摘 要:由于現(xiàn)代雷達(dá)技術(shù)在現(xiàn)代電子戰(zhàn)爭(zhēng)中的顯著地位，針對(duì)現(xiàn)代電子戰(zhàn)中先進(jìn)的多普勒雷達(dá)，極化分集體制雷達(dá)，合成孔徑雷達(dá)的頻域工作過程提出了新的多普勒干擾方法，并對(duì)于干擾原理和干擾結(jié)果做了理論性的闡述和分析。通過大量的計(jì)算推導(dǎo)看出，多普勒干擾方法可使以上三種雷達(dá)不能正常工作，對(duì)于雷達(dá)的干擾達(dá)到預(yù)想效果，在現(xiàn)在電子戰(zhàn)中有很好的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞:多普勒雷達(dá); 極化分集體制雷達(dá); 合成孔徑雷達(dá); 多普勒干擾

中圖分類號(hào):TN95-34文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2010)17-0023-04

Effects of Doppler Interference on Three Kinds of Radar Systems

QIN Qin

(Eastern Liaoning University， Dandong 118000， China)

Abstract: Because of the notable status of the radar technology in modern electronic war， aiming at the working process of the advanced Doppler radar， polarization radar and synthetic aperture radar， the new ways of Doppler interference are put forward to deal with the three kinds of radars which are very important in the modern war. The interfering priciple and the result of the Doppler interference are analyzed theoretically. By a lot of computation and derivation， it is found that the Doppler interfering ways mentioned in the dissertation can make the three kinds of radars to work irregularly， and can achieve the anticipated goal. Therefore， the Doppler interfering methods is sure to have a bright application prospect.Keywords: Doppler radar; polarization radar; synthetic aperture radar; Doppler interference

0 引 言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代電子戰(zhàn)中雷達(dá)技術(shù)有了巨大進(jìn)步，尤其是多普勒雷達(dá)、相控陣?yán)走_(dá)，還有合成孔徑雷達(dá)，甚至是這三種雷達(dá)的混合型雷達(dá)，都其先進(jìn)的技術(shù)和革新性的理論實(shí)踐，在電子戰(zhàn)爭(zhēng)中起著能夠左右勝負(fù)的重要作用。由于這三種雷達(dá)在特定領(lǐng)域中的精密理論和技術(shù)，對(duì)它們進(jìn)行干擾存在一定難度，但是如果對(duì)這三種雷達(dá)進(jìn)行干擾成功，使其不能正常工作，這對(duì)于戰(zhàn)爭(zhēng)結(jié)果將有巨大意義。

本文針對(duì)多普勒雷達(dá)、相控陣?yán)走_(dá)及合成孔徑雷達(dá)的工作過程，提出運(yùn)用假多普勒頻率對(duì)其進(jìn)行干擾的方法，并在理論上進(jìn)行了推導(dǎo)和證明。從推導(dǎo)結(jié)果可見，這種干擾方法能夠達(dá)到預(yù)想效果，因而在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中將有著極其廣泛的應(yīng)用前景。

1 針對(duì)多普勒雷達(dá)的多普勒干擾分析

1.1 多普勒雷達(dá)工作原理

脈沖多普勒雷達(dá)利用目標(biāo)的多普勒信息，在頻域上通過濾波器來分離目標(biāo)和雜波，從雜波中檢測(cè)出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，其主要濾波方法是:采用多普勒濾波器將目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的譜線濾出。

通過對(duì)這個(gè)多普勒頻率的測(cè)定，解算出目標(biāo)的徑向運(yùn)動(dòng)速度[1]。多普勒頻移量可表示為:

fd=vrcf0

式中:fd為多普勒頻率;vr為目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)的徑向速度;c為光速;f0為發(fā)射信號(hào)的頻率。在雷達(dá)中，接收機(jī)輸入端的多普勒頻率為上式的兩倍，即:

fd=2vrcf0

當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)出多普勒頻率以后，信號(hào)就進(jìn)入自動(dòng)速度跟蹤(多普勒頻率跟蹤)環(huán)路，如圖1所示[2]。

圖1 自動(dòng)速度跟蹤環(huán)路

1.2 對(duì)脈沖多普勒雷達(dá)的干擾方法

為了達(dá)到測(cè)距精度和測(cè)速精度的高要求，脈沖多普勒雷達(dá)需要采用大時(shí)寬和大帶寬的信號(hào)，因此現(xiàn)階段脈沖多普勒雷達(dá)廣泛地采用了線性調(diào)頻技術(shù)，所以干擾時(shí)所使用的假多普勒頻率也要跟隨調(diào)頻的改變而改變。設(shè)定干擾信號(hào)的頻率隨時(shí)間變化，即對(duì)速度波門進(jìn)行拖引，但是拖引速度不能大于雷達(dá)速度的跟蹤能力，即[2]:

vt≤2a/λ

式中:vt為干擾信號(hào)頻率變化速度;a為雷達(dá)能捕獲的最大目標(biāo)運(yùn)動(dòng)加速度;λ為發(fā)射載頻的波長(zhǎng)。

但由于速度是矢量，多普勒頻率隨目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)徑向速度的變化而變化，而速度的變化又反映了目標(biāo)與雷達(dá)間的距離變化，因此脈沖多普勒雷達(dá)多用檢測(cè)目標(biāo)的距離變化來排除干擾[3]。為了使利用距離檢測(cè)排除速度干擾的方法失效，要在對(duì)測(cè)速系統(tǒng)進(jìn)行干擾的同時(shí)，進(jìn)行距離干擾。

若速度拖引的頻率值為:

f=f0+aωt

式中:f0為脈內(nèi)載頻頻率，由于線性調(diào)頻，f0將隨時(shí)間線性變化;aω為拖引加速度，是恒量;aωt即為多普勒頻率。

由于在雷達(dá)中fd=2vrf0/c，所以aωt=2vrf0/c。由此可得vr=caωt/(2f0)，即假目標(biāo)的徑向速度為caωt/(2f0)。雷達(dá)發(fā)射脈沖周期為T，則在一個(gè)周期內(nèi)，假目標(biāo)走過的距離s為:s=caωtT/(2f0)。所以當(dāng)對(duì)雷達(dá)距離跟蹤波門進(jìn)行拖引時(shí)，干擾脈沖發(fā)射的延時(shí)要與要求的距離保持一致，即:Δt=aωtT/(2f0)，這說明干擾源發(fā)射干擾脈沖時(shí)，后一個(gè)干擾脈沖較前一個(gè)干擾脈沖的發(fā)射時(shí)間應(yīng)延時(shí)Δt=aωtT/(2f0)。這樣可以保證在對(duì)速度跟蹤波門進(jìn)行干擾時(shí)，距離跟蹤波門無法對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行識(shí)別。

2 針對(duì)極化分集體制雷達(dá)的多普勒干擾的分析

2.1 極化分集體制雷達(dá)的工作原理

極化分集體制雷達(dá)發(fā)射不同極化形式的電磁波，通過對(duì)不同極化形式的電磁波的接收來判斷回波相對(duì)于雷達(dá)發(fā)射波的變極化或者退極化狀況，從而進(jìn)行極化檢波和對(duì)目標(biāo)所處狀態(tài)和姿態(tài)進(jìn)行分析。

在雷達(dá)極化中引入了STOCKS極化矢量。設(shè)雷達(dá)發(fā)射波的電場(chǎng)矢量為[4-5](在h，v坐標(biāo)基下):

t=EthEtv

則發(fā)射波的STOCKS極化矢量為:

t=gt0gt1gt2gt3=Eth2+Etv2Eth2-Etv22EthEtvcos φ2EthEtvsin φ

設(shè)雷達(dá)接收回波的電場(chǎng)矢量為[5-6](在h，v坐標(biāo)基下):

s=EshEsv

則回波的STOCKS極化矢量為:

s=gs0gs1gs2gs3=Esh2+Esv2Esh2-Esv22EshEsvcos φ2EshEsvsin φ

式中:Eh表示水平場(chǎng);Ev為垂直場(chǎng);φ為兩個(gè)正交場(chǎng)的相位差。

可以得到:

Js=SJt

此處，在單基站雷達(dá)系統(tǒng)情況下，S為回波的后向散射矩陣，這個(gè)矩陣中的各個(gè)元素代表了電磁波經(jīng)過目標(biāo)反射的變極化狀況，因此暗含了目標(biāo)的信息。為了消除噪聲和干擾的影響，要對(duì)矩陣S進(jìn)行對(duì)稱化;為了確定最優(yōu)化接收方式和增大信噪比，要對(duì)偽特征值進(jìn)行求解;為了確定目標(biāo)材料特性和所處姿勢(shì)，要對(duì)幾個(gè)極化不多量進(jìn)行確定。這三點(diǎn)有著主要的意義。

2.2 針對(duì)極化分集體制雷達(dá)的多普勒干擾方法

在極化分集體制雷達(dá)中，對(duì)目標(biāo)S矩陣(若為單基站，則指回波的后向散射矩陣;若為多基站，則指發(fā)射波的前向散射矩陣)的確定和分析直接影響到雷達(dá)對(duì)目標(biāo)特性的測(cè)量結(jié)果[6]。因此，若對(duì)這種體制雷達(dá)進(jìn)行干擾，最有效的方法就是使之不能得到正確的理想的S矩陣。

對(duì)于雷達(dá)接收來說，電磁波在空間傳輸有很多不可靠的特性，例如:一個(gè)雷達(dá)發(fā)射水平極化和垂直極化波時(shí)，由于垂直極化波穿過水氣的速度相對(duì)于水平極化波的速度慢很多，因此目標(biāo)回波中的水平分量先到達(dá)雷達(dá)接收天線，而垂直極化波后到達(dá)。由于多普勒頻率的存在，兩種極化波到天線的時(shí)間差再乘以這個(gè)多普勒頻率又形成了一個(gè)新的相位差，且遲到的時(shí)間越長(zhǎng)，這個(gè)相位差越大。

在無延時(shí)的情況下:

EshejfdtEsyejfdt+jφshv=S1EthEtvejφthv

式中:fd為多普勒頻率;φshv和φthv為接收波和入射波垂直場(chǎng)分量與水平場(chǎng)分量的相位差。

為了養(yǎng)活多普勒干擾，通常計(jì)劃分集體制雷達(dá)在求矩陣S1前對(duì)于雷達(dá)多普勒頻率造成的相位偏移都有補(bǔ)償。補(bǔ)償后再對(duì)矩陣S1進(jìn)行Cameron修正[3]，就得到接近正確反映目標(biāo)特征的后向反射矩陣。其目標(biāo)的真實(shí)信息通過對(duì)S1處理即可得到。

在有延時(shí)的情況下:

EshejfdtEsyejfdt+jφshv+jfdΔt=S2EthEtvejφthv

式中:Δt為垂直回波相對(duì)于水平回波遲到的時(shí)間。在常規(guī)的多普勒補(bǔ)償以后，還剩下fdΔt一項(xiàng)沒被補(bǔ)償?shù)?，即?duì)真實(shí)目標(biāo)回波極化做了改變。由于此項(xiàng)的存在，最后求得的后向反射矩陣S2不能正確反映目標(biāo)特性。

根據(jù)上述干擾原理可看出，最終起干擾作用的是fdΔt一項(xiàng)，所以針對(duì)極化分集體制雷達(dá)進(jìn)行多普勒干擾的方法大致有兩種:

(1) 在干擾機(jī)上也安裝4個(gè)兩兩正交的天線，即形成4個(gè)兩兩正交的通道。天線接收到雷達(dá)照射波以后，分別在接收波上加上一個(gè)附加頻率(假多普勒頻率)，但是保證4個(gè)天線接收的波中所加的頻率不同，然后再對(duì)雷達(dá)發(fā)射回去，由于假多普勒頻率不同，在雷達(dá)極化接收時(shí)，Δfdt也有所不同，這便形成了干擾。其中，Δfd為兩個(gè)干擾多普勒頻率之差，是不能被補(bǔ)償?shù)舻牟糠帧?/p>

這種方法對(duì)電磁波本身的傳輸特性要求低，所以適用面較廣。

(2) 可以在本身在水氣保護(hù)。由于水氣密度越大，雷達(dá)發(fā)射的水平極化與垂直極化波在接收時(shí)延時(shí)越大，所以，此時(shí)fdΔt項(xiàng)變大，因此對(duì)S2矩陣真實(shí)地獲得干擾比較大。這種干擾方法實(shí)現(xiàn)起來簡(jiǎn)單易行，也是一種良好的針對(duì)極化分集體制雷達(dá)的多普勒干擾方法。

3 針對(duì)合成孔徑雷達(dá)的多普勒干擾的分析

3.1 合成孔徑雷達(dá)的工作原理

對(duì)于孔徑尺寸為D的雷達(dá)天線，其半功率點(diǎn)波束寬度β0.5=0.88λ/D。式中λ為天線輻射電磁波的波長(zhǎng)[7-8]。通常把β0.5作為雷達(dá)角度分辨率的量度，如果目標(biāo)(散射體)距離雷達(dá)的距離為r，則用線性尺寸表示的目標(biāo)分辨率ρ為:

ρ=0.88λr/D

顯然，天線孔徑D越大，對(duì)目標(biāo)的分辨率越高。但是由于實(shí)現(xiàn)上的困難，不能無限制地增大天線孔徑，因而普通雷達(dá)的目標(biāo)分辨率是相當(dāng)有限的。由于ρ正比于距離r，即普通雷達(dá)對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)的分辨率是很差的。

這里設(shè)想用孔徑為l的小真實(shí)天線的運(yùn)動(dòng)等效地構(gòu)成一個(gè)長(zhǎng)天線，若它能滿足一定條件，就可以在運(yùn)動(dòng)方向上得到一個(gè)等效的大天線孔徑(稱為合成孔徑)Ls，此時(shí)雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的分辨率提高了Ls/l倍。合成孔徑雷達(dá)的分辨率由下式?jīng)Q定[7-9]:

ρx=0.5λr/Ls

其中:

Ls=λr/l

這樣，就消除了距離對(duì)分辨率的作用。

一副很長(zhǎng)的線陣天線之所以方位分辨率較高，是由于發(fā)射時(shí)線陣上的每個(gè)振子都同時(shí)發(fā)射相干信號(hào)，形成很窄的波束。接收時(shí)，每個(gè)振子同時(shí)接收回波信號(hào)，并在饋線上同相疊加，形成窄波束接收。因此，合成孔徑雷達(dá)天線的基本要求是:真實(shí)小天線相對(duì)于目標(biāo)運(yùn)動(dòng)，并輻射相干信號(hào)，記錄接收信號(hào)，并經(jīng)過適當(dāng)?shù)男盘?hào)處理，使其對(duì)同一目標(biāo)單元的各個(gè)回波信號(hào)都能夠同相疊加[10]。

合成孔徑雷達(dá)數(shù)據(jù)的防衛(wèi)處理在本質(zhì)上是對(duì)目標(biāo)的預(yù)期調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行匹配濾波[7，10]。回波的多普勒信息是形成匹配濾波的參考函數(shù)的關(guān)鍵參數(shù)。根據(jù)線性調(diào)頻匹配濾波理論可以預(yù)期，多普勒參數(shù)的失配對(duì)圖像的質(zhì)量將產(chǎn)生重大影響。多普勒形心(中心頻率)的誤差將導(dǎo)致圖像的信噪比降低，并產(chǎn)生目標(biāo)的位置移動(dòng)。多普勒速率誤差將導(dǎo)致脈沖響應(yīng)展寬，使圖像散焦，分辨率下降，同時(shí)還使峰值增益降低。一般這些效應(yīng)是由于使用不正確的調(diào)頻率引起的積累相位誤差造成的。應(yīng)注意的是，多普勒速率誤差對(duì)多視合成孔徑雷達(dá)處理器的影響與對(duì)單視全孔徑處理器的影響是不同的。首先，在多視處理器中，由于孔徑減小，因而積累的相位誤差也減小，所以對(duì)性能的惡化程度降低。其次，在多視處理器中將出現(xiàn)“多圖像”響應(yīng)，即各個(gè)子孔徑圖像在非相干疊加時(shí)不能精確地重合起來，彼此之間發(fā)生了位移。如果正確使用多普勒速率時(shí)，一個(gè)目標(biāo)在時(shí)刻t1，t2，t3和t4產(chǎn)生的各個(gè)圖像將彼此重合起來。這些時(shí)刻相應(yīng)于該目標(biāo)回波的多普勒頻率與各個(gè)子孔徑匹配濾波處理器的中心頻率重合的時(shí)刻。

3.2 針對(duì)合成孔徑雷達(dá)的多普勒干擾方法

在合成孔徑雷達(dá)的數(shù)字成像處理中，最流行的是距離-多普勒算法。上文針對(duì)脈沖多普勒雷達(dá)的多普勒干擾方法中提到的方法，對(duì)于這種距離-多普勒算法的結(jié)果的影響也是很大的。因此，可采用上文的干擾方法對(duì)雷達(dá)進(jìn)行干擾。

隨著合成孔徑雷達(dá)圖像分析技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)圖像產(chǎn)品的精度，特別是復(fù)數(shù)圖像的保真度提出了更高要求。因此，一種新的精密的數(shù)字成像算法——變換先行調(diào)頻尺度算法[11]產(chǎn)生了。從該算法當(dāng)中可以看出，多普勒頻率在這項(xiàng)算法中也起著重要的作用。因此，如果可以對(duì)合成孔徑雷達(dá)所接收到的信號(hào)頻率做變化(即施行多普勒干擾)，那么算法所處理的圖像結(jié)果將失真。

如果在多視處理器中使用不正確的多普勒頻率(即多普勒干擾頻率)，則各子孔徑圖像將分別出現(xiàn)在下列時(shí)刻:

t′i=f-Δffti

式中:f是正確的多普勒速率;Δf是多普勒速率的誤差，這里可以認(rèn)為它是在對(duì)合成孔徑雷達(dá)進(jìn)行多普勒干擾的結(jié)果。新的時(shí)刻t′i對(duì)應(yīng)于目標(biāo)回波的多普勒頻率與該處理器不正確的中心頻率相重合的時(shí)刻。每?jī)蓚€(gè)圖像之間的位移為Δf/f(ti-tj)V，V是雷達(dá)相對(duì)于成像目標(biāo)的速度，因此最后的結(jié)果將產(chǎn)生圖像失真。

由上可見，多普勒干擾對(duì)合成孔徑雷達(dá)的成像處理有很大的負(fù)面影響。

4 結(jié) 語(yǔ)

在現(xiàn)代電子戰(zhàn)爭(zhēng)中，對(duì)雷達(dá)的干擾技術(shù)已經(jīng)成為非常關(guān)鍵的技術(shù)。由于多普勒技術(shù)運(yùn)用的越來越廣泛，對(duì)雷達(dá)的多普勒干擾技術(shù)進(jìn)行干擾也逐漸成為戰(zhàn)爭(zhēng)中對(duì)雷達(dá)干擾的主要手段之一。多普勒雷達(dá)，極化分集體制雷達(dá)和合成孔徑雷達(dá)是現(xiàn)代雷達(dá)體制中很重要的組成部分，它們?cè)诂F(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中所起的作用是巨大的。正是這個(gè)原因，對(duì)于這三種雷達(dá)干擾已成為現(xiàn)代電子對(duì)抗中的熱門焦點(diǎn)。從本文的論證可以看到，多普勒干擾方法可應(yīng)用于對(duì)多種體制雷達(dá)實(shí)施干擾，并且能夠達(dá)到很好的效果。

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