解永亮 韓 偉 范加武

（91404部隊(duì)43分隊(duì) 秦皇島 066001）

1 引言

目前，反艦導(dǎo)彈末制導(dǎo)雷達(dá)在抗干擾能力方面仍存在一些不足，主要表現(xiàn)在：對(duì)目標(biāo)與箔條形成的混合體難以快速識(shí)別；受多路徑效應(yīng)、目標(biāo)反射特性等影響，導(dǎo)致目標(biāo)回波幅度起伏大，影響對(duì)目標(biāo)的穩(wěn)定跟蹤；角反射體干擾和艦船目標(biāo)特征不易區(qū)分，識(shí)別概率較低。研究發(fā)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)信號(hào)進(jìn)行雙極化處理，是末制導(dǎo)雷達(dá)提高抗干擾能力的一種有效的技術(shù)途徑。極化信息是除頻率、幅度、相位以外，描述電磁波矢量性的又一重要信息，極化濾波、極化增強(qiáng)、極化鑒別等抗干擾技術(shù)作為時(shí)域、頻域、功率域等常規(guī)抗干擾技術(shù)的補(bǔ)充，能夠有效對(duì)抗多種干擾樣式?？梢灶A(yù)見(jiàn)，發(fā)展“時(shí)-頻-極化”域一體化的抗干擾技術(shù)必將成為雷達(dá)抗干擾領(lǐng)域的主流發(fā)展方向［1］。

2 雙極化原理概述

電磁波在傳播時(shí)，電場(chǎng)矢量在水平平面內(nèi)和垂直平面內(nèi)均有分量，被稱(chēng)為電磁波的極化現(xiàn)象。常規(guī)雷達(dá)對(duì)目標(biāo)回波信號(hào)的檢測(cè)只利用幅度信息，只要目標(biāo)回波幅度在起伏過(guò)程中超過(guò)由背景噪聲或雜波所決定的門(mén)限，就有可能被檢測(cè)到，即有一定的檢測(cè)概率。而電磁波照射到目標(biāo)上時(shí)，由于目標(biāo)的形狀、結(jié)構(gòu)和材料的不同，會(huì)對(duì)發(fā)射電磁波產(chǎn)生不同的極化扭轉(zhuǎn)效應(yīng)［2］，目標(biāo)回波和雜波中包含有各自不同的極化信息，加以利用后可以實(shí)現(xiàn)在一定的信噪比情況下提高目標(biāo)的檢測(cè)概率；或者說(shuō)，在一定的目標(biāo)檢測(cè)概率下，可以使所需的信雜比降低。因此增加極化檢測(cè)技術(shù)有助于雷達(dá)對(duì)微弱目標(biāo)的探測(cè)，雙極化雷達(dá)通過(guò)極化檢測(cè)方式可以先將一部分干擾濾除，更有利于干擾背景下目標(biāo)的檢測(cè)；同時(shí)，基于干擾信號(hào)與目標(biāo)回波在極化域的特征差異，通過(guò)增加極化域判別，從而提高雷達(dá)的抗干擾能力及目標(biāo)識(shí)別能力。

描述極化效應(yīng)的基礎(chǔ)理論是極化散射矩陣。主動(dòng)雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射某種極化狀態(tài)的入射波，然后接收同種或者不同種極化狀態(tài)的反射回波。常用的發(fā)射—接收極化狀態(tài)有以下四種：HH為水平發(fā)射，水平接收；HV為水平發(fā)射，垂直接收；VH為垂直發(fā)射，水平接收；VV為垂直發(fā)射，垂直接收。交替發(fā)射同時(shí)接收模式工作時(shí)，交替發(fā)射兩種正交的極化波，在發(fā)射的間隙，極化狀態(tài)正交的兩副天線同時(shí)接收，這樣任意相鄰兩次接收的回波，就是所期望的四種極化組合（HH、HV、VH、VV）的目標(biāo)回波?，F(xiàn)在考慮一個(gè)沿天線方向傳播的線極化平面波，它照射到目標(biāo)上，任意方向的線極化分解為水平和垂直兩個(gè)正交的極化分量，分別用和表示水平極化和垂直極化電場(chǎng)，其中T表示發(fā)射天線產(chǎn)生的電場(chǎng)，下標(biāo)H和V分別代表水平方向和垂直方向，一般在水平照射場(chǎng)的作用下，目標(biāo)的散射場(chǎng)將由水平極化散射場(chǎng)和垂直極化散射場(chǎng)組成，并且有

式中：aHH表示水平極化入射場(chǎng)產(chǎn)生水平極化散射場(chǎng)的散射系數(shù)；aHV表示水平極化入射場(chǎng)產(chǎn)生水平極化散射場(chǎng)的散射系數(shù)。

同理，在垂直照射場(chǎng)作用下，目標(biāo)散射場(chǎng)也有兩部分：

式中：aVH表示垂直極化入射場(chǎng)產(chǎn)生水平極化散射場(chǎng)的散射系數(shù)；aVV表示垂直極化入射場(chǎng)產(chǎn)生水平極化散射場(chǎng)的散射系數(shù)。

上述散射成分中，水平散射場(chǎng)可被水平極化天線所接收，垂直散射場(chǎng)可被垂直極化天線所接收，所以有

3 極化檢測(cè)

在末制導(dǎo)雷達(dá)跟蹤過(guò)程中，對(duì)于噪聲壓制類(lèi)干擾或能量很高的欺騙干擾來(lái)說(shuō)，干擾進(jìn)入目標(biāo)的檢測(cè)單元時(shí)，抬高了目標(biāo)的檢測(cè)背景，目標(biāo)的信噪比下降，從而使目標(biāo)不能被正常檢測(cè)，無(wú)法進(jìn)行下一步的識(shí)別。通過(guò)極化檢測(cè)可以改善上述問(wèn)題，極化檢測(cè)是利用雷達(dá)回波中的極化信息來(lái)改善雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)能力，從而為下一步的極化識(shí)別提供條件。

目前采用修正后的張量極化檢測(cè)器，檢測(cè)前將積累后同極化回波與交叉極化回波的功率對(duì)消作為極化檢測(cè)器的輸入，再參與極化檢測(cè)判決。由于空間隨機(jī)取向的箔條以及圓極化或斜極化的有源干擾均表現(xiàn)為同極化與交叉極化能量相當(dāng)，而艦船目標(biāo)的同極化分量遠(yuǎn)大于交叉極化分量，因此，采用極化對(duì)消處理后，干擾回波的能量大部分被對(duì)消掉，有效抑制干擾，提高信干比［4］，有利于雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)。

下面通過(guò)數(shù)據(jù)仿真，給出了典型干擾情形下，R-D二維檢測(cè)（基本型檢測(cè)方法）與極化檢測(cè)方式下目標(biāo)的檢測(cè)效果對(duì)比結(jié)果。圖1中在噪聲壓制干擾背景下，原始檢測(cè)后目標(biāo)2丟失，經(jīng)過(guò)極化處理后目標(biāo)1、目標(biāo)2均正常檢測(cè)出來(lái)，通過(guò)數(shù)據(jù)仿真分析得出，極化檢測(cè)可以提高目標(biāo)在有源干擾背景下的信干比，同時(shí)對(duì)機(jī)內(nèi)噪聲背景下的目標(biāo)信噪比也有改善。

4 典型干擾與艦船目標(biāo)的極化特征差異

針對(duì)末制導(dǎo)雷達(dá)的典型干擾，按干擾效果來(lái)劃分，干擾樣式大體可劃分為壓制式和欺騙式兩類(lèi)。壓制式干擾包括有源噪聲調(diào)制干擾和無(wú)源箔條干擾等；欺騙式干擾包括無(wú)源誘餌（沖淡箔條、角反射體等）和有源假目標(biāo)干擾。下面根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)箔條干擾、角反射體干擾和有源干擾的極化特征與艦船目標(biāo)存在的差異進(jìn)行分析。

圖1 噪聲壓制干擾背景下檢測(cè)結(jié)果對(duì)比圖

4.1 箔條干擾

箔條云在空中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可以認(rèn)為是隨機(jī)的，雷達(dá)接收到箔條云反射回波的垂直極化、水平極化分量基本相同，具有較強(qiáng)的去極化性，理論上它能夠干擾各種極化特性的雷達(dá)，而艦船目標(biāo)的去極化特性較弱；另外，箔條云的極化散射矩陣是由大量服從獨(dú)立同分布的箔條極化散射矩陣的相干合成，箔條云團(tuán)的極化散射矩陣不僅與單個(gè)箔條有關(guān)，同時(shí)還與箔條云的空間分布有關(guān)，箔條云在空間中徑向分布的改變也將導(dǎo)致散射矩陣的起伏，而艦船目標(biāo)的極化散射特性相比箔條穩(wěn)定的多。因此，通過(guò)對(duì)艦船和箔條干擾極化散射特性差異的分析研究，可以進(jìn)行箔條干擾的識(shí)別及對(duì)抗。

圖2是雷達(dá)分別跟蹤艦船和箔條干擾的數(shù)據(jù)，箔條干擾的極化參數(shù)穩(wěn)定性明顯比艦船差。

4.2 角反射體干擾

角反射體通過(guò)鏡面反射作用將電磁波從入射方向反射回去，當(dāng)入射波是線極化時(shí)，雷達(dá)接收到的同極化反射波的分量高，一般情況下其散射的同極化波比正交極化波大很多，去極化特性與艦船目標(biāo)相當(dāng)甚至更弱；另外，角反射體干擾的極化特性也與角反射體的姿態(tài)有關(guān)，其極化比分布于整個(gè)極化域，在某些角度下（如二面角的邊沿），角反射體具有較強(qiáng)的去極化特性，同時(shí)漂浮在海上的角反射體相對(duì)艦船較小，受海浪起伏等因素的影響更大，從而引起干擾極化特性的變化，此時(shí)角反射體干擾極化特征參數(shù)的穩(wěn)定性較艦船目標(biāo)差一些。

圖2 雷達(dá)跟蹤艦船和箔條干擾數(shù)據(jù)對(duì)比圖

圖3是一組角反射體干擾數(shù)據(jù)，此時(shí)干擾的去極化特性較弱，與艦船的極化參數(shù)取值較為相似，較難區(qū)分。

圖3 雷達(dá)跟蹤角反射體干擾數(shù)據(jù)圖

4.3 有源干擾

有源誘餌為提高干擾成功率，一般采用圓極化或斜極化的工作方式［5］，雷達(dá)用線極化進(jìn)行發(fā)射時(shí)，接收到的干擾信號(hào)共極化回波與交叉極化回波相當(dāng)，而艦船目標(biāo)的共極化回波比交叉極化回波要強(qiáng)。因此，通過(guò)共交極化比可區(qū)分有源干擾和艦船目標(biāo)。

圖4是雷達(dá)分別跟蹤有源干擾與艦船的數(shù)據(jù)，雷達(dá)跟蹤有源干擾與跟蹤艦船時(shí)的極化參數(shù)差異顯著。

5 仿真識(shí)別結(jié)果

基于典型干擾與艦船目標(biāo)在極化域的特征差異，可以有針對(duì)性的制定末制導(dǎo)雷達(dá)抗干擾措施。針對(duì)不同的干擾類(lèi)型，通過(guò)對(duì)外場(chǎng)數(shù)據(jù)的處理和分析，給出了高速數(shù)據(jù)仿真的極化識(shí)別結(jié)果，下面分別對(duì)不同干擾情況下的原始回波數(shù)據(jù)和極化處理后數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。

圖4 雷達(dá)跟蹤艦船和有源干擾數(shù)據(jù)對(duì)比圖

5.1 箔條干擾

質(zhì)心箔條施放后，箔條與艦船在多普勒和距離向重合，干擾與目標(biāo)成為混合體，從時(shí)、頻域較難區(qū)分。采用極化濾波方式進(jìn)行處理后，箔條干擾象素點(diǎn)被剔除，報(bào)出混合體中目標(biāo)位置的點(diǎn)。原始回波及極化識(shí)別結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 質(zhì)心箔條與艦船混合體原始回波及極化識(shí)別結(jié)果

沖淡箔條干擾施放后形成多個(gè)假目標(biāo)干擾，如果達(dá)到雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)門(mén)限，時(shí)頻域判別后容易造成誤識(shí)別，但此時(shí)干擾的極化特征與艦船有所差別。圖6所示數(shù)據(jù)通過(guò)多幀極化濾波可以將箔條干擾剔除。

圖6 沖淡箔條極化識(shí)別結(jié)果

5.2 角反射體干擾

上文在角反射體與艦船目標(biāo)的極化特征差異論述中分析過(guò)，由于角反射體干擾與艦船的極化參數(shù)取值較為相似，較難區(qū)分。但在末制導(dǎo)雷達(dá)抗干擾數(shù)據(jù)處理中，對(duì)角反射體干擾回波的極化信息進(jìn)行數(shù)據(jù)識(shí)別算法改進(jìn)，仍可以對(duì)角反射體干擾進(jìn)行識(shí)別。圖7給出了中數(shù)據(jù)識(shí)別算法改進(jìn)前后的識(shí)別結(jié)果對(duì)比，圖中縱坐標(biāo)代表屬性識(shí)別結(jié)果，7代表干擾，5代表疑似，3代表艦船，在改進(jìn)后的仿真結(jié)果中增加了9代表金屬角反射體干擾。從圖中可以看出，原始時(shí)頻域識(shí)別下將角反射體識(shí)別為干擾的概率很低，基本上報(bào)艦船屬性，而增加極化識(shí)別后，能夠?qū)⒔饘俳欠凑_識(shí)別為干擾。

5.3 有源干擾

有源干擾的時(shí)頻域特征與艦船相似，從時(shí)、頻域特征上看，轉(zhuǎn)發(fā)干擾與目標(biāo)較難區(qū)分，回波幅度一般較高，有時(shí)在距離或多普勒向進(jìn)行拖引，容易導(dǎo)致雷達(dá)跟錯(cuò)目標(biāo)或抬高背景從而丟失目標(biāo)，影響目標(biāo)的正常檢測(cè)和跟蹤。利用極化檢測(cè)及極化識(shí)別處理后，能夠有效剔除有源干擾，留下艦船目標(biāo)點(diǎn)。圖8為有源干擾背景下原始回波與極化識(shí)別結(jié)果對(duì)比。

圖7 角反射體干擾原始識(shí)別與數(shù)據(jù)識(shí)別算法改進(jìn)對(duì)比圖

圖8 有源干擾背景下原始回波與極化識(shí)別結(jié)果對(duì)比圖

6 結(jié)語(yǔ)

末制導(dǎo)雷達(dá)抗干擾決策中，目標(biāo)散射信號(hào)中的極化信息同目標(biāo)回波的幅度、相位、頻率、波形等信息一樣，是非常有用的信息，它在抗有無(wú)源干擾、目標(biāo)信號(hào)濾波和增強(qiáng)、目標(biāo)檢測(cè)和目標(biāo)識(shí)別中有著巨大的潛力。極化參數(shù)是描述電磁波的重要參數(shù)之一，它描述了電磁波的矢量特征，不同目標(biāo)對(duì)入射電磁波的極化有不同的散射極化，本文通過(guò)不同干擾與艦船的極化特征差異對(duì)比可以得出，艦船目標(biāo)的去極化特性較弱，而其他典型干擾除角反射體去極化特性與艦船目標(biāo)差異較小外，均表現(xiàn)出與艦船目標(biāo)明顯的極化特征差異，通過(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，采用雙極化處理能夠有效提高末制導(dǎo)雷達(dá)抗干擾能力。