李永禎胡萬秋 孫 豆 李重威

(國防科學技術大學電子信息系統(tǒng)復雜電磁環(huán)境效應國家重點實驗室 長沙 410073)

一種基于極化信息的機載拖曳式誘餌存在性檢測與抑制方法研究

李永禎*胡萬秋 孫 豆 李重威

(國防科學技術大學電子信息系統(tǒng)復雜電磁環(huán)境效應國家重點實驗室 長沙 410073)

該文提出了一種利用極化信息對機載拖曳式誘餌進行檢測和抑制的方法。建立了拖曳式誘餌干擾條件下雷達目標的全極化雷達回波模型，分析了轉發(fā)式誘餌干擾和雷達目標在單脈沖雷達測角系統(tǒng)中不同極化通道響應函數的差異，利用存在和不存在干擾時測得的目標極化散射矩陣散度的差異，提出了一種轉發(fā)式拖曳誘餌存在性的檢測方法，并設計了相應的干擾抑制算法。仿真實驗驗證了該方法的可行性和有效性。該文的研究工作為有效檢測與抑制拖曳式誘餌提供了一條新的途徑，對提高雷達末制導系統(tǒng)在干擾條件下的精確打擊能力具有重要參考意義。

轉發(fā)式有源誘餌；極化；極化散度；干擾抑制

1 引言

拖曳式雷達有源誘餌(Towed Radar Active Decoy, TRAD)作為一種載機外干擾源，通過施放與載機回波相似的非相干/相干干擾信號，使得雷達接收的目標回波和干擾信號互相干涉混疊，引起雷達觀測的不確定，致使目標跟蹤失效，進而使導彈命中概率急劇下降。目前，TRAD已成為空戰(zhàn)中飛機目標的重要保護手段[1-3]。

由于TRAD在現代戰(zhàn)爭中具有比較好的作戰(zhàn)效果，20世紀80年代中期以來，美、法等國家掀起了研制TRAD的熱潮。目前，歐美國家公開報道的拖曳式雷達誘餌主要有ALE-50, ALE-55, Ariel, Sky Buzzer, BO2D等，其典型干擾樣式是轉發(fā)式干擾、噪聲壓制干擾和調制應答式干擾。但現役大量裝備的拖曳式有源誘餌多為第1代誘餌(如ALE-50等)，這也是唯一經過實戰(zhàn)檢驗的誘餌[4]，其基本功能是通過對雷達發(fā)射脈沖進行直接放大轉發(fā)或簡單調制放大轉發(fā)而實現信號的轉發(fā)或應答。因此本文從實際需求出發(fā)，主要研究轉發(fā)式拖曳誘餌干擾的對抗問題。

目前，國內外關于拖曳式誘餌干擾的研究主要集中在干擾原理分析、性能仿真和效果評估等[5-9]方面，而關于干擾鑒別與抑制方法的研究較少。由于TRAD能夠逼真地模擬目標的運動等特性，使得二者在時域、頻域和空域上的差異都較小，常規(guī)的信號處理方法難以對其進行檢測和分辨，無法抑制誘餌干擾。而極化描述了電磁波的矢量性，是幅度、頻率、相位以外的一個重要基本參量，利用雷達目標和有源電子干擾在極化特性上的差異進行真假鑒別與抑制方法的研究日益增多[5,10,11]。然而，極化信息用于拖曳式誘餌干擾的鑒別與抑制方法研究尚少見諸報道。

事實上，目標回波信號的極化與雷達發(fā)射信號極化密切相關，而有源拖曳式誘餌干擾信號的極化與雷達發(fā)射極化無關，即二者合成信號為一個固定極化信號和一個與目標變極化效應相關的信號的矢量疊加，這與當無干擾條件下僅為與目標變極化效應相關的信號極化存在差異，可以通過極化編碼等方式加以檢測與抑制。本文研究了利用極化信息進行抑制機載拖曳式誘餌干擾的方法，給出了轉發(fā)式誘餌干擾和雷達目標在單脈沖極化雷達測角系統(tǒng)中的不同極化通道響應函數，提出了一種轉發(fā)式誘餌干擾的存在性檢測與抑制方法，并結合典型干擾場景仿真驗證了該方法的有效性。

2 全極化雷達回波模型及極化散射矩陣(PSM)的估計

2.1 目標的全極化雷達回波模型及其PSM的估計

對于垂直極化接收天線(V)而言，雷達目標的和差通道信號為：

進而可以估計得到目標的PSM為：

也即通過任意一對脈沖信號，可估計出目標的PSM值為：

2.2 存在拖曳式誘餌干擾下的雷達全極化回波模型及其等效PSM的估計

機載拖曳式有源誘餌在使用過程中，由于它與載機的航速、航向及雷達散射特征基本相同，雷達無法從角度、距離和速度上將目標與誘餌進行分辨，因此雷達會將目標與誘餌當作一個目標進行處理，造成測角偏差，并最終失去對目標的攻擊能力。設有源誘餌的極化方式為不妨設有源誘餌和目標的幾何關系如圖1所示。其中，θS表示飛機目標與瞄準軸的夾角，θJ表示有源誘餌與瞄準軸的夾角。

圖1 目標和有源誘餌的空間關系示意圖Fig. 1 Spatial relationship diagram of target and active decoy

其中，b為與誘餌干擾功率、雷達發(fā)射功率、天線增益、雷達與目標距離等因素有關的一個常量因子，θJ表示有源誘餌與瞄準軸的夾角，J(t)為有源誘餌干擾的信號形式。

對于垂直極化接收天線而言，雷達目標的和差通道信號為：

對于轉發(fā)式有源誘餌而言，不妨設干擾信號與雷達發(fā)射調制信號波形存在如下關系：

其中，G為轉發(fā)增益。因此，依然選擇任意的兩組極化方式脈沖信號激勵目標時的雷達接收信號，對其和通道信號進行匹配濾波、幅相標定以后，此時得到如下關系式：

此時，仍按式(5)和式(6)計算出此時的等效PSM(記為列矢量)為：

也即對于任意一對脈沖，估計出的PSM值與目標PSM真實值存在顯著差異，且互不相同，這為有源誘餌存在的檢測、鑒別與抑制提供了依據和支撐。

3 TRAD的存在性檢測與抑制算法

3.1 極化檢測特征量的設計

由式(5)、式(6)和式(11)可知，假設雷達的發(fā)射信號為由N個不同極化方式的子脈沖組成的極化調制脈沖信號，

當沒有干擾時，考慮到此時為跟蹤狀態(tài)，雷達接收回波的信噪比較高，因此目標PSM的M組估計值精度較高，一致性好；而存在有源誘餌干擾時，計算M組PSM的估計值與目標真實PSM值相差較大，且互不相同。因此，可以借鑒極化聚類中心和極化散度[14]的概念來刻畫此種差異，設計有源誘餌存在性檢測的鑒別量。

若M組PSM估計值記為列矢量為那么PSM的聚類中心定義為：

PSM的分布散度定義為：

其中，上標“H”表示共軛轉置。

其分布散度為：

因此，可以根據PSM值分布散度的相對大小來檢驗是否存在轉發(fā)式拖曳式誘餌干擾信號，即：

其中，Th為鑒別門限，與子脈沖的個數、干信比等因素有關，經統(tǒng)計分析一般可取值為0.2。

3.2 極化抑制算法

前面給出了干擾存在性的檢驗方法，在此基礎上，根據雷達各個子脈沖的接收回波的極化特性的差異，可以濾除干擾信號，并進行單脈沖測角處理，給出正確的角度測量值。

由式(7)、式(8)和式(9)可知，對于任一對子脈沖而言，對差通道信號進行匹配濾波、幅相標定以后，此時得到如下關系式：

根據經典單脈沖測角方法，此時測角值為：

根據式(20)、式(21)，目標角度值可以由式(22)得到

由式(23)，式(24)可見，經過不同子脈沖信息的融合，可以得到目標角度的精確測量值，且該值與子脈沖的極化狀態(tài)無關。

4 仿真實驗與結果分析

假設在我方跟蹤階段敵方戰(zhàn)機發(fā)現被鎖定后投放拖曳式誘餌進行對抗，我方雷達測角方式為比幅單脈沖測角，敵方拖曳式誘餌工作方式為直接放大轉發(fā)。發(fā)射的子脈沖均為線極化，可以統(tǒng)一由k=0;1;2;···;N-1表示，相位差ηk=0。雷達發(fā)射信號的中心頻率f0=10GHz ，目標為某飛機在某姿態(tài)角下的散射矩陣為b/a=1，天線的主瓣寬度4°。圖2給出鑒別量η隨發(fā)射信號子脈沖個數N的變化曲線。

從圖2可見，隨著子脈沖數N的增大，η的值單調增加，這意味著作為判斷干擾存在與否的鑒別量性能也隨著子脈沖數的增加而改善。這個結論在直觀上可以這樣理解：對于N=4和N=8這兩種情況，發(fā)射子脈沖的極化按照k=0;1;2;···;N-1的取法，N=4的情況顯然包含在N=8中，即后者多包含了k=1,3,5,7四組極化，這必然導致散度值的增加。另外觀察圖2的|G|=5, |G|=20, |G|=35三條曲線可以發(fā)現，隨著轉發(fā)增益|G|的增大，相應的η值也隨之增大，但是從|G|=20到|G|=35增加的幅度并不十分明顯。圖3給出了N=16時，η隨|G|增大的漸進過程。由圖3可見，即使當|G|不是特別大時，鑒別量η的值也是十分接近極限值的，這說明，本鑒別算法適用范圍是較為寬泛的。

圖4仿真分析了干擾極化狀態(tài)對鑒別量的影響，其中γJ∈[0;90°], ηJ∈[0;360°]。 從圖 4的結果可見，γJ, ηJ的變化對鑒別量的值影響明顯，且在γJ∈[0;90°], ηJ∈[0;360°]范圍內存在峰值和谷值。這意味著對于干擾方可以通過控制不同極化通道的幅度比將鑒別量的值減小到最小，以此提高干擾性能。但是即使是在鑒別量值最小的時刻，本文設定的門限依然有效。

圖2 鑒別量 η 隨發(fā)射信號子脈沖個數N的變化曲線Fig. 2 The curvilinear relations between the identification η and the number of transmitted sub-pulsesN

圖3 η 隨 |G| 的變化曲線Fig. 3 The curvilinear relations between η and |G|

最后，在判定存在拖曳式干擾后，采用本文所提出的辦法進行抑制。圖5給出了測角值隨干擾轉發(fā)增益|G|的變化曲線，其中θS=0.5°,θJ=1.5°，信噪比為10 dB，干擾抑制之前的角度測量值取所有子脈沖組合測角的均值。由圖5可見，在未采用抑制算法之前，隨著轉發(fā)增益的增大，角度測量值將逐漸離開真實值過渡到θJ，采用本文算法后，角度測量值在真實值附近波動，表明拖曳式誘餌干擾得到了有效的抑制。

圖4 干擾信號的相位描述子(γJ;ηJ)對 η的影響Fig. 4 The influence of the phase descriptor (γJ;ηJ) of the interfering signal onη

圖5 極化抑制前后的角度測量結果比較Fig. 5 Comparison of angle measurements before and after polarization suppression

5 結束語

機載拖曳式有源干擾是對抗防空導彈的有效手段，對導彈末制導構成了嚴峻挑戰(zhàn)。本文研究了利用極化信息鑒別機載拖曳式有源轉發(fā)干擾的方法，并給出了抑制該類型干擾的算法，理論分析和計算機仿真均證實了本文算法的正確性和有效性。本文的研究工作對于雷達系統(tǒng)優(yōu)化設計、干擾系統(tǒng)優(yōu)化設計等應用領域有著一定的參考價值。

即使晚年，西湖邊的云松書舍也沒有成為他最終的選擇。他毫無疑問是香港的產物，是那個特殊時代的產物，離開了這樣的時空來看金庸，無論褒之貶之都沒有歷史感，對歷史人物要有同情之理解，錢穆先生是對的。何況他生平的言行還有許多不到能細說、能說清楚的語境。

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李永禎(1977-)，男，內蒙古人，博士后，研究員，國防科技大學電子信息系統(tǒng)復雜電磁環(huán)境效應重點實驗室副主任，主要研究方向為新體制雷達與電子對抗。

E-mail: e0061@sina.com

胡萬秋(1985-)，男，內蒙古人，博士，主要研究方向為雷達信號處理和陣列天線設計。

E-mail: huwanqiu_1985@sina.com

孫 豆(1992-)，女，陜西人，國防科技大學電子科學與工程學院在讀碩士研究生，主要研究方向為極化雷達成像、雷達信號處理與目標識別。

E-mail: m17607310296@163.com

李重威(1993-)，男，湖南郴州人，國防科技大學電子科學與工程學院在讀碩士研究生，主要研究方向為空間信息獲取與處理技術。

E-mail: 13501120017@163.com

Scheme for Polarization Detection and Suppression of TRAD

Li Yongzhen Hu Wanqiu Sun Dou Li Zhongwei
(State Key Laboratory of Complex Electromagnetic Environment Effects on Electronics and Information System,National University of Defense Technology,Changsha410073,China)

This paper focuses on the countermeasures of airborne towed radar active decoy. Moreover, a detection and suppression scheme of Towed Radar Active Decoy (TRAD) using polarization information is proposed. A full-polarization radar echo model with the presence of jamming is established. Furthermore, based on a monopulse radar angle measurement system, the difference between the characteristics of TRAD and radar targets in different polarization channels is analyzed. A detection scheme is proposed using the differences of target Polarization Scattering Matrix (PSM) divergence with the presence and absence of TRAD. Subsequently, the corresponding jamming suppression algorithm is developed. The efficiency and advantages of the proposed algorithm are validated via theoretical analyses and simulation studies. This paper provides an effective method to detect TRAD and can provide a significant reference for improving the precision strike of terminal guidance radar under jamming.

Towed Radar Active Decoy (TRAD); Polarization; Polarization discrimination; Jamming suppression

TN95

A

2095-283X(2016)06-0666-07

10.12000/JR16115

李永禎, 胡萬秋, 孫豆, 等. 一種基于極化信息的機載拖曳式誘餌存在性檢測與抑制方法研究[J]. 雷達學報, 2016, 5(6): 666-672.

10.12000/JR16115.

Reference format:Li Yongzhen, Hu Wanqiu, Sun Dou,et al.. Scheme for polarization detection and suppression of TRAD[J].Journal of Radars, 2016, 5(6): 666-672. DOI: 10.12000/JR16115.

2016-10-12；改回日期：2016-12-28

*通信作者：李永禎 e0061@sina.com

國家自然科學基金(61490692)

Foundation Item: The National Natural Science Foundation of China (61490692)