分类、识别，文中针对雷达辐射源极化的检测与测量，提出了正交双通道测量极化方法，并对该方法进行了仿真实验，实验结果验证了该方法是正确的。

1 雷达电波极化方式

1.1 极化椭圆

由麦克斯韦方程组推导出了时变电磁波的基本表达式，该表达式是建立在一定的理想条件下。因为雷达天线与侦查接收天线距离较远，可以看作是远场，电磁波在大气中传播姑且认为是在均匀介质中传播，所以发射的无线电波认为是均匀的平面电磁波，也称为横电磁波(Transverse Electro－Magnetic Wave)简称TEM 波［5］。

对于电磁波而言，极化描述了电场矢量端点作为时间的函数所形成的空间轨迹的形状和旋向［6］。平面电磁波的电矢量在直角坐标系中可分解为水平和垂直两个分量，而这两个分量之间的相对关系就构成了平面电磁波的极化方式［7－8］。

一般情况下，一个沿+z方向传播的单色电磁波的电场矢量E既有x方向的分量［9］，又有y方向的分量，用复矢量表示为

式(1)还可以写为

由以上3式可以看出，当Ex≠0、Ey≠0并且φ≠0时，消去参数γ，得出一般情况下的椭圆方程

由此可见，平面电磁波的极化椭圆由E0x、E0y和3个参量惟一确定。如果只考虑椭圆的形状而忽略其大小，那么只需要两个参数φ和γ就可以描述一个极化椭圆。其中，φ是相位差，γ是垂直极化电波幅度与水平极化电波幅度比值的反正切。如图1所示，一般情况下平面电磁波电场矢量的轨迹图。

图1 平面电磁波的极化椭圆

极化椭圆的旋转方向是这样规定的(IEEE Test Antenna Standard，1979):如果电场矢量旋向与传播方向满足右手螺旋定则，则称为右旋极化;如果电场矢量旋向与传播方向满足左手螺旋定则，则称之为左旋极化。

1.2 电波的极化形式

根据平面电磁波的电场矢量端点在空间中的轨迹图形，一般可划分为3种极化形式，即线极化、圆极化和椭圆极化［10－11］。

(1)线极化。

当E0y或E0y有一个为0，极化椭圆蜕化为一条线段，对应的极化方式为线极化。当E0x=0时，电磁波对应的极化方式是垂直线极化;当E0y=0时，电磁波对应的极化方式是水平线极化。当φ=－180°或180°时，即使水平方向或者垂直方向的分量的幅度不为0，其极化方式也是线极化。该线极化与x轴的夹角θ和两者之间的幅度比有关系［12］，而θ=arctan(E0y/E0x)。

(2)圆极化。

当垂直分量的幅度与水平分量的幅度相等且两者之间的相位差为+90°或－90°时，极化椭圆蜕化为圆形，+90°对应左旋圆极化，－90°对应右旋圆极化。

(3)椭圆极化。

除了以上两种情况外，剩下的都是椭圆极化，通过侦收测得椭圆倾角γ、椭圆率角ε和椭圆尺寸A来区分不同的椭圆极化。

2 正交极化天线法

正交极化天线法是采用两个正交的极化天线接收雷达信号，接收到的信号通过两个相参通道，经过一系列处理，测出两个通道信号的幅度比和相位差，从而输出雷达信号的极化方式。这两个正交的极化天线可以是垂直线极化和水平线极化的结合，也可以是左旋圆极化和右旋圆极化的结合，仅两者的数据处理部分不同，其原理是相同的。这种方法又称为幅度—相位法［13］。

以常见的极化雷达信号为例，为了方便计算，姑且认为该极化雷达发射的电磁波是平面电磁波，任何一个平面电磁波都可以表示为

式中，f为雷达信号的载波频率;φx、φy分别为水平方向和垂直方向电波的初相。

该雷达信号进入极化分集接收系统后，在水平通道和垂直通道的响应就是Ex和Ey

两者间的幅度比为

相位差为

水平通道和垂直通道的信号混频，放大，中频滤波和正交相位处理，分别输出两路正交的I、Q信号

式中，k、a为经过混频和低通滤波器的增益;φl为本振的初相。提取信号的幅度值，得到信号的幅度分别为

信号相位差的提取得到

通过式(11)和式(12)可以计算出信号的幅度比和相位差为

对比式(7)～式(8)和式(13)～式(14)可以看出，所求的幅度比χ'=χ，相位差φ'=φ。所以由所求的幅度比和相位差来判别雷达信号的极化方式是正确的。

3 实验仿真结果及分析

当雷达发射的是左旋椭圆极化，雷达信号的频率为f=1 020 MHz，接收机带宽200 MHz，其中心频率为f0=1 000 MHz。以一个左旋的极化椭圆为例，设初值E0x=1，φx=π/3，E0y=2，φy=π/2。理论上，接收机的水平通道和垂直通道都有信号并且幅度之比为2∶1，仿真得出，水平通道和垂直通道的I、Q信号时域特性曲线如图2和图3所示。

幅度比均值为:2.000 1+8.226 1e－008i幅度比方差为:3.186 6e－005－2.047 5e－009i

相位差均值为:0.523 51+6.654 5e－008i相位差方差为:8.404 8e－005－2.571 5e－010i取其实部，可以得出幅度比为 2.000 1，可认为是2;相位差为0.523 51，接近于π/6。所测得幅度比和相位差与实际雷达信号的幅度比和相位差相符，推导出该雷达信号的极化方式为左旋椭圆极化，仿真结果成立。

4 优缺点

正交极化天线法的优点是能瞬时测出雷达信号的极化方式，只要有雷达信号进入接收机，在末端就会有极化方式的输出。随着高速数字电路和数字信号处理(DSP)技术的发展，经过高速A/D变换的大量数字信号能够得到快速处理，将这些技术应用到雷达极化测量上，能够大大缩短极化测量时间，为战场提供了时间保障。其次是能够处理同时到来的多个信号，可同时识别多部极化雷达，为雷达侦察的信号预处理提供了重要的参数依据。另外对于极化捷变雷达的测量很有效果，能够迅速测量极化捷变雷达极化参数，引导干扰信号进行极化干扰。

正交极化天线法的缺点有:

(1)该方法采用了双通道处理，比单通道处理多一倍的设备量，提高了雷达极化侦察的成本。

(2)该方法必须要求双通道各个器件的参数必须保持一致，处理时间上也要保持同步，对器件性能要求很高。

(3)该方法对数据处理部分要求也很高，需要高速大规模的集成器件来处理大量的高速数字信号。

5 结束语

文中只对水平和垂直这一对正交极化做了仿真，其实在理论上，只要是一对正交的极化天线都能够测出雷达信号的极化，它们之间的关系只是坐标与坐标之间的变换关系，所以有了水平和垂直这一对正交极化天线就能推导出其他正交极化天线的算法。

文中对接收系统的流程和一些主要算法做了仿真，仅考虑了接收机的内噪声，外界的杂波，外界噪声和各种有源无源干扰都以理想状态对待，在实际应用中还会存在一些新的问题。

［1］赵国庆.雷达对抗原理［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2003.

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［3］李忠良.雷达侦察设备测量信号极化的方法［J］.上海航天，1997(6):22－28.

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［6］曾清平.雷达极化技术与极化信息应用［M］.北京:国防工业出版社，2006.

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