對多種體制雷達多普勒干擾的研究

摘 要:由于現代雷達技術在現代電子戰爭中的顯著地位，針對現代電子戰中先進的多普勒雷達，極化分集體制雷達，合成孔徑雷達的頻域工作過程提出了新的多普勒干擾方法，并對于干擾原理和干擾結果做了理論性的闡述和分析。通過大量的計算推導看出，多普勒干擾方法可使以上三種雷達不能正常工作，對于雷達的干擾達到預想效果，在現在電子戰中有很好的應用前景。關鍵詞:多普勒雷達; 極化分集體制雷達; 合成孔徑雷達; 多普勒干擾

中圖分類號:TN95-34文獻標識碼:A

文章編號: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

隨著電子技術的發展，現代電子戰中雷達技術有了巨大進步，尤其是多普勒雷達、相控陣雷達，還有合成孔徑雷達，甚至是這三種雷達的混合型雷達，都其先進的技術和革新性的理論實踐，在電子戰爭中起著能夠左右勝負的重要作用。由于這三種雷達在特定領域中的精密理論和技術，對它們進行干擾存在一定難度，但是如果對這三種雷達進行干擾成功，使其不能正常工作，這對于戰爭結果將有巨大意義。

本文針對多普勒雷達、相控陣雷達及合成孔徑雷達的工作過程，提出運用假多普勒頻率對其進行干擾的方法，并在理論上進行了推導和證明。從推導結果可見，這種干擾方法能夠達到預想效果，因而在現代戰爭中將有著極其廣泛的應用前景。

1 針對多普勒雷達的多普勒干擾分析

1.1 多普勒雷達工作原理

脈沖多普勒雷達利用目標的多普勒信息，在頻域上通過濾波器來分離目標和雜波，從雜波中檢測出運動目標，其主要濾波方法是:采用多普勒濾波器將目標運動的譜線濾出。

通過對這個多普勒頻率的測定，解算出目標的徑向運動速度[1]。多普勒頻移量可表示為:

fd=vrcf0

式中:fd為多普勒頻率;vr為目標相對于雷達的徑向速度;c為光速;f0為發射信號的頻率。在雷達中，接收機輸入端的多普勒頻率為上式的兩倍，即:

fd=2vrcf0

當系統檢測出多普勒頻率以后，信號就進入自動速度跟蹤(多普勒頻率跟蹤)環路，如圖1所示[2]。

圖1 自動速度跟蹤環路

1.2 對脈沖多普勒雷達的干擾方法

為了達到測距精度和測速精度的高要求，脈沖多普勒雷達需要采用大時寬和大帶寬的信號，因此現階段脈沖多普勒雷達廣泛地采用了線性調頻技術，所以干擾時所使用的假多普勒頻率也要跟隨調頻的改變而改變。設定干擾信號的頻率隨時間變化，即對速度波門進行拖引，但是拖引速度不能大于雷達速度的跟蹤能力，即[2]:

vt≤2a/λ

式中:vt為干擾信號頻率變化速度;a為雷達能捕獲的最大目標運動加速度;λ為發射載頻的波長。

但由于速度是矢量，多普勒頻率隨目標相對于雷達徑向速度的變化而變化，而速度的變化又反映了目標與雷達間的距離變化，因此脈沖多普勒雷達多用檢測目標的距離變化來排除干擾[3]。為了使利用距離檢測排除速度干擾的方法失效，要在對測速系統進行干擾的同時，進行距離干擾。

若速度拖引的頻率值為:

f=f0+aωt

式中:f0為脈內載頻頻率，由于線性調頻，f0將隨時間線性變化;aω為拖引加速度，是恒量;aωt即為多普勒頻率。

由于在雷達中fd=2vrf0/c，所以aωt=2vrf0/c。由此可得vr=caωt/(2f0)，即假目標的徑向速度為caωt/(2f0)。雷達發射脈沖周期為T，則在一個周期內，假目標走過的距離s為:s=caωtT/(2f0)。所以當對雷達距離跟蹤波門進行拖引時，干擾脈沖發射的延時要與要求的距離保持一致，即:Δt=aωtT/(2f0)，這說明干擾源發射干擾脈沖時，后一個干擾脈沖較前一個干擾脈沖的發射時間應延時Δt=aωtT/(2f0)。這樣可以保證在對速度跟蹤波門進行干擾時，距離跟蹤波門無法對干擾信號進行識別。

2 針對極化分集體制雷達的多普勒干擾的分析

2.1 極化分集體制雷達的工作原理

極化分集體制雷達發射不同極化形式的電磁波，通過對不同極化形式的電磁波的接收來判斷回波相對于雷達發射波的變極化或者退極化狀況，從而進行極化檢波和對目標所處狀態和姿態進行分析。

在雷達極化中引入了STOCKS極化矢量。設雷達發射波的電場矢量為[4-5](在h，v坐標基下):

t=EthEtv

則發射波的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

設雷達接收回波的電場矢量為[5-6](在h，v坐標基下):

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;Ev為垂直場;φ為兩個正交場的相位差。

可以得到:

Js=SJt

此處，在單基站雷達系統情況下，S為回波的后向散射矩陣，這個矩陣中的各個元素代表了電磁波經過目標反射的變極化狀況，因此暗含了目標的信息。為了消除噪聲和干擾的影響，要對矩陣S進行對稱化;為了確定最優化接收方式和增大信噪比，要對偽特征值進行求解;為了確定目標材料特性和所處姿勢，要對幾個極化不多量進行確定。這三點有著主要的意義。

2.2 針對極化分集體制雷達的多普勒干擾方法

在極化分集體制雷達中，對目標S矩陣(若為單基站，則指回波的后向散射矩陣;若為多基站，則指發射波的前向散射矩陣)的確定和分析直接影響到雷達對目標特性的測量結果[6]。因此，若對這種體制雷達進行干擾，最有效的方法就是使之不能得到正確的理想的S矩陣。

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

在無延時的情況下:

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分量與水平場分量的相位差。

為了養活多普勒干擾，通常計劃分集體制雷達在求矩陣S1前對于雷達多普勒頻率造成的相位偏移都有補償。補償后再對矩陣S1進行Cameron修正[3]，就得到接近正確反映目標特征的后向反射矩陣。其目標的真實信息通過對S1處理即可得到。

在有延時的情況下:

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

式中:Δt為垂直回波相對于水平回波遲到的時間。在常規的多普勒補償以后，還剩下fdΔt一項沒被補償掉，即對真實目標回波極化做了改變。由于此項的存在，最后求得的后向反射矩陣S2不能正確反映目標特性。

根據上述干擾原理可看出，最終起干擾作用的是fdΔt一項，所以針對極化分集體制雷達進行多普勒干擾的方法大致有兩種:

(1) 在干擾機上也安裝4個兩兩正交的天線，即形成4個兩兩正交的通道。天線接收到雷達照射波以后，分別在接收波上加上一個附加頻率(假多普勒頻率)，但是保證4個天線接收的波中所加的頻率不同，然后再對雷達發射回去，由于假多普勒頻率不同，在雷達極化接收時，Δfdt也有所不同，這便形成了干擾。其中，Δfd為兩個干擾多普勒頻率之差，是不能被補償掉的部分。

這種方法對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。由于水氣密度越大，雷達發射的水平極化與垂直極化波在接收時延時越大，所以，此時fdΔt項變大，因此對S2矩陣真實地獲得干擾比較大。這種干擾方法實現起來簡單易行，也是一種良好的針對極化分集體制雷達的多普勒干擾方法。

3 針對合成孔徑雷達的多普勒干擾的分析

3.1 合成孔徑雷達的工作原理

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

ρ=0.88λr/D

顯然，天線孔徑D越大，對目標的分辨率越高。但是由于實現上的困難，不能無限制地增大天線孔徑，因而普通雷達的目標分辨率是相當有限的。由于ρ正比于距離r，即普通雷達對遠距離目標的分辨率是很差的。

這里設想用孔徑為l的小真實天線的運動等效地構成一個長天線，若它能滿足一定條件，就可以在運動方向上得到一個等效的大天線孔徑(稱為合成孔徑)Ls，此時雷達對目標的分辨率提高了Ls/l倍。合成孔徑雷達的分辨率由下式決定[7-9]:

ρx=0.5λr/Ls

其中:

Ls=λr/l

這樣，就消除了距離對分辨率的作用。

一副很長的線陣天線之所以方位分辨率較高，是由于發射時線陣上的每個振子都同時發射相干信號，形成很窄的波束。接收時，每個振子同時接收回波信號，并在饋線上同相疊加，形成窄波束接收。因此，合成孔徑雷達天線的基本要求是:真實小天線相對于目標運動，并輻射相干信號，記錄接收信號，并經過適當的信號處理，使其對同一目標單元的各個回波信號都能夠同相疊加[10]。

合成孔徑雷達數據的防衛處理在本質上是對目標的預期調頻信號進行匹配濾波[7，10]。回波的多普勒信息是形成匹配濾波的參考函數的關鍵參數。根據線性調頻匹配濾波理論可以預期，多普勒參數的失配對圖像的質量將產生重大影響。多普勒形心(中心頻率)的誤差將導致圖像的信噪比降低，并產生目標的位置移動。多普勒速率誤差將導致脈沖響應展寬，使圖像散焦，分辨率下降，同時還使峰值增益降低。一般這些效應是由于使用不正確的調頻率引起的積累相位誤差造成的。應注意的是，多普勒速率誤差對多視合成孔徑雷達處理器的影響與對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，所以對性能的惡化程度降低。其次，在多視處理器中將出現“多圖像”響應，即各個子孔徑圖像在非相干疊加時不能精確地重合起來，彼此之間發生了位移。如果正確使用多普勒速率時，一個目標在時刻t1，t2，t3和t4產生的各個圖像將彼此重合起來。這些時刻相應于該目標回波的多普勒頻率與各個子孔徑匹配濾波處理器的中心頻率重合的時刻。

3.2 針對合成孔徑雷達的多普勒干擾方法

在合成孔徑雷達的數字成像處理中，最流行的是距離-多普勒算法。上文針對脈沖多普勒雷達的多普勒干擾方法中提到的方法，對于這種距離-多普勒算法的結果的影響也是很大的。因此，可采用上文的干擾方法對雷達進行干擾。

隨著合成孔徑雷達圖像分析技術的迅速發展，對圖像產品的精度，特別是復數圖像的保真度提出了更高要求。因此，一種新的精密的數字成像算法——變換先行調頻尺度算法[11]產生了。從該算法當中可以看出，多普勒頻率在這項算法中也起著重要的作用。因此，如果可以對合成孔徑雷達所接收到的信號頻率做變化(即施行多普勒干擾)，那么算法所處理的圖像結果將失真。

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在下列時刻:

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，這里可以認為它是在對合成孔徑雷達進行多普勒干擾的結果。新的時刻t′i對應于目標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刻。每兩個圖像之間的位移為Δf/f(ti-tj)V，V是雷達相對于成像目標的速度，因此最后的結果將產生圖像失真。

由上可見，多普勒干擾對合成孔徑雷達的成像處理有很大的負面影響。

4 結 語

在現代電子戰爭中，對雷達的干擾技術已經成為非常關鍵的技術。由于多普勒技術運用的越來越廣泛，對雷達的多普勒干擾技術進行干擾也逐漸成為戰爭中對雷達干擾的主要手段之一。多普勒雷達，極化分集體制雷達和合成孔徑雷達是現代雷達體制中很重要的組成部分，它們在現代戰爭中所起的作用是巨大的。正是這個原因，對于這三種雷達干擾已成為現代電子對抗中的熱門焦點。從本文的論證可以看到，多普勒干擾方法可應用于對多種體制雷達實施干擾，并且能夠達到很好的效果。

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