末制導雷達抗拖曳式干擾的方法研究

陳伯孝， 劉玉靜， 朱東晨

(1.西安電子科技大學雷達信號處理國家重點實驗室，陜西 西安710071;2.毫米波遙感技術重點實驗室，北京100854)

0 引言

在現代及未來戰爭中，精確制導導彈是主要的作戰武器之一。然而，導引頭末制導雷達面臨的電磁干擾環境復雜多變，抗電子干擾和低截獲概率等電子戰性能已成為現代先進導引頭的最重要的技術指標之一。因此，研制新體制高性能的先進雷達導引頭已成為十分迫切的任務。在實際作戰中，末制導雷達面臨的干擾樣式主要包括各種無源干擾和有源干擾。近年來，對拖曳式干擾及其對抗方法的研究成為了雷達抗有源干擾領域的一個重要課題。而拖曳式干擾作為有源噪聲壓制式干擾的一種，干擾和目標位于同一個主波束內，而且在時間上遮蔽了目標回波信號，這樣會導致信干比的嚴重下降，進而造成顯著的測角偏差，導彈不能有效跟蹤目標，失去作戰效能。在雷達導引頭天線波束寬度一定條件下，在時域、頻域和空域均難以抑制干擾。

目前，具有極化測量能力的雷達逐漸成為雷達技術的主流方向之一，利用極化信息可以提高雷達抗干擾、檢測和識別等能力[1-3]。極化濾波技術是一種重要的抗干擾方法，它基于目標和干擾信號的極化域特性差異，可以有效地從極化域抑制干擾。文獻[4-6]提出了虛擬極化適配、單凹口極化濾波器和多凹口邏輯乘極化抑制濾波器、非線性極化矢量變換等概念，并將其用到極化抗雜波干擾技術中。文獻[7-9]中對高頻地波雷達的極化濾波問題進行了深入研究，提出了序貫極化濾波，極化域-頻域聯合抑制多干擾等方法。文獻[10]對自適應極化濾波器的理論性能進行了分析。文獻[11]研究了高分辨極化雷達檢測中極化濾波器的選擇問題。文獻[12]提出了一種基于極化二元陣的空域虛擬極化濾波算法。文獻[13-15]中結合斜投影算子，提出了一種零相移的極化濾波方法。

本文為了對抗彈載雷達中的拖曳式干擾，將極化濾波技術應用于末制導雷達中，建立了彈載單脈沖雷達的全極化接收信號模型，分析了干擾的極化參數估計方法，并利用極化濾波方法對拖曳式干擾進行抑制，最后進行單脈沖測角。

1 信號模型

目標和拖曳式誘餌干擾如圖1(a)所示，雷達位于坐標原點。假設目標沿著y 軸反向運動，目標和干擾之間的攬繩長為D。雷達和目標之間的距離為RT，和干擾之間的距離為RJ。目標的方位和俯仰角分別為θT和φT，干擾的方位和俯仰角分別為θJ和φJ。那么目標和干擾的角度關系滿足下式：

圖1 目標和干擾空間示意圖

為了分析方便，本文只考慮方位角，此時目標和干擾如圖1(b)所示。單脈沖雷達的天線陣為一種正交半波振子為單元組成的雙極化天線陣列，天線陣面如圖2所示，包含水平極化和垂直極化陣子，不考慮天線單元之間的互耦，天線可以在空間一定角度范圍內進行相位掃描。雷達工作時，可以任意設置水平極化天線或垂直極化天線為主天線，其余的為輔助天線，由主天線發射信號，輔助天線只接收信號。不妨設水平極化天線為主天線，而垂直極化天線為輔助天線，由水平極化天線發射信號，發射信號為s(t)。每個天線均包含和、差通道，兩個天線和、差通道的歸一化方向圖函數均相同，和通道的歸一化方向圖函數為FΣ(θ)，差通道的歸一化方向圖函數為FΔ(θ)。水平極化天線的極化方式為hH=[1，α]T，垂直極化天線的極化方式為hV=[α，1]T，α 為天線交叉極化分量，當天線的極化純度較高時，例如天線的極化隔離度為30 dB，此時α 可以近似為0。

式中：βT和βJ是與天線增益，空間傳播損耗等有關的復常數;nΣh(t)和nΔh(t)分別為和、差通道的噪聲，均為零均值的高斯白噪聲。

假設兩天線的天線增益相同，那么垂直極化天線的和、差通道的接收信號分別為

式中：nΣv(t)和nΔv(t)分別為和、差通道的噪聲，均為零均值的高斯白噪聲。式(5)中第1項均為目標信號，第2項均為干擾信號。

圖2 雙極化天線陣面圖

圖3 信號處理流程圖

2 極化濾波算法

由于在整個脈沖重復周期內，干擾信號所持續的時間一般要大于目標回波信號，在僅有干擾信號的距離單元內，對全極化回波信號進行采樣和極化狀態估值，可以獲得極化濾波器矢量參數。在理想情況下，各路和、差通道滿足幅相一致性要求，那么和、差通道極化濾波器參數相同，所以僅用和通道進行極化參數估計。

根據極化相干矩陣和Stokes矢量之間的關系[16]，可以得到干擾極化的Stokes矢量的估計值為

式中：km為鑒角曲線的斜率。

綜上所述，可以得到信號處理流程如圖3所示。取水平極化天線的和通道和垂直極化天線的和通道的干擾數據，進行干擾的極化方式估計，然后設計濾波權值抑制干擾。而差通道也利用同一組權值進行干擾抑制，將和、差通道的濾波輸出結果分別進行脈沖壓縮和相干積累，然后進行單脈沖測角和目標跟蹤。

3 干擾抑制性能分析

由于目標的極化散射特性隨著雷達視角和目標的姿態而改變，在實際中，目標的極化散射特性并不已知。在理想情況下，天線的極化純度較高，即α=0。目標的極化方式為hs=ShH=[shh，svh]T，而極化濾波的權矢量滿足

而實際中，當目標為大型目標，且反射面為光滑平面時，目標散射的交叉極化分量一般都遠小于主極化分量[16]，即svh?shh，并不滿足與干擾極化方式正交的條件。所以在進行極化干擾抑制之后，信噪比會存在一定損失，此時對測角性能產生影響。為了降低干擾對消對后續測角結果的影響，需要增加相干積累的脈沖數來彌補信噪比損失。

4 計算機仿真

目標極化hs歸一化相關系數為0.88，即相關性較強。主、輔天線的天線方向圖為高斯方向圖，波束寬度為8°。兩天線的極化隔離度均為30 dB。

圖4所示分別為水平極化天線的和、差通道在干擾抑制前后的信號進行脈沖壓縮得到的結果，可以看出在干擾抑制前目標淹沒在干擾中，而在進行干擾抑制后，能夠發現目標峰值。

圖4 水平極化天線干擾抑制前后的脈沖壓縮結果

進一步，假設目標與干擾極化狀態完全正交，則假設目標極化散射矩陣為hs= [1，-0.8j]T，保持其他參數不變。此時，根據式(16)，此時干擾極化hj與目標極化hs歸一化相關系數為0.11，即相關性較弱(接近正交)。

由圖5可以看出，當目標與干擾極化越接近正交時，抑制干擾效果越好，目標信噪比損失越小。圖5 中目標信噪比損失相比圖4(a)要小3 dB左右。

假設目標的輸入SNR 為(0～15)d B，而進行脈沖壓縮的信噪比增益為20 dB。此時沒有干擾和干擾抑制后的測角對比結果如圖6所示，測角性能用角度測量的均方根誤差來衡量，仿真中蒙特卡洛試驗次數為200次。由圖6可知，干擾抑制后的測角性能較沒有干擾時的測角性能差，其原因是在極化濾波時會導致SNR 損失。

圖6 測角性能與輸入SNR 之間的關系

5 結束語

本文探討了彈載雷達中利用極化濾波對抗拖曳式干擾的方法。建立了彈載單脈沖雷達的全極化信號接收模型，并根據和通道數據對干擾的極化方式進行估計，根據干擾和目標之間的極化特性差異設計極化濾波器對干擾進行抑制。當目標和干擾的極化差異越大時，即目標和干擾的極化相關性越低時，抑制干擾的效果越好，此時進行干擾對消損失的信噪比也越小。在未來的工作中，如何通過算法增大目標和干擾之間的極化差異獲得更好的濾波輸出性能，以及如何對抗多類型的干擾將成為進一步研究的工作。