雷達極化測量技術

趙鵬飛

(西安電子科技大學電子工程學院，陜西西安 710071)

在現代戰爭中，雷達和雷達對抗是取得戰爭勝利的重要保障［1］。雷達對抗是阻止敵方雷達及其武器系統有效使用電磁頻譜的電子對抗措施，而對抗的前提是對敵方目標的電子情報(Electronic Intelligence，ELINT)的獲取，電子情報主要是對雷達系統發射的信號進行觀測的結果［2］，電子情報不僅能及時地提供有關威脅系統的信息，而且還能提供有關防御系統的信息，為下步的電子干擾提供有利的支持。

極化信息同雷達信號中的幅度、相位、頻率、波形一樣，是雷達信號的重要參量［3］。不同的輻射源，其極化方式不同，測量電磁波信號的極化方式對輻射源信號分類、識別都具有重要意義。常用的電子偵察系統偵察輻射源的參數包括輻射源的方位角、信號載頻、信號調制樣式、脈沖重復周期、脈沖寬度等，而針對輻射源的天線極化方式的偵察很少。其實傳統的對雷達的偵察系統相當于采用的是獨立于雷達信號極化的圓極化偵察，這種偵察方式能夠偵收到絕大部分輻射源信號，但其結果往往是除了損失1/2的入射信號功率外，同時損失了對入射信號極化特性的檢測、分辨和識別能力［4］。為更好地對輻射源進行分類、識別，文中針對雷達輻射源極化的檢測與測量，提出了正交雙通道測量極化方法，并對該方法進行了仿真實驗，實驗結果驗證了該方法是正確的。

1 雷達電波極化方式

1.1 極化橢圓

由麥克斯韋方程組推導出了時變電磁波的基本表達式，該表達式是建立在一定的理想條件下。因為雷達天線與偵查接收天線距離較遠，可以看作是遠場，電磁波在大氣中傳播姑且認為是在均勻介質中傳播，所以發射的無線電波認為是均勻的平面電磁波，也稱為橫電磁波(Transverse Electro－Magnetic Wave)簡稱TEM 波［5］。

對于電磁波而言，極化描述了電場矢量端點作為時間的函數所形成的空間軌跡的形狀和旋向［6］。平面電磁波的電矢量在直角坐標系中可分解為水平和垂直兩個分量，而這兩個分量之間的相對關系就構成了平面電磁波的極化方式［7－8］。

一般情況下，一個沿+z方向傳播的單色電磁波的電場矢量E既有x方向的分量［9］，又有y方向的分量，用復矢量表示為

式(1)還可以寫為

由以上3式可以看出，當Ex≠0、Ey≠0并且φ≠0時，消去參數γ，得出一般情況下的橢圓方程

由此可見，平面電磁波的極化橢圓由E0x、E0y和3個參量惟一確定。如果只考慮橢圓的形狀而忽略其大小，那么只需要兩個參數φ和γ就可以描述一個極化橢圓。其中，φ是相位差，γ是垂直極化電波幅度與水平極化電波幅度比值的反正切。如圖1所示，一般情況下平面電磁波電場矢量的軌跡圖。

圖1 平面電磁波的極化橢圓

極化橢圓的旋轉方向是這樣規定的(IEEE Test Antenna Standard，1979):如果電場矢量旋向與傳播方向滿足右手螺旋定則，則稱為右旋極化;如果電場矢量旋向與傳播方向滿足左手螺旋定則，則稱之為左旋極化。

1.2 電波的極化形式

根據平面電磁波的電場矢量端點在空間中的軌跡圖形，一般可劃分為3種極化形式，即線極化、圓極化和橢圓極化［10－11］。

(1)線極化。

當E0y或E0y有一個為0，極化橢圓蛻化為一條線段，對應的極化方式為線極化。當E0x=0時，電磁波對應的極化方式是垂直線極化;當E0y=0時，電磁波對應的極化方式是水平線極化。當φ=－180°或180°時，即使水平方向或者垂直方向的分量的幅度不為0，其極化方式也是線極化。該線極化與x軸的夾角θ和兩者之間的幅度比有關系［12］，而θ=arctan(E0y/E0x)。

(2)圓極化。

當垂直分量的幅度與水平分量的幅度相等且兩者之間的相位差為+90°或－90°時，極化橢圓蛻化為圓形，+90°對應左旋圓極化，－90°對應右旋圓極化。

(3)橢圓極化。

除了以上兩種情況外，剩下的都是橢圓極化，通過偵收測得橢圓傾角γ、橢圓率角ε和橢圓尺寸A來區分不同的橢圓極化。

2 正交極化天線法

正交極化天線法是采用兩個正交的極化天線接收雷達信號，接收到的信號通過兩個相參通道，經過一系列處理，測出兩個通道信號的幅度比和相位差，從而輸出雷達信號的極化方式。這兩個正交的極化天線可以是垂直線極化和水平線極化的結合，也可以是左旋圓極化和右旋圓極化的結合，僅兩者的數據處理部分不同，其原理是相同的。這種方法又稱為幅度—相位法［13］。

以常見的極化雷達信號為例，為了方便計算，姑且認為該極化雷達發射的電磁波是平面電磁波，任何一個平面電磁波都可以表示為

式中，f為雷達信號的載波頻率;φx、φy分別為水平方向和垂直方向電波的初相。

該雷達信號進入極化分集接收系統后，在水平通道和垂直通道的響應就是Ex和Ey

兩者間的幅度比為

相位差為

水平通道和垂直通道的信號混頻，放大，中頻濾波和正交相位處理，分別輸出兩路正交的I、Q信號

式中，k、a為經過混頻和低通濾波器的增益;φl為本振的初相。提取信號的幅度值，得到信號的幅度分別為

信號相位差的提取得到

通過式(11)和式(12)可以計算出信號的幅度比和相位差為

對比式(7)～式(8)和式(13)～式(14)可以看出，所求的幅度比χ'=χ，相位差φ'=φ。所以由所求的幅度比和相位差來判別雷達信號的極化方式是正確的。

3 實驗仿真結果及分析

當雷達發射的是左旋橢圓極化，雷達信號的頻率為f=1 020 MHz，接收機帶寬200 MHz，其中心頻率為f0=1 000 MHz。以一個左旋的極化橢圓為例，設初值E0x=1，φx=π/3，E0y=2，φy=π/2。理論上，接收機的水平通道和垂直通道都有信號并且幅度之比為2∶1，仿真得出，水平通道和垂直通道的I、Q信號時域特性曲線如圖2和圖3所示。

幅度比均值為:2.000 1+8.226 1e－008i幅度比方差為:3.186 6e－005－2.047 5e－009i

相位差均值為:0.523 51+6.654 5e－008i相位差方差為:8.404 8e－005－2.571 5e－010i取其實部，可以得出幅度比為 2.000 1，可認為是2;相位差為0.523 51，接近于π/6。所測得幅度比和相位差與實際雷達信號的幅度比和相位差相符，推導出該雷達信號的極化方式為左旋橢圓極化，仿真結果成立。

4 優缺點

正交極化天線法的優點是能瞬時測出雷達信號的極化方式，只要有雷達信號進入接收機，在末端就會有極化方式的輸出。隨著高速數字電路和數字信號處理(DSP)技術的發展，經過高速A/D變換的大量數字信號能夠得到快速處理，將這些技術應用到雷達極化測量上，能夠大大縮短極化測量時間，為戰場提供了時間保障。其次是能夠處理同時到來的多個信號，可同時識別多部極化雷達，為雷達偵察的信號預處理提供了重要的參數依據。另外對于極化捷變雷達的測量很有效果，能夠迅速測量極化捷變雷達極化參數，引導干擾信號進行極化干擾。

正交極化天線法的缺點有:

(1)該方法采用了雙通道處理，比單通道處理多一倍的設備量，提高了雷達極化偵察的成本。

(2)該方法必須要求雙通道各個器件的參數必須保持一致，處理時間上也要保持同步，對器件性能要求很高。

(3)該方法對數據處理部分要求也很高，需要高速大規模的集成器件來處理大量的高速數字信號。

5 結束語

文中只對水平和垂直這一對正交極化做了仿真，其實在理論上，只要是一對正交的極化天線都能夠測出雷達信號的極化，它們之間的關系只是坐標與坐標之間的變換關系，所以有了水平和垂直這一對正交極化天線就能推導出其他正交極化天線的算法。

文中對接收系統的流程和一些主要算法做了仿真，僅考慮了接收機的內噪聲，外界的雜波，外界噪聲和各種有源無源干擾都以理想狀態對待，在實際應用中還會存在一些新的問題。

［1］趙國慶.雷達對抗原理［M］.西安:西安電子科技大學出版社，2003.

［2］Wiley R G.電子情報—雷達信號截獲與分析［M］.呂躍廣，譯.北京:電子工業出版社，2008.

［3］李忠良.雷達偵察設備測量信號極化的方法［J］.上海航天，1997(6):22－28.

［4］王文英.對極化分集雷達的對抗技術研究［D］.西安:西安電子科技大學，2007.

［5］牛中奇，朱滿座，盧智遠，等.電磁場理論基礎［M］.西安:西安電子科技大學出版社，2003.

［6］曾清平.雷達極化技術與極化信息應用［M］.北京:國防工業出版社，2006.

［7］吳大正.信號與線性系統分析［M］.4版.北京:高等教育出版社，2000.

［8］丁鷺飛，耿富錄.雷達原理［M］.西安:西安電子科技大學出版社，2000.

［9］莊釗文.電磁波極化狀態的表征［J］.北京:國防工業出版社，1999.

［10］李明譯.雙極化曲折天線［J］.電子偵察干擾，1991.

［11］李晉文.曲折天線分析與設計［D］.長沙:國防科技大學，1999.

［12］莊釗文，肖順平，王雪松.雷達極化信息處理及其應用［M］.北京:國防工業出版社，1999.

［13］肖順平.寬帶極化雷達目標識別的理論與應用［D］.長沙:國防科技大學，1995.

［14］楊少華，都佰勝.雷達信號處理干擾仿真平臺［J］.電子科技，2011，24(1):75－77.