一種針對(duì)旁瓣消隱雷達(dá)的假目標(biāo)干擾方法

李一立，陶建鋒，李興成

(空軍工程大學(xué) 防空反導(dǎo)學(xué)院, 西安 710051)

·電子對(duì)抗·

一種針對(duì)旁瓣消隱雷達(dá)的假目標(biāo)干擾方法

李一立，陶建鋒，李興成

(空軍工程大學(xué) 防空反導(dǎo)學(xué)院, 西安 710051)

旁瓣消隱技術(shù)是現(xiàn)代防空雷達(dá)中常用的一種空域抗干擾措施，其對(duì)脈沖式欺騙干擾的抑制尤為明顯。為了最終形成航跡欺騙干擾，文中在研究旁瓣消隱系統(tǒng)的工作原理基礎(chǔ)上，采用交叉極化干擾突破旁瓣消隱系統(tǒng)來(lái)形成假目標(biāo)，利用旁瓣消隱雷達(dá)假目標(biāo)檢測(cè)概率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)分析干擾效果，還分析了極化正交性及干擾功率對(duì)干擾效果的影響，最后通過(guò)仿真驗(yàn)證了這一方法的有效性。

交叉極化干擾；旁瓣消隱；極化正交性；干噪比

0 引 言

目前，隨著相參體制、脈沖壓縮等技術(shù)在雷達(dá)系統(tǒng)中的應(yīng)用，非相參的壓制干擾效率低，干擾效果差的特點(diǎn)日益突出，且干擾機(jī)自身容易暴露，迫使干擾方從壓制干擾向精準(zhǔn)干擾轉(zhuǎn)型[1]。航跡欺騙[2]干擾是精準(zhǔn)電子戰(zhàn)的一個(gè)發(fā)展方向，其在獲得雷達(dá)部分先驗(yàn)知識(shí)基礎(chǔ)上，干擾機(jī)向被干擾雷達(dá)發(fā)射經(jīng)過(guò)精確調(diào)制的相參干擾信號(hào)，形成假目標(biāo)點(diǎn)跡，最終在雷達(dá)顯示器上形成預(yù)定的假目標(biāo)航跡。這種干擾提高了干擾能量利用率，實(shí)現(xiàn)了有針對(duì)性的精準(zhǔn)干擾。

航跡欺騙干擾有主瓣欺騙和旁瓣欺騙兩種方式，由于現(xiàn)代雷達(dá)具有波束靈活多變的特點(diǎn)，不能保證干擾總是從主瓣進(jìn)入，很多情況下仍需進(jìn)行旁瓣干擾。為了從旁瓣實(shí)施航跡欺騙，首先要解決如何使干擾脈沖突破雷達(dá)空域抗干擾措施，進(jìn)入雷達(dá)數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)。常用的空域抗干擾措施主要有：旁瓣對(duì)消(SLC)、旁瓣消隱(SLB)、低旁瓣天線(LSL)等措施，其中SLB技術(shù)對(duì)航跡欺騙這種脈沖式干擾影響最大[3]。目前，對(duì)如何精準(zhǔn)地干擾旁瓣消隱系統(tǒng)，形成虛假目標(biāo)鮮有研究。本文研究將如何通過(guò)交叉極化干擾實(shí)現(xiàn)對(duì)旁瓣消隱雷達(dá)的假目標(biāo)干擾。

1 SLB系統(tǒng)

1.1 SLB系統(tǒng)組成及工作原理

SLB技術(shù)模型[4]如圖1所示，采用主通道和輔助通道的兩通道系統(tǒng)，兩個(gè)通道都由收發(fā)天線、接收機(jī)、平方律檢波器組成，其主通道輸出為U，輔助通道輸出為V。其中，主天線是定向天線，主瓣窄而旁瓣較寬，而輔助天線采用的是全向天線，其增益Ga要遠(yuǎn)低于主天線的主瓣增益G，而大于主天線的旁瓣增益Gs。為了討論方便，將輔助天線增益Ga與主天線旁瓣增益Gs的比值定義為β=Ga/Gs。

圖1 旁瓣消隱系統(tǒng)模型

雷達(dá)工作時(shí)，主通道的輸出信號(hào)U、輔助通道輸出V送入比較器，比較器輸出與消隱門限值F進(jìn)行比較，當(dāng)V/U>F時(shí)，系統(tǒng)判定有干擾從雷達(dá)旁瓣進(jìn)入，此時(shí)消隱邏輯將產(chǎn)生消隱脈沖控制選通電路封閉主通道輸出，副瓣干擾被消隱掉。當(dāng)V/U>F時(shí)，主通道輸出通過(guò)選通電路，進(jìn)入信號(hào)處理環(huán)節(jié)。通過(guò)消隱邏輯的主通道信號(hào)再與測(cè)門限值Y比較，如果信號(hào)大于檢測(cè)門限值Y，主通道輸出將被確認(rèn)為目標(biāo)回波并送入數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)。

1.2 SLB假目標(biāo)檢測(cè)概率

SLB系統(tǒng)工作效能主要是根據(jù)其檢測(cè)概率、消隱概率等概率值來(lái)評(píng)價(jià)的，根據(jù)本文所研究的對(duì)象，用欺騙干擾條件下旁瓣消隱雷達(dá)發(fā)現(xiàn)概率，即用假目標(biāo)發(fā)現(xiàn)概率來(lái)分析干擾效果。

設(shè)主輔通道中旁瓣干擾信號(hào)幅度為S、R，通過(guò)平方律檢波器后都是由信號(hào)和加性高斯白噪聲組成，主通道輸出信號(hào)U為窄帶高斯噪聲加信號(hào)的包絡(luò)，其概率密度函數(shù)為

(1)

式中：I0(x)為零階修正貝塞爾函數(shù)。

同理，輔助通道V也是窄帶高斯噪聲加信號(hào)的包絡(luò)，其概率密度函數(shù)為

(2)

從式(1)、式(2)可以看出，接收的是干擾信號(hào)時(shí)，S2/2σ2、R2/2σ2則分別是主輔通道中的干噪比。S、R實(shí)際上是同一干擾信號(hào)被主、輔天線分別調(diào)制的結(jié)果，在信號(hào)形式上是相同的，只是信號(hào)幅度不同而已，假設(shè)干擾信號(hào)為J，那么分別有

(3)

式中：Gs(θ)，Ga(θ)分別表示主天線和輔助天線在干擾入射角度上的旁瓣增益。將β=Ga/Gs帶入式(3)得

R2=β2*S2

(4)

將式(4)帶入式(2)得

(5)

檢測(cè)概率P可由u、v的聯(lián)合概率密度表示，假設(shè)u、v是相互獨(dú)立的，那么P可以表示為

p=∫R∫pm(u)pa(v)dudv

(6)

我們所關(guān)心的SLB系統(tǒng)假目標(biāo)檢測(cè)概率PSD就是對(duì)式(6)在積分過(guò)程中選取不同的積分上下限(下標(biāo)S代表在SLB系統(tǒng)條件下)。即PSD表達(dá)式為

(7)

將MarcumQ函數(shù)引入概率計(jì)算，MarcumQ函數(shù)的定義為

(8)

將式(7)變形為

(9)

將式(8)帶入式(9)可得

(10)

式(10)就是單個(gè)脈沖情況下SLB系統(tǒng)的假目標(biāo)發(fā)現(xiàn)概率表達(dá)式。

2 交叉極化干擾假目標(biāo)形成方法

SLB主天線的主極化和交叉極化方向圖分別為Mz(θ)、Cz(θ)，輔助天線主極化與交叉極化方向圖分別為MF(θ)、CF(θ)。典型情況下，主天線要求主極化方向圖的主瓣波束窄且旁瓣波束低，這就導(dǎo)致在窄波束的瞄準(zhǔn)線上顯示出一個(gè)很深的交叉極化谷點(diǎn)。在旁瓣區(qū)，交叉極化響應(yīng)的抑制并沒(méi)有旁瓣主極化響應(yīng)那么大，而輔助天線幾乎在整個(gè)角度覆蓋范圍都能明顯地抑制交叉極化響應(yīng)。正是基于這種變化，破壞了SLB系統(tǒng)的工作基礎(chǔ)，使利用交叉極化干擾SLB雷達(dá)成為了可能。典型的SLB主輔天線共極化方向圖和交叉極化方向圖，如圖2所示[5]。

圖2 主輔天線增益圖

根據(jù)電磁波理論可知，電磁波主輔接收天線上感應(yīng)的開(kāi)路電壓可表示為

V=Eih

(11)

式中:Ei為接收回波的電場(chǎng)矢量;h為天線在該方向上的有效高度矢量。這里把h分解為主極化和交叉極化兩個(gè)正交分量，記為

h=[M(θ)C(θ)]T

(12)

相應(yīng)地，接收回波的電場(chǎng)矢量中也存在主極化和交叉極化兩個(gè)部分，在本文探討的情況下，假設(shè)雷達(dá)天線的接收信號(hào)都是干擾信號(hào)，其中共極化干擾信號(hào)是因?yàn)楦蓴_信號(hào)極化與雷達(dá)信號(hào)極化方式不能嚴(yán)格正交引起的，則接收回波的電場(chǎng)矢量可表示為

(13)

式中：ε為干擾極化與主極化的極化傾角夾角，兩部分信號(hào)除了極化方式及信號(hào)功率不同之外，其他調(diào)制參數(shù)完全相同。

旁瓣消隱器中主輔通道的平方律檢波器的輸出分別為

(14)

比較器的輸出為

(15)

由前面的分析可知，對(duì)于共極化的干擾信號(hào)，式(15)退化為

(16)

當(dāng)共極化干擾信號(hào)從主天線旁瓣進(jìn)入時(shí)，MF(θ)>Mz(θ)，導(dǎo)致比較器的結(jié)果V(t)/U(t)大于檢測(cè)門限值F，以及導(dǎo)致旁瓣干擾信號(hào)被消隱，無(wú)法實(shí)現(xiàn)干擾目的。

對(duì)于交叉極化干擾信號(hào)，式(15)退化為

(17)

當(dāng)交叉極化干擾信號(hào)從主天線旁瓣進(jìn)入時(shí)，CF(θ)

對(duì)干擾方來(lái)說(shuō)，存在兩方面問(wèn)題：(1)需要提高干擾功率，以克服雷達(dá)天線對(duì)交叉極化干擾的抑制，對(duì)于典型的拋物面天線，干擾機(jī)至少要增加20 dB的干擾功率，有時(shí)為了保證干擾效果，甚至需要增加30 dB～40 dB[6]。(2)干擾信號(hào)未與雷達(dá)信號(hào)極化方式嚴(yán)格正交會(huì)產(chǎn)生一部分共極化干擾信號(hào)，雖然回波中的主要分量是交叉極化的干擾，但由于雷達(dá)的主輔天線的交叉極化增益小，而共極化增益大，即使干擾信號(hào)中有較小的共極化分量也會(huì)對(duì)干擾效果帶來(lái)較大的影響。

3 交叉極化干擾信號(hào)調(diào)制

為了最終實(shí)現(xiàn)航跡欺騙，需要對(duì)干擾信號(hào)和干擾時(shí)機(jī)進(jìn)行精確設(shè)計(jì)，目前對(duì)欺騙干擾信號(hào)的調(diào)制主要通過(guò)數(shù)字射頻存儲(chǔ)等技術(shù)形成，這些技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，在此僅作簡(jiǎn)要介紹。這里的調(diào)制主要分為四個(gè)方面 ：(1)交叉極化調(diào)制；(2)假目標(biāo)距離調(diào)制；(3)假目標(biāo)速度調(diào)制；(4)假目標(biāo)角度調(diào)制。

假設(shè)雷達(dá)發(fā)射線性調(diào)頻信號(hào)，其信號(hào)可表示為

(18)

式中：A表示信號(hào)幅度；g(t)為矩形函數(shù)；f0表示信號(hào)載頻；μ是線性調(diào)頻斜率。

利用射頻存儲(chǔ)技術(shù)，對(duì)雷達(dá)信號(hào)接收并調(diào)制。其信號(hào)形式為

J(t)=kexp(jα)g(t-Δt)exp[2π(f0+fd)(t-Δt)+

(19)

式中：k為干擾與信號(hào)的幅度之比；Δt表示干擾信號(hào)相對(duì)于回波信號(hào)的時(shí)間延遲，是干擾方對(duì)所接收的雷達(dá)信號(hào)距離調(diào)制的結(jié)果，Δt所對(duì)應(yīng)的假目標(biāo)距離是RF=cΔt/2；fd是干擾信號(hào)相對(duì)于回波信號(hào)的多普勒頻移，是干擾方對(duì)所接收的雷達(dá)信號(hào)速度調(diào)制的結(jié)果，對(duì)應(yīng)假目標(biāo)的徑向速度為vr=fdλ/2。對(duì)雷達(dá)實(shí)施方位欺騙實(shí)質(zhì)上是從雷達(dá)旁瓣注入干擾，確定主瓣波束的角度延遲量為Δθ，則干擾機(jī)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延為T=Δθ/W(W是被干擾雷達(dá)天線轉(zhuǎn)速，通過(guò)電子偵察獲得)。

干擾機(jī)對(duì)截獲的雷達(dá)信號(hào)按照上述方法進(jìn)行調(diào)制后，就能夠在雷達(dá)顯示器上獲得所設(shè)定距離、速度、方位的假目標(biāo)，最后將干擾信號(hào)按照交叉極化的方式調(diào)制并向雷達(dá)旁瓣發(fā)射，就完成了對(duì)SLB雷達(dá)的交叉極化干擾。

4 干擾效果分析

1)雷達(dá)參數(shù)設(shè)置：基于第2節(jié)的分析，按照典型的交叉極化方向圖進(jìn)行仿真，如圖3所示。雷達(dá)采用恒虛警檢測(cè),信號(hào)參數(shù)為：脈寬τ=100μs，帶寬B=2 MHz，μ=0.02 MHz/μs，載波中心頻率f0=0 MHz。

2)干擾參數(shù)設(shè)置：基于第3節(jié)的分析，在仿真中，假目標(biāo)距離設(shè)置為75km，假目標(biāo)徑向速度設(shè)置為300 m/s，方位延遲為15°。

仿真1：對(duì)SLB雷達(dá)實(shí)施共極化欺騙干擾，雷達(dá)接收機(jī)輸入端干噪比為10 dB，經(jīng)雷達(dá)脈壓處理但未經(jīng)SLB處理后的波形如圖3a)所示，圖3b)是經(jīng)過(guò)SLB處理后的波形。可以看出，干擾信號(hào)獲得了雷達(dá)的壓縮增益，在脈沖壓縮輸出端有較高的干噪比，由于SLB系統(tǒng)的存在而被消隱，因此無(wú)法進(jìn)入雷達(dá)的信號(hào)處理環(huán)節(jié)，不能實(shí)現(xiàn)干擾目的。

圖3 SLB對(duì)共極化干擾信號(hào)處理結(jié)果

仿真2：對(duì)SLB雷達(dá)實(shí)施交叉極化欺騙干擾，雷達(dá)接收機(jī)輸入端干噪比為10 dB，經(jīng)雷達(dá)脈壓處理但未經(jīng)SLB處理的波形如圖4a)所示，圖4b)是經(jīng)過(guò)SLB處理后的波形。假目標(biāo)干擾信號(hào)從主天線旁瓣進(jìn)入，受到一定程度抑制，但由于干擾信號(hào)與雷達(dá)信號(hào)相參，可獲得雷達(dá)部分脈沖壓縮增益，只要干擾功率達(dá)到雷達(dá)最小可檢測(cè)功率，干擾信號(hào)就能夠通過(guò)SLB系統(tǒng)進(jìn)入雷達(dá)的信號(hào)處理環(huán)節(jié)，并在預(yù)定的位置上形成了虛假目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)干擾目的。從這個(gè)仿真中也可以看出，在相同輸入干噪比的情況下，交叉極化干擾信號(hào)功率比共極化信號(hào)小得多，這與上文的分析是一致的。

圖4 SLB對(duì)交叉極化干擾信號(hào)處理結(jié)果

仿真3：根據(jù)式(13)及上文分析，干擾功率及干擾信號(hào)正交性對(duì)交叉極化干擾有效性會(huì)產(chǎn)生影響。通過(guò)蒙特卡洛仿真研究二者對(duì)交叉極化干擾的影響，每個(gè)干噪比條件下仿真1000次，圖5為仿真結(jié)果。

圖5 極化隔離度對(duì)干擾效果的影響

由圖5可以看出，對(duì)SLB實(shí)施共極化干擾時(shí)，隨著干噪比的增大，干擾信號(hào)始終無(wú)法突破SLB系統(tǒng)，也就無(wú)法形成假目標(biāo)，干擾無(wú)效。另外三條曲線分別對(duì)應(yīng)著極化傾角為90°、85°、60°，當(dāng)極化傾角為90°時(shí)，為了克服天線對(duì)交叉極化的抑制，干擾機(jī)需要多付出20 dB左右的干擾功率，這與理論分析是一致的，在干噪比達(dá)到一定值時(shí)，交叉極化干擾能夠很好地實(shí)現(xiàn)干擾目的，這驗(yàn)證了交叉極化干擾方法的有效性。干擾信號(hào)不能嚴(yán)格正交時(shí)，干擾機(jī)需要付出更高的干擾功率。當(dāng)極化傾角于嚴(yán)格正交相差5°時(shí)，干擾機(jī)需要再增加20 dB左右的干擾功率，這是由兩個(gè)因素導(dǎo)致的，一是沒(méi)有嚴(yán)格正交造成干擾功率的損失，二是天線對(duì)交叉極化信號(hào)的抑制造成的，這符合上文的理論分析。當(dāng)極化傾角惡化到60°時(shí)，交叉極化干擾無(wú)法很好地實(shí)現(xiàn)干擾。隨著硬件性能的提升，現(xiàn)代干擾機(jī)能夠保證極化傾角保持在±5°之內(nèi)，可以滿足干擾需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析，交叉極化干擾信號(hào)能夠突破SLB系統(tǒng)，進(jìn)入雷達(dá)的信號(hào)處理環(huán)節(jié)，在預(yù)定距離、速度、方位上形成假目標(biāo)點(diǎn)跡，實(shí)現(xiàn)了對(duì)SLB雷達(dá)的假目標(biāo)欺騙式干擾，對(duì)最終完成航跡欺騙具有重要的應(yīng)用價(jià)值，是一種可行的干擾方式。但交叉極化干擾為了克服雷達(dá)對(duì)交叉極化的抑制及自身正交性不足的影響，需要增加較大的干擾功率，同時(shí)需要被干擾雷達(dá)更多的先驗(yàn)知識(shí)，這給實(shí)現(xiàn)交叉極化干擾帶來(lái)了一定的困難，是以后研究的重點(diǎn)。

[1] 吳志建，方勝良，楊 健. 精確電子戰(zhàn)中精確指揮控制研究[J]. 艦船電子對(duì)抗, 2013, 36(1)：17-25. WU Zhijian, FANG Shengliang, YANG jian. Research into precision command and control in precision electronic warfare[J]. Shipboard Electronic Countermeasure, 2013, 36(1)：17-25.

[2] 馬亞濤，趙國(guó)慶，徐 晨. 現(xiàn)有條件下對(duì)組網(wǎng)雷達(dá)的航跡欺騙[J]. 電子信息對(duì)抗技術(shù)，2013, 28(2) ：34-37. MA Yatao, ZHAO Guoqing, XU Chen. Research on track deception technology against the radars network system[J]. Electronic Information Warefare Technology, 2013, 28(2) ：34-37.

[3] 邱 杰. 靈巧噪聲干擾與旁瓣消隱技術(shù)關(guān)系探討[J]. 現(xiàn)代雷達(dá)，2012, 34(8)：55-59. QIU Jie. A study on relationship between smart noise jamming and SLB[J]. Modern Radar, 2012, 34(8)：55-59.

[4] 周 暢，朱振波，湯子躍. 脈壓雷達(dá)旁瓣匿影工作模式與抗干擾性能分析[J]. 航天電子對(duì)抗，2014, 30(1)：47-51. ZHOU Chang, ZHU Zhenbo, TANG Ziyue. Study on operating mode and anti-jamming performance of sidelobe blanking in pulse-compression radar[J]. Aerospace Electronic Warfare, 2014, 30(1)：47-51.

[5] 代大海, 王雪松, 李永禎，等. 交叉極化干擾建模及其欺騙效果分析[J]. 航天電子對(duì)抗, 2001, 24(3):21-25. DAI Dahai, WANG Xuesong, LI Yongzhen, et al. Cross-polarization jamming simulation and analysis[J]. Aerospace Electronic Warfare, 2001, 24(3)：21-25.

[6] 江海清, 高梅國(guó), 李云杰, 等. 基于FPGA的雷達(dá)欺騙干擾信號(hào)調(diào)制器的設(shè)計(jì)[J]. 現(xiàn)代雷達(dá), 2008, 30(8): 29-31. JIANG Haiqing, GAO Meiguo, LI Yunjie, et al. Design of a radar deception jamming modulator based on FPGA[J]. Modern Radar, 2008, 30(8): 29-31.

李一立 男，1991年生，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娮訉?duì)抗。

陶建鋒 男，1964年生，教授，研究方向?yàn)槔走_(dá)系統(tǒng)建模。

李興成 男，副教授，研究方向?yàn)殡娮訉?duì)抗。

A False Target Jamming Method to the Radar with SLB

LI Yili，TAO Jianfeng，LI Xingcheng

(School of Air and Missile Defense College, Air Force Engineering University, Xi′an 710051, China)

Modern radar usually adopts side-lobe blanking as the air-space anti-jamming technique, SLB can suppress the impulse interference evidently. For the success of phantom track interference, the operating principle of SLB is studied, and the method of the cross-polarization interference to make the jamming signal breakthrough the SLB is adopted, and the electronic false target is formed. Is aralyzed false target detection probability to evaluate the jamming effect is broughtin and how the polarization orthogonality and interference power effect the interference. At last, the simulation proves the effectiveness of the method.

cross-polarization interference; side-lobe blanking; polarization orthogonality; interference-noise power ratio

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.04.017

李一立 Email：85624335@qq.com

2015-11-10

2016-01-21

TN972

A

1004-7859(2016)04-0073-05