对相控阵雷达的交叉极化干扰技术浅析*

甄晓鹏，艾小锋，冯德军，李永祯，甄晓改

(1.国防科技大学电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室，湖南 长沙 410073；

2.首都航天机械公司，北京 100076)



对相控阵雷达的交叉极化干扰技术浅析*

甄晓鹏1，艾小锋1，冯德军1，李永祯1，甄晓改2

(1.国防科技大学电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室，湖南 长沙 410073；

2.首都航天机械公司，北京 100076)

摘要：首先分析了电扫偶极子相控阵雷达空域极化特性，讨论了主极化及交叉极化分量在测角时振幅和差比值的不同。在简述交叉极化角欺骗干扰原理之后，结合单脉冲极化雷达的角度测量算法，分析了对相控阵雷达进行交叉极化角度欺骗干扰的影响参数及干扰效果。 仿真结果表明，对相控阵单极化雷达而言，该方法是一种颇具潜力的新型干扰方法。

关键词：相控阵雷达；和差波束；交叉极化；角欺骗干扰

0引言

20世纪80年代以来，以“爱国者”和“宙斯盾”系统为典型代表的美国第三代防空导弹武器系统，及90年代以后许多国家积极发展的新一代防空导弹武器系统均采用了相控阵雷达，这预示着具有电控反应时间短、波束指向灵活、可靠性高等优点的相控阵雷达日渐成为现代防空系统的主角。作为对立方的导弹、飞机、舰船等武器装备则面临重大挑战，寻求有效的相控阵雷达干扰技术成为急迫的研究课题。

距离和角度测量是雷达对目标进行跟踪、定位的基础，从电子战技术角度出发，在距离信息的利用上，随DRFM技术发展而兴起的距离波门拖引干扰、多假目标干扰等对相控阵雷达均有一定的干扰效果[1]。在角度的欺骗上，目前较为成熟的理论为相干两点源角度欺骗干扰，而两点源相干干扰有空间实现上的制约，且易被利用相干两点源和雷达目标全极化回波特性差异对干扰进行识别[2-4]。交叉极化干扰最初针对抛物面机械扫描雷达而提出，是利用其形成和差波束时，特有的“不理想”因素进行角度欺骗干扰。与相干两点源干扰相比，交叉极化干扰不存在相干两点源干扰空间实现及两干扰机收发天线极化矢量难以控制等因素的制约。旋转抛物面机扫天线的交叉极化特性及交叉极化干扰对机扫雷达角度鉴别曲线的影响分析参见文献[5~7]，而相控阵雷达因其短电偶极子场的矢量性，合成的雷达单波束及测角和差波束空域极化特性与机扫天线并不相同，若交叉极化干扰对广泛应用的相控阵雷达也可产生角欺骗干扰,则将有效掩护目标突防。

目前，对相控阵天线辐射特性研究较多[8-9]，关于其极化特性略有涉及且主要集中在极化隔离度、极化空变特性等，对于相控阵雷达单脉冲测角和差波束的极化特性及交叉极化干扰对该和差波束测角影响的研究则较为少见。本文在分析相控阵雷达空域极化特性的基础上，深入研究了相控阵雷达测角时主极化及交叉极化分量的振幅和差特性，并对交叉极化干扰角欺骗效果进行了仿真分析，理论分析及仿真结果表明采用交叉极化干扰技术对相控阵雷达进行角欺骗是可行的，在不同相位差下均对相控阵单极化雷达有良好角欺骗效果。

1相控阵雷达单脉冲测角原理

1.1　短电偶极子的场

相控阵雷达是由大量短导体排列组合而成，研究相控阵雷达空域极化特性需首先分析短电偶极子辐射特征。设在x轴上有长度为L的偶极子，中心与原点重合，x向偶极子的空域极化特性，包围偶极子的媒质是空气或真空，则在远场处的电场分量Er、Eθ、及Eφ的表达式[8]为：

(1)

式中，μ为媒质的磁导率；I是长度为l的偶极子上所有各点的电流值；k=2π/λ为波数，λ为波长。观测点在不同空间位置即不同的观测方位及俯仰角度下，所接收电波的极化状态不同。以俯仰极化为主极化，则方位向极化为其交叉极化分量，如图1所示，a、b两点方位角φ2=-φ1，俯仰角同为θ，在远场处a、b的主极化(即俯仰分量)分别为Eθ1、Eθ2且方向相同，交叉极化分量(即方位向电场分量Eφ1、Eφ2)则方向相反(即相位相差为π)。

图1　x向偶极子与坐标系

1.2　相控阵雷达波束的交叉极化特性

图2所示为一个二维M×N阵元的平面阵，每个阵元具有相同的方向图。

图2　平面偶极子阵列的布局图

以俯仰向极化为主极化场，方位向极化为交叉极化场，由文献[9]可知，间距分别为dx、dy，并且天线口径电场为均匀分布时，主极化与交叉极化电场的阵因子和在极化基[θ，φ]下的场表示为：

(2)

(3)

天线波束指向在法线方向，俯仰角θ=45°时，xy向间距为0.7λ，谐振频率为10GHz，偶极子长度为1.5cm(半波长偶极子)，距离地面高度为0.75cm，平面阵列布局如图2所示。该x向二维5×5阵列归一化方位极化方向图如图3所示。在主瓣内交叉极化分量得到了15dB的抑制效果，且由图3(a)可以看出在主瓣内其交叉极化分量正负交替(即交叉极化分量矢量方向相反)。

图3　x向阵列天线方向图

1.3　振幅和差波束的主极化测角

在雷达测角算法中，等信号法测角[10]以其测角精度高、便于自动测角等优点在精密跟踪雷达中得到广泛应用。等信号法测角包括相位和差法与振幅和差法，本文研究的交叉极化干扰主要针对振幅和差法。振幅和差等信号法测角采用两个相同彼此重叠的波束，利用目标在不同的空间位置两波束接收到的信号强度比不同进行目标角度的测量。 图4(a)为所设阵列主极化振幅和差波束；在-5°～5°范围内主极化振幅和差比值近似为线性，如图4(b)所示。振幅和差法正是利用方位、俯仰差信号与相应和信号振幅的比值，通过查表确定目标在方位、俯仰向上偏离等信号轴的方向与角度的。

图4　主极化振幅和差波束及和差比值列表

2对相控阵雷达的交叉极化干扰

2.1振幅和差波束的交叉极化特性

由于其交叉极化分量在主极化最大值两侧反向(见图1、图3)，矢量方向相反。故和方向图在等信号轴附近趋向于0，差方向图在等信号轴附近趋于不为0的定值，如图5(a)所示；差与和的比值在两波束主极化等信号轴附近趋于无穷，如图5(b)所示。

图5　交叉极化振幅和差波束及和差比值列表

交叉极化分量在测角振幅和差比值上与主极化的差异使得交叉极化角欺骗干扰成为可能。无干扰时，由图3可知交叉极化分量一般较小，其差和比值对测角影响可忽略不计；若有干扰时，雷达接收能量中交叉极化干扰能量与所接收到的信号能量相当或远大于所接收到的信号能量，则所接收的交叉极化分量对测角和差比值的影响不可忽略。

2.2　干扰模型及参数分析

记m1(θ)、m2(θ)为相控阵单脉冲雷达天线波束1和波束2的主极化电压方向图，θ为目标(干扰机)偏离等信号轴角度，令等信号轴角度为0°，c1(θ)、c2(θ) 分别为单脉冲雷达交叉极化电压方向图。无干扰时，相对主极化，交叉极化峰值一般均低15 dB以上，对于幅度和差单脉冲测角体制雷达而言，根据角度鉴别公式[11-12]，对于实际角度为θ的目标此时雷达测量角度为：

(4)

式中，*表示共轭；km为雷达角度鉴别曲线斜率。

当交叉极化干扰存在时，干扰的存在使得交叉极化接收分量不可忽略，此时雷达的测量角度为：

(5)

式中，

(6)

式中，k为干扰与信号的幅度之比，α为交叉极化接收矢量c(θ)与主极化接收矢量m(θ)之间的相对相位差，β为干扰与信号之间的相对相位差。

1) 参数k的分析

(7)

2) 相对相位差

当α+β=π/2时，测量角度主要由A、C项决定；

当α+β→0、 π时，测角角度中C、D两项值的影响逐渐增强，测量值由A、B、C、D四项共同决定。

3仿真实验与结果分析

两个二维5×5阵列，组成相控阵雷达振幅和差测角系统，其它参数不变。对其进行交叉极化角度欺骗干扰，在α+β等于π/2、π时，不同干信比对雷达角度鉴别曲线的影响如图6所示。α由接收站雷达决定。β由干扰机决定。对比图6(a)、(b)可见，在一定干信比下，正如2.2节分析，不同的α+β值如α+β=π/2、 π时，测量角度由A、B、C、D四项的不同组合构成，产生的角度欺骗干扰效果并不相同。相同的是，当交叉极化干扰远大于信号强度(如40dB时)，交叉极化主导，在等信号轴附近测量角度严重偏离实际项占据角度，且正负相反。

交叉极化干扰需要较高的干信比，以20dB干信比、α+β=π/2的交叉极化信号对雷达进行角度欺骗干扰时，干扰机在不同的雷达瞄准轴偏离角度下被测量的角度如表1所示。

图6　不同交叉极化干扰干信比下的天线角度鉴别曲线

表1　干信比20 dB，α+β=π/2下不同偏离角度时的欺骗角度

测量角度与实际角度偏离角度符号相反，这使得雷达将瞄准轴向错误的方向修正，修正之后由表1可知又将产生更大的欺骗角度，如此循环往复，以欺骗的方式诱使雷达错误地跟踪干扰信号，并最终丢失目标，该过程类似(距离、速度)波门拖引干扰。

4结束语

本文以相控阵雷达的空域极化特性为基础，推导并分析了其测角振幅和差波束中主极化及交叉极化分量的特性。指出交叉极化分量和差比值列表与主极化和差比值列表的差异使得交叉极化角度欺骗干扰成为可能。结合极化雷达回波接收理论，推导并分析了交叉极化角度欺骗干扰模型，通过仿真讨论了影响交叉极化角度欺骗干扰的两个参数α+β及干信比k，并分析了实际的干扰过程。相控阵雷达阵元形式种类繁多，影响相控阵雷达空域极化特性的因素众多，空域极化特性的改变无疑也将给对相控阵雷达交叉极化角度欺骗干扰带来新的问题，因此还需做进一步的研究。作为该领域的初步探究，本文给出了对相控阵雷达交叉极化角度欺骗干扰的分析方法，具有较好的应用前景。■

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Analysis of cross-polarization jamming techology for phased array radar

Zhen Xiaopeng1, Ai Xiaofeng1, Feng Dejun1, Li Yongzhen1, Zhen Xiaogai2

(1.State Key Laboratory of Complex Electromagnetic Environmental Effects on Electronics & Information

System , National University of Defense Technology, Changsha 410073, Hunan,China;

2.Capital Aerospace Machinery Company, Beijing 100076,China)

Abstract:First the spatial polarization characteristics of the phased array radar is analyzed, and the difference of the amplitude sum-difference ratio, when the main polarization and the cross polarization components to measurement angle, is also discussed. After the principle of cross polarization angle deception jamming is introduced, the influence parameters and jamming effect of cross polarization angle deception jamming are analyzed. Simulation results show that the proposed method is a promising new method for phased array radar.

Key words:phased array radar; sum-difference beam; cross polarization; angle deception jamming

中图分类号：TN972+.3; TN974

文献标识码：A

作者简介：甄晓鹏(1988-)，男，硕士研究生，研究方向为双/多基地雷达新型干扰方法研究。

收稿日期：2015-09-17；2015-10-10修回。

*基金项目：国家自然科学基金(61372170)