基于MIMO技术的“交叉眼”干扰对抗方法

牟成虎， 郑 博， 徐 卉， 易 堃

(上海无线电设备研究所， 上海 200090)

基于MIMO技术的“交叉眼”干扰对抗方法

牟成虎， 郑 博， 徐 卉， 易 堃

(上海无线电设备研究所， 上海 200090)

分析了“交叉眼”干扰的内在机理，提出了采用MIMO雷达对抗交叉眼干扰的技术方法，经仿真分析表明，该方法能够有效对抗“交叉眼”干扰。

交叉干扰； 雷达对抗； 仿真分析

0 引言

“交叉眼”干扰是为对抗单脉冲角跟踪雷达或雷达导引头而专门设计的一种干扰技术，主要用于在飞机、舰船等武器平台上对来袭的雷达末制导导弹进行角度诱偏[1]。随着交叉眼干扰技术的不断成熟已逐步开始应用，并逐步装备在先进的战机和舰船等武器设备。这将使单脉冲雷达导引头的作战效能大幅降低。

国内外文献主要研究了“交叉眼”干扰的实现方法和效能分析[2-5]。文献[6,7]指出“交叉眼”干扰对利用和通道定向的雷达(如圆锥扫描雷达)不具有干扰作用，文献[3]指出可以利用这一点作为交叉眼干扰对抗的一种措施。但圆锥扫描法测角精度低，受目标RCS起伏影响大等难以适应现代导弹作战使用需求。本文根据交叉眼干扰的技术特点，提出了一种基于MIMO雷达技术的交叉眼干扰对抗方法，可为雷达设计师对抗交叉眼干扰提供一种有效的技术途径。

1 “交叉眼”干扰的原理

“交叉眼”干扰是利用两路交叉释放的干扰回波信号在单脉冲天线和路中叠加接近为零、在差路中叠加还存在一定信号强度。目标回波信号在和路中叠加增强，在差路中叠加后几乎为零，最后总的回波信号中和路信号主要为目标信号、差路信号主要为干扰信号，从而使单脉冲比幅测角输出的角误差数据偏离目标角位置。

“交叉眼”干扰实施方案一般是载机机翼两端交叉放置两对收发天线，以其几何中心位置呈旋转对称和轴对称，如图1所示。从导引头天线和路H点发射的信号经J1接收天线接收后由S1天线辐射回导引头天线和路H点，经J2接收天线接收后移相180°后由S2天线辐射回导引头H点。

图1 交叉眼干扰示意图

由于干扰设备两对收发天线对称布置，在空间中任意点H发射信号经“交叉眼”两路干扰设备接收辐射后回归H点的路程基本相同(图2中，H点y轴坐标为2 km，x、z轴分别取-1 km～+1 km，干扰源接收天线J1与J2间距30 m，J1与S2间距为0.2 m，仿真计算两干扰源回波总路程差小于0.040 82 mm)，由于在某路干扰路径中加入了180°移相，使“交叉眼”两路回波在H点相位相差180°，在两路干扰发射信号强度相等情况下在H点叠加后信号强度接近为零。

xH(t) =xHJ1S1H(t)+xHJ2S2H(t)

(1)

式中：xHJ1S1H(t)为从H点出发路径为H→J1→S1→H的信号；xHJ2S2H(t)为H点出发路径为H→J2→S2→H的信号；λ为雷达工作波长。

图2 交叉眼两路回波在H点的路程差

单脉冲天线中，一般进行分区收发信号，然后通过和差器叠加输出和路、差路信号。以一维两路分区单脉冲天线为例，示意图如图3所示。

图3 一维两路分区的单脉冲天线示意图

导引头发射信号从和路H点功分两路至A、B分区辐射出去，经“交叉眼”干扰接收辐射后A、B两分区接收干扰回波信号。A、B两分区接收的干扰回波信号包含4部分，即A分区的接收信号分别为由A分区发射后经干扰源由S1、S2辐射后回到A分区的信号[xHAJ1S1A(t)、xHAJ2S2A(t)]，由B分区发射后经干扰源由S1、S2辐射后回到A分区的信号[xHBJ1S1A(t)、xHBJ2S2A(t)]；同样，B分区的接收信号分别为由B分区发射后经干扰源由S1、S2辐射后回到B分区的信号，由A分区发射后经干扰源由S1、S2辐射后回到B分区的信号。

由前面分析，空间任一点H辐射信号分别经“交叉眼”干扰两路接收辐射后回波信号在H点叠加接近为零。因此，以上A、B分区接收信号可以进一步简化为

(3)

图4 A发射B接收两路干扰信号路程差

由A分区发射经“交叉眼”干扰后B分区接收的回波信号中两路交叉眼干扰信号的路程差为1.511 mm见图4(a)(仿真中A、B分区相位中心间距0.2 m，其它条件设置同图2)，图4(b)中将J1与J2距离调整为3 m，其路程差为0.151 1 mm。

由于路程存在差异，且随着距离拉大产生的相位差变大，使两路信号相位远离180°，A、B分区接收的两路干扰信号的叠加不为零。从图4(a)、图4(b)中可以看出，J1、J2距离越大，引起的A、B分区接收信号的路程差异越大，A、B分区中接收的两路干扰信号的相位与180°差异越大，在A、B分区中叠加的干扰信号幅度越大(图5，相同幅度两路信号不同相位叠加损失情况)。因此，“交叉眼”干扰的两路收发设备一般交叉安装在载机两翼尖，以获得较好的干扰效果。

图5 两路等幅信号不同相位条件下叠加功率损失情况

A、B两分区接收信号在集合H点叠加形成和路信号，在集合点D叠加形成差路信号。

(4)

式中：RHA为和路集合点H到A分区相位中心距离；RHB为和路集合点H到B分区相位中心距离；且一般有RHA=RHB；RDA为差路集合点D到A分区相位中心距离；RDB为差路集合点D到B分区相位中心距离；且一般有RDA=RDB+(2n+0.25)λ(式中n=0,1,2,…)，即等相位两路信号至集合点D时相位反相。

由于信号xHBJ1S1A(t)与信号xHAJ2S2B(t)路程基本相等、相位相差180°，其叠加结果信号强度接近零，同样信号xHBJ2S2A(t)与信号xHAJ1S1B(t)叠加后信号强度几乎为零，和路回波中干扰信号强度接近零。

x∑C(t)= [xHBJ1S1A(t)+xHBJ2S2A(t)+

(6)

差路中信号xHBJ1S1A(t)与信号xHAJ2S2B(t)具有基本相等的路程且相位相差180°，但和差器中差路集合口D至A与D至B路程差对应为180°相位，使两个180°相位相抵或叠加为360°相位，实现两路信号同相叠加，同理信号xHBJ2S2A(t)与信号xHAJ1S1B(t)在差路中同相叠加。因此,差路中保留了较强的干扰信号。

x∑C(t)={xHBJ1S1A(t)+xHBJ2S2A(t)-

(7)

在“交叉眼”干扰不作其它任何信号调制的情况下，单脉冲天线接收信号中和路为目标回波信号xΣT(t)、差路为干扰信号xΔC(t)(差路零深对准目标，目标回波几乎为零)，导致单脉冲测角输出角度数据不能真实反映目标角位置。

2 MIMO雷达工作原理

MIMO(Multiple-input Multiple-output)雷达有多个发射支路和接收支路，各发射支路之间发射的信号相互正交，因此具有更多的自由度，在空间处理和干扰对抗方面比传统和差三通道雷达具有天然优势。下面以频率正交MIMO雷达为例，简单介绍MIMO雷达工作原理。

假设MIMO雷达有M个收发分时复用通道(如图6所示)，各通道相位中心之间距离为d。各发射通道发射的信号分别为Si(t)(i=1,2,3,…,M)，各个通道发射的信号频率为fi，各通道内信号频率相差Δf(fi+1=fi+Δf,i=1,2,3,…,M)。

图6 “交叉眼”干扰下雷达输出目标角误差数据

阵列与目标距离为R，则回波延时为τ0=2R/c，其中c为光速。另外，定义τ1=dsinθ/c，其中θ为入射角。假设各个通道同时发射，每个通道接收系统带宽足够宽可以接收所有发射通道的信号，则各通道接收的回波信号为Xk(t)(k=1,2,3,…,M)。

即每个通道接收到M个频率的回波信号。在每个接收通道后匹配设置M个滤波器用以恢复每个发射信号所形成的回波信号，则可获得M×M个匹配滤波输出的回波信号。每个收发通道天线的位置已知，可采用空间谱估计的方法对目标角位置进行估计，或对每个信号移相相加后采用DBF技术在某个方向合成和差信号，再利用单脉冲测角技术获得目标的精确角位置。

3 利用MIMO技术对抗“交叉眼”干扰的方法

从第1节分析可见，“交叉眼”干扰在和路叠加信号为零，而在差路留有一定的干扰信号强度，该信号主要由单脉冲不同分区交叉收发信号在差路中同相叠加产生的。若能在接收回波信号中避免交叉收发信号，则可以使每个分区接收到的干扰信号强度接近为零。即A分区发射的相关回波信号只能由A分区接收、B分区发射的相关回波信号只能由B分区接收，利用“交叉眼”干扰自身的干扰机理，在A、B分区中接收的回波信号中“交叉眼”干扰信号强度为零。

MIMO雷达的处理技术正好可以实现上述工作。在MIMO雷达中每个通道发射信号相互正交，在每个通道接收回波信号中包含了丰富的多个发射通道的回波信号。在处理过程中通过滤波技术将其它通道发射的回波信号滤除，仅保留本通道自身发射信号的回波信号，这样即可实现将“交叉眼”干扰信号滤除。然后利用每个通道接收的回波信号进行移相匹配处理，最后可利用空间谱估计或数字和差后单脉冲测角技术获得目标角误差数据。

该方法成功利用了“交叉眼”干扰信号在空间单点回波叠加为零的特点，“交叉眼”干扰设计制造的越理想，该方法对其对抗的效果也将越有效。该处理方式，即保留了系统单脉冲测角功能，又使“交叉眼”干扰影响降到最低。其缺点是没有利用交叉发射回波信号，导致相参积累的效果没有常规MIMO雷达效果好，MIMO雷达的通道数量越多，其信噪比的损失越严重。但该方法可在弹目距离较近时使用，这也正好匹配了“交叉眼”干扰在近距离效果最佳的特点，起到较好抗干扰效果。

4 仿真验证情况

仿真中导弹位置H点 y轴坐标为2 km，x轴取-1 km～+1 km，干扰源接收天线J1与J2间距30 m，J1与S2间距为0.2 m，天线波束指向对准目标几何中心；两干扰辐射信号强度相等，相位相差180°。假设干扰辐射信号强度比目标回波信号强度高20 dB，由此经天线和差测角后获得的角误差输出如图7所示。从图中可以看出，输出的角误差超过20°，已经完全不能反映目标的真实角位置。

图7 抗干扰处理后雷达输出目标角误差数据

采用MIMO技术进行“交叉眼”干扰对抗处理后，并利用数字和差单脉冲测角技术进行测角运算，测角输出结果如图8所示。从图中可以看出，测角输出结果中已经消除了干扰的影响，输出真实的目标角误差数据。

5 结论

图8 抗干扰处理后雷达输出目标角误差数据

本文提出一种利用MIMO技术对抗“交叉眼”干扰的技术方法，该方法利用了“交叉眼”干扰 在单点回波叠加为零的特点，采用MIMO技术处理使干扰信号自然消减，然后将滤除干扰后的回波信号形成进行单脉冲测角或空间谱估计测角，即避免了“交叉眼”干扰的影响，又实现了对目标的精确测角。

通过仿真分析，验证了该方法对“交叉眼”干扰对抗的有效性。

[1] 刘庆云,马亮.“交叉眼”干扰在单脉冲雷达中表现特征分析[J].航天电子对抗, 2016, 32(1):59-61.

[2] 王慧萍,张友益.一种交叉眼干扰技术实现的新方法[J].舰船电子对抗, 2007, 30(6):23-25.

[3] 付孝龙,白渭雄,杨忠,等.交叉眼干扰分析及实施方法[J].现代防御技术, 2016, 44(3):121-126.

[4] 张伟,莫翠琼,陈秋菊,等.“交叉眼”技术对角跟踪雷达导引头的干扰效果分析[J].航天电子对抗, 2015, 31(3):14-16.

[5] 熊波,曾鑫,卫永平.基于电磁场矢量合成的交叉眼干扰效果评估[J].探测与控制学报, 2016, 38(3):31-34.

[6] SHANG Z G，BAI W X，FU X L．Analysis of Cross-Eye Jamming[C]. International Proceedings of Computer Science & Information Technology， 2012: 104-109．

[7] YARON L，LANGER T，GEILER Y，et al．Tur，M．Wideband 0 /π Retro-Reflective Photonic System[C]. IEEE International Conference on Microwaves，Communications，Antennas and Electronics Systems (COMCAS)， 2011: 1-4．

MethodonCrossEyeJammingCountermeasureBasedonMIMOTechnology

MOUCheng-hu,ZHENGBo,XUHui,YIKun

(Shanghai Radio Equipment Research Institute, Shanghai 200090, China)

The inherent mechanism of cross eye jamming is analyzed. A method of using MIMO radar against cross eye jamming is presented. The simulation analysis shows that this method can effectively deal with cross eye jamming.

cross jamming; radar countermeasure; simulation analysis

1671-0576(2017)02-0001-05

2017-02-24

牟成虎(1980-)，男，高级工程师，硕士，主要从事相控阵雷达导引头技术研究。

TJ765.331

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