一種基于反向陣的多點源交叉眼干擾實現方法

王寒冰，干 鵬，程浩岳，湯永浩，胡航瑋

（1.中國航天科工集團8511 研究所，江蘇 南京 210007； 2.北京機電工程研究所，北京 100074）

0 引言

交叉眼干擾技術用于對單脈沖雷達實施角度欺騙干擾［1-4］，通過發射兩路或多路幅度近似相等、相位相差180°的干擾信號，可使單脈沖雷達產生錯誤的目標角度信息，迫使單脈沖雷達跟蹤波束指向偏離被保護的飛機、艦船等平臺本身，無法準確跟蹤真實目標，甚至可造成單脈沖雷達跟蹤環路失鎖，從而起到電子防護作用。

傳統兩點源交叉眼干擾技術要想獲得良好的干擾效果，要求發射的兩路干擾信號在單脈沖雷達接收天線口面必須具有嚴格的相位差180°。但在實際應用中，交叉眼干擾設備所搭載平臺的振動、搖擺等因素，必定會對干擾信號的傳輸路徑產生影響，造成傳輸路徑誤差，從而導致相應的相位誤差，因此無法時刻保證兩路干擾信號在單脈沖雷達接收天線口面處相位相差180°，這一直是交叉眼干擾技術實際應用的一大難題［5-8］。后來，國外學者提出將反向天線應用于交叉眼干擾技術中，反向天線結構可自補償干擾環路中由路徑差、平臺振動等因素引入的相位差，從而在不考慮內部電路傳輸路徑誤差情況下，保證兩路干擾信號在雷達接收天線口面處相位相差180°，但該交叉眼干擾方法仍面臨系統參數要求嚴格等問題。

近年來，基于反向陣的多點源交叉眼干擾技術得到了各國學者的廣泛關注與研究［9-15］，該技術通過將多個反向交叉眼干擾機布置在空間上，形成了多環路組合，可有效提升干擾誤差角度。與兩點源反向交叉眼技術相比，基于反向陣的多點源交叉眼干擾技術具有更高的系統自由度，系統參數容限更加寬松。然而，基于反向陣的多點源交叉眼干擾技術還處于理論研究階段，在研發和實際應用方面存在著收發隔離度差、系統結構復雜等諸多難點。

本文提出了一種基于反向陣的多點源交叉眼干擾實現方法，與兩點源交叉眼干擾技術相比，該方法采用多單元反向天線陣列，一方面提高了交叉眼干擾系統自由度，降低了系統對干擾信號幅度和相位的控制精度要求；另一方面利用反向天線陣列的方向自回溯特性，實現了自動彌補波程差引起的相位差，無需估計來波方向，即可保證兩路干擾信號在單脈沖雷達接收天線口面的相位差為180°。同時，本方法采用收發分開的2 個天線陣列，收發隔離度好，可實現同時收發，且降低了干擾環路的設計復雜度，易于工程實現。

1 基于反向陣的多點源交叉眼干擾理論分析

以對抗比幅單脈沖雷達為例，干擾場景如圖1 所示，左側為單脈沖雷達，右側為多點源反向交叉眼干擾系統，R為雷達天線中心與干擾機天線陣列中心的距離，θr為雷達視軸相對于干擾機中心的轉角，θc為干擾機相對雷達中心的轉角，θe為干擾機天線陣列相對雷達視線的半張角。

圖1 比幅單脈沖雷達干擾場景

多點源反向交叉眼干擾系統的天線陣列為由N個相同的天線陣元（N為偶數）組成的均勻線性Van Atta 陣列，如圖2 所示，總長度為D，陣元間距為dc。天線陣元1 與N互為一組收發天線對，被稱為干擾環路1，天線陣元2 與N-1 組成干擾環路2，以此類推，天線陣元n與N-n+1 組成干擾環路n，總共組成N/2 個干擾環路。天線陣元n接收的雷達信號經過調制后產生干擾信號，并送至天線陣元N-n+1 輻射；同理，天線陣元N-n+1 接收的雷達信號經過調制后產生干擾信號，送至天線陣元n輻射。為保證天線陣列的反向結構，每個干擾環路的饋線長度應相等。

假設干擾環路n中，2 個干擾信號的幅度比為an，相位差為Δ?n，且不同干擾環路之間的傳輸路徑差已被精確補償。在遠場條件下，考慮到干擾環路n相對于雷達視線的半張角θn很小，θn≈θe，則單脈沖雷達的和通道與差通道的信號輸出可分別表示為：

式中，PΣ(θ)和PΔ(θ)分別為單脈沖雷達和通道與差通道的方向圖增益，Pc(θ)為干擾天線單元的方向圖增益。

比幅單脈沖測角系統用和通道接收的信號歸一化差通道接收的信號，并取歸一化后信號的實部，可得到單脈沖比為：

根據文獻［16］中的結論，單脈沖測角結果θi與單脈沖比MJ為線性關系，可表示為：

通過進一步對和差通道的天線方向圖做泰勒級數展開和近似，單脈沖測角結果可以近似表達為：

式中，Gcj為交叉眼干擾增益，表達式為：

由式（5）可知，當干擾系統天線基線長度確定，即θe固定后，單脈沖雷達測角誤差的決定因素為交叉眼干擾增益Gcj。根據式（6）可知，理論上當式（7）—（8）成立時，交叉眼干擾增益Gcj最大，即單脈沖雷達測角誤差最大。

另外，通過式（7）可以看出，為獲得最大干擾增益，多點源交叉眼干擾環路的幅度比無需按照兩點源的情況（幅度比為1，即0 dB）設計，因此參數容限要求更寬松，即對幅度控制精度要求更低，具體分析見下文3.1 小節。

2 實現方法

在實際應用中，若每個干擾環路的一對陣元天線均用來接收和發射，則一般采用如圖3 所示的選通電路，該干擾環路包含了放大轉發器、移相器和環形器等部分，設計較復雜。另一方面，由于每個天線利用環形器收發切換工作，因此無法保證收發同時，可能導致一對陣元天線均無法接收完整雷達脈沖信號，或跨脈沖周期接收雷達信號，針對脈寬較寬或采用脈間捷變的雷達，干擾效能將受影響。

圖3 典型干擾環路選通電路

本節提出一種基于反向陣的多點源交叉眼干擾實現方法，可實現同時收發，且降低干擾環路設計復雜度。

反向天線陣列采用2 個平行的線陣，分別記為線陣A和線陣B，如圖4 所示。線陣A和線陣B的陣元數均為N，N為偶數且N≥4；線陣A用于接收雷達信號，線陣B用于發射干擾信號；線陣A由間隔距離L的子陣A1 和子陣A2 組成，A1 和A2 都是以d0為間隔的均勻陣，且天線單元個數均為N/2，其中d0一般取值為最大工作頻點對應的半波長，以避免出現干擾波束柵瓣，使干擾主瓣增益降低；線陣B由子陣B1 和子陣B2 組成，陣元分布情況與線陣A相同，在垂直方向與線陣A間隔l0。

圖4 反向天線陣列示意圖

線陣A與線陣B中各個陣元的交聯關系如圖5 所示，線陣A中第1， 2， …，N/2 個陣元（即子陣A1）接收到雷達信號后，分別輸送至干擾環路1， 2， …，N/2進行相位調制和幅度調制，產生前N/2 路干擾信號，再將各路干擾信號將分別送至線陣B中第N，N-1，…，N/2+1 個陣元（即子陣B2）輻射出去。同理，線陣A中第N/2+1，N/2+2， …，N個陣元（即子陣A2）接收到雷達信號，經干擾環路N/2+1，N/2+2，…，N調制后，所產生的后N/2 路干擾信號由線陣B中第N/2，N/2-1， …， 1 個陣元（即子陣B1）輻射出去，從而完成干擾信號的發射。

圖5 陣列A 與陣列B 中各個陣元交聯關系示意圖

干擾環路主要由移相器和放大轉發器等部分組成，如圖6 所示，用于精確控制每個干擾環路中對雷達信號的相位調制量和幅度調制量。 干擾環路1， 2， …，N/2 分別和干擾環路N，N-1， …，N/2+1構成干擾環路對，通過幅相調制，使每個干擾環路對中的2 個干擾信號均具有適當的相位差和幅度比，可保證單脈沖雷達產生較大的測角誤差，即獲得良好的干擾效果。

圖6 干擾環路組成示意圖

3 仿真實驗

本節通過仿真實驗分析基于反向陣的多點源交叉眼干擾系統參數容限和干擾效能。仿真中，假設線陣A和線陣B的陣元數為4，陣元間距d0=0.015 m，線陣A和線陣B的垂直間隔l0=0.25 m，子陣A1 和子陣B1 分別與子陣A2 和子陣B2 間隔5 m。單脈沖雷達的工作頻率為10 GHz，其與干擾機相距5 km，以單脈沖雷達為視角，干擾機的角度方向與單脈沖雷達跟蹤波束中心指向相差2°。

3.1 系統參數容限分析

不考慮平臺回波，兩點源反向交叉眼干擾增益等高線如圖7 所示，實際等高線關于幅度比a=0 dB 對稱，為簡單起見，這里省去了幅度比a＞0 dB 時對應的等高線；基于反向陣的多點源交叉眼干擾增益等高線如圖8 所示，考慮了干擾環路1 幅度比a1和相位差Δ?1分別取不同值。對比圖7 和圖8 可看出，在相同干擾增益條件下，基于反向陣的多點源交叉眼干擾對應的等高線范圍明顯大于兩點源反向交叉眼干擾對應的等高線范圍，因此基于反向陣的多點源交叉眼干擾可允許系統參數在更大范圍內取值，即對幅度和相位控制精度要求更低。

圖7 傳統兩點源交叉眼干擾增益等高線

圖8 基于反向陣的多點源交叉眼干擾增益等高線

3.2 干擾效能

考慮干擾環路1 中幅度比a1=-0.4 dB 且相位差Δ?1=180°；干擾環路2 中幅度比a2取值范圍為[ -2 dB， 2 dB]，相位差Δ?2取值范圍為[175°， 185°]，同時考慮平臺回波，則對單脈沖雷達實施交叉眼干擾時，單脈沖雷達的實際測角結果如圖9 所示?？梢钥闯?，Δ?2越接近180°，單脈沖雷達的實際測角結果與目標真實角度偏差越大；Δ?2為180°時，a取值在和區間內，可使得單脈沖雷達測角誤差大于3°。

圖9 理想幅度比和相位差下的單脈沖測角結果

現考慮相位差存在1°以內的誤差，幅度比an存在0.1 dB 以內的誤差，令Δ?n和an分別在區間[179°，181°]和[ -0.1 dB，0.1 dB]內服從均勻分布，則當干擾機與單脈沖雷達的干擾距離不同時，單脈沖雷達測角誤差如圖10 所示?？梢钥闯?，干擾距離在8 km 以內時，單脈沖雷達的測角誤差不小于1°，且隨著干擾距離縮短，單脈沖雷達的測角誤差增大。因此，實驗結果表明，本文所提實現方法能對單脈沖雷達測角系統造成嚴重測角偏差。

圖10 存在幅相調制誤差時單脈沖測角誤差

4 結束語

本文介紹了基于反向陣的多點源交叉眼干擾理論，并提出一種實現方法。通過采用2 個分置的天線陣列，分別用于接收雷達信號和發射干擾信號，可實現收發同時，提升干擾效能；同時降低了干擾環路的設計復雜度，利于工程實現。仿真試驗結果表明，通過在適當區間內調制每個干擾環路對中2 個干擾信號的相位差和幅度比，該方法能對單脈沖雷達測角系統造成嚴重測角偏差，同時可允許干擾信號存在一定的幅度和相位調制誤差。