一种双极化单脉冲被动雷达实现方案

宋立众 乔晓林

（哈尔滨工业大学（威海），山东 威海 264209）

引 言

反辐射导弹是一种重要的反雷达技术，在现代战争中发挥着极为关键的作用，因此它已成为各国竞相研制的主要作战武器之一。目前比较常用的反辐射导弹有美国的“哈姆”、“默虹”和先进反辐射制导导弹（AARGM）、英国的“阿拉姆”、法国的“阿玛特”以及俄罗斯的 AS－12等［1－5］。被动雷达导引头是反辐射导弹的关键技术之一，它具有隐蔽性好、抗干扰能力强等优点，因此在现代战争中备受青睐［6］。现代战争要求被动雷达导引头具有宽频带、高灵敏度、高分辨率、高精度和优良的抗干扰性能，研制新一代的被动雷达导引头在军事上具有重要意义。被动雷达导引头采用宽带天线系统被动接收敌方辐射源的电磁辐射信号，通过对这些信号的截获、分选、识别和测角跟踪，引导反辐射导弹摧毁敌方的辐射源目标。传统被动雷达导引头一般采用单脉冲的测角方法［7－9］，利用宽带单脉冲天线阵列获取辐射源的方位和俯仰二维方向信息，该方法具有单脉冲雷达测角精度高和抗干扰能力强的优点。传统被动雷达导引头的天线系统多采用圆极化超宽带天线［10］，例如平面或圆锥等角螺旋天线、平面阿基米德螺旋天线等，这些天线均具有圆极化和宽波束性能，众多学者对这些天线开展了深入的研究［11－14］。与此同时，电磁波极化信息的利用已成为目前研究的热点，新体制极化雷达系统在电子战等领域具有明显的优越性和巨大的发展潜力。全极化矢量雷达导引头可以感知辐射源空间电磁辐射信号的幅度、相位、到达角和极化特征的完整信息，将会带来导引头系统整体性能的提高，因此，它成为被动雷达导引头的发展趋势之一。基于此，本文提出了一种双极化单脉冲被动雷达导引头实现方案，以期提高传统被动雷达导引头的目标检测、识别和抗干扰性能。在新体制双极化被动雷达导引头设计中，关键技术是宽带双极化单脉冲天线系统的研制，因此，本文设计了一种宽带双极化Vivaldi天线，并由其组成四单元单脉冲阵列，为该导引头方案的可实现性提供了技术支撑。Vivaldi天线广泛应用于雷达和无线通信系统中［15－16］，其特点是结构紧凑、低剖面、工作频带宽、方向图为端射等，因此，本文以Vivaldi天线设计理论为基础，研制了一种双极化的宽带天线，该天线两个极化端口的方向图的主波束都在视线方向，同时也实现了较好的极化端口隔离度和极化纯度。文中给出了基于双极化Vivaldi天线单元的单脉冲天线系统的实验测试结果，该天线系统在宽带范围内形成了和波束与差波束，也获得了较好的交叉极化电平和波束性能指标，因此，本文中给出的天线系统是一种有效的宽带双极化单脉冲天线实现方案，适用于在双极化被动雷达导引头中应用。

1 双极化单脉冲雷达导引头系统结构与原理

传统的被动雷达导引头采用单脉冲测角技术，其天线系统为圆极化宽带单脉冲天线。在单脉冲雷达中，常用的测角方法包括比幅式、比相式、振幅和差式和相位和差式等，其中和差方向图的形成以及角误差信号的提取可以采用模拟电路的形式实现，也可以采用数字方法实现。随着微波技术和数字电路技术的发展，数字雷达技术获得越来越多的应用。本文提出一种双极化数字单脉冲雷达导引头系统，该系统引入宽带双极化单脉冲天线，采用多路宽带微波接收机，在信号处理机内采用数字方法形成和差波束以及角误差信号提取，同时还要完成目标信号的截获、分选与识别，该双极化被动雷达导引头系统实现方案如图1所示。

图1 一种双极化单脉冲被动雷达导引头实现方案

本文提出的双极化单脉冲天线配置方案如图2所示，该天线系统由四个相同的双极化天线单元组成，每个天线具有垂直极化和水平极化两个端口，分别用V和H表示，用来感知空间电磁波的极化信息，天线单元之间的距离均为d.图2中的坐标系为右手笛卡尔坐标系，同时可定义相应的标准球坐标系，其坐标定义为（r，θ，φ）.根据图2中的天线配置，可知垂直和水平极化的和差波束分别为

式中：SAH、SBH、SCH和SDH分别为四个天线单元的水平极化接收信号分量；SAV、SBV、SCV和SDV分别为四个天线单元的垂直极化接收信号分量；ΣH和ΣV分别为和波束的水平和垂直极化分量；ΔaH和ΔaV分别为方位差波束的水平和垂直极化分量；ΔeH和ΔeV分别为俯仰差波束的水平和垂直极化分量。于是，理想天线单元条件下，垂直和水平极化的角误差函数形式相同；例如水平极化的方位和俯仰角误差信号可分别表示为

由式（7）和（8）可解算出目标的空间角度。

图2 一种双极化单脉冲天线配置方案

2 双极化单脉冲导引头信号处理方案

根据上面的被动雷达导引头设计方案，8路信号变成视频信号后进入信号处理机，在信号处理机内完成信号的检测、信号分选、辐射源识别、空间角度测量，最后给出角误差信号，引导导弹跟踪辐射源目标。在具体工作过程中，被动雷达导引头首先采用瞬时测频技术测得信号的工作频率，然后进行图3所示的信号处理过程。雷达利用和波束信号进行目标信号的检测，在此基于双极化的雷达体制，引入极化匹配检测技术，有效获得信号的能量，提高检测概率。信号截获完成后，对含有信号的脉冲进行信号的分选与识别，对识别后的辐射源进行测角和跟踪。在信号分选与识别过程中，可采用极化识别技术，在信号的脉冲描述字中引入极化和状态信息，在原有的幅度、频率、脉冲重复频率的基础上，进一步改善了系统信号分选与识别能力，尤为重要的是，极化识别技术可显著增强其抗干扰性能。为分析方便，考虑一个辐射源信号的情况；设该辐射源信号以（θ，φ）方向入射，且假设其载波频率fi已测量得到，于是其复包络信号表达式为

图3 双极化信号处理方案

式中：Ei（t）为幅度包络函数；φi（t）为相位包络函数；rect（t）为脉冲宽度为τ的矩形脉冲函数，其表达式为

pi（t）为入射信号的极化矢量，其表达式为

γi和ηi分别为入射信号的幅度和相位极化参数。此时，经过天线接收以及信号处理机采样后得到的和差信号和分别写为

式中：ΣHr（n）和ΣVr（n）分别为和通道的水平和垂直极化分量的采样信号；ΔaHr（n）和ΔeHr（n）分别为差通道水平极化的方位和俯仰采样信号；ΔaVr（n）和ΔeVr（n）分别为差通道垂直极化的方位和俯仰采样信号；h为与天线有关的常数，此处假设各个天线单元的垂直和水平极化通道特性相同。雷达系统采用极化匹配检测技术，则信号的瞬时幅度为

由式（18）可见极化匹配检测技术有效地获取了信号的能量信息，这可以显著增强检测性能。该采样信号的瞬时幅度和相位极化参数估值为

根据式（19）和（20）可以计算得到相应的瞬态归一化Stokes参数，它们分别为

可以将归一化Stokes矢量作为极化特征进而作为信号分选和辐射源识别的重要依据，该极化矢量为

进一步，此雷达系统中所接收到的辐射源脉冲信号可以用含有极化参数的脉冲描述字PDW来表示，其中第k个辐射源的脉冲描述字可写为

式中：TOAk为脉冲到达时间；PWk为脉冲宽度；CFk为载波频率；DOAk为脉冲到达方向；APk为脉冲幅度；为信号的Stokes极化参数。

3 宽带双极化Vivaldi单脉冲天线设计与实现

针对上述提出的双极化单脉冲雷达导引头实现方案，基于Vivaldi天线形式，设计和实现了一种宽带双极化单脉冲天线。该天线的基本设计思想是将两个相同的平面型Vivaldi天线正交放置，使得它们的主波束方向一致。两个平面型Vivaldi天线分别采用阶梯变换的微带线馈电。该Vivaldi天线由微带电路技术制成，它包含一个含有指数渐变缝隙的金属地板、微带馈电线和介质基板组成。在金属地板上还有一段与指数渐变缝隙相连接的矩形缝隙和一个圆形腔，它们分别用来实现电磁耦合馈电和阻抗匹配。具体的平面型Vivaldi天线几何结构如图4所示，制作的天线实物照片如图5所示。图4中的天线几何参数由数值计算优化获得。选择的介质基板厚度为1mm，相对介电常数为2.2，介质上的铜箔厚度为0.036mm，其他的相关几何参数为：AR＝90°，DSL＝10mm，H＝ 60mm，L＝ 60mm，LG＝4.8mm，LTA＝10m，LTC＝2.5mm，RR＝5mm，WSL＝5mm，b＝70mm.

为验证所提出方案的有效性，本文采用上面结构的四个相同的双极化Vivaldi天线组成单脉冲天线系统，单元天线之间的距离为80mm，其实物照片如图6所示。

在单脉冲阵列条件下，对天线单元的性能进行了实际测量。天线的输入驻波比（VSWR）和极化端口隔离度采用矢量网络分析仪E8362B测得；在此选择一个天线单元，给出其输入驻波比和极化端口隔离度测试结果，它们分别如图7和8所示，可以看出两个极化端口的输入驻波比具有很好的一致性，在工作频率3～7GHz范围内，平均驻波比为2；两个极化端口的隔离度在工作频率3～7GHz范围内低于－28dB，隔离特性良好。

在微波暗室中，采用天线远场测试系统对该天线阵列的辐射方向图和极化特性进行了测试。应用本文中所提出的和差方向图形成方法，对测试得到的主极化和交叉极化实验测试数据进行处理，分别合成了主极化的和差波束以及交叉极化的和差波束，在此部分，给出一个平面内的波束合成结果。本文单脉冲天线测试的频率范围是3～7GHz，发射端采用超宽带标准喇叭天线，该天线放置在极化转台上，在发射功率不变的条件下，分别发射垂直和水平极化的电磁波；待测天线放置在接收端，分别接收垂直和水平极化的电磁波，进而测得在垂直和水平极化基条件下的主极化和交叉极化分量；对单元测试的数据进行波束形成计算，获得对应的主极化和交叉极化的和差波束。水平极化端口和垂直极化端口的和差波束分别如图9和图10所示。由图9和图1 0可见，在两个极化通道上，针对3～7GHz的宽带频率范围，均较好地形成了和差方向图，而且两个极化通道的方向图表现出较好的一致性；两个极化通道的波束宽度随着频率的升高呈现出变窄的趋势；对于水平极化通道，在主波束方向上，频率为3 GHz、5GHz和7GHz时的交叉极化电平分别约为－28.19dB、－22.72dB和－18.17dB，而对于垂直极化通道，在主波束方向上这三个频点的交叉极化电平分别约为－28.84dB、－20.54dB和－18.16dB，表现出较好的极化纯度；对于水平极化通道，频率为3 GHz、5GHz和7GHz时的零点深度分别约为－24.6dB、－35.9dB和－29.3dB，而对于垂直极化通道，这三个频点的零点深度分别约为－37.2dB、－28.5dB和－29.7dB，可见差波束也形成了；通过和差波束的关系，可以实现空间角度的测量。进一步，该天线的性能指标还可以通过改进加工精度等方法得以进一步提高。根据上述的实验结果可知，该天线设计方案是可行的，它为新体制宽带被动雷达导引头单脉冲天线系统的研制提供了一条有效的技术途径。

4 结 论

研制新一代被动雷达导引头在军事上具有重要的意义。本文提出了一种宽带双极化单脉冲被动雷达导引头的实现方案，该方案以四单元双极化Vivaldi天线构成双平面单脉冲天线系统，可以在宽带条件下感知辐射源的极化和方向信息。研究了具体的雷达系统原理与实现方案，基于该雷达导引头体制，提出了极化匹配检测方法与瞬态极化识别干扰抑制技术，有效提高了雷达导引头的电子战性能。文中还设计了具体的双极化Vivaldi单脉冲天线系统，测试结果满足设计要求，进一步证明了所提方案的可行性。本文提出的全极化被动雷达导引头的概念为研制新一代的被动雷达提供了一条有效途径，在工程上具有较为重要的实际意义。

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