顧天一，唐 莽，陳 飛，王 衛(wèi)，梁 斌，徐大釗

（中國(guó)航天科工集團(tuán)8511 研究所，江蘇 南京 210007）

0 引言

導(dǎo)彈是現(xiàn)代戰(zhàn)場(chǎng)中進(jìn)行精確打擊的“殺手锏”武器之一，導(dǎo)引頭作為導(dǎo)彈的“眼睛”發(fā)揮了重要的制導(dǎo)與目標(biāo)識(shí)別作用，是對(duì)抗方首要的干擾對(duì)象。當(dāng)前，雷達(dá)導(dǎo)引頭主要是固定單一極化體制，有源干擾相應(yīng)的也會(huì)選擇斜極化或圓極化等固定極化干擾，以部分功率損耗為代價(jià)實(shí)現(xiàn)對(duì)導(dǎo)引頭的有效干擾。對(duì)雷達(dá)導(dǎo)引頭進(jìn)行極化改造可提升其抗干擾能力，極化雷達(dá)導(dǎo)引頭能精確獲取目標(biāo)的極化信息，利用干擾和真實(shí)目標(biāo)在極化特征上的差異實(shí)現(xiàn)鑒別，能有效對(duì)抗固定極化有源干擾、雜波干擾等。相應(yīng)的，為有效對(duì)抗極化雷達(dá)導(dǎo)引頭，干擾也從時(shí)頻空域延伸到極化域，變極化干擾應(yīng)運(yùn)而生。變極化干擾的本質(zhì)是對(duì)干擾信號(hào)在極化域上進(jìn)行調(diào)制，與固定極化干擾最大的區(qū)別是，變極化干擾可以根據(jù)實(shí)際需求，以針對(duì)性的變化策略對(duì)抗極化雷達(dá)導(dǎo)引頭，是未來(lái)干擾技術(shù)發(fā)展的重要趨勢(shì)。本文以極化雷達(dá)導(dǎo)引頭為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)常見(jiàn)固定極化干擾、隨機(jī)極化干擾的作用機(jī)理和優(yōu)缺點(diǎn)分析研究，提出了目標(biāo)模擬隨機(jī)極化干擾和自適應(yīng)極化干擾，并開(kāi)展了分析和研究。

1 極化雷達(dá)導(dǎo)引頭工作原理

極化雷達(dá)導(dǎo)引頭采用輪流發(fā)射一對(duì)極化狀態(tài)正交的電磁波，且雙極化同時(shí)接收的方式，匹配濾波后可以得出4 路信號(hào)，這4 路信號(hào)可形成目標(biāo)的極化散射矩陣，如圖 1 所示。

圖1 極化雷達(dá)導(dǎo)引頭的4 路信號(hào)

極化散射矩陣描述了入射波和目標(biāo)之間的相互作用，它包含了目標(biāo)在特定姿態(tài)和觀測(cè)頻率下的全部極化散射信息。極化散射矩陣把散射場(chǎng)E各分量和入射場(chǎng)E各分量聯(lián)系起來(lái)，用Jones 矢量可表示為：

當(dāng)導(dǎo)引頭距離目標(biāo)足夠遠(yuǎn)時(shí)，則到達(dá)目標(biāo)處的入射波和到達(dá)接收處的散射波可看成平面波。因此，是一個(gè)二階矩陣，選擇水平垂直極化基（后文簡(jiǎn)稱、極化）可表示為：

式中，第一個(gè)下標(biāo)字母表示接收極化，第二個(gè)下標(biāo)字母表示發(fā)射極化。如果目標(biāo)是線性散射體，那么由互易性定理可得，任意目標(biāo)的單站（后向）散射矩陣是對(duì)稱的，即s=s。

由圖2 可知，極化雷達(dá)導(dǎo)引頭處理目標(biāo)回波時(shí)，當(dāng)其4 個(gè)接收通道的分量與目標(biāo)有較大差異，則能利用極化特征進(jìn)行干擾鑒別。

圖2 目標(biāo)與干擾識(shí)別示意圖

2 極化干擾技術(shù)分析

2.1 固定極化干擾

固定極化干擾是干擾輻射信號(hào)的極化形式不隨時(shí)間和頻率變化的干擾方式。表1 是典型固定極化的干擾對(duì)不同接收極化雷達(dá)導(dǎo)引頭干擾時(shí)的極化匹配系數(shù)。

表1 極化匹配系數(shù)

在實(shí)際工程應(yīng)用中一般采取45°斜極化干擾，以一定的功率損耗，換取對(duì)極化雷達(dá)導(dǎo)引頭的穩(wěn)定干擾。因此，一般采用大功率的壓制干擾，在極化雷達(dá)導(dǎo)引頭進(jìn)行濾波處理后，仍會(huì)使得4 路接收通道中目標(biāo)信號(hào)被干擾信號(hào)覆蓋，或增大極化雷達(dá)導(dǎo)引頭處理后的極化散射矩陣誤差，降低正確識(shí)別跟蹤目標(biāo)的概率。但是，固定極化干擾的缺點(diǎn)是干擾信號(hào)的極化形式保持不變，極化雷達(dá)導(dǎo)引頭積累識(shí)別后，可以通過(guò)調(diào)整發(fā)射信號(hào)的極化分量，對(duì)其進(jìn)行最大程度的對(duì)抗。

2.2 隨機(jī)極化干擾

現(xiàn)有極化雷達(dá)導(dǎo)引頭一般在脈沖積累、處理后，可對(duì)干擾的極化形式進(jìn)行鑒別，可通過(guò)調(diào)整發(fā)射信號(hào)的極化與其正交來(lái)抑制干擾。針對(duì)其需要脈沖積累以判別干擾極化形式的特點(diǎn)，可以采用隨機(jī)極化干擾進(jìn)行對(duì)抗。

隨機(jī)極化干擾主要是通過(guò)隨機(jī)調(diào)整2 路干擾信號(hào)的幅度和相位，使得干擾信號(hào)極化形式呈現(xiàn)隨機(jī)變化的情況。當(dāng)隨機(jī)極化干擾以小于極化雷達(dá)導(dǎo)引頭脈沖積累周期的時(shí)間進(jìn)行隨機(jī)的極化變換時(shí)，可影響極化雷達(dá)導(dǎo)引頭的脈沖積累流程，使導(dǎo)引頭無(wú)法較準(zhǔn)確地判斷識(shí)別出干擾信號(hào)極化形式，作用過(guò)程的時(shí)序圖如圖3 所示。

圖3 隨機(jī)極化干擾時(shí)序圖

隨機(jī)極化干擾的Jones 矢量表示為：

式中，為干擾信號(hào)的幅度絕對(duì)值，γ()為極化幅角，φ()為極化相角。

此時(shí)，導(dǎo)引頭接收機(jī)輸入端干擾信號(hào)以電壓方程可表示為：

式中，h為極化雷達(dá)導(dǎo)引頭接收天線極化形式；γ和φ分別為接收天線的極化幅角與極化相角，考慮到干擾機(jī)與雷達(dá)導(dǎo)引頭通常處于相向坐標(biāo)系，故極化相角取負(fù)號(hào)。

為刻畫(huà)因?yàn)樘炀€之間極化形式失配而造成的信號(hào)損失的程度，采用極化匹配系數(shù)來(lái)衡量，極化匹配系數(shù)表示為：

式中，p（）為當(dāng)前時(shí)刻實(shí)際接收的干擾功率；p（）為極化完全匹配時(shí)被接收的功率。

隨機(jī)極化干擾信號(hào)的極化幅角γ()和極化相角φ()在每個(gè)不同的脈沖積累周期里都為隨機(jī)數(shù)。圖4 為隨機(jī)極化干擾針對(duì)不同極化的接收天線的極化匹配系數(shù)。

圖4 隨機(jī)極化干擾的極化匹配系數(shù)

根據(jù)圖4 可知，當(dāng)極化幅角和極化相角服從均勻分布的隨機(jī)數(shù)時(shí)，有半數(shù)樣本的極化匹配系數(shù)大于0.5，且均值也約為0.5。由此可知，隨機(jī)極化干擾可對(duì)極化雷達(dá)導(dǎo)引頭脈沖積累的過(guò)程進(jìn)行破壞，即使導(dǎo)引頭積累識(shí)別后發(fā)現(xiàn)了受到干擾，但也無(wú)法通過(guò)調(diào)整極化分量來(lái)對(duì)抗，保證了一定的干擾成功率。但是，由于目標(biāo)回波的RCS 受照射極化的影響，存在一個(gè)起伏的區(qū)間，隨著目標(biāo)姿態(tài)的改變，其回波的RCS 也呈現(xiàn)規(guī)律性的變化。而隨機(jī)極化干擾的信號(hào)在時(shí)域上呈現(xiàn)出的是隨機(jī)變化，極化雷達(dá)導(dǎo)引頭可以通過(guò)分析2組或多組積累脈沖之間的平均極化分量變化趨勢(shì)來(lái)識(shí)別目標(biāo)和干擾。

2.3 目標(biāo)模擬隨機(jī)極化干擾

傳統(tǒng)的干擾與真實(shí)目標(biāo)回波的極化特征存在較大差異，極化雷達(dá)導(dǎo)引頭在提取回波信號(hào)的極化散射矩陣后可以辨別。因此，在隨機(jī)極化干擾的基礎(chǔ)上加載被保護(hù)目標(biāo)的極化散射矩陣，可模擬目標(biāo)的極化散射特性，降低了由于極化不匹配而造成的干擾信號(hào)能量損失。

這種干擾技術(shù)要求干擾機(jī)配備被保護(hù)目標(biāo)的極化散射矩陣數(shù)據(jù)庫(kù)，輸入極化雷達(dá)導(dǎo)引頭信號(hào)的相關(guān)特征（如觀測(cè)角、頻率等）時(shí)，數(shù)據(jù)庫(kù)可輸出對(duì)應(yīng)的極化散射矩陣，并將其加載到干擾信號(hào)中，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)極化散射特性模擬的隨機(jī)極化干擾。原理框圖如圖5 所示，圖中省略了信號(hào)處理部分。

圖5 極化散射矩陣加載示意圖

隨機(jī)極化干擾的極化形式提取為：

在加載特定觀測(cè)條件下目標(biāo)的極化散射矩陣后，干擾信號(hào)的極化形式變?yōu)?

此時(shí)，極化匹配系數(shù)為：

面對(duì)水平極化的導(dǎo)引頭信號(hào)，對(duì)目標(biāo)模擬隨機(jī)極化干擾和隨機(jī)極化干擾的極化匹配系數(shù)進(jìn)行仿真計(jì)算，如圖6 所示。

圖6 極化匹配系數(shù)對(duì)比

若以極化匹配系數(shù)大于0.5 的次數(shù)比上總次數(shù)作為平均干擾有效概率，則：

計(jì)算可知，隨機(jī)極化干擾的平均干擾有效概率為53.28%，目標(biāo)模擬隨機(jī)極化干擾的平均干擾有效概率為57.82%，干擾有效概率在一定程度上提升，且目標(biāo)模擬隨機(jī)極化干擾的極化匹配系數(shù)均值相較于隨機(jī)極化干擾提升近20%。從統(tǒng)計(jì)的結(jié)果可知，目標(biāo)模擬隨機(jī)極化干擾有更大概率以較高的極化匹配系數(shù)，與目標(biāo)回波信號(hào)一同進(jìn)入極化雷達(dá)導(dǎo)引頭的接收機(jī)，會(huì)獲得更好的干擾效果。

綜上所述，目標(biāo)模擬隨機(jī)極化干擾使得極化匹配系數(shù)的均值有所提高。即使極化雷達(dá)導(dǎo)引頭后續(xù)可改進(jìn)目標(biāo)識(shí)別的算法策略，通過(guò)分析2 組積累脈沖之間的平均極化分量變化趨勢(shì)來(lái)識(shí)別目標(biāo)和干擾，目標(biāo)模擬隨機(jī)極化干擾會(huì)因?yàn)槟M了目標(biāo)回波的極化特征，其信號(hào)也能呈現(xiàn)同樣的起伏規(guī)律，使得極化雷達(dá)導(dǎo)引頭無(wú)法辨別，干擾效果更佳。

2.4 自適應(yīng)極化干擾

從作用原理上而言，目標(biāo)模擬隨機(jī)極化干擾是在完全不清楚導(dǎo)引頭信號(hào)極化形式的情況下，對(duì)隨機(jī)極化干擾進(jìn)行了目標(biāo)極化散射矩陣的加載，具有一定的干擾效果，但不夠穩(wěn)定。未來(lái)極化干擾的發(fā)展趨勢(shì)是通過(guò)對(duì)極化雷達(dá)導(dǎo)引頭的信號(hào)進(jìn)行及時(shí)、精確的極化測(cè)量，再在導(dǎo)引頭信號(hào)的基礎(chǔ)上調(diào)制生成相應(yīng)極化分量的干擾信號(hào)，可提高對(duì)極化雷達(dá)導(dǎo)引頭的干擾成功率。

圖7 為自適應(yīng)極化干擾樣機(jī)原理框圖，干擾機(jī)結(jié)構(gòu)包括2 路正交極化天線、2 路接收通道、2 路發(fā)射通道、極化調(diào)制模塊和信號(hào)處理模塊。干擾機(jī)為收發(fā)分時(shí)工作模式，具體工作時(shí)，首先接收導(dǎo)引頭信號(hào)后分為兩路信號(hào)，其中一路信號(hào)進(jìn)行幅度比和相位差的測(cè)量，獲得導(dǎo)引頭信號(hào)的極化形式；另一路信號(hào)經(jīng)前端處理后，送入信號(hào)處理器進(jìn)行時(shí)延、幅度和相位等調(diào)制，以產(chǎn)生“時(shí)頻空能”域的假目標(biāo)。隨后，輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)調(diào)制、上變頻，完成極化域的調(diào)制后，經(jīng)2 路正交極化天線向?qū)б^發(fā)射。

圖7 自適應(yīng)極化干擾樣機(jī)原理框圖

雖然從原理上自適應(yīng)極化干擾可以使極化雷達(dá)導(dǎo)引頭的極化抗干擾措施失效。但由于當(dāng)前極化精確、實(shí)時(shí)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展相對(duì)落后，自適應(yīng)極化干擾的工程實(shí)現(xiàn)難度較大，待未來(lái)微波器件的工藝水平和干擾機(jī)信號(hào)處理能力進(jìn)一步發(fā)展后，自適應(yīng)極化干擾將會(huì)是對(duì)抗極化雷達(dá)導(dǎo)引頭的重要方式之一。

3 結(jié)束語(yǔ)

極化雷達(dá)導(dǎo)引頭能夠通過(guò)2路正交極化通道發(fā)射和接收回波信號(hào)提取目標(biāo)和干擾的極化散射矩陣，根據(jù)兩者極化散射矩陣的差異進(jìn)行判別，具有很強(qiáng)的抗干擾能力。本文以極化雷達(dá)導(dǎo)引頭為研究對(duì)象，分析了4 種極化干擾方式的可行性和優(yōu)缺點(diǎn)。自適應(yīng)極化干擾因?yàn)榫_測(cè)量了導(dǎo)引頭發(fā)射信號(hào)的極化分量，使極化雷達(dá)導(dǎo)引頭喪失了極化域抗干擾的優(yōu)勢(shì)，所以可實(shí)現(xiàn)對(duì)極化雷達(dá)導(dǎo)引頭的有效干擾，但缺點(diǎn)是干擾設(shè)備的研制成本高，質(zhì)量、體積較大，且極化測(cè)量精準(zhǔn)度、測(cè)量時(shí)間受器件工藝水平影響大，核心技術(shù)需要進(jìn)一步研究與攻關(guān)。目標(biāo)模擬隨機(jī)極化干擾既模擬了目標(biāo)的極化域特征，又無(wú)需對(duì)導(dǎo)引頭信號(hào)進(jìn)行精確的極化測(cè)量，易于工程應(yīng)用，是當(dāng)前應(yīng)當(dāng)大力發(fā)展的極化干擾方式。