基于四通道单脉冲比统计特性的诱饵干扰检测方法*

王建路,戴幻尧,王雷钢,周 波

(中国洛阳电子装备试验中心，河南 洛阳 471003)

0 引言

拖曳式诱饵主要用于飞机被敌方雷达锁定时实施的自卫式干扰，诱饵转发的干扰信号和载机回波信号在空中对跟踪雷达形成双点源干扰，诱偏跟踪雷达的跟踪点，从而保护载机平台的安全。拖曳式诱饵通过电缆与被保护目标相连接，两者具有相同的运动特性，一般雷达和跟踪系统无法通过运动特性来区分目标和诱饵。拖曳式诱饵的对抗研究一直是国内外抗干扰研究领域的一个热点问题[1-4]，对抗拖曳式诱饵需要解决诱饵检测和目标与诱饵的识别问题。当前关于拖曳式诱饵干扰对抗的研究集中在干扰原理分析、干扰性能仿真和效果评估等方面[1]，对干扰检测的研究甚少。目前拖曳式诱饵大多采用数字射频存储技术，在将雷达发射信号进行转发的同时结合距离拖引、速度拖引、RCS调制等综合手段，使诱饵信号和目标回波信号具有高度的相似性，从而使诱饵和目标成为波束内不可分辨的2个“目标”。因此，拖曳式诱饵与不可分辨多目标具有某种程度上的类似。而国外从20世纪70年代开始，Sherman、Meaulay、Bogler、Asseo等人就从不同的角度对不可分辨多目标问题开展了研究，获得了一些有益结论。20世纪90年代之后，Connecticut大学对这一问题进行了广泛而深入的研究，其研究成果主要包括[5-13]：基于幅度概率分布的检测方法，基于单脉冲比虚部检测的广义似然比检测方法、复角检测法、推广正交检测法。基于幅度概率分布的检测方法首先假定目标回波服从瑞利分布，诱饵信号幅度服从某种假定的分布，利用混合信号回波的概率分布检测是否存在诱饵。这种方法的缺点非常明显，因为诱饵转发信号时具有调制功能，所以其干扰信号幅度分布是未知的。基于虚部的检测方法是一种比较好的方法，本文在此基础上，通过引入对角差通道，提出了双门限的检测方法，能够可靠地对诱饵进行检测。

1 拖曳式诱饵干扰分析

拖曳式诱饵干扰本质上等同于空间两点源对单脉冲角度跟踪系统的干扰，以比幅单脉冲雷达为例，设雷达两个波束方向图分布为F(θ0-θ)和F(θ0+θ)，设目标和诱饵的信号幅度分布为AJ1和AJ2，相位分布为φ1和φ2，与雷达主轴夹角为θ1和θ2，则单脉冲雷达的和、差信号表示为：

∑=E1+E2=AJ1(F(θ0-θ1)+F(θ0+θ1))ejωt+φ1+

AJ2(F(θ0-θ2)+F(θ0+θ2))ejωt+φ2

Δ=E1-E2=AJ1(F(θ0-θ1)-F(θ0+θ1))ejωt+φ1+

AJ2(F(θ0-θ2)-F(θ0+θ2))ejωt+φ2

(1)

输出的单脉冲比的实部可以表示为：

(β2F∑1FΔ1+βcosφ(F∑1FΔ2+F∑2FΔ1)+F∑2FΔ2)/

(2)

单脉冲比的虚部可以表示为：

βsinφ(F∑1FΔ2-F∑2FΔ1)/

(3)

在单脉冲雷达主轴附近的线性区域，有：

((θ+Δθ/2)+β2(θ-Δθ/2)+2βθcosφ)

(4)

式中，β=AJ2/AJ1，Δθ=θ2-θ1，φ=φ2-φ1。

当单脉冲比为零时，雷达天线的指向相对于2个点源几何中心的偏离角为：

θ=Δθ/2·(β2-1)/(β2+2βcosφ+1)

(5)

若2个信号源为非相干信号，则雷达天线指向相对于2个点源几何中心的偏离角为：

θ=Δθ/2·(β2-1)/(β2+1)

(6)

可以看出，当2个点源信号相位不相关时，即诱饵干扰信号与目标回波不相关，干扰的效果将使得雷达跟踪视线指向两点源的能量中心，称之为“质心转移干扰”;当干扰信号和目标回波的相位相关时，两点源信号形成的合成场将使得雷达始终跟踪在能量较大的点源上，称之为“主控源干扰”。大多数情况下两者的信号不相关，干扰信号的能量比目标回波能量强很多，因此导引头雷达将偏离目标而指向诱饵。两点源干扰原理如图1所示。

图1 两点源干扰原理

2 对诱饵检测的数学模型

2.1 对诱饵的双门限检测算法

雷达接收信号的单脉冲比包含实部和虚部两个部分，即：

S=EΔ/E∑=SR+jSI

(7)

实部SR常用来估计目标的角度。当目标为单点源时，不考虑噪声影响，虚部SI=0。对于二维测角的单脉冲雷达，设其和信号为∑，方位差信号为ΔA，俯仰差信号为ΔE，对角差信号为ΔΔ，对角差信号是经过和差网络被匹配负载吸收的信号，这里将其引出加以利用，如图2所示。

图2 四通道单脉冲雷达结构

根据文献[14]可知，对于单目标，方位单脉冲比可以表示为：

SA=ΔA/∑ 或SA=ΔΔ/ΔE

(8)

俯仰单脉冲比可以表示为：

SE=ΔE/∑ 或SE=ΔΔ/ΔA

(9)

换言之，对角差通道响应满足以下条件∑ΔΔ=ΔAΔE。当目标为单点源信号时(雷达主波束内仅有一个目标)，接收信号的单脉冲比的虚部为0，或接近等于0，非常小[12]；当目标为双点源信号时(雷达主波束内包含目标和诱饵干扰)，接收信号的单脉冲比虚部不为零，将一定的门限，以较大的概率大于0。根据这一特点，充分利用四个通道的单脉冲比，提出了对诱饵的双门限检测方法。

设检测门限为YT，则拖曳式诱饵存在与否的判决条件为：

(10)

门限值Y可通过实验或数值计算，由波束内只有目标时复单脉冲比虚部的大小确定相应的检测门限值。双门限检测流程图如图3所示。

图3 双门限检测流程图

2.2 仿真分析

对2种方法的复单脉冲比虚部进行了仿真，选取参数如下：单脉冲天线方向图采用高斯波束，半功率波束宽度为6°，单脉冲波束偏置角为2°，噪声模型为高斯白噪声模型，信噪比均为SNR=20 dB，干扰功率与目标回波信号功率比为K，目标与诱饵对雷达的张角为3°。雷达接收到两个信号的相位差为φ。目标的角度位置为(-2，-2)，诱饵的角度位置为(1.5,1.5)。

图4给出了k=15 dB,Δθ=4.9°时的方位单脉冲比虚部曲线，由图4可以看出当存在诱饵时复单脉冲比虚部与没有诱饵时具有较大差异，通过一定的检测门限可实现对诱饵的存在性检测。当目标回波信号与干扰信号相位差0°或180°时，无法判断是否存在诱饵。因为此时干扰信号与目标信号作矢量合成时，所形成合成的和、差信号相位相同或相反，复单脉冲比虚部与只有目标时相同，无法通过复单脉冲比虚部检测诱饵。由于拖曳式诱饵一般工作于转发式或应答式干扰模式下，干扰信号与目标回波信号相位差φ是一个在0～2π均匀分布的随机变量。在数据处理阶段雷达均会采用脉冲积累处理，雷达对接收回波数据的获取时间通常在毫秒级，故干扰信号与目标回波信号相位差可看成是90°。由图4可知，当φ=90°时，存在诱饵干扰下的复单脉冲比虚部比约为门限值的5倍，故利用复单脉冲比可以满足一定检测概率下的诱饵存在性检测。

图4 相位差φ变化时复单脉冲比虚部曲线

图5为Δθ=4.9°，φ=110°时，干信比K变化时对单脉冲比虚部值的影响。由图5知曲线以直线K=0对称，即单脉冲比虚部值在诱饵与目标能量质心两侧成对称分布。当干扰信号与回波信号功率相等时复单脉冲比虚部值最大，且随着干信比的增大和减小复单脉冲比的虚部值都在减小。当K=20 dB时，复单脉冲比虚部约为门限值的6倍，即此时仍能可靠地检测到诱饵。当干信比很小时(仿真中对应小于-40 dB)，干扰信号未起到诱骗作用，雷达跟踪点指向目标，单脉冲比虚部值较小，不能检测到诱饵存在；当干信比很大时(仿真中对应大于40 dB)，单脉冲比虚部值亦急剧下降到与只有目标时相似的水平，此时雷达跟踪点偏向诱饵，单脉冲比虚部值较小，不能检测到诱饵的存在，由对称性亦可以分析得此时不能检测到诱饵。

图5 干信比变化时复单脉冲比虚部曲线

图6仿真条件为φ=110°，K=15 dB，从图6中可以看出随着目标与诱饵对雷达张角增大，复单脉冲比虚部亦相应增大。其中虚部Imag(ΔΔ/ΔE)在张角为零时出现发散，是由于此时目标和诱饵均位于雷达天线主轴，分母ΔE为零，出现发散情况。在拖曳式诱饵实际战术运用中，载机在释放诱饵后会作一定的机动，使诱饵、载机和雷达之间形成“三角态势”，在“三角态势”形成过程中载机与诱饵对雷达的张角不断增大，同时诱饵用强干扰能量把雷达跟踪点引离载机并吸引到自己身上，最终使载机逃离雷达跟踪波束范围，诱饵达到成功诱骗目的。因此，在诱饵、载机和雷达“三角态势”形成过程中应尽快检测出干扰进而采取其他对抗措施。在机动过程中目标与诱饵对雷达的张角在不断增大，由图6可知，当张角主波束范围内时，复单脉冲比虚部随着张角的增大而增大，即载机在机动过程中使得对诱饵的检测可靠性增加，由此可知利用复单脉冲比虚部能够很好地检测拖曳式诱饵。

图6 张角变化时复单脉冲比虚部曲线

3 试验分析

3.1 试验场景

首先对雷达结构进行改进，引出对角差信号，形成四通道单脉冲雷达。图7中给出了雷达的天线结构，雷达采用平面缝隙天线，划分为四个子阵，天线的波束宽度为9°。使用2个喇叭天线作为信号源分别模拟目标和诱饵，目标和诱饵之间的连线与水平面之间的夹角为45°，如图7所示。

图7 单脉冲雷达天线结构和试验场景

3.2 实测数据分析

通过更改信噪比、目标角度等试验参数，实现不同的场景，利用某四通道单脉冲雷达进行验证试验。试验共做了46次，其中前26次为单目标测量试验，后20次为双目标试验。从图8的实验结果可以看出，单目标试验的，四个单脉冲比的虚部均较小，低于0.16；双目标试验时，四个单脉冲比的虚部均较大，均显著高于0.2。通过设定合适的门限，利用单脉冲比的虚部能够实现单双目标的判决。

图8 单脉冲比虚部(方位、俯仰、双差方位、双差俯仰单脉冲比)

4 结束语

诱饵检测是对抗诱饵干扰的前提，准确地检测到诱饵能够提高抗干扰效果。本文通过数学推导，研究了拖曳式诱饵存在与不存在时复单脉冲比虚部的差异，提出了利用四个通道数据得到的复单脉冲比虚部信息，设立检测门限，实现了对诱饵的存在性检测。由数学推导和实测数据可以看出，在一定干信比和张角条件下，该方法能较好地检测到诱饵，为拖曳式诱饵的存在性检测提供了一种简单而有效的途径。