反向交叉眼干扰特性建模与仿真分析

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(中国洛阳电子装备试验中心， 河南洛阳 471003)

0 引言

雷达干扰与抗干扰的博弈一直是电子战中的热点领域[1]，其中交叉眼干扰是为对抗单脉冲角跟踪雷达或雷达导引头而专门设计的一种干扰技术，主要用于飞机、舰船等武器平台上对来袭的雷达末制导导弹进行角度诱偏。随着相控阵技术的逐渐成熟，器件成本及工程实现难度的下降，交叉眼干扰逐渐从一种科学理论成为一种实用技术，其性能优势逐步显现出来，因此，交叉眼干扰技术被认为是最具发展前景的现代电子防卫手段之一[2-8]。据报道，意大利电子公司已于2001年突破了交叉眼干扰的关键技术。目前已经作为电子战支援装置安装在欧洲台风战斗机上。这种干扰机采用了10 m左右的短基线，每个翼尖安装有前向和后向天线，以防御前向和后向的攻击，据称可以100%的可靠度实现100 m的脱靶距离。俄罗斯的Sorbtsiya干扰机也能够实现交叉眼干扰，已经装备Su-271B/30/35 Flanker系列战斗机。显然地，作为被干扰的一方，开展交叉眼干扰对抗技术研究是很有意义的。

目前，现有文献中对交叉眼干扰特性和对抗方法研究较少。文献[9]指出，交叉眼信号和目标信号存在多普勒频差，以此作为干扰检测的依据，通常干信比大于15 dB，且多普勒分辨率取决于相干处理时间，在动态条件下增大处理时间会引起多普勒谱展宽。文献[10]提出利用正交极化接收来检测交叉眼干扰的存在性，实际上反向结构使得干扰和回波的极化差异很小，此时检测概率会急剧下降。文献[8]中认为，当所接收信号为交叉眼干扰信号时，单脉冲角跟踪雷达和接收波束方向图将表现出差接收波束方向图的特征，而差接收波束方向图将表现出和接收波束的方向图特征，且和接收波束最大输出响应方向将偏离真实目标方向。本文分析结果表明，现有研究中并没有区分交叉眼的反向结构，非反向交叉眼干扰才会出现文献[11]所述的这个特征，而反向交叉眼干扰则没有这个特征。本文以比幅测角体制单脉冲角跟踪雷达为例，针对非反向和反向交叉眼干扰分别建立了和、差通道接收信号模型，对交叉眼干扰在其和、差接收信号中所表现出的特征开展较深入研究，进行了大量的仿真分析，验证了上述结论，为探索对抗交叉眼干扰的可能手段提供技术支持。

1 非反向交叉眼干扰条件下的单脉冲和、差接收信号数学模型与仿真

交叉眼干扰根据实现不同可以分为两种模型：非反向交叉眼干扰和反向交叉眼干扰，如图1所示。非反向交叉眼是指通过一个接收机接收雷达信号，然后通过功分器将信号分为两路，经过放大、反相调制，通过两个干扰机发射出去。反向交叉眼是指通过两个接收机接收雷达信号，经过放大调相后，通过两个反向路径发射出去。这两种模型的干扰信号传输路径不同，如图2所示，从而导致干扰效果出现差异。

(a)非反向交叉眼干扰

(b)反向交叉眼干扰图1交叉眼干扰模型

首先，对非反向交叉眼干扰模型进行分析。设移相器相移为Δφ，两个干扰支路的幅度匹配程度可以表示为

(1)

式中，G1和G2分别为交叉眼干扰两个支路的增益。

设单脉冲雷达天线和方向图为FΣ(θ)，差方向图为FΔ(θ)，天线增益为G，雷达波长为λ，雷达发射信号为s0，雷达和干扰机的距离为R，干扰机方向与雷达天线视轴夹角为θr，两个干扰天线与雷达视轴的夹角为θJ1和θJ2，两个干扰天线之间的距离为L，姿态角为θc，如图2所示，则干扰设备收到的雷达信号可以表示为

(2)

经过两个支路处理后，发射的干扰信号为

(3)

即

(4)

因此，干扰条件下单脉冲和、差通道的输出信号响应可以分别写成如下形式：

(5)

式中，

θJ1=θr+θe

(6)

θJ2=θr-θe

(7)

(8)

(9)

在理想条件下，即β=1， Δφ=180°，R1=R2时，和、差信号响应可表示为

Σ=S(θr)[FΣ(θJ1)-FΣ(θJ2)]

Δ=S(θr)[FΔ(θJ1)-FΔ(θJ2)]

(10)

对式(10)进行仿真，和通道响应在视轴方向出现零点，变为差波束的形式；而差通道响应在视轴方向出现峰值，变为和波束的形式，如图3所示。

(a)差通道响应

(b)和通道响应图3 β=1, Δφ=180°, R1=R2时非反向交叉眼干扰下单脉冲方向图

2 反向交叉眼干扰信号模型

反向交叉眼干扰会受到雷达波束方向图的两次调制，具有与非反向交叉眼干扰不同的特性，尤其是和波束，下面给出具体的建模过程。

两个支路的幅度匹配程度可以表示为

(11)

式中，G1和G2为两个支路的增益(功率增益)，如图4所示。图4示出的结构中，位于左边的天线所接收的信号被放大20～40 dB并从右边的天线转发出去，同样，位于右侧的天线所接收的信号被放大并从左侧天线转发出去，但在该电路中存在着180°的相移。为了使干扰机更有效，这两个信号路径的长度严格相等。

图4 反向交叉眼干扰结构示意图

假设交叉眼干扰设备的收发天线为全向天线，干扰设备的两个天线收到的信号分别为

(12)

经过两个支路后，发射的干扰信号为

(13)

即

(14)

雷达天线接收的和、差信号为

(15)

化简得到

Σ=S(θr)(1+βejΔφ)

(16)

式中，

(17)

θJ1=θr+θe

(18)

θJ2=θr-θe

(19)

(20)

从上式可以看出，β和Δφ是和波束的幅度因子，S(θr)是和波束的形状因子，因此β和Δφ不会影响和波束的形状。这一点与非反向交叉眼干扰不同，这是由于两者发射的干扰信号经过不同的传播路径，受到不同的调制。为了更加直观地说明这个问题，以β=1, Δφ=180°,R1=R2的理想情况讨论。此时，受雷达方向图的影响，反向交叉眼干扰发射的两个干扰信号幅度是反相不等幅的，在雷达接收干扰时，再次受到和方向图的调制，信号变为等幅反相。非反向交叉眼干扰发射的两个干扰是等幅反相的，干扰进入雷达时受到雷达方向图的调制，变为反相不等幅，从而只在视轴方向出现一个零点凹陷，其他方向不为零。下面通过仿真试验证明上述结论。

3 反向交叉眼干扰仿真试验

3.1 和差接收通道的响应特征

仿真中，天线采用高斯波束，半功率波束宽度θB=4.4°，波束偏置角θ0=0.46θB。两个干扰机距离L=13 m，目标姿态角θc=0°。不考虑目标回波，只考虑两个干扰机的信号，干扰机结构为反向交叉眼干扰。

1) 和通道响应特征

从上节的推导结果可以看出，在反向交叉眼干扰下，和通道响应形状不随β, Δφ发生变化。限于篇幅，这里只给出了不同Δφ时的仿真曲线，如图5所示。从图中可以看出，该曲线形状不随Δφ而发生变化。

图5 和通道响应

2) 差通道响应特征

图6给出反向交叉眼干扰下，不同R，β及Δφ的仿真结果。从图中可以看出，在比较理想的条件下，差通道的响应出现峰值，变为和波束的形式。

3.2 和差信号功率之比的响应特征

图7示出了当接收信号为交叉眼干扰信号时，参数R，β及Δφ不同取值组合情况下，差、和接收信号功率之比与方位角θr间的关系曲线的仿真计算结果。由图7可见：在给定的几种取值组合情况下，差、和接收信号功率之比与θr间的关系曲线均出现了不同程度的畸变，甚至在某些θr取值范围内出现了差接收信号功率大于和接收信号功率的情况。R越小、β越接近于1、 Δφ越接近180°，畸变越明显，交叉眼干扰的诱偏能力越强，出现差信号功率大于和信号功率的θr取值范围也越大。

(a)R=1000m，β=0．9(b)R=1000m，β=0．8(c)R=2000m，β=0．9(d)R=2000m，β=0．8(e)R=4000m，β=0．9(f)R=4000m，β=0．8图6 不同参数下差通道响应

(a)R=1000m，β=0．9(b)R=1000m，β=0．8(c)R=2000m，β=0．9(d)R=2000m，β=0．8(e)R=4000m，β=0．9(f)R=4000m，β=0．8图7 单脉冲比曲线

4 结束语

通过研究可以发现，反向交叉眼结构和非反向交叉眼结构具有不同的干扰效果。1) 在理想干扰条件下即β=1, Δφ=180°,R1=R2，非反向交叉眼干扰导致单脉冲雷达的和通道响应在视轴方向出现零点凹陷，变为差波束的形式，而差通道响应出现峰值，变为和波束的形式，此时虽然会使得和通道的干扰信号对消，无法将干扰信号作为期望信号检测和处理，但是不会影响目标回波信号差通道的响应，因此单脉冲比依然会发生畸变，换言之，在差通道响应发生畸变的条件下依然会有一定干扰效果，这和文献[9]中的结论不同。2) 在理想条件下，反向交叉眼干扰下差通道响应也出现峰值，变为和波束的形式。和通道响应不随β及Δφ的变化而发生变化，在视轴方向保持一个峰值，这与非反向交叉眼具有明显差异。3) 反向交叉眼干扰下，单脉冲雷达差接收波束的方向图发生了畸变，干扰源与单脉冲雷达间的距离越小，两干扰点源输出信号功率越接近，相位越接近于反向，差通道响应图越表现出和波束的特征，并在目标方向附近出现极大值。同时，单脉冲比曲线也会发生畸变，甚至会出现差接收信号功率大于和接收信号功率的情况。

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