楊春宇,姜紅軍

(南京電子技術(shù)研究所, 南京, 210039)

0　引　言

防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)要完成對空中作戰(zhàn)飛機(jī)或?qū)椢淦鞯母櫆y量打擊，其雷達(dá)導(dǎo)引頭是其核心部分之一，因為它在攔截過程中必須實現(xiàn)對空中目標(biāo)的精密跟蹤測量，為彈上飛行控制系統(tǒng)提供目標(biāo)指示信息。而距離測量和角度測量，則是雷達(dá)跟蹤目標(biāo)必須具備的主要功能[1]。目前，對導(dǎo)彈導(dǎo)引頭距離測量的干擾方法較多且較成熟[2]，如DRFM產(chǎn)生的多假目標(biāo)干擾等[3]。而對導(dǎo)彈導(dǎo)引頭角度測量的欺騙，目前較為成熟的理論則是相干兩點源干擾，但工程實現(xiàn)中受到很多制約，實現(xiàn)難度大。本文闡述的交叉極化干擾不存在空間實現(xiàn)條件的制約，易于工程實現(xiàn)，對單脈沖測角雷達(dá)是一種實現(xiàn)簡易的角度欺騙干擾方法。

1　單脈沖測角原理

防空導(dǎo)彈武器系統(tǒng)實現(xiàn)對高速目標(biāo)的精密跟蹤測角，甚至對多個目標(biāo)進(jìn)行跟蹤測角，普遍使用的是單脈沖測角，即憑單個回波脈沖信息來測量目標(biāo)所在的角度位置。在相控陣?yán)走_(dá)中，采用的單脈沖測角有和差波束幅度比較、相位和差單脈沖測角等方法，本節(jié)主要針對相位和差單脈沖測角的原理做說明[4]。

相位和差單脈沖測角方法在相控陣?yán)走_(dá)中被廣泛應(yīng)用，其測角原理如圖1所示。兩個子陣形成的接收波束指向和形狀相同，即具有相同方向圖，兩波束的相位中心間距為d，兩天線陣接收信號為SL和SR，經(jīng)過移相比較器形成和波束SΣ和差波束SΔ。

當(dāng)不考慮線陣交叉極化影響時，假設(shè)接收波束最大指向為軸向，目標(biāo)入射角度偏離軸向θ，則兩接收波束的接收信號相位差△φ為

(1)

由于左、右兩波束方向圖相同，即GL=GR，設(shè)入射信號為S0，則輸出的和波束信號、差波束信號分別為

(2)

(3)

(a) 和、差通道形成(a) sum-difference channel formation　(b) 和、差通道信號的相位關(guān)系(b) phase relationship of sum-difference channel圖1　相位和差單脈沖測角原理圖Fig.1　Phase sum-difference monopulse estimation principle

由圖1(b)看出，和、差通道相位相差四分之一波長。對差信號進(jìn)行歸一化處理得到

(4)

目標(biāo)偏離軸向的角度為θ。由于θ很小，可近似認(rèn)為

(5)

由上述表達(dá)式看出，目標(biāo)角度偏離主波束較小時，測量角度θ與差波束歸一化值具有對應(yīng)關(guān)系。實現(xiàn)精確測角的前提是左、右兩波束具有相同的方向圖，即GL=GR。然而在工程制造中，由于子陣的各個單元存在交叉極化分量，很難保證各個單元交叉極化相同。并且，對同一天線，其主平面內(nèi)的E面、H面的交叉極化方向圖也不相同。根據(jù)測試及文獻(xiàn)查閱，振子天線的E面交叉極化小于20 dB，H面交叉極化小于15 dB。因此，在雷達(dá)天線測試中，這部分很難通過測試得到。并且由于交叉極化分量很小，對測角影響非常微弱，交叉極化的校正也常被忽略[5]。本文研究的交叉極化干擾正是基于單元間交叉極化的差異，對相位和差波束測角的雷達(dá)進(jìn)行角度欺騙。

2　交叉極化干擾分析

2.1　交叉極化干擾原理

天線實際測試中，由于交叉極化的存在會使接收信號產(chǎn)生幅度和相位的偏差[6]。假設(shè)天線單元的主極化方向圖為M(θ)，交叉極化方向圖為C(θ)，M(θ)和C(θ)包含幅度和相位信息，信號的主極化分量和交叉極化分量分別為sm和sc，則接收信號[7]可表示為

s=smM(θ)+scC(θ)

(6)

假設(shè)交叉極化信號與主極化信號的幅相關(guān)系為sc/sm=ρsejφ，天線單元交叉極化與主極化存在固定的幅相差，即C(θ)/M(θ)=ρa(bǔ)ejα，則接收信號可表示為

s=smM(θ)(1+ρa(bǔ)ρsejαejφ)

(7)

由式(6)、(7)的接收信號表達(dá)式看出，由于交叉極化的存在，合成信號幅度和相位均發(fā)生變化。為了比較交叉極化存在給信號帶來的幅相偏差，這里假設(shè)接收信號主極化分量smM(θ)=1，即幅度為0 dB，相位為0°，當(dāng)交叉極化相對相位差α+φ分別為10°、45°、90°和180°時，接收信號的幅相偏差隨交叉極化幅度的變化如圖2所示?？梢钥闯霎?dāng)交叉極化分量相對幅度ρsρa(bǔ)由-20 dB逐漸增大到20 dB時，合成信號的相位發(fā)生較大變化。特別當(dāng)交叉極化幅度ρsρa(bǔ)大于0 dB時，合成信號的相位逐漸由交叉極化相位α+φ決定。并且在交叉極化信號增大到10 dB時，合成相位幾乎與交叉極化的相位相等，接收信號的幅度主要由交叉極化信號幅度決定。

由以上分析可知，當(dāng)交叉極化分量幅度逐漸增大時，接收信號的合成相位和幅度都將主要由交叉極化信號的幅度和相位決定。在沒有交叉極化干擾的單脈沖測角過程中，雷達(dá)匹配接收，輻射信號的交叉極化分量和天線本身的交叉極化電平相對主極化都很小，即ρsρa(bǔ)遠(yuǎn)小于1(一般，工程實現(xiàn)中可以保證交叉極化電平低于-15 dB)。接收信號的合成幅度和相位幾乎不受天線的交叉極化差異影響，

只要保證左、 右

(a) 合成信號相位變化(a) phase shift of synthetic signal　　　　　(b) 合成信號幅度變化(b) amplitude shift of synthetic signal圖2　交叉極化對合成信號幅度和相位的影響Fig.2　Influences on signal amplitude-phase by cross-polarization

兩陣面的主極化方向圖相同，即使左、右兩陣面的交叉極化方向圖有差異，對合成信號影響也非常微弱，可以忽略不計[8]，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度測角。若人為的加大交叉極化干擾，使交叉極化分量幅度接近甚至大于主極化分量幅度，即ρs≥1，此時，左、右兩陣面交叉極化方向圖的幅度差和相位差異將使合成信號產(chǎn)生幅相偏差，使雷達(dá)不能正確測角，甚至造成目標(biāo)丟失。

2.2　交叉極化干擾效果分析

下面詳細(xì)分析交叉極化干擾對測角性能的影響。由以上分析可知，實現(xiàn)精確測角的前提是左、右兩波束具有相同的方向圖，即GL=GR。但若釋放交叉極化干擾信號，使雷達(dá)陣面天線接收的交叉極化分量足夠大到不能忽略時，由于天線交叉極化方向圖的差異，使兩個陣面的方向圖不再相等，這時就會產(chǎn)生測角誤差。假設(shè)左、右兩陣面方向圖的關(guān)系可以表示為

GL=ρejφGR

(8)

其中，ρ為左、右兩陣面接收信號的幅度差，φ為左、右兩陣面接收信號的相位差，將上式帶入公式(2)(3)、(4)中，得到含誤差的歸一化差波束

(9)

結(jié)合測角公式(5)，在目標(biāo)工作頻率為10 GHz，當(dāng)接收信號中的交叉極化干擾幅度比目標(biāo)回波大10 dB時，此時接收信號的幅度和相位幾乎由交叉極化分量決定。當(dāng)左右兩陣面的交叉極化方向圖存在不同幅度差ρ和相位差φ情況下，比相和差波束測角方法的測角仿真得到結(jié)果如圖3所示。

(a) 測量角度曲線(a) angle identification curve　　　(b) 測角誤差曲線(b) angle deviation curve圖3　交叉極化干擾下的測角結(jié)果Fig.3　Angle estimation under cross-polarization jamming

從圖3中看出，當(dāng)左、右兩波束的交叉極化方向圖沒有幅度差，即ρ=0 dB時，相位差φ越大，測角正確的范圍越小，直到φ=180°時，無法正確測角。但在沒有幅度差時，測角誤差始終為一固定值，雷達(dá)可以通過改變波束軸向指向進(jìn)行修正。當(dāng)幅度差和相位差同時存在時，即ρ=0 dB，φ=45°時，測角曲線形狀發(fā)生變化，測角誤差隨波束指向變化。在波束的某些指向下，測量角度與實際角度的偏差符號相反，雷達(dá)修正波束指向?qū)a(chǎn)生更大的測角誤差。如此反復(fù)，真實目標(biāo)逐漸偏離波束指向，直至拖出雷達(dá)測角半波束，造成目標(biāo)丟失。

3　結(jié)束語

本文以雷達(dá)相位和差單脈沖測角為基礎(chǔ)，針對單極化接收雷達(dá)，指出天線的交叉極化使接收信號產(chǎn)生幅相偏差，進(jìn)而利用天線的交叉極化差異，詳細(xì)推導(dǎo)并仿真了交叉極化干擾對單脈沖測角雷達(dá)的角度欺騙效果。然而，工程中影響陣面空域極化特性的因素很多，進(jìn)而將影響交叉極化的干擾參數(shù)配置。希望本文給出的交叉極化干擾的分析方法能對后續(xù)工程實現(xiàn)有一定的參考意義。