基于單脈沖和差信號矢量的交叉眼干擾辨別方法

牟成虎，陳 鋮，李 森，趙權(quán)睿，徐 敏

（上海無線電設(shè)備研究所，上海 201109）

0 引言

戰(zhàn)場環(huán)境日益復(fù)雜，常態(tài)化高強度多樣式干擾是未來戰(zhàn)場環(huán)境的主要特征［1］，特別是交叉眼等角度干擾出現(xiàn)后對單脈沖雷達測角產(chǎn)生嚴(yán)重影響。交叉眼干擾是一種專門針對單脈沖角跟蹤系統(tǒng)設(shè)計的角度欺騙干擾，主要用在飛機、艦船等武器平臺上對來襲的雷達末制導(dǎo)導(dǎo)彈進行角度誘偏［2］。隨著交叉眼干擾技術(shù)的不斷成熟和應(yīng)用，將使單脈沖雷達導(dǎo)引頭的作戰(zhàn)效能大幅降低。

國內(nèi)外大量文獻研究了交叉眼干擾的實現(xiàn)方法和干擾效能。文獻［3-10］對交叉眼干擾進行了建模和數(shù)學(xué)分析；文獻［11-17］分析了“交叉眼”干擾的效能；文獻［18］研究了在靶機上加裝交叉眼干擾設(shè)備的方法；文獻［19］研究了交叉眼干擾設(shè)備在飛機上的布局。

在交叉眼干擾對抗方面國內(nèi)的研究相對較少。文獻［20］指出“交叉眼”干擾對利用和通道定向的雷達（如圓錐掃描雷達）不具有干擾作用；文獻［21］指出可以利用這一點作為交叉眼干擾對抗的一種措施；但是圓錐掃描雷達受目標(biāo)起伏影響測角性能差，已經(jīng)被單脈沖測角雷達取代。文獻［22-23］指出長基線交叉眼干擾可以利用其傳輸延時對干擾信號予以剔除，并未給出具體分析。文獻［24］指出可以利用和通道信號最大值對應(yīng)角度與單脈沖雷達比幅測角所得角度位置進行交叉眼干擾識別，但并未深入分析其對抗效果。文獻［25］給出了基于MIMO 技術(shù)的交叉眼干擾對抗方法，該方法利用理想交叉眼干擾信號疊加損失進行干擾抑制，該方法在非理想交叉眼干擾情況下對抗性能下降。文獻［26］給出了基于單脈沖三維成像的抗交叉眼干擾方法，該方法依賴于高距離分辨能力和高精度測角能力，處理和計算量較大，在噪聲和干擾影響下工程應(yīng)用困難。本文從交叉眼干擾對單脈沖和差信號矢量的影響出發(fā)，提出了一種基于單脈沖和差信號矢量的交叉眼干擾判別方法，該方法處理簡單、計算量小，是一種對抗交叉眼干擾的實用技術(shù)。

1 交叉眼干擾的機理

交叉眼干擾一般有兩對天線，分別安裝在機翼兩端或船舶的頭尾及兩舷，利用左收右發(fā)、右收左發(fā)的交叉收發(fā)方式實現(xiàn)干擾路徑的抵消［27］。由于難以解決同時收發(fā)工作時收發(fā)天線之間的隔離度問題，以及校準(zhǔn)兩對天線信號的傳輸電纜、處理電路的信號幅相差異困難，目前交叉眼干擾一般采用收發(fā)分時方式工作，并利用環(huán)形器使用兩個天線實現(xiàn)交叉收發(fā)，如圖1 所示。

圖1 交叉眼干擾原理Fig.1 Schematic diagram of the principle of Cross-Eye jamming interference

單脈沖雷達天線S1、S2 輻射的信號，經(jīng)干擾機天線J1 接收后，進行信號放大，通過180°移相后經(jīng)天線J2 輻射出去；同樣J2 接收的信號經(jīng)環(huán)形器進入放大器2，最后通過天線J1 輻射出去。電纜的收發(fā)是互易的，因此采用2 個天線實現(xiàn)交叉眼干擾的方法，在實驗室對交叉眼干擾進行標(biāo)校后，在使用安裝時可適當(dāng)延長電纜L1、L2 以適應(yīng)飛機或艦船的安裝尺寸需求，且不改變實驗室標(biāo)校的性能。這種方法使交叉眼干擾從理論走向工程［28］，并逐漸實用化。

兩干擾天線輻射的信號在空間中形成類似差方向圖的空間信號，方向圖的零深位置對準(zhǔn)單脈沖雷達接收天線S1、S2 的相位中心，如圖2（幅度方向圖）、圖3（相位方向圖）所示。單脈沖雷達接收天線S1、S2 如同在交叉眼干擾形成的方向圖中的兩個接收點，獲取單脈沖合成前的目標(biāo)回波信號和干擾信號。圖中，A、B為單脈沖雷達天線S1、S2 接收到的干擾信號的幅度；Ψ1、Ψ2為單脈沖雷達天線S1、S2接收到的干擾信號的相位。

圖2 理想交叉眼干擾的幅度方向圖Fig.2 Schematic diagram of the amplitude pattern of ideal Cross-Eye jamming interference

圖3 理想交叉眼干擾的相位方向圖Fig.3 Schematic diagram of the phase pattern of ideal Cross-Eye jamming interference

單脈沖雷達接收信號可表示為

式中：S1(t)、S2(t)分別為雷達天線S1、S2 接收到的信號；x(t)為射頻信號。

單脈沖雷達形成的和差單脈沖信號為

式中：SΣ(t)為單脈沖雷達和路信號；SΔ(t)為單脈沖雷達差路信號。由式（1）、式（2）可得

對于理想的交叉眼干擾，其形成的方向圖可使接收到的信號滿足A=B、ψ1=ψ2+180°，此時和路信 號SΣ(t)=0，差路信號SΔ(t)=2Aejψ1x(t)。于是，用差信號幅度|SΔ(t)|比和信號幅度|SΣ(t)|進行單脈沖測角時得到極大角誤差，實現(xiàn)理想的交叉眼干擾角度欺騙。

2 目標(biāo)回波單脈沖和差信號矢量

在沒有交叉眼干擾時，假設(shè)目標(biāo)為點目標(biāo)（遠距時目標(biāo)可等效為點目標(biāo)），則目標(biāo)反射回波經(jīng)單脈沖雷達天線接收后，2 個天線接收信號一般滿足：

式中：D為單脈沖雷達天線S1 與S2 的間距；λ為單脈沖雷達工作波長；Δθ為目標(biāo)相對天線法向的偏離角（角誤差）。

圖4 目標(biāo)回波和差信號矢量圖Fig.4 Schematic diagram of the sum-difference signal vectors of the target echoes

在對目標(biāo)回波進行單脈沖測角時，一般要先將差路信號移相90°，使差路信號矢量與和路信號矢量平行，即差路信號與和路信號相位相同或相差180°。然后進行差路信號矢量幅度與和路信號矢量幅度相比獲得測角信息。當(dāng)差路信號與和路信號相位相同時，測角結(jié)果為正值；當(dāng)差路信號與和路信號相位相差180°時，測角結(jié)果為負值。由上分析可以看出，對目標(biāo)回波的差路信號矢量旋轉(zhuǎn)90°后與和路信號矢量之間的夾角在非常小的范圍內(nèi)。

3 交叉眼干擾信號的和差信號矢量

存在交叉眼干擾時，和差單脈沖雷達天線接收得到的信號矢量如圖5 所示。

圖5 交叉眼干擾和差信號矢量圖Fig.5 Schematic diagram of the sum-difference signal vectors of Cross-Eye jamming interference

當(dāng)A=B、ψ1=ψ2+180°時，和信號矢量等于零；差信號矢量不為零。通過差和比幅測角得到極大角誤差。由于交叉眼干擾天線J1、J2 的方向圖、干擾吊艙透波罩的透波性能難以做到完全一致，加上干擾設(shè)備處理電路中的延時差異和幅度差異、移相器的控制精度，以及設(shè)備安裝在飛機或輪船后外場標(biāo)校時的多路徑影響等，交叉眼干擾難以做到理想的等幅、反相，將導(dǎo)致交叉眼兩個干擾天線合成的方向圖零深偏離單脈沖雷達2 個接收天線的相位中心，如圖6～圖7 所示。

圖6 不理想交叉眼干擾的幅度方向圖Fig.6 Schematic diagram of the amplitude pattern of nonideal Cross-Eye jamming interference

圖7 不理想交叉眼干擾的相位方向圖Fig.7 Schematic diagram of the phase pattern of nonideal Cross-Eye jamming interference

從圖6、圖7 中可以看出，在交叉眼干擾無法形成理想的等幅、反相時，將導(dǎo)致單脈沖雷達天線接收到的信號幅度A、B差異增大，且兩個天線接收到的信號相位相差小于180°。此種條件下，得到和差信號矢量如圖8 所示。

圖8 不理想交叉眼干擾和差信號矢量圖Fig.8 Schematic diagram of the sum-difference signal vectors of non-ideal Cross-Eye jamming interference

從圖8 中可以看出，和差信號的矢量不再相互垂直。對交叉眼干擾信號的差路信號進行90°移相后，不能使差路信號矢量與和路信號矢量平行，差路信號矢量在垂直于和路信號矢量的方向上仍有很大分量，如圖9 所示。

圖9 和信號矢量旋轉(zhuǎn)90°后不理想交叉眼干擾和差信號矢量圖Fig.9 Schematic diagram of the sum-difference signal vectors of non-ideal Cross-Eye jamming interference when the sum signal vectors rotate 90°

此時差路信號矢量旋轉(zhuǎn)90°后與和路信號矢量之間的夾角較大。

根據(jù)以上分析，利用目標(biāo)回波信號的差路信號矢量旋轉(zhuǎn)90°后與和路信號矢量之間夾角很小，而交叉眼干擾信號的差路信號矢量旋轉(zhuǎn)90°后與和路信號矢量之間夾角較大這一特點，可以辨別所檢測信號是目標(biāo)回波信號還是交叉眼干擾信號。

單脈沖雷達對于檢測到的量測信號進行處理，取出和路信號和差路信號，計算其差路信號矢量旋轉(zhuǎn)90°后與和路信號矢量的夾角。當(dāng)2 個矢量夾角小于某一門限值φA時，判定為目標(biāo)回波信號；當(dāng)2 個矢量夾角大于某一門限φB時，判定為交叉眼干擾信號。辨別門限φA和φB可以根據(jù)單脈沖雷達系統(tǒng)的情況進行設(shè)計。

4 仿真驗證情況

本節(jié)對目標(biāo)回波的和差信號矢量情況、兩點源交叉眼干擾的和差信號矢量情況、多點源交叉眼干擾的和差信號矢量情況進行仿真分析。

1）目標(biāo)回波的和差信號矢量情況。

假設(shè)彈目距離3 km，單脈沖雷達接收天線S1、S2 間距0.2 m，工作在X 波段，單脈沖雷達接收天線形成和差信號中幅度和相位均理想校準(zhǔn)。目標(biāo)回波等效為點目標(biāo)回波，目標(biāo)角度偏離單脈沖雷達天線法線方向0.2°。

在目標(biāo)回波信噪比40 dB 情況下，對目標(biāo)回波進行100 次仿真試驗，仿真得到的差路信號矢量旋轉(zhuǎn)90°后與和路信號矢量的夾角情況如圖10所示。

圖10 目標(biāo)回波在30 dB 和路信噪比時差路信號矢量旋轉(zhuǎn)90°后與和路信號矢量夾角Fig.10 Angle between sum-difference signal vectors when the target echo SNR is at 30 dB and the difference signal vector is rotated 90°

從圖10 中可以看出，2 個信號矢量的夾角基本在0°～30°范圍內(nèi)，且大概率都在20°以內(nèi)。設(shè)置判別為目標(biāo)的門限為兩矢量夾角小于20°，判別為交叉眼干擾的門限為兩矢量夾角大于25°。進行1 000 次仿真并統(tǒng)計仿真結(jié)果，得到對目標(biāo)的正確辨別概率為95.6%；目標(biāo)誤判為交叉眼干擾的概率為0.8%。

2）兩點源交叉眼干擾的和差信號矢量情況。

假設(shè)交叉眼干擾載機與單脈沖雷達距離3 km，干擾天線安裝在載機的機翼兩端，載機翼展9 m，單脈沖雷達接收天線S1、S2 間距0.2 m，單脈沖雷達和干擾機工作在X 波段。

對于理想的交叉眼干擾，其在單脈沖雷達附近合成的幅度方向和相位方向如圖11～圖12 所示。根據(jù)交叉眼干擾與單脈沖雷達之間的距離，以及單脈沖雷達兩個接收天線之間的間距，可以計算得到單脈沖雷達兩個接收天線與目標(biāo)點的連線張角為0.003 8°。理想的交叉眼干擾合成幅度方向圖的零點對準(zhǔn)單脈沖雷達兩個接收天線的相位中心。因此，單脈沖接收天線在交叉眼干擾方向圖中位于-0.001 9°和+0.001 9°的角度位置。

圖11 理想交叉眼干擾幅度方向圖Fig.11 Simulation diagram of amplitude pattern about ideal Cross-Eye jamming

圖12 理想交叉眼干擾相位方向圖Fig.12 Simulation diagram of phase pattern about ideal Cross-Eye jamming

從圖11～圖12 中可以看出，單脈沖雷達天線接收的兩路信號幅度A=B，相位相差180°。

當(dāng)交叉眼干擾兩個天線的幅度相差為0.2 dB，相位誤差為3°時，其在單脈沖雷達附近合成的幅度方向圖和相位方向圖如圖13～圖14 所示。從圖中可以看出，單脈沖雷達天線接收的兩路信號幅度相差超過4 dB，相位相差達到80.6°。

圖13 交叉眼天線幅度差0.2 dB、相位差3°時合成的幅度方向圖Fig.13 Amplitude pattern about Cross-Eye jamming when Cross-Eye antenna amplitude difference is 0.2 dB and phase difference is 3°

圖14 交叉眼天線幅度差0.2 dB、相位差3°時合成的相位方向圖Fig.14 Phase pattern about Cross-Eye jamming when Cross-Eye antenna amplitude difference is 0.2 dB and phase difference is 3°

按照式（2）合成和差兩路信號，并計算差路信號矢量旋轉(zhuǎn)90°后與和路信號矢量的夾角，得到計算結(jié)果為48.6°，遠遠超過0°。

假設(shè)交叉眼干擾兩個天線的幅度差在0.1～0.5 dB 范圍內(nèi)均勻隨機分布，相位誤差在1°～5°范圍內(nèi)均勻隨機分布，干噪比約為40 dB，進行100 次仿真試驗，仿真得到的差路信號矢量旋轉(zhuǎn)90°后與和路信號矢量的夾角情況如圖15所示。從圖15中可以看出兩個矢量的夾角在10°～70°，且大概率在20°以上。

圖15 交叉眼天線隨機幅度差、隨機相位差時差路信號矢量旋轉(zhuǎn)90°后與和路信號矢量夾角Fig.15 Angle between sum-difference signal vectors when the difference signal vector is rotated 90° and when the Cross-Eye jamming antenna amplitude difference and phase difference are random

對彈目距離2 km 和1 km 的情況進行仿真。此時單脈沖雷達兩個接收天線與目標(biāo)點連線的夾角分別為0.057°、0.011 5°，單脈沖雷達2 個接收天線在理想交叉眼干擾方向圖的-0.002 9°、0.002 9°和-0.005 7°、0.005 7°位置。同樣假設(shè)交叉眼干擾兩個天線的幅度差在0.1～0.5 dB 范圍內(nèi)隨機分布，相位誤差在1°～5°范圍內(nèi)隨機分布，干噪比40 dB，進行100 仿真試驗，仿真結(jié)果如圖16 所示。

圖16 不同距離的交叉眼干擾差路信號矢量旋轉(zhuǎn)90°后與和路信號矢量夾角Fig.16 Angle between sum-difference signal vectors about different distances when the difference signal vector is rotated 90°

從圖16 中可以看出，彈目距離2 km 和1 km 時兩個矢量夾角大小相當(dāng)，兩個矢量的夾角分布在10°～80°范圍內(nèi)，且大部分都在20°以上。

同樣設(shè)定兩個矢量的夾角大于25°時，則判定為交叉眼干擾；當(dāng)兩個矢量夾角小于20°時，判定為目標(biāo)。進行1 000 次的仿真并統(tǒng)計仿真結(jié)果，對于兩點源交叉眼干擾正確判別的概率達到87.4%，交叉眼干擾誤判為目標(biāo)的概率為4.3%。

3）多源交叉眼干擾的和差信號矢量情況。

文獻［29-31］對多源交叉眼干擾進行了建模分析，得出多源交叉眼干擾有更好的信號波前畸變效果，對干擾天線的幅度、相位誤差容限更大，已成為交叉眼干擾的新熱點。下面以4 源線陣交叉眼干擾為例進行仿真。

假設(shè)4 個交叉眼干擾的天線間距為3.5 m，即4 個天線之間最大間距為10.5 m，這復(fù)合一般戰(zhàn)斗機的翼展尺寸。交叉眼干擾載機與單脈沖雷達距離3 km，單脈沖雷達接收天線S1、S2 間距0.2 m，單脈沖雷達和干擾機工作在X 波段。

假設(shè)多源交叉眼干擾天線的幅度差在0.1～0.5 dB 范圍內(nèi)隨機分布，相位誤差在1°～5°范圍內(nèi)隨機分布，干噪比40 dB，進行100 仿真試驗，仿真得到的差路信號矢量旋轉(zhuǎn)90°后與和路信號矢量的夾角情況如圖17 所示。從圖17 中可以看出兩個矢量的夾角分布在25°～55°范圍內(nèi)。仍以兩個矢量夾角大于25°時判定為交叉眼干擾，小于20°時判定為目標(biāo)。統(tǒng)計1 000 次仿真情況，得到對4 源線陣交叉眼干擾正確判別的概率達到90.9%，交叉眼干擾誤判為目標(biāo)的概率為0.9%。

圖17 4 點源交叉眼干擾存在隨機幅相誤差時差路信號矢量旋轉(zhuǎn)90°后與和路信號矢量夾角Fig.17 Angle between sum-difference signal vectors about 4 point Cross-Eye jamming when the difference signal vector is rotated 90° and antenna has amplitude and phase error

通過以上仿真分析可以看出，對于目標(biāo)回波信號，可以在大概率上正確判定為目標(biāo)回波信號，只有很小的概率會將目標(biāo)信號誤判為交叉眼干擾；對于兩電源或4 電源交叉眼干擾信號，可以大概率正確判定為干擾信號，只有極少概率會誤判為目標(biāo)回波信號。

5 結(jié)束語

交叉眼干擾是兩點源相參干擾或多點源相參干擾，其本質(zhì)是使合成的雷達信號波前扭曲達到角度欺騙干擾的效果。由于工程中難以實現(xiàn)理想的交叉眼干擾信號，將導(dǎo)致單脈沖雷達接收天線中獲取的干擾信號幅度失衡，相位達不到正好180°翻轉(zhuǎn)，最終導(dǎo)致在單脈沖雷達接收的差路信號矢量旋轉(zhuǎn)90°后與和路信號矢量夾角變大。本文提出的基于單脈沖和差信號矢量的交叉眼干擾辨別方法，就是利用了這一特點。通過仿真分析驗證了該方法對辨識兩點源及多點源交叉眼干擾的有效性。該方法不僅適用于兩點源、多點源相參角度欺騙干擾，對于末端目標(biāo)多散射點引起的角閃爍信號也有一定的適用性。