基于电磁场矢量合成的交叉眼干扰效果评估

熊　波，曾　鑫，卫永平

(1.海军航空工程学院，山东 烟台 264001；2.海军司令部，北京 100036；3.淮海工业集团有限公司，山西 长治 046012)



基于电磁场矢量合成的交叉眼干扰效果评估

熊波1，曾鑫2，卫永平3

(1.海军航空工程学院，山东 烟台 264001；2.海军司令部，北京 100036；3.淮海工业集团有限公司，山西 长治 046012)

摘要:针对传统分析方法无法计算干扰信号功率的问题，提出了基于电磁场矢量合成的交叉眼干扰效果评估方法。该方法从本质上揭示了电磁场等相位面产生畸变的原因，得到了欺骗干扰信号角度及合成功率大小。仿真验证表明，畸变角越大、合成功率越小，与理论分析完全吻合。

关键词:交叉眼干扰；相干干扰；电磁场畸变；电磁场仿真

0引言

单脉冲雷达在理论上通过一次脉冲发射即可确定目标方位，对回答式角度欺骗具有较强的抗干扰能力。但是随着电子对抗技术的发展，出现了多种针对单脉冲雷达的干扰技术。对单脉冲雷达的角欺骗干扰可分为交叉极化干扰、非相干干扰和相干干扰[1-2]。相干干扰的一种具体实施方式就是“交叉眼干扰”，这种干扰方式不需要在舷外实施干扰即可产生虚假目标，比起拖曳式诱饵等舷外干扰方式来说，战术实施更容易。但交叉眼干扰机对器件要求非常苛刻，能否真正在装备上实现具有很大的争议[3]。意大利电子公司在电子对抗技术的研究方面处于国际领先地位，该公司长期以来一直在进行交叉眼干扰机的研制工作。最新资料显示，该公司进行了一系列试验，证明“交叉眼”干扰技术是一种鲁棒的、可靠的技术，可以有效地对单脉冲雷达进行角度欺骗[3-5]。可以预见，随着技术的发展成熟，交叉眼干扰很可能成为单脉冲雷达导引头的最大威胁。因此非常有必要对这种干扰方式进行深入研究。

目前国内的研究大部分是从单脉冲雷达的响应出发对“交叉眼”干扰的效果进行分析，认为当两路相干信号相位相差180°，功率比接近1时，欺骗干扰效果最好，会产生接近180°的角度偏差[6-9]。事实上，“交叉眼”干扰的实质是空间电磁场的等相位面产生了畸变，与雷达具体工作体制无关，因此仅从单脉冲雷达的响应进行分析具有局限性。其次，这种分析方法只计算了角度偏差的大小，并没有对合成的干扰功率大小进行计算，得到的结论是角度偏差越大欺骗干扰效果越好。在实战条件下，真实目标回波信号与干扰信号处于竞争关系，必须考虑干扰信号的功率大小。针对上述问题，本文采用电磁场矢量合成的方法对“交叉眼”干扰进行了详细的分析，从本质上揭示了电磁场等相位面产生畸变的原因，并推导了欺骗干扰信号的角度及合成功率大小。

1交叉眼干扰对单脉冲雷达的干扰机理

目前大部分文献是从单脉冲雷达的角度来对交叉眼干扰进行分析的，如图1所示。

图1　对单脉冲雷达的交叉眼干扰示意图Fig.1　Schematic diagram of cross-eye jamming to mono-pulse radar

当天线中轴对准0°时，设其方向图函数为F(θ)。天线1的中轴在-θ0，其方向图函数为：F(θ0+θ)；同理，天线2的方向图函数为：F(θ-θ0)=F(θ0-θ)。

干扰信号J1幅度为A1，对应的入射角度为：

(1)

干扰信号J2幅度为A2，对应的入射角度为：

(2)

设干扰信号J2相对J1有φ的相位延迟。天线1中的响应输出为：

E1=[A1F(θ0+θ1)+A2F(θ0+θ2)ejφ]ejωt

(3)

天线2中的响应输出为：

E1=[A1F(θ0-θ1)+A2F(θ0-θ2)ejφ]ejωt

(4)

计算得到接收机输出误差信号为[1]：

(5)

其中，Kd为常数；F(θ0)为天线方向图函数。

由(5)式等于0，得到跟踪天线指向角为：

(6)

当φ=π，k→1时，跟踪角度θ→。

可见，交叉眼干扰要取得好的干扰效果，需要两路干扰信号幅度比趋近1，相位角相差π。

2交叉眼干扰的电磁场分析

假设两个电磁场极化相同，即E1、E2方向相同；两个电磁场幅度比为E1∶E2=k∶1，相位分别为φ、0；功率密度分别为P1、P2，它们的入射方向之间夹角为Δθ，如图2所示。

图2　电磁场的空间合成Fig.2　Space synthesis of electromagnetic field

显然H1、H2之间夹角同样为Δθ。

在空间某一点(不妨假设为O点)，两个电磁场的幅度比值为k：

E1=kejφE2

(7)

H1=kejφH2

(8)

合成电磁场功率密度为：

(9)

合成电磁场矢量P沿OA方向，假设合成矢量与P2的夹角为β，由式(7)—式(9)推导得：

(10)

通常情况下Δθ较小，取sin(Δθ)=Δθ，cos(Δθ)=1，则式(10)化为：

(11)

可近似取：

(12)

则合成矢量P与P1、P2中心线的夹角为：

(13)

与式(6)的分析结果完全一致，可见不管从单脉冲雷达的响应还是从电磁场矢量合成来进行分析，欺骗角度的大小都是完全一样的。

当φ=π时，根据式(9)可得合成功率大小为：

P=

(14)

根据式(12)、式(14)，当两路相干信号的相位差φ→π，幅度比值k→1时，欺骗角度β→π/2，合成功率P→0。因此，实际运用“交叉眼干扰”方式时，不能一味追求欺骗角度越大越好，必须考虑到干扰功率的大小，做到二者兼顾。

3计算机仿真

两个均匀平面波，频率均为1GHz，幅度比为1∶1.1，入射角分别为0°、1°，相位相差180°，仿真近场区范围为x：0～1m，y：-20～20m，仿真步长0.1m。

采用AnsoftHFSS进行电磁场仿真，得到在x=0的位置观察电场相位随y轴变化如图3所示。

畸变区局部放大如下图4所示。

图3　沿y轴相位变化Fig.3　Phase change along the y axis

图4　畸变区相位沿y轴变化曲线Fig.4　Curves of phase change along the y axis in aberrance zone

从图4计算得到畸变区域等相位面与y轴夹角为θ1=10.67°，非畸变区域等相位面与y轴夹角为θ2=0.52°。

可见，非畸变区的传播方向与y轴夹角为0.52°，非畸变区域的电磁场传播方向沿两个向量的合成矢量方向。畸变区的传播方向与y轴夹角为10.67°，两者之间的夹角即为偏离角10.15°。

根据前面理论分析的结果，畸变角大小为：

(15)

理论计算的偏离角的应为10.5°，仿真得到的偏离角为10.15°，两者吻合得非常好。产生误差的原因一是由于理论计算本身采用了近似；二是与仿真时畸变区的选取有关，畸变区选得越小，畸变角就越大，就越接近理论值。另外，从仿真结果也可以看出，畸变角越大的区域，对应的合成电磁场功率越小。

4结论

本文提出了基于电磁场矢量合成的交叉眼干扰效果评估方法，该方法从本质上揭示了交叉眼干扰的角度欺骗是由于电磁场等相位面畸变造成的，与具体的跟踪雷达体制无关，并通过理论计算得出合成电磁场“畸变角越大、合成功率越小”的结论。通过计算机仿真进行了验证，结果表明采用电磁场矢量合成进行分析的方法是完全正确的。因此“交叉眼”干扰在具体实施时，并不是畸变角越大越好，而应该综合考虑到合成功率的大小。交叉眼干扰的实施条件非常苛刻，还有很多问题有待于进一步研究，如畸变区的大小对干扰效果的影响、目标真实回波信号与干扰信号的竞争结果等。

参考文献:

[1]赵国庆.雷达对抗原理[M].西安:电子科技大学出版社,2012:166-170.

[2]郭锋.角度欺骗干扰技术分析[J].舰船电子对抗，2005,28(5):7-10.

[3]王燕.交叉眼干扰技术[J].国际电子战,2013(4):30-33.

[4]朱松.欧洲电子战技术新发展[J].国际电子战,2002(1):6-8.

[5]王燕.新型干扰机欲取代拖曳式诱饵[J]. 国际电子战,2001(7):22-23.

[6]候民胜,许明辉.单脉冲雷达角跟踪系统相干干扰的计算机仿真[J].雷达与对抗,2003(4):5-8.

[7]李相平,赵腊,胡磊.相干两点源对反舰导弹导引头的干扰研究[J].制导与引信,2008,29(3):48-52.

[8]张友兵,李仙茂,饶德虎.对相位和差单脉冲雷达的两点有源相干干扰[J].航天电子对抗,2010,26(1):49-52.

[9]耿艳,白渭雄,苗松娟.两点源对单脉冲雷达角度欺骗干扰的仿真与分析[J].火力与指挥控制,2010,35(7):151-153.

*收稿日期:2015-10-22

作者简介:熊波(1975—),男，四川成都人，博士，副教授，研究方向：信号处理，无线电信号侦察识别。E-mail:flybird_30@sohu.com。

中图分类号:TJ43

文献标志码:A

文章编号：1008-1194(2016)03-0032-03

Cross-eye Jamming Effect Evaluation Based on Electromagnetic Field Vector Synthesis

XIONG Bo1, ZENG Xin2, WEI Yongping3

(1.Naval Aeronautical And Astronautical University , Yantai 264001, China;2. Naval Command, Beijing 100036, China;3. Huaihai Industrial Group Limited Company , Changzhi 046012, China)

Abstract:Aiming at the problem that the traditional analysis method can’t calculate jamming signal power, an method of electromagnetic field vector synthesis for jamming effect evaluation for cross-eye jamming was proposed. The method revealed why the equal phase surface of the electromagnetic field become aberrant. And it also obtained aberrance angle and compositive signal power of the deception jamming signal. Computer simulation showed that, the bigger the the cross-eye jamming signal aberrance was, the smaller is the compositive signal power. It was completely consistent with theoretical analysis.

Key words:cross-eye jamming; coherent dual-source jamming; electromagnetic field aberrance; electromagnetic field computer simulation