交叉极化角度欺骗性能分析

杨春宇,姜红军

(南京电子技术研究所, 南京, 210039)

0　引　言

防空导弹武器系统要完成对空中作战飞机或导弹武器的跟踪测量打击，其雷达导引头是其核心部分之一，因为它在拦截过程中必须实现对空中目标的精密跟踪测量，为弹上飞行控制系统提供目标指示信息。而距离测量和角度测量，则是雷达跟踪目标必须具备的主要功能[1]。目前，对导弹导引头距离测量的干扰方法较多且较成熟[2]，如DRFM产生的多假目标干扰等[3]。而对导弹导引头角度测量的欺骗，目前较为成熟的理论则是相干两点源干扰，但工程实现中受到很多制约，实现难度大。本文阐述的交叉极化干扰不存在空间实现条件的制约，易于工程实现，对单脉冲测角雷达是一种实现简易的角度欺骗干扰方法。

1　单脉冲测角原理

防空导弹武器系统实现对高速目标的精密跟踪测角，甚至对多个目标进行跟踪测角，普遍使用的是单脉冲测角，即凭单个回波脉冲信息来测量目标所在的角度位置。在相控阵雷达中，采用的单脉冲测角有和差波束幅度比较、相位和差单脉冲测角等方法，本节主要针对相位和差单脉冲测角的原理做说明[4]。

相位和差单脉冲测角方法在相控阵雷达中被广泛应用，其测角原理如图1所示。两个子阵形成的接收波束指向和形状相同，即具有相同方向图，两波束的相位中心间距为d，两天线阵接收信号为SL和SR，经过移相比较器形成和波束SΣ和差波束SΔ。

当不考虑线阵交叉极化影响时，假设接收波束最大指向为轴向，目标入射角度偏离轴向θ，则两接收波束的接收信号相位差△φ为

(1)

由于左、右两波束方向图相同，即GL=GR，设入射信号为S0，则输出的和波束信号、差波束信号分别为

(2)

(3)

(a) 和、差通道形成(a) sum-difference channel formation　(b) 和、差通道信号的相位关系(b) phase relationship of sum-difference channel图1　相位和差单脉冲测角原理图Fig.1　Phase sum-difference monopulse estimation principle

由图1(b)看出，和、差通道相位相差四分之一波长。对差信号进行归一化处理得到

(4)

目标偏离轴向的角度为θ。由于θ很小，可近似认为

(5)

由上述表达式看出，目标角度偏离主波束较小时，测量角度θ与差波束归一化值具有对应关系。实现精确测角的前提是左、右两波束具有相同的方向图，即GL=GR。然而在工程制造中，由于子阵的各个单元存在交叉极化分量，很难保证各个单元交叉极化相同。并且，对同一天线，其主平面内的E面、H面的交叉极化方向图也不相同。根据测试及文献查阅，振子天线的E面交叉极化小于20 dB，H面交叉极化小于15 dB。因此，在雷达天线测试中，这部分很难通过测试得到。并且由于交叉极化分量很小，对测角影响非常微弱，交叉极化的校正也常被忽略[5]。本文研究的交叉极化干扰正是基于单元间交叉极化的差异，对相位和差波束测角的雷达进行角度欺骗。

2　交叉极化干扰分析

2.1　交叉极化干扰原理

天线实际测试中，由于交叉极化的存在会使接收信号产生幅度和相位的偏差[6]。假设天线单元的主极化方向图为M(θ)，交叉极化方向图为C(θ)，M(θ)和C(θ)包含幅度和相位信息，信号的主极化分量和交叉极化分量分别为sm和sc，则接收信号[7]可表示为

s=smM(θ)+scC(θ)

(6)

假设交叉极化信号与主极化信号的幅相关系为sc/sm=ρsejφ，天线单元交叉极化与主极化存在固定的幅相差，即C(θ)/M(θ)=ρaejα，则接收信号可表示为

s=smM(θ)(1+ρaρsejαejφ)

(7)

由式(6)、(7)的接收信号表达式看出，由于交叉极化的存在，合成信号幅度和相位均发生变化。为了比较交叉极化存在给信号带来的幅相偏差，这里假设接收信号主极化分量smM(θ)=1，即幅度为0 dB，相位为0°，当交叉极化相对相位差α+φ分别为10°、45°、90°和180°时，接收信号的幅相偏差随交叉极化幅度的变化如图2所示。可以看出当交叉极化分量相对幅度ρsρa由-20 dB逐渐增大到20 dB时，合成信号的相位发生较大变化。特别当交叉极化幅度ρsρa大于0 dB时，合成信号的相位逐渐由交叉极化相位α+φ决定。并且在交叉极化信号增大到10 dB时，合成相位几乎与交叉极化的相位相等，接收信号的幅度主要由交叉极化信号幅度决定。

由以上分析可知，当交叉极化分量幅度逐渐增大时，接收信号的合成相位和幅度都将主要由交叉极化信号的幅度和相位决定。在没有交叉极化干扰的单脉冲测角过程中，雷达匹配接收，辐射信号的交叉极化分量和天线本身的交叉极化电平相对主极化都很小，即ρsρa远小于1(一般，工程实现中可以保证交叉极化电平低于-15 dB)。接收信号的合成幅度和相位几乎不受天线的交叉极化差异影响，

只要保证左、 右

(a) 合成信号相位变化(a) phase shift of synthetic signal　　　　　(b) 合成信号幅度变化(b) amplitude shift of synthetic signal图2　交叉极化对合成信号幅度和相位的影响Fig.2　Influences on signal amplitude-phase by cross-polarization

两阵面的主极化方向图相同，即使左、右两阵面的交叉极化方向图有差异，对合成信号影响也非常微弱，可以忽略不计[8]，能够实现高精度测角。若人为的加大交叉极化干扰，使交叉极化分量幅度接近甚至大于主极化分量幅度，即ρs≥1，此时，左、右两阵面交叉极化方向图的幅度差和相位差异将使合成信号产生幅相偏差，使雷达不能正确测角，甚至造成目标丢失。

2.2　交叉极化干扰效果分析

下面详细分析交叉极化干扰对测角性能的影响。由以上分析可知，实现精确测角的前提是左、右两波束具有相同的方向图，即GL=GR。但若释放交叉极化干扰信号，使雷达阵面天线接收的交叉极化分量足够大到不能忽略时，由于天线交叉极化方向图的差异，使两个阵面的方向图不再相等，这时就会产生测角误差。假设左、右两阵面方向图的关系可以表示为

GL=ρejφGR

(8)

其中，ρ为左、右两阵面接收信号的幅度差，φ为左、右两阵面接收信号的相位差，将上式带入公式(2)(3)、(4)中，得到含误差的归一化差波束

(9)

结合测角公式(5)，在目标工作频率为10 GHz，当接收信号中的交叉极化干扰幅度比目标回波大10 dB时，此时接收信号的幅度和相位几乎由交叉极化分量决定。当左右两阵面的交叉极化方向图存在不同幅度差ρ和相位差φ情况下，比相和差波束测角方法的测角仿真得到结果如图3所示。

(a) 测量角度曲线(a) angle identification curve　　　(b) 测角误差曲线(b) angle deviation curve图3　交叉极化干扰下的测角结果Fig.3　Angle estimation under cross-polarization jamming

从图3中看出，当左、右两波束的交叉极化方向图没有幅度差，即ρ=0 dB时，相位差φ越大，测角正确的范围越小，直到φ=180°时，无法正确测角。但在没有幅度差时，测角误差始终为一固定值，雷达可以通过改变波束轴向指向进行修正。当幅度差和相位差同时存在时，即ρ=0 dB，φ=45°时，测角曲线形状发生变化，测角误差随波束指向变化。在波束的某些指向下，测量角度与实际角度的偏差符号相反，雷达修正波束指向将产生更大的测角误差。如此反复，真实目标逐渐偏离波束指向，直至拖出雷达测角半波束，造成目标丢失。

3　结束语

本文以雷达相位和差单脉冲测角为基础，针对单极化接收雷达，指出天线的交叉极化使接收信号产生幅相偏差，进而利用天线的交叉极化差异，详细推导并仿真了交叉极化干扰对单脉冲测角雷达的角度欺骗效果。然而，工程中影响阵面空域极化特性的因素很多，进而将影响交叉极化的干扰参数配置。希望本文给出的交叉极化干扰的分析方法能对后续工程实现有一定的参考意义。