李貴

（中國西南電子技術(shù)研究所四川成都610000）

隨著美國導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的發(fā)展，其預(yù)警、制導(dǎo)雷達(dá)性能持續(xù)升級(jí)，瞬時(shí)信號(hào)帶寬可達(dá)到4 GHz以上，工作頻段逐漸拓寬（從P波段、L波段、S波段、C波段、X波段一直向X波段、Ku波段甚至Ka波段進(jìn)行覆蓋），工作體制先進(jìn)，組網(wǎng)協(xié)同作戰(zhàn)能力日益增強(qiáng)。例如，單航母戰(zhàn)斗群內(nèi)，三部宙斯盾雷達(dá)可進(jìn)行組網(wǎng)工作，基于信號(hào)級(jí)、數(shù)據(jù)級(jí)、信息級(jí)協(xié)同，其作戰(zhàn)模式深度鉸鏈，對(duì)來襲目標(biāo)不僅能“一看一”，而且具有“多看一”能力，多雷達(dá)實(shí)時(shí)對(duì)抗日益成為導(dǎo)彈突防過程中面臨的主要問題，對(duì)我國導(dǎo)彈突防構(gòu)成了新的挑戰(zhàn)[1，5]。

傳統(tǒng)的彈載雷達(dá)干擾機(jī)基于傳統(tǒng)天線技術(shù)，采用單信道、寬波束天線對(duì)目標(biāo)雷達(dá)進(jìn)行分時(shí)干擾，干擾覆蓋時(shí)隙短、干擾功率利用效率低，多目標(biāo)雷達(dá)干擾效能不能滿足日益嚴(yán)峻的導(dǎo)彈突防形勢(shì)需要[6]。尤其是，當(dāng)多部目標(biāo)雷達(dá)組網(wǎng)工作后，多基地、協(xié)同探測(cè)、ISAR成像等先進(jìn)技術(shù)體制運(yùn)行其中，雷達(dá)信號(hào)偵察性能應(yīng)大大提高，雷達(dá)對(duì)抗手段和干擾策略應(yīng)更加豐富，偵干協(xié)同運(yùn)行效率大大加強(qiáng)，才能適應(yīng)多部雷達(dá)的體系對(duì)抗作戰(zhàn)需求。

相控陣技術(shù)具有空間功率靈活控制、同時(shí)多波束形成及表面共形等諸多優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)多部目標(biāo)雷達(dá)的同時(shí)精準(zhǔn)干擾，為解決多目標(biāo)雷達(dá)干擾效能低的問題提供了新的思路和方法[7]。一方面，通過精準(zhǔn)波束，提高空域分辨能力，以及干擾天線增益，從而有效提高目標(biāo)分辨力和干擾有效功率，提高干擾效能。另一方面，基于雷達(dá)信號(hào)偵察、測(cè)向、定位，獲取目標(biāo)分布態(tài)勢(shì)，從而實(shí)時(shí)摸清目標(biāo)多基地分布情況，并制定針對(duì)雷達(dá)接收機(jī)的干擾策略，實(shí)施針對(duì)性干擾，避免空域盲干擾帶來的干擾功率損失，從而提高干擾效能。

在彈載干擾機(jī)的設(shè)計(jì)方面，需考慮到導(dǎo)彈彈體空間限制，對(duì)彈載干擾機(jī)的小型化、輕質(zhì)化和高效性需求提出了更高要求。本文根據(jù)前文所述的彈載干擾機(jī)面臨的挑戰(zhàn)與需求，提出了一種基于相控陣干擾技術(shù)的小型化彈載干擾機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)，重點(diǎn)突破寬帶小型相控陣發(fā)射多波束合成技術(shù)，并研制樣機(jī)進(jìn)行功能性能試驗(yàn)驗(yàn)證，為新型彈載干擾機(jī)裝備的發(fā)展提供理論和技術(shù)支撐。

1 小型相控陣陣面結(jié)構(gòu)

根據(jù)導(dǎo)彈裝彈要素，小型相控陣陣面采用9陣元3×3平面陣結(jié)構(gòu)[8，9]。陣面工作頻段覆蓋8～12 GHz，陣元間間距為16 mm，陣元結(jié)構(gòu)及陣列信號(hào)空間結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 陣元結(jié)構(gòu)示意圖

θ、φ分別代表信源的仰角和方位角，空間第i個(gè)陣元與參考陣元（參考陣元在原點(diǎn)）之間的波程差如（1）式所示。

9個(gè)陣元均在xy平面，所以zi為0，則陣列的導(dǎo)向矢量表達(dá)式如（2）所示。

2 發(fā)射多波束數(shù)字合成算法

目前，多波束合成算法主要有直接波束合成算法、移頻移相算法和基于MVDR波束形成法等。本文首先對(duì)3種算法進(jìn)行算法模型建模，基于Matlab仿真驗(yàn)證，分析比對(duì)并評(píng)估3種算法的計(jì)算量及性能，并結(jié)合多部雷達(dá)同時(shí)干擾對(duì)干擾波束的實(shí)際需要，最終選擇基于直接波束合成算法實(shí)現(xiàn)寬帶相控陣發(fā)射多波束合成，并在樣機(jī)中進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)[10，14]，通過暗室試驗(yàn)驗(yàn)證其性能。

2.1 直接波束合成算法

在直接波束合成算法中，陣列輸出選取一個(gè)適當(dāng)?shù)募訖?quán)向量以補(bǔ)償各個(gè)陣元的傳播時(shí)延，使在某一期望方向上的陣列輸出可以同相疊加，從而使陣列在該方向上產(chǎn)生一個(gè)主瓣波束。

用矢量來表示各陣元輸出，表達(dá)式如（4）式所示。

波束形成器在期望信號(hào)上的加權(quán)矢量構(gòu)成如式（5）所示。

陣列輸出表達(dá)式可表示為（6）式。

為驗(yàn)證算法性能，對(duì)分別輸入3種不同頻率的點(diǎn)頻信號(hào)、線性調(diào)頻信號(hào)、相位編碼信號(hào)進(jìn)行多波束仿真，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)三波束合成，仿真結(jié)果如圖2所示。線性調(diào)頻信號(hào)起始頻率10.5 GHz，帶寬10 MHz，方位角-40°、俯仰角40°；二相編碼信號(hào)載頻10.7 GHz，方位角70°、俯仰角37°；單頻脈沖信號(hào)載頻11 GHz，方位角-30°、俯仰角-40°。

圖2 直接波束合成三維方向圖

2.2 移頻移相法波束合成算法

對(duì)于線性調(diào)頻信號(hào)，基于移頻移相法的多波束合成算法性能較優(yōu)[15]。

若第i個(gè)陣元信號(hào)相對(duì)于參考陣元的包絡(luò)延遲為τi，設(shè)基準(zhǔn)線性調(diào)頻源表達(dá)式如（7）式所示。

若將S(t)乘以再以第i個(gè)陣元發(fā)射出去，則可以補(bǔ)償?shù)粢蜓訒r(shí)而引起的頻移和相移，實(shí)現(xiàn)發(fā)射波束形成，即

分別輸入3種不同頻率線性調(diào)頻信號(hào)進(jìn)行多波束仿真，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)三波束合成，仿真結(jié)果如圖3所示。線性調(diào)頻信號(hào)起始頻率10.5 GHz，帶寬10 MHz，方位角50°、俯仰角-40°；線性調(diào)頻信號(hào)起始頻率10.7 GHz，帶寬10 MHz，方位角40°、俯仰角40°；線性調(diào)頻信號(hào)起始頻率11 GHz，帶寬10 MHz，方位角-50°、俯仰角-40°。

圖3 移頻移相波束合成算法的三維方向圖

2.3 MVDR多波束形成算法

MVDR多波束形成算法不受限于信號(hào)類型，有較高的角分辨率，波束形成效果較好[16]。第i個(gè)陣元上的信號(hào)表示如（14）式所示。

式中，θd、θj、ni(t)分別表示信號(hào)、干擾和噪聲。此時(shí)波束形成器的輸出平均功率如（15）式所示。

得到關(guān)于權(quán)矢量的約束條件，即

在約束條件下，利用Lagrange乘子法求得最佳權(quán)矢量如（18）式所示。

在多波束形成中，形成其中一個(gè)信號(hào)的波束時(shí)，將另外2個(gè)信號(hào)作為干擾信號(hào)，依此類推。算法Matlab仿真驗(yàn)證時(shí)，分別輸入3種不同頻率、不同脈內(nèi)調(diào)制方式的雷達(dá)信號(hào)，如線性調(diào)頻信號(hào)、二相編碼信號(hào)、單頻簡(jiǎn)單脈沖信號(hào)進(jìn)行多波束仿真，實(shí)現(xiàn)了同時(shí)三波束合成，仿真結(jié)果如圖4所示。線性調(diào)頻信號(hào)起始頻率 10.5 GHz，帶寬 10 MHz，方位角 0°、俯仰角 0°；二相編碼信號(hào)載頻 10.7 GHz，方位角-40°、俯仰角-40°；單頻脈沖信號(hào)載頻 11 GHz，方位角-30°、俯仰角-30°。

圖4 MVDR算法三維方向圖

2.4 算法小結(jié)

前文分析的3種寬帶小型相控陣發(fā)射多波束實(shí)現(xiàn)算法，在陣元數(shù)量較少的情況下，均實(shí)現(xiàn)了同時(shí)多波束形成。

直接波束合成算法和移頻移相算法的波束寬度較寬，旁瓣較高（大約為-3 dB），MVDR法具有較好的俯仰向波束寬度，旁瓣抑制能力較高（大約-8 dB）。直接波束合成法和移頻移相法計(jì)算方法簡(jiǎn)單，適合用于工程實(shí)現(xiàn)；MVDR算法的計(jì)算方法過于復(fù)雜，不利于工程實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于電子干擾，旁瓣不是主要的考慮因素，只要主瓣能量達(dá)到目標(biāo)雷達(dá)干擾所需功率值，就能保證干擾效能；同時(shí)根據(jù)彈載干擾機(jī)的作戰(zhàn)任務(wù)，雷達(dá)干擾應(yīng)采用計(jì)算量小、反應(yīng)時(shí)間快的多波束合成算法。因此，寬帶小型相控陣發(fā)射多波束工程樣機(jī)的核心處理算法采用直接波束合成算法，實(shí)現(xiàn)同口徑數(shù)字多波束。

3 樣機(jī)實(shí)現(xiàn)

基于直接波束合成算法，研制樣機(jī)對(duì)其多波束合成性能進(jìn)行驗(yàn)證，其驗(yàn)證樣機(jī)及實(shí)現(xiàn)算法如圖5和圖6所示。綜合相控陣天線測(cè)試方法[17，19]，設(shè)計(jì)優(yōu)化的測(cè)試流程進(jìn)行微波暗室實(shí)測(cè)，結(jié)果數(shù)據(jù)擬合情況如圖7所示。

圖5 驗(yàn)證樣機(jī)

圖6 實(shí)現(xiàn)算法

樣機(jī)采用直接波束合成算法，針對(duì)不同頻點(diǎn)、不同方向的干擾信號(hào)，將每一個(gè)干擾信號(hào)復(fù)制成9路，然后對(duì)這9路進(jìn)行波束加權(quán)，形成3路干擾信號(hào)。最后將3路干擾信號(hào)的加權(quán)輸出相加后發(fā)射出去，每一路干擾信號(hào)可以不同頻、不同調(diào)制方式、不同波束指向。

通過實(shí)測(cè)表明，樣機(jī)實(shí)現(xiàn)了同口徑寬帶數(shù)字多波束合成算法，驗(yàn)證了3個(gè)不同頻率不同調(diào)制樣式的發(fā)射多波束性能。實(shí)測(cè)結(jié)果達(dá)到以下指標(biāo)：

1）波束寬度小于40°；

2）波束指向精度在5°誤差以內(nèi)；

3）每個(gè)波束天線增益在5 dBi以上；

4）波束切換時(shí)間小于100 ns。

圖7 樣機(jī)測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語

基于小型相控陣技術(shù)的彈載干擾機(jī)是我軍導(dǎo)彈通裝設(shè)備的重要發(fā)展方向。本文根據(jù)彈載雷達(dá)干擾機(jī)裝機(jī)要素及多目標(biāo)高效能對(duì)抗的迫切需求，研究了3種適合小型數(shù)字相控陣的同口徑多波束合成算法。通過算法仿真及樣機(jī)測(cè)試驗(yàn)證表明，與傳統(tǒng)雷達(dá)干擾機(jī)相比，實(shí)現(xiàn)的多波束具備精確對(duì)準(zhǔn)、波束靈活控制、干擾能量集中、反應(yīng)時(shí)間快等諸多優(yōu)勢(shì)，非常適合應(yīng)用于彈載雷達(dá)對(duì)抗，保障導(dǎo)彈順利遂行其作戰(zhàn)任務(wù)。

實(shí)測(cè)表明，基于直接波束合成算法研制的工程樣機(jī)，體積、功耗比傳統(tǒng)雷達(dá)干擾機(jī)稍大，熱學(xué)設(shè)計(jì)不夠優(yōu)化，工作可靠性、穩(wěn)定性欠佳，還需在小型化設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)等方面進(jìn)一步研究，繼續(xù)提升技術(shù)成熟度，推動(dòng)寬帶小型相控陣發(fā)射多波束合成干擾技術(shù)向型號(hào)裝備應(yīng)用進(jìn)一步發(fā)展。

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