一种针对旁瓣消隐雷达的假目标干扰方法

李一立，陶建锋，李兴成

(空军工程大学 防空反导学院, 西安 710051)

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一种针对旁瓣消隐雷达的假目标干扰方法

李一立，陶建锋，李兴成

(空军工程大学 防空反导学院, 西安 710051)

旁瓣消隐技术是现代防空雷达中常用的一种空域抗干扰措施，其对脉冲式欺骗干扰的抑制尤为明显。为了最终形成航迹欺骗干扰，文中在研究旁瓣消隐系统的工作原理基础上，采用交叉极化干扰突破旁瓣消隐系统来形成假目标，利用旁瓣消隐雷达假目标检测概率作为评价指标来分析干扰效果，还分析了极化正交性及干扰功率对干扰效果的影响，最后通过仿真验证了这一方法的有效性。

交叉极化干扰；旁瓣消隐；极化正交性；干噪比

0 引 言

目前，随着相参体制、脉冲压缩等技术在雷达系统中的应用，非相参的压制干扰效率低，干扰效果差的特点日益突出，且干扰机自身容易暴露，迫使干扰方从压制干扰向精准干扰转型[1]。航迹欺骗[2]干扰是精准电子战的一个发展方向，其在获得雷达部分先验知识基础上，干扰机向被干扰雷达发射经过精确调制的相参干扰信号，形成假目标点迹，最终在雷达显示器上形成预定的假目标航迹。这种干扰提高了干扰能量利用率，实现了有针对性的精准干扰。

航迹欺骗干扰有主瓣欺骗和旁瓣欺骗两种方式，由于现代雷达具有波束灵活多变的特点，不能保证干扰总是从主瓣进入，很多情况下仍需进行旁瓣干扰。为了从旁瓣实施航迹欺骗，首先要解决如何使干扰脉冲突破雷达空域抗干扰措施，进入雷达数据处理环节。常用的空域抗干扰措施主要有：旁瓣对消(SLC)、旁瓣消隐(SLB)、低旁瓣天线(LSL)等措施，其中SLB技术对航迹欺骗这种脉冲式干扰影响最大[3]。目前，对如何精准地干扰旁瓣消隐系统，形成虚假目标鲜有研究。本文研究将如何通过交叉极化干扰实现对旁瓣消隐雷达的假目标干扰。

1 SLB系统

1.1 SLB系统组成及工作原理

SLB技术模型[4]如图1所示，采用主通道和辅助通道的两通道系统，两个通道都由收发天线、接收机、平方律检波器组成，其主通道输出为U，辅助通道输出为V。其中，主天线是定向天线，主瓣窄而旁瓣较宽，而辅助天线采用的是全向天线，其增益Ga要远低于主天线的主瓣增益G，而大于主天线的旁瓣增益Gs。为了讨论方便，将辅助天线增益Ga与主天线旁瓣增益Gs的比值定义为β=Ga/Gs。

图1 旁瓣消隐系统模型

雷达工作时，主通道的输出信号U、辅助通道输出V送入比较器，比较器输出与消隐门限值F进行比较，当V/U>F时，系统判定有干扰从雷达旁瓣进入，此时消隐逻辑将产生消隐脉冲控制选通电路封闭主通道输出，副瓣干扰被消隐掉。当V/U>F时，主通道输出通过选通电路，进入信号处理环节。通过消隐逻辑的主通道信号再与测门限值Y比较，如果信号大于检测门限值Y，主通道输出将被确认为目标回波并送入数据处理环节。

1.2 SLB假目标检测概率

SLB系统工作效能主要是根据其检测概率、消隐概率等概率值来评价的，根据本文所研究的对象，用欺骗干扰条件下旁瓣消隐雷达发现概率，即用假目标发现概率来分析干扰效果。

设主辅通道中旁瓣干扰信号幅度为S、R，通过平方律检波器后都是由信号和加性高斯白噪声组成，主通道输出信号U为窄带高斯噪声加信号的包络，其概率密度函数为

(1)

式中：I0(x)为零阶修正贝塞尔函数。

同理，辅助通道V也是窄带高斯噪声加信号的包络，其概率密度函数为

(2)

从式(1)、式(2)可以看出，接收的是干扰信号时，S2/2σ2、R2/2σ2则分别是主辅通道中的干噪比。S、R实际上是同一干扰信号被主、辅天线分别调制的结果，在信号形式上是相同的，只是信号幅度不同而已，假设干扰信号为J，那么分别有

(3)

式中：Gs(θ)，Ga(θ)分别表示主天线和辅助天线在干扰入射角度上的旁瓣增益。将β=Ga/Gs带入式(3)得

R2=β2*S2

(4)

将式(4)带入式(2)得

(5)

检测概率P可由u、v的联合概率密度表示，假设u、v是相互独立的，那么P可以表示为

p=∫R∫pm(u)pa(v)dudv

(6)

我们所关心的SLB系统假目标检测概率PSD就是对式(6)在积分过程中选取不同的积分上下限(下标S代表在SLB系统条件下)。即PSD表达式为

(7)

将MarcumQ函数引入概率计算，MarcumQ函数的定义为

(8)

将式(7)变形为

(9)

将式(8)带入式(9)可得

(10)

式(10)就是单个脉冲情况下SLB系统的假目标发现概率表达式。

2 交叉极化干扰假目标形成方法

SLB主天线的主极化和交叉极化方向图分别为Mz(θ)、Cz(θ)，辅助天线主极化与交叉极化方向图分别为MF(θ)、CF(θ)。典型情况下，主天线要求主极化方向图的主瓣波束窄且旁瓣波束低，这就导致在窄波束的瞄准线上显示出一个很深的交叉极化谷点。在旁瓣区，交叉极化响应的抑制并没有旁瓣主极化响应那么大，而辅助天线几乎在整个角度覆盖范围都能明显地抑制交叉极化响应。正是基于这种变化，破坏了SLB系统的工作基础，使利用交叉极化干扰SLB雷达成为了可能。典型的SLB主辅天线共极化方向图和交叉极化方向图，如图2所示[5]。

图2 主辅天线增益图

根据电磁波理论可知，电磁波主辅接收天线上感应的开路电压可表示为

V=Eih

(11)

式中:Ei为接收回波的电场矢量;h为天线在该方向上的有效高度矢量。这里把h分解为主极化和交叉极化两个正交分量，记为

h=[M(θ)C(θ)]T

(12)

相应地，接收回波的电场矢量中也存在主极化和交叉极化两个部分，在本文探讨的情况下，假设雷达天线的接收信号都是干扰信号，其中共极化干扰信号是因为干扰信号极化与雷达信号极化方式不能严格正交引起的，则接收回波的电场矢量可表示为

(13)

式中：ε为干扰极化与主极化的极化倾角夹角，两部分信号除了极化方式及信号功率不同之外，其他调制参数完全相同。

旁瓣消隐器中主辅通道的平方律检波器的输出分别为

(14)

比较器的输出为

(15)

由前面的分析可知，对于共极化的干扰信号，式(15)退化为

(16)

当共极化干扰信号从主天线旁瓣进入时，MF(θ)>Mz(θ)，导致比较器的结果V(t)/U(t)大于检测门限值F，以及导致旁瓣干扰信号被消隐，无法实现干扰目的。

对于交叉极化干扰信号，式(15)退化为

(17)

当交叉极化干扰信号从主天线旁瓣进入时，CF(θ)

对干扰方来说，存在两方面问题：(1)需要提高干扰功率，以克服雷达天线对交叉极化干扰的抑制，对于典型的抛物面天线，干扰机至少要增加20 dB的干扰功率，有时为了保证干扰效果，甚至需要增加30 dB～40 dB[6]。(2)干扰信号未与雷达信号极化方式严格正交会产生一部分共极化干扰信号，虽然回波中的主要分量是交叉极化的干扰，但由于雷达的主辅天线的交叉极化增益小，而共极化增益大，即使干扰信号中有较小的共极化分量也会对干扰效果带来较大的影响。

3 交叉极化干扰信号调制

为了最终实现航迹欺骗，需要对干扰信号和干扰时机进行精确设计，目前对欺骗干扰信号的调制主要通过数字射频存储等技术形成，这些技术已经相当成熟，在此仅作简要介绍。这里的调制主要分为四个方面 ：(1)交叉极化调制；(2)假目标距离调制；(3)假目标速度调制；(4)假目标角度调制。

假设雷达发射线性调频信号，其信号可表示为

(18)

式中：A表示信号幅度；g(t)为矩形函数；f0表示信号载频；μ是线性调频斜率。

利用射频存储技术，对雷达信号接收并调制。其信号形式为

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

(19)

式中：k为干扰与信号的幅度之比；Δt表示干扰信号相对于回波信号的时间延迟，是干扰方对所接收的雷达信号距离调制的结果，Δt所对应的假目标距离是RF=cΔt/2；fd是干扰信号相对于回波信号的多普勒频移，是干扰方对所接收的雷达信号速度调制的结果，对应假目标的径向速度为vr=fdλ/2。对雷达实施方位欺骗实质上是从雷达旁瓣注入干扰，确定主瓣波束的角度延迟量为Δθ，则干扰机对应的转发时延为T=Δθ/W(W是被干扰雷达天线转速，通过电子侦察获得)。

干扰机对截获的雷达信号按照上述方法进行调制后，就能够在雷达显示器上获得所设定距离、速度、方位的假目标，最后将干扰信号按照交叉极化的方式调制并向雷达旁瓣发射，就完成了对SLB雷达的交叉极化干扰。

4 干扰效果分析

1)雷达参数设置：基于第2节的分析，按照典型的交叉极化方向图进行仿真，如图3所示。雷达采用恒虚警检测,信号参数为：脉宽τ=100μs，带宽B=2 MHz，μ=0.02 MHz/μs，载波中心频率f0=0 MHz。

2)干扰参数设置：基于第3节的分析，在仿真中，假目标距离设置为75km，假目标径向速度设置为300 m/s，方位延迟为15°。

仿真1：对SLB雷达实施共极化欺骗干扰，雷达接收机输入端干噪比为10 dB，经雷达脉压处理但未经SLB处理后的波形如图3a)所示，图3b)是经过SLB处理后的波形。可以看出，干扰信号获得了雷达的压缩增益，在脉冲压缩输出端有较高的干噪比，由于SLB系统的存在而被消隐，因此无法进入雷达的信号处理环节，不能实现干扰目的。

图3 SLB对共极化干扰信号处理结果

仿真2：对SLB雷达实施交叉极化欺骗干扰，雷达接收机输入端干噪比为10 dB，经雷达脉压处理但未经SLB处理的波形如图4a)所示，图4b)是经过SLB处理后的波形。假目标干扰信号从主天线旁瓣进入，受到一定程度抑制，但由于干扰信号与雷达信号相参，可获得雷达部分脉冲压缩增益，只要干扰功率达到雷达最小可检测功率，干扰信号就能够通过SLB系统进入雷达的信号处理环节，并在预定的位置上形成了虚假目标，实现干扰目的。从这个仿真中也可以看出，在相同输入干噪比的情况下，交叉极化干扰信号功率比共极化信号小得多，这与上文的分析是一致的。

图4 SLB对交叉极化干扰信号处理结果

仿真3：根据式(13)及上文分析，干扰功率及干扰信号正交性对交叉极化干扰有效性会产生影响。通过蒙特卡洛仿真研究二者对交叉极化干扰的影响，每个干噪比条件下仿真1000次，图5为仿真结果。

图5 极化隔离度对干扰效果的影响

由图5可以看出，对SLB实施共极化干扰时，随着干噪比的增大，干扰信号始终无法突破SLB系统，也就无法形成假目标，干扰无效。另外三条曲线分别对应着极化倾角为90°、85°、60°，当极化倾角为90°时，为了克服天线对交叉极化的抑制，干扰机需要多付出20 dB左右的干扰功率，这与理论分析是一致的，在干噪比达到一定值时，交叉极化干扰能够很好地实现干扰目的，这验证了交叉极化干扰方法的有效性。干扰信号不能严格正交时，干扰机需要付出更高的干扰功率。当极化倾角于严格正交相差5°时，干扰机需要再增加20 dB左右的干扰功率，这是由两个因素导致的，一是没有严格正交造成干扰功率的损失，二是天线对交叉极化信号的抑制造成的，这符合上文的理论分析。当极化倾角恶化到60°时，交叉极化干扰无法很好地实现干扰。随着硬件性能的提升，现代干扰机能够保证极化倾角保持在±5°之内，可以满足干扰需求。

5 结束语

通过分析，交叉极化干扰信号能够突破SLB系统，进入雷达的信号处理环节，在预定距离、速度、方位上形成假目标点迹，实现了对SLB雷达的假目标欺骗式干扰，对最终完成航迹欺骗具有重要的应用价值，是一种可行的干扰方式。但交叉极化干扰为了克服雷达对交叉极化的抑制及自身正交性不足的影响，需要增加较大的干扰功率，同时需要被干扰雷达更多的先验知识，这给实现交叉极化干扰带来了一定的困难，是以后研究的重点。

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李一立 男，1991年生，硕士研究生，研究方向为电子对抗。

陶建锋 男，1964年生，教授，研究方向为雷达系统建模。

李兴成 男，副教授，研究方向为电子对抗。

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