对ESM系统副瓣抑制接收机的干扰方法研究

(空军预警学院， 湖北武汉 430019)

0 引言

随着电磁干扰技术的日益发展，战时雷达将面临敌方干扰设备的大规模强干扰[1]。干扰机要想实施有效干扰，不可或缺的环节便是依靠其侦察系统对我方雷达的方位参数进行准确测量。而测向过程中，为了切除主路天线旁瓣或尾瓣接收到的辐射源信号，侦察系统通常会在天线接收信号之后设置一个副瓣抑制接收机来消除测向系统天线副瓣引起的测向错误。因此，为保护我方雷达的方位信息不被敌方准确侦测，可针对副瓣抑制接收机产生相应的干扰信号，使敌方侦察设备无法正常截获我方雷达信号，最终达到保护我方雷达正常工作的目的。

目前，对于副瓣匿影系统，文献[2]提出采用转发式干扰的方式对副瓣匿影设备进行干扰，分析了干扰机和目标的相对距离对干扰效果的影响。文献[3]针对脉冲压缩雷达同样采用了假目标转发式干扰的干扰措施，并通过仿真验证了干扰效果，但仿真实验仅仅从可行性上进行了验证，缺少相关因素对干扰效果影响的定量分析。针对上述问题，本文首先介绍了副瓣抑制接收机的工作原理，之后在此基础上提出了一种保护我方雷达信号不被敌方接收机侦测的相干干扰策略，并通过公式推导分析了雷达及干扰信号在接收机中的具体处理过程，推出了能够达到干扰效果的临界干扰强度。最后，通过仿真，得出临界强度随入射角度及相位差的变化规律，以及取得最小值时应满足的干扰条件。

1 ESM系统侦察工作原理分析

ESM侦察系统中，任何一个天线系统的波束图，除主瓣外，还有旁瓣和尾瓣。天线的主瓣越窄，旁瓣及尾瓣增益就越不容易降低，辐射源信号也就越容易从天线的旁瓣及尾瓣进入侦察接收系统，影响侦察系统正确的测向。

对此，大多ESM系统中加装了副瓣抑制接收机，通过在主天线基座加装全向辅助天线的方式抑制来自侦察天线旁瓣及尾瓣的信号，仅使来自天线主瓣的信号进入侦察系统，从而抑制天线副瓣引起的测向错误，同时还可以消除天线扫描给测向带来的影响。其基本组成如图1所示[4]，主要包括了滤波器、放大器、检波器、对数放大器以及视频比较电路等。

图1 副瓣抑制接收机基本组成框图

其中，接收机主天线和辅助天线的增益不同，主天线主瓣增益大于全向的辅助天线增益，而辅助天线增益则大于主天线的旁瓣增益。主天线和辅助天线同时接收外界信号，将分别经过处理后的信号强度通过视频比较电路进行比较，如果主天线信道(主路)来的信号功率大于辅助天线信道(副路)来的信号功率，接收机会得出如下的正确结论：信号是从主天线进入的目标信号，这时通过比较电路得到选通信号，目标信号被选通正常进入信号分析电路。若副路有信号且大于主路信号时(匿影门限为1)，信号被判为旁瓣来的干扰信号，则此时主天线的信号不被选通，从而不能给后面分析电路信号。这样就保证了主天线的主瓣接收到的信号起方位引导作用，而旁瓣和尾瓣所收到的信号均被副路天线的主瓣抑制掉了[5-7]。

2 对副瓣抑制接收机的干扰方法及机理分析

2.1 对副瓣抑制接收机的干扰方法

针对副瓣抑制接收机通过比较主路信号和副路信号强度来切除干扰信号的工作原理，可以设置干扰源发射高强度干扰信号从接收机旁瓣进入，此时接收机会同时收到雷达及干扰源发出的两种信号，通过控制干扰信号强度，使经过副瓣抑制接收机处理后的副路信号强度大于主路信号，此时接收机会判定为受到干扰，进而滤除收到的所有信号，导致我方雷达信号会随干扰信号一同被滤除，从而保护了我方雷达信号不被敌方侦察设备所侦测。

根据这一干扰策略，本文拟采用相干信号对副瓣抑制接收机进行干扰，要求干扰信号与雷达信号有相同的载频和脉冲参数，且我方雷达信号与干扰信号同时到达副瓣抑制接收机，通过控制干扰信号的干扰强度、入射角度以及与雷达信号的相位关系，使接收机的副路输出大于主路输出，进而使我雷达信号被滤除，起到理想的保护效果。

2.2 干扰机理分析

雷达、干扰源及副瓣抑制接收机的空间位置关系如图2所示(假设雷达信号被天线主瓣接收，干扰信号则从天线第一副瓣进入)。

图2 干扰配置示意图

雷达信号及干扰信号从发射到在接收机内部的处理过程如图3所示，图中微波前端即为放大器、检波器和对数放大器的集成装置。

图3 信号处理示意图

设雷达信号与干扰信号分别为

(1)

式中，AS为雷达信号幅度，Aj为干扰信号幅度，ω为信号的角频率，φS为雷达信号初相位，φ0为雷达信号和干扰信号相位差。

则两信号到达接收机主瓣和副瓣信号分别为

(2)

接收机主路接收到的信号为经过主瓣增益后的雷达信号与副瓣增益后的干扰信号之和，副路接收到的信号为经过辅助天线增益的雷达信号与干扰信号之和，因此，主路信号与副路信号分别为

(3)

式中，G1为接收机主天线主瓣增益，G2为主天线第一副瓣增益，F为接收机辅助天线增益。

经过图1所示接收机通道的滤波器、射频放大、检波、对数放大、视频电路后的信号幅度输出为[8]

(4)

式中，K为放大器的放大倍数。

此时，要想满足副瓣抑制接收机的匿影条件使我方雷达信号被切除，就需要使Un>Um，将上式代入Un>Um可以得到关于Aj的一元二次方程：

(5)

式中，Δφ=kRa-kRb-φ0，为雷达信号和干扰信号分别到达接收机主瓣和副瓣的相位差。根据一元二次方程性质，并解该方程可得，当

(6)

时式(5)成立。此时即可保证经过信号处理后的副路信号功率大于主路信号，我方雷达信号与干扰信号同时被切除，进而达到了保护我方雷达信号不被敌方正常获取的目的。

其中式(6)取等时的干扰强度值即为能够达到干扰效果的临界干扰强度(记为Ac)。假设我方雷达信号功率不变且从敌方接收天线主瓣增益峰值处进入，此时AS,G1为固定参数；F为接收机辅助天线增益同样固定不变。而G2为接收机副瓣对干扰信号的增益，受我方干扰信号的入射角度θ控制，cos(Δφ)则由相位差Δφ决定。因此，Ac与干扰信号入射角θ和相位差Δφ有关。

3 仿真分析与验证

以常用干扰机的副瓣抑制接收机性能参数为例，本文将接收机主瓣天线峰值增益G′1设为37 dB，第一副瓣峰值增益G′2设为7 dB，辅助天线增益F设为11 dB，方向示意图如图4所示(假设第一副瓣天线波束图满足sinc函数)，雷达发射脉冲功率设为18 kW，特性阻抗50 Ω(幅度AS为0.95 kV)，雷达及干扰信号均为频率为3 GHz的余弦信号。仿真过程中忽略系统本身的测量误差。

图4 副瓣抑制接收机天线方向示意图

3.1 临界强度随入射角的变化趋势

当相位差Δφ取不同定值时，干扰的临界强度Ac随入射角θ的变化趋势如图5所示。

图5 临界强度随入射角的变化趋势图

根据仿真结果可得：当Δφ∈[123°，180°]时，Ac随入射角的增大先减小后增大，存在唯一极小值点，当干扰信号从副瓣波束最高增益处进入时，Ac取得最小值，此时可以以最小的干扰功率达到干扰效果；当Δφ∈[106°，123°]时，Ac随入射角的变化存在两个极小值点，分别分布在副瓣波束最高增益两侧，此时当干扰强度取得极小值时可以使干扰能量降到最低；当Δφ∈[0°，106°]时，Ac随入射角的增大先增大后减小，存在一个极大值，干扰信号从副瓣波束两侧零点处进入时临界强度可以取得最小值，进而使干扰能量最小化。

3.2 临界强度随相位差的变化趋势

当入射角θ从主天线第一旁瓣最低增益向最高增益处递增时(同一曲线的入射角θ为定值)，干扰的临界强度Ac随相位差Δφ的变化趋势如图6所示。

图6 临界强度随相位差的变化趋势图

通过图像可以看出，当入射角一定时，Ac随相位差的增大而减小，当相位差为180°时，干扰强度可以取到最低值。同时，由仿真数据可得：当Δφ∈[0°，106°]时，Ac随副瓣增益的增大而增大；当Δφ∈[106°，123°]时，Ac随副瓣增益的增大先减小后增大；当Δφ∈[123°，180°]时，Ac随副瓣增益的增大而减小。这与图5反映的结论保持一致。

3.3 寻找最低临界强度

将入射角θ和相位差Δφ同时设为参考变量进行仿真，得到临界强度Ac的变化趋势以及等值线如图7(a)～(d)所示。

其中，图7(a)更加直观地显示了临界强度Ac随入射角θ和相位差Δφ的变化趋势，由图7(a)～(c)可知使干扰的临界强度最小的最优干扰条件为：入射角度为82°，即干扰信号从接收机副瓣最高增益处进入，相位差Δφ为180°，即使干扰信号和雷达信号到达接收机处的相位相反。此时可以得到当雷达信号辐射功率为80 kW时干扰信号的临界强度为

Ac=AS·

12.1 kV

(7)

此时的临界强度即为最低临界强度，对应干扰功率2.9 MW即为最低临界干扰功率。

(a) Ac随θ、Δφ的变化趋势

(b) Ac随θ的变化趋势

(c) Ac随Δφ的变化趋势

(d) Ac等值线图7 临界强度Ac随相位差Δφ和入射角θ的变化趋势图

另外，从图7(d)的等值线走势图可以看出，随着相位差Δφ减小和主天线副瓣对干扰信号增益逐渐变大，Ac的增大幅度也越来越剧烈，因此，要想使临界干扰强度尽可能小，其入射角度以及与雷达信号的相位差也应控制得更加精确，且更接近最优干扰条件，否则，会使临界干扰强度急剧增大，进而导致能量的浪费。

3.4 雷达信号功率与最低干扰功率的关系

改变雷达信号发射功率PS，通过仿真可以得到满足最优干扰条件的临界干扰功率Pj(如图8所示)，二者关系由式(7)可得

Pj=k2PS

(8)

图8 雷达信号功率与最低干扰功率的关系

4 结束语

为了保护我方雷达信号不被敌方正常获取，本文通过研究ESM系统中副瓣抑制接收机的工作原理，提出了一种使我方雷达信号不被敌方正常侦测的干扰策略及具体的相干干扰方式，并给出了严格的理论推导公式，得出了能够达到干扰效果的临界干扰强度。通过仿真验证了入射角和相位差对临界强度的影响，并得到了使临界强度最低的干扰条件，即干扰信号从副瓣峰值增益处进入，且干扰信号和雷达信号到达接收机的相位相反。最后在此基础上得出了雷达信号功率与最低干扰功率的关系表达式。本文提出的相干干扰信号使敌方副瓣抑制接收机将我方雷达信号以及干扰信号同时滤除，能够达到保护我方雷达信号不被正常获取的目的，对今后我军解决大规模强干扰的难题有一定的借鉴意义。