极化分集干扰分析及验证试验

戴幻尧，王建路，周 瑞，石 川

（1.中国人民解放军63892 部队，河南 洛阳 471003；2.空军航空大学，吉林 长春 130022）

0 引言

单脉冲技术在精确制导武器中的应用已非常广泛，为了与之对抗，美军在空军、海军多个型号装备上部署了具备交叉极化干扰能力的电子对抗装备，例如F-16CD Block60 吊舱、舰载电子战系统APECS-II、SLQ-32（V）电子战系统等等。美军的APECS-II 舰载电子战系统, 具有自适应交叉极化干扰功能，具有噪声/欺骗多种干扰波形，采用了相控阵多波束天线，可覆盖方位360°和高低角30°的范围，它以脉冲和连续波方式辐射大功率干扰，可同时对付16 个目标，与以前的相控阵天线相比，此系统可实现变极化（专门对付单脉冲威胁源），能对付多种复杂信号，是世界上第1 部以交叉极化干扰为主要手段、以单脉冲主动雷达导引头为作战对象的电子干扰（ECM）系统。该系统已经出口了包括葡萄牙、荷兰、希腊、巴基斯坦等在内的多个国家，美国海军的SLQ-32(V)电子战系统，法国的ARBB33 干扰机和以色列的SEWS 电子战系统也采用了类似技术。美军新一代干扰机AN/ALQ-249 也具备极化分集能力。极化分集干扰技术属于一种智能的干扰样式和技术，对雷达系统会产生全程、不同效果的干扰威胁。本文在分析极化分集干扰的基础上，测量了典型单脉冲雷达和差波束天线方向图的正交极化分量。为了给后续的工程研究打下基础，通过极化分集干扰的等效替代试验证实了这种干扰技术的有效性。

1 极化分集干扰原理及装备情况

早在1967 年，美国国家航空和航天局（NASA）建立的航天测控和数据采集网络（STADAN）在使用固定单极化天线对地球轨道卫星进行跟踪时，就发现卫星姿态变化导致的极化失配会严重破坏自动跟踪系统，这种现象出现的时间占卫星通过观测区域总时间的22%。苏联也发现了单脉冲雷达天线的方向图具有复杂的极化结构，并且测角精度容易受到通道一致性、目标的去极化作用、多径散射造成的去极化等因素的影响，并根据单脉冲雷达天线的这种固有属性设计了交叉极化干扰样式，但是没有披露详细的技术细节。2010 年，美国空军实验室对某X 波段雷达导引头在交叉极化干扰条件下的定向性能进行了大量的微波暗室实验，实验结果表明极化干扰具有非常好的干扰效果，图1 为暗室测量试验的场景照片，但是没有详细的试验细节公布。在最新一版的美国《应对新一代威胁的电子战》一书中，变极化干扰被归结为下一代雷达干扰技术。

图1 美国空军实验室试验的场景

交叉极化干扰机试图在差通道中产生一个交叉极化分量，该分量相对于雷达极化分量更大，从而使得误差达到或超过雷达波束宽度的一半。交叉极化利用了单脉冲天线的固有缺陷，图2 显示了干扰机对交叉极化信号的响应与共极化信号的响应，可以看出显著的差异：交叉极化和波束在视轴方向上为零陷，此外还有一个高于共极化波束的旁瓣结构。相反，差交叉极化波束在视轴方向具有最大值。如果交叉极化干扰机功率足够大（干信比为30 dB），则单脉冲跟踪雷达接收到的交叉极化分量比同极化分量强。这将使得单脉冲跟踪雷达跟踪采用交叉极化的干扰信号，从而远离目标，单脉冲跟踪雷达跟踪采用交叉极化的干扰信号情况如图3 所示。美海军的极化分集干扰装备应用情况如图4 所示。

图2 交叉极化干扰机对交叉极化与共极化信号的响应

图3 单脉冲跟踪雷达跟踪使用交叉极化的干扰信号情况

图4 美海军的极化分集干扰装备应用情况

RAVEN 电子对抗系统是一款由洛克希德·马丁加拿大公司研制的水面舰艇电子对抗系统，使用交叉极化的欺骗、噪声和复合干扰，以干扰敌对势力对电磁频谱的利用。

RAVEN 为所有海军平台提供360°的反舰导弹(ASMD)自我保护，并具有高度可扩展性，俯仰覆盖为-30°～+60°。RAVEN 由一组极化可操控的中/高频天线(6～18 GHz)组成，可选择低频或甚高频。RAVEN 基于RAMSES(可重编程的高级多模式舰载电子对抗系统)的现代改进技术，DRFM 瞬时带宽为2 GHz、中心频率精度为1 MHz。RAVEN 采用开放架构，升级更加便捷，以适应现代威胁。与传统的雷达干扰机不同，RAVEN 使用先进的射频和脉冲重复间隔（PRI）预测技术，能够对使用多种复杂PRI 和射频捷变模式的现代雷达系统，产生超前和滞后的假目标。对各种雷达系统和雷达制导导弹，RAVEN 可产生欺骗和遮蔽对抗信号。RAVEN 实现了片上系统(SoC)技术，应用于特殊模式技术、软杀伤评估和天线稳定和控制技术。SoC 设计是高度模块化的，易于适应各种天线组件和船舶稳定接口。

据最新报道，美国雷声公司下一代干扰机（NGJ）具备智能、变极化干扰能力，并已完成飞行试验。该系统为吊舱形式，其中最重要的技术是有源电子扫描阵列（AESA）。AESA 带宽非常宽，采用瓦片式T/R组件，包含T 支路的高效高功率GaN 放大器和R 支路的低噪声放大器，2 个支路都包含移相器和增益控制元件。双极化孔径元件使系统极化可以选择。阵列包含与FIRES 软件定义接收器/技术生成器单元(SDREU)进行通信的数字控制器，并向每个模块发送数字信号，设置控制AESA 波束（波束指向角，极化，频率等）的参数。交叉极化技术AESA 使得该干扰系统具有了多极化、变极化干扰的能力。2016 年10 月27 日，NGJ 在飞行中进行了极化分集的验证，RMR 在测试范围内对所接收的极化数据进行测量和记录。7次飞行性能试验中，发射线极化的角度分别为15°,30°,45°,60°,75°,90°。 在 飞 机 飞 行 期 间 ，AESA 从+45～-45进行指向角度扫描。数据还通过开放式四边形四角形喇叭和一组频谱仪进行采集。后面，下一代干扰机还开展了多次性能试验。

2 极化分集干扰技术

控制干扰信号极化的手段常有2 种：一是在天线口面加装极化天线罩的无源手段，这不便于用于机载电子自卫对抗系统。因为随着飞机的运动，交叉极化干扰的极化形式必须实时地与接收到的雷达极化特性保持正交，而无源控制极化的方法无法保证实时变极化的要求。第二种是通过给一对正交双极化的天线馈入相干信号，控制2 个信号的幅度和相位来实现，技术方案如图5 所示。图中，一对正交极化天线接收雷达信号，通过正交极化接收、反向极化变换转发来实现自适应交叉极化干扰，反向结构设计和反向交叉眼的前端结构设计类似，发射和接收有一个180°的相位反相。交叉极化干扰可以采用噪声类型干扰，也可以采用复制转发类干扰信号(相干)，也使用重复噪声(基于DRFM 的相干噪声调制)。

图5 基于转发干扰的结构

双通道反向转发产生正交极化的必要条件是：2个通道在转发过程中增益保持一致，相位差反相，相差180°。因为行波管属于非线性器件，难以保证幅度的一致性和相位的稳定性，所以多年来工程化一直难以实现。但随着固态功率放大器技术水平的不断提高，在不同频段上可以采用相应频段的功放，其线性放大特性得以保证一致，此外，随着数字储频技术、收发隔离技术的不断发展，干扰机不仅可以做到收发分时工作，通过特殊设计还可以实现收发同时工作，这就使转发式交叉极化干扰具备了工程实现的可能。

基于极化变换转发原理的自适应交叉极化干扰，可以自适应地生成与之极化正交的干扰信号，省却了极化估计的环节，通过收发分时/同时工作、功率放大、数字射频存储并转发给雷达，使单脉冲雷达形成错误的角度测量信息，能够有效地掩盖真实目标所在空间位置。

3 极化分集干扰的等效替代试验

对某单脉冲雷达样机开展天线方向图的正交双极化测量实验和干扰实验。实验数据分析表明，交叉极化方向图与主极化方向图的幅度结构基本一致，比主极化的水平低30 dB，如图6 所示。

图6 主极化和交叉极化的方向图

考虑天线的相位特性后，根据实测数据得到了俯仰向的角度鉴别曲线,如图7 所示。角度鉴别曲线的实测结果在线性区间性能良好，主极化和交叉极化的结构类似，斜率接近，差异较小，交叉极化的角度鉴别曲线平坦度比如主极化，存在明显起伏。方位向的角度鉴别曲线，在线性区间性能良好，主极化和交叉极化的结构类似，斜率相反。交叉极化的角度鉴别曲线平坦度比如主极化，存在明显起伏。

图7 主、交叉极化的角度鉴别曲线

图8 给出了两种不同干信比条件下雷达角度测量输出结果，从图8（a）可以看出，在无干扰条件下，目标基本位于中心方位，方位和俯仰测量值基本是0，有微小的起伏，关掉目标源后，角度量测值完全是噪声，此时角度输出值是无效值；当切换为交叉极化干扰后，角度输出值发生很大变化，方位和俯仰测量值不再是0°方向，方位输出在-1°～-2°之间起伏变化，俯仰值是+1°起伏变化。将干信比提高到情况2，从图8（b）可以看出，角度输出值发生很大变化，方位和俯仰测量值不再是0°方向，方位输出在-3°～-4°之间起伏变化，俯仰值是-1°起伏变化。上述结果说明了交叉极化干扰的有效性。

图8 干扰加载后雷达样机的方位通道俯仰通道输出

4 结束语

极化分集干扰的实质是对干扰信号进行极化域调制，可以是实时跟踪雷达极化变化的“极化瞄准”干扰，也可以是和雷达完全正交的“交叉极化”信号，也可以是按一定时序变化的“极化切换”干扰，或是类似噪声的“随机极化”干扰。极化分集干扰拓宽了干扰样式变化的维度，从时域、空域、频域、能量域四个维度拓展到了时、空、频、能量、极化域五个维度。如果雷达对抗系统具备极化域测量和极化调制干扰能力，就能够利用雷达的某些特性或者缺陷，有望取得显著的干扰效果。