戴幻堯，王建路，周 瑞，石 川

（1.中國人民解放軍63892 部隊(duì)，河南 洛陽 471003；2.空軍航空大學(xué)，吉林 長春 130022）

0 引言

單脈沖技術(shù)在精確制導(dǎo)武器中的應(yīng)用已非常廣泛，為了與之對(duì)抗，美軍在空軍、海軍多個(gè)型號(hào)裝備上部署了具備交叉極化干擾能力的電子對(duì)抗裝備，例如F-16CD Block60 吊艙、艦載電子戰(zhàn)系統(tǒng)APECS-II、SLQ-32（V）電子戰(zhàn)系統(tǒng)等等。美軍的APECS-II 艦載電子戰(zhàn)系統(tǒng), 具有自適應(yīng)交叉極化干擾功能，具有噪聲/欺騙多種干擾波形，采用了相控陣多波束天線，可覆蓋方位360°和高低角30°的范圍，它以脈沖和連續(xù)波方式輻射大功率干擾，可同時(shí)對(duì)付16 個(gè)目標(biāo)，與以前的相控陣天線相比，此系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)變極化（專門對(duì)付單脈沖威脅源），能對(duì)付多種復(fù)雜信號(hào)，是世界上第1 部以交叉極化干擾為主要手段、以單脈沖主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭為作戰(zhàn)對(duì)象的電子干擾（ECM）系統(tǒng)。該系統(tǒng)已經(jīng)出口了包括葡萄牙、荷蘭、希臘、巴基斯坦等在內(nèi)的多個(gè)國家，美國海軍的SLQ-32(V)電子戰(zhàn)系統(tǒng)，法國的ARBB33 干擾機(jī)和以色列的SEWS 電子戰(zhàn)系統(tǒng)也采用了類似技術(shù)。美軍新一代干擾機(jī)AN/ALQ-249 也具備極化分集能力。極化分集干擾技術(shù)屬于一種智能的干擾樣式和技術(shù)，對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生全程、不同效果的干擾威脅。本文在分析極化分集干擾的基礎(chǔ)上，測(cè)量了典型單脈沖雷達(dá)和差波束天線方向圖的正交極化分量。為了給后續(xù)的工程研究打下基礎(chǔ)，通過極化分集干擾的等效替代試驗(yàn)證實(shí)了這種干擾技術(shù)的有效性。

1 極化分集干擾原理及裝備情況

早在1967 年，美國國家航空和航天局（NASA）建立的航天測(cè)控和數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)（STADAN）在使用固定單極化天線對(duì)地球軌道衛(wèi)星進(jìn)行跟蹤時(shí)，就發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星姿態(tài)變化導(dǎo)致的極化失配會(huì)嚴(yán)重破壞自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)，這種現(xiàn)象出現(xiàn)的時(shí)間占衛(wèi)星通過觀測(cè)區(qū)域總時(shí)間的22%。蘇聯(lián)也發(fā)現(xiàn)了單脈沖雷達(dá)天線的方向圖具有復(fù)雜的極化結(jié)構(gòu)，并且測(cè)角精度容易受到通道一致性、目標(biāo)的去極化作用、多徑散射造成的去極化等因素的影響，并根據(jù)單脈沖雷達(dá)天線的這種固有屬性設(shè)計(jì)了交叉極化干擾樣式，但是沒有披露詳細(xì)的技術(shù)細(xì)節(jié)。2010 年，美國空軍實(shí)驗(yàn)室對(duì)某X 波段雷達(dá)導(dǎo)引頭在交叉極化干擾條件下的定向性能進(jìn)行了大量的微波暗室實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明極化干擾具有非常好的干擾效果，圖1 為暗室測(cè)量試驗(yàn)的場(chǎng)景照片，但是沒有詳細(xì)的試驗(yàn)細(xì)節(jié)公布。在最新一版的美國《應(yīng)對(duì)新一代威脅的電子戰(zhàn)》一書中，變極化干擾被歸結(jié)為下一代雷達(dá)干擾技術(shù)。

圖1 美國空軍實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)的場(chǎng)景

交叉極化干擾機(jī)試圖在差通道中產(chǎn)生一個(gè)交叉極化分量，該分量相對(duì)于雷達(dá)極化分量更大，從而使得誤差達(dá)到或超過雷達(dá)波束寬度的一半。交叉極化利用了單脈沖天線的固有缺陷，圖2 顯示了干擾機(jī)對(duì)交叉極化信號(hào)的響應(yīng)與共極化信號(hào)的響應(yīng)，可以看出顯著的差異：交叉極化和波束在視軸方向上為零陷，此外還有一個(gè)高于共極化波束的旁瓣結(jié)構(gòu)。相反，差交叉極化波束在視軸方向具有最大值。如果交叉極化干擾機(jī)功率足夠大（干信比為30 dB），則單脈沖跟蹤雷達(dá)接收到的交叉極化分量比同極化分量強(qiáng)。這將使得單脈沖跟蹤雷達(dá)跟蹤采用交叉極化的干擾信號(hào)，從而遠(yuǎn)離目標(biāo)，單脈沖跟蹤雷達(dá)跟蹤采用交叉極化的干擾信號(hào)情況如圖3 所示。美海軍的極化分集干擾裝備應(yīng)用情況如圖4 所示。

圖2 交叉極化干擾機(jī)對(duì)交叉極化與共極化信號(hào)的響應(yīng)

圖3 單脈沖跟蹤雷達(dá)跟蹤使用交叉極化的干擾信號(hào)情況

圖4 美海軍的極化分集干擾裝備應(yīng)用情況

RAVEN 電子對(duì)抗系統(tǒng)是一款由洛克希德·馬丁加拿大公司研制的水面艦艇電子對(duì)抗系統(tǒng)，使用交叉極化的欺騙、噪聲和復(fù)合干擾，以干擾敵對(duì)勢(shì)力對(duì)電磁頻譜的利用。

RAVEN 為所有海軍平臺(tái)提供360°的反艦導(dǎo)彈(ASMD)自我保護(hù)，并具有高度可擴(kuò)展性，俯仰覆蓋為-30°～+60°。RAVEN 由一組極化可操控的中/高頻天線(6～18 GHz)組成，可選擇低頻或甚高頻。RAVEN 基于RAMSES(可重編程的高級(jí)多模式艦載電子對(duì)抗系統(tǒng))的現(xiàn)代改進(jìn)技術(shù)，DRFM 瞬時(shí)帶寬為2 GHz、中心頻率精度為1 MHz。RAVEN 采用開放架構(gòu)，升級(jí)更加便捷，以適應(yīng)現(xiàn)代威脅。與傳統(tǒng)的雷達(dá)干擾機(jī)不同，RAVEN 使用先進(jìn)的射頻和脈沖重復(fù)間隔（PRI）預(yù)測(cè)技術(shù)，能夠?qū)κ褂枚喾N復(fù)雜PRI 和射頻捷變模式的現(xiàn)代雷達(dá)系統(tǒng)，產(chǎn)生超前和滯后的假目標(biāo)。對(duì)各種雷達(dá)系統(tǒng)和雷達(dá)制導(dǎo)導(dǎo)彈，RAVEN 可產(chǎn)生欺騙和遮蔽對(duì)抗信號(hào)。RAVEN 實(shí)現(xiàn)了片上系統(tǒng)(SoC)技術(shù)，應(yīng)用于特殊模式技術(shù)、軟殺傷評(píng)估和天線穩(wěn)定和控制技術(shù)。SoC 設(shè)計(jì)是高度模塊化的，易于適應(yīng)各種天線組件和船舶穩(wěn)定接口。

據(jù)最新報(bào)道，美國雷聲公司下一代干擾機(jī)（NGJ）具備智能、變極化干擾能力，并已完成飛行試驗(yàn)。該系統(tǒng)為吊艙形式，其中最重要的技術(shù)是有源電子掃描陣列（AESA）。AESA 帶寬非常寬，采用瓦片式T/R組件，包含T 支路的高效高功率GaN 放大器和R 支路的低噪聲放大器，2 個(gè)支路都包含移相器和增益控制元件。雙極化孔徑元件使系統(tǒng)極化可以選擇。陣列包含與FIRES 軟件定義接收器/技術(shù)生成器單元(SDREU)進(jìn)行通信的數(shù)字控制器，并向每個(gè)模塊發(fā)送數(shù)字信號(hào)，設(shè)置控制AESA 波束（波束指向角，極化，頻率等）的參數(shù)。交叉極化技術(shù)AESA 使得該干擾系統(tǒng)具有了多極化、變極化干擾的能力。2016 年10 月27 日，NGJ 在飛行中進(jìn)行了極化分集的驗(yàn)證，RMR 在測(cè)試范圍內(nèi)對(duì)所接收的極化數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量和記錄。7次飛行性能試驗(yàn)中，發(fā)射線極化的角度分別為15°,30°,45°,60°,75°,90°。 在 飛 機(jī) 飛 行 期 間 ，AESA 從+45～-45進(jìn)行指向角度掃描。數(shù)據(jù)還通過開放式四邊形四角形喇叭和一組頻譜儀進(jìn)行采集。后面，下一代干擾機(jī)還開展了多次性能試驗(yàn)。

2 極化分集干擾技術(shù)

控制干擾信號(hào)極化的手段常有2 種：一是在天線口面加裝極化天線罩的無源手段，這不便于用于機(jī)載電子自衛(wèi)對(duì)抗系統(tǒng)。因?yàn)殡S著飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)，交叉極化干擾的極化形式必須實(shí)時(shí)地與接收到的雷達(dá)極化特性保持正交，而無源控制極化的方法無法保證實(shí)時(shí)變極化的要求。第二種是通過給一對(duì)正交雙極化的天線饋入相干信號(hào)，控制2 個(gè)信號(hào)的幅度和相位來實(shí)現(xiàn)，技術(shù)方案如圖5 所示。圖中，一對(duì)正交極化天線接收雷達(dá)信號(hào)，通過正交極化接收、反向極化變換轉(zhuǎn)發(fā)來實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)交叉極化干擾，反向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和反向交叉眼的前端結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)類似，發(fā)射和接收有一個(gè)180°的相位反相。交叉極化干擾可以采用噪聲類型干擾，也可以采用復(fù)制轉(zhuǎn)發(fā)類干擾信號(hào)(相干)，也使用重復(fù)噪聲(基于DRFM 的相干噪聲調(diào)制)。

圖5 基于轉(zhuǎn)發(fā)干擾的結(jié)構(gòu)

雙通道反向轉(zhuǎn)發(fā)產(chǎn)生正交極化的必要條件是：2個(gè)通道在轉(zhuǎn)發(fā)過程中增益保持一致，相位差反相，相差180°。因?yàn)樾胁ü軐儆诜蔷€性器件，難以保證幅度的一致性和相位的穩(wěn)定性，所以多年來工程化一直難以實(shí)現(xiàn)。但隨著固態(tài)功率放大器技術(shù)水平的不斷提高，在不同頻段上可以采用相應(yīng)頻段的功放，其線性放大特性得以保證一致，此外，隨著數(shù)字儲(chǔ)頻技術(shù)、收發(fā)隔離技術(shù)的不斷發(fā)展，干擾機(jī)不僅可以做到收發(fā)分時(shí)工作，通過特殊設(shè)計(jì)還可以實(shí)現(xiàn)收發(fā)同時(shí)工作，這就使轉(zhuǎn)發(fā)式交叉極化干擾具備了工程實(shí)現(xiàn)的可能。

基于極化變換轉(zhuǎn)發(fā)原理的自適應(yīng)交叉極化干擾，可以自適應(yīng)地生成與之極化正交的干擾信號(hào)，省卻了極化估計(jì)的環(huán)節(jié)，通過收發(fā)分時(shí)/同時(shí)工作、功率放大、數(shù)字射頻存儲(chǔ)并轉(zhuǎn)發(fā)給雷達(dá)，使單脈沖雷達(dá)形成錯(cuò)誤的角度測(cè)量信息，能夠有效地掩蓋真實(shí)目標(biāo)所在空間位置。

3 極化分集干擾的等效替代試驗(yàn)

對(duì)某單脈沖雷達(dá)樣機(jī)開展天線方向圖的正交雙極化測(cè)量實(shí)驗(yàn)和干擾實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明，交叉極化方向圖與主極化方向圖的幅度結(jié)構(gòu)基本一致，比主極化的水平低30 dB，如圖6 所示。

圖6 主極化和交叉極化的方向圖

考慮天線的相位特性后，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到了俯仰向的角度鑒別曲線,如圖7 所示。角度鑒別曲線的實(shí)測(cè)結(jié)果在線性區(qū)間性能良好，主極化和交叉極化的結(jié)構(gòu)類似，斜率接近，差異較小，交叉極化的角度鑒別曲線平坦度比如主極化，存在明顯起伏。方位向的角度鑒別曲線，在線性區(qū)間性能良好，主極化和交叉極化的結(jié)構(gòu)類似，斜率相反。交叉極化的角度鑒別曲線平坦度比如主極化，存在明顯起伏。

圖7 主、交叉極化的角度鑒別曲線

圖8 給出了兩種不同干信比條件下雷達(dá)角度測(cè)量輸出結(jié)果，從圖8（a）可以看出，在無干擾條件下，目標(biāo)基本位于中心方位，方位和俯仰測(cè)量值基本是0，有微小的起伏，關(guān)掉目標(biāo)源后，角度量測(cè)值完全是噪聲，此時(shí)角度輸出值是無效值；當(dāng)切換為交叉極化干擾后，角度輸出值發(fā)生很大變化，方位和俯仰測(cè)量值不再是0°方向，方位輸出在-1°～-2°之間起伏變化，俯仰值是+1°起伏變化。將干信比提高到情況2，從圖8（b）可以看出，角度輸出值發(fā)生很大變化，方位和俯仰測(cè)量值不再是0°方向，方位輸出在-3°～-4°之間起伏變化，俯仰值是-1°起伏變化。上述結(jié)果說明了交叉極化干擾的有效性。

圖8 干擾加載后雷達(dá)樣機(jī)的方位通道俯仰通道輸出

4 結(jié)束語

極化分集干擾的實(shí)質(zhì)是對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行極化域調(diào)制，可以是實(shí)時(shí)跟蹤雷達(dá)極化變化的“極化瞄準(zhǔn)”干擾，也可以是和雷達(dá)完全正交的“交叉極化”信號(hào)，也可以是按一定時(shí)序變化的“極化切換”干擾，或是類似噪聲的“隨機(jī)極化”干擾。極化分集干擾拓寬了干擾樣式變化的維度，從時(shí)域、空域、頻域、能量域四個(gè)維度拓展到了時(shí)、空、頻、能量、極化域五個(gè)維度。如果雷達(dá)對(duì)抗系統(tǒng)具備極化域測(cè)量和極化調(diào)制干擾能力，就能夠利用雷達(dá)的某些特性或者缺陷，有望取得顯著的干擾效果。