对多种体制雷达多普勒干扰的研究

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摘 要:由于现代雷达技术在现代电子战争中的显著地位,针对现代电子战中先进的多普勒雷达,极化分集体制雷达,合成孔径雷达的频域工作过程提出了新的多普勒干扰方法,并对于干扰原理和干扰结果做了理论性的阐述和分析。通过大量的计算推导看出,多普勒干扰方法可使以上三种雷达不能正常工作,对于雷达的干扰达到预想效果,在现在电子战中有很好的应用前景。关键词:多普勒雷达; 极化分集体制雷达; 合成孔径雷达; 多普勒干扰

中图分类号:TN95-34文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)17-0023-04

Effects of Doppler Interference on Three Kinds of Radar Systems

QIN Qin

(Eastern Liaoning University, Dandong 118000, China)

Abstract: Because of the notable status of the radar technology in modern electronic war, aiming at the working process of the advanced Doppler radar, polarization radar and synthetic aperture radar, the new ways of Doppler interference are put forward to deal with the three kinds of radars which are very important in the modern war. The interfering priciple and the result of the Doppler interference are analyzed theoretically. By a lot of computation and derivation, it is found that the Doppler interfering ways mentioned in the dissertation can make the three kinds of radars to work irregularly, and can achieve the anticipated goal. Therefore, the Doppler interfering methods is sure to have a bright application prospect.Keywords: Doppler radar; polarization radar; synthetic aperture radar; Doppler interference

0 引 言

随着电子技术的发展,现代电子战中雷达技术有了巨大进步,尤其是多普勒雷达、相控阵雷达,还有合成孔径雷达,甚至是这三种雷达的混合型雷达,都其先进的技术和革新性的理论实践,在电子战争中起着能够左右胜负的重要作用。由于这三种雷达在特定领域中的精密理论和技术,对它们进行干扰存在一定难度,但是如果对这三种雷达进行干扰成功,使其不能正常工作,这对于战争结果将有巨大意义。

本文针对多普勒雷达、相控阵雷达及合成孔径雷达的工作过程,提出运用假多普勒频率对其进行干扰的方法,并在理论上进行了推导和证明。从推导结果可见,这种干扰方法能够达到预想效果,因而在现代战争中将有着极其广泛的应用前景。

1 针对多普勒雷达的多普勒干扰分析

1.1 多普勒雷达工作原理

脉冲多普勒雷达利用目标的多普勒信息,在频域上通过滤波器来分离目标和杂波,从杂波中检测出运动目标,其主要滤波方法是:采用多普勒滤波器将目标运动的谱线滤出。

通过对这个多普勒频率的测定,解算出目标的径向运动速度[1]。多普勒频移量可表示为:

fd=vrcf0

式中:fd为多普勒频率;vr为目标相对于雷达的径向速度;c为光速;f0为发射信号的频率。在雷达中,接收机输入端的多普勒频率为上式的两倍,即:

fd=2vrcf0

当系统检测出多普勒频率以后,信号就进入自动速度跟踪(多普勒频率跟踪)环路,如图1所示[2]。

图1 自动速度跟踪环路

1.2 对脉冲多普勒雷达的干扰方法

为了达到测距精度和测速精度的高要求,脉冲多普勒雷达需要采用大时宽和大带宽的信号,因此现阶段脉冲多普勒雷达广泛地采用了线性调频技术,所以干扰时所使用的假多普勒频率也要跟随调频的改变而改变。设定干扰信号的频率随时间变化,即对速度波门进行拖引,但是拖引速度不能大于雷达速度的跟踪能力,即[2]:

vt≤2a/λ

式中:vt为干扰信号频率变化速度;a为雷达能捕获的最大目标运动加速度;λ为发射载频的波长。

但由于速度是矢量,多普勒频率随目标相对于雷达径向速度的变化而变化,而速度的变化又反映了目标与雷达间的距离变化,因此脉冲多普勒雷达多用检测目标的距离变化来排除干扰[3]。为了使利用距离检测排除速度干扰的方法失效,要在对测速系统进行干扰的同时,进行距离干扰。

若速度拖引的频率值为:

f=f0+aωt

式中:f0为脉内载频频率,由于线性调频,f0将随时间线性变化;aω为拖引加速度,是恒量;aωt即为多普勒频率。

由于在雷达中fd=2vrf0/c,所以aωt=2vrf0/c。由此可得vr=caωt/(2f0),即假目标的径向速度为caωt/(2f0)。雷达发射脉冲周期为T,则在一个周期内,假目标走过的距离s为:s=caωtT/(2f0)。所以当对雷达距离跟踪波门进行拖引时,干扰脉冲发射的延时要与要求的距离保持一致,即:Δt=aωtT/(2f0),这说明干扰源发射干扰脉冲时,后一个干扰脉冲较前一个干扰脉冲的发射时间应延时Δt=aωtT/(2f0)。д庋可以保证在对速度跟踪波门进行干扰时,距离跟踪波门无法对干扰信号进行识别。

2 针对极化分集体制雷达的多普勒干扰的分析

2.1 极化分集体制雷达的工作原理

极化分集体制雷达发射不同极化形式的电磁波,通过对不同极化形式的电磁波的接收来判断回波相对于雷达发射波的变极化或者退极化状况,从而进行极化检波和对目标所处状态和姿态进行分析。

在雷达极化中引入了STOCKS极化矢量。设雷达发射波的电场矢量为[4-5](在h,v坐标基下):

t=EthEtv

则发射波的STOCKS极化矢量为:

t=gt0gt1gt2gt3=Eth2+Etv2Eth2-Etv22EthEtvcos φ2EthEtvsin φ

设雷达接收回波的电场矢量为[5-6](在h,v坐标基下):

s=EshEsv

则回波的STOCKS极化矢量为:

s=gs0gs1gs2gs3=Esh2+Esv2Esh2-Esv22EshEsvcos φ2EshEsvsin φ

式中:Eh表示水平场;Ev为垂直场;φ为两个正交场的相位差。

可以得到:

Js=SJt

此处,在单基站雷达系统情况下,S为回波的后向散射矩阵,这个矩阵中的各个元素代表了电磁波经过目标反射的变极化状况,因此暗含了目标的信息。为了消除噪声和干扰的影响,要对矩阵S进行对称化;为了确定最优化接收方式和增大信噪比,要对伪特征值进行求解;为了确定目标材料特性和所处姿势,要对几个极化不多量进行确定。这三点有着主要的意义。

2.2 针对极化分集体制雷达的多普勒干扰方法

在极化分集体制雷达中,对目标S矩阵(若为单基站,则指回波的后向散射矩阵;若为多基站,则指发射波的前向散射矩阵)的确定和分析直接影响到雷达对目标特性的测量结果[6]。因此,若对这种体制雷达进行干扰,最有效的方法就是使之不能得到正确的理想的S矩阵。

对于雷达接收来说,电磁波在空间传输有很多不可靠的特性,例如:一个雷达发射水平极化和垂直极化波时,由于垂直极化波穿过水气的速度相对于水平极化波的速度慢很多,因此目标回波中的水平分量先到达雷达接收天线,而垂直极化波后到达。由于多普勒频率的存在,两种极化波到天线的时间差再乘以这个多普勒频率又形成了一个新的相位差,且迟到的时间越长,这个相位差越大。

在无延时的情况下:

EshejfdtEsyejfdt+jφshv=S1EthEtvejφthv

式中:fd为多普勒频率;φshv和φthv为接收波和入射波垂直场分量与水平场分量的相位差。

为了养活多普勒干扰,通常计划分集体制雷达在求矩阵S1前对于雷达多普勒频率造成的相位偏移都有补偿。补偿后再对矩阵S1进行Cameron修正[3],就得到接近正确反映目标特征的后向反射矩阵。其目标的真实信息通过对S1处理即可得到。

在有延时的情况下:

EshejfdtEsyejfdt+jφshv+jfdΔt=S2EthEtvejφthv

式中:Δt为垂直回波相对于水平回波迟到的时间。在常规的多普勒补偿以后,还剩下fdΔt一项没被补偿掉,即对真实目标回波极化做了改变。由于此项的存在,最后求得的后向反射矩阵S2不能正确反映目标特性。

根据上述干扰原理可看出,最终起干扰作用的是fdΔt一项,所以针对极化分集体制雷达进行多普勒干扰的方法大致有两种:

(1) 在干扰机上也安装4个两两正交的天线,即形成4个两两正交的通道。天线接收到雷达照射波以后,分别在接收波上加上一个附加频率(假多普勒频率),但是保证4个天线接收的波中所加的频率不同,然后再对雷达发射回去,由于假多普勒频率不同,在雷达极化接收时,Δfdt也有所不同,这便形成了干扰。其中,Δfd为两个干扰多普勒频率之差,是不能被补偿掉的部分。

这种方法对电磁波本身的传输特性要求低,所以适用面较广。

(2) 可以在本身在水气保护。由于水气密度越大,雷达发射的水平极化与垂直极化波在接收时延时越大,所以,此时fdΔt项变大,因此对S2矩阵真实地获得干扰比较大。这种干扰方法实现起来简单易行,也是一种良好的针对极化分集体制雷达的多普勒干扰方法。

3 针对合成孔径雷达的多普勒干扰的分析

3.1 合成孔径雷达的工作原理

对于孔径尺寸为D的雷达天线,其半功率点波束宽度β0.5=0.88λ/D。式中λ为天线辐射电磁波的波长[7-8]。通常把β0.5作为雷达角度分辨率的量度,如果目标(散射体)距离雷达的距离为r,则用线性尺寸表示的目标分辨率ρ为:

ρ=0.88λr/D

显然,天线孔径D越大,对目标的分辨率越高。但是由于实现上的困难,不能无限制地增大天线孔径,因而普通雷达的目标分辨率是相当有限的。由于ρ正比于距离r,即普通雷达对远距离目标的分辨率是很差的。

这里设想用孔径为l的小真实天线的运动等效地构成一个长天线,若它能满足一定条件,就可以在运动方向上得到一个等效的大天线孔径(称为合成孔径)Ls,此时雷达对目标的分辨率提高了Ls/l倍。合成孔径雷达的分辨率由下式决定[7-9]:

ρx=0.5λr/Ls

其中:

Ls=λr/l

这样,就消除了距离对分辨率的作用。

一副很长的线阵天线之所以方位分辨率较高,是由于发射时线阵上的每个振子都同时发射相干信号,形成很窄的波束。接收时,每个振子同时接收回波信号,并在馈线上同相叠加,形成窄波束接收。因此,合成孔径雷达天线的基本要求是:真实小天线相对于目标运动,并辐射相干信号,记录接收信号,并经过适当的信号处理,使其对同一目标单元的各个回波信号都能够同相叠加[10]。

合成孔径雷达数据的防卫处理在本质上是对目标的预期调频信号进行匹配滤波[7,10]。回波的多普勒信息是形成匹配滤波的参考函数的关键参数。根据线性调频匹配滤波理论可以预期,多普勒参数的失配对图像的质量将产生重大影响。多普勒形心(中心频率)的误差将导致图像的信噪比降低,并产生目标的位置移动。多普勒速率误差将导致脉冲响应展宽,使图像散焦,分辨率下降,同时还使峰值增益降低。一般这些效应是由于使用不正确的调频率引起的积累相位误差造成的。应注意的是,多普勒速率误差对多视合成孔径雷达处理器的影响与对单视全孔径处理器的影响是不同的。首先,在多视处理器中,由于孔径减小,因而积累的相位误差也减小,所以对性能的恶化程度降低。其次,在多视处理器中将出现“多图像”响应,即各个子孔径图像在非相干叠加时不能精确地重合起来,彼此之间发生了位移。如果正确使用多普勒速率时,一个目标在时刻t1,t2,t3和t4产生的各个图像将彼此重合起来。这些时刻相应于该目标回波的多普勒频率与各个子孔径匹配滤波处理器的中心频率重合的时刻。

3.2 针对合成孔径雷达的多普勒干扰方法

在合成孔径雷达的数字成像处理中,最流行的是距离-多普勒算法。上文针对脉冲多普勒雷达的多普勒干扰方法中提到的方法,对于这种距离-多普勒算法的结果的影响也是很大的。因此,可采用上文的干扰方法对雷达进行干扰。

随着合成孔径雷达图像分析技术的迅速发展,对图像产品的精度,特别是复数图像的保真度提出了更高要求。因此,一种新的精密的数字成像算法――变换先行调频尺度算法[11]产生了。从该算法当中可以看出,多普勒频率在这项算法中也起着重要的作用。因此,如果可以对合成孔径雷达所接收到的信号频率做变化(即施行多普勒干扰),那么算法所处理的图像结果将失真。

如果在多视处理器中使用不正确的多普勒频率(即多普勒干扰频率),则各子孔径图像将分别出现在下列时刻:

t′i=f-Δffti

式中:f是正确的多普勒速率;Δf是多普勒速率的误差,这里可以认为它是在对合成孔径雷达进行多普勒干扰的结果。新的时刻t′i对应于目标回波的多普勒频率与该处理器不正确的中心频率相重合的时刻。每两个图像之间的位移为Δf/f(ti-tj)V,V是雷达相对于成像目标的速度,因此最后的结果将产生图像失真。

由上可见,多普勒干扰对合成孔径雷达的成像处理有很大的负面影响。

4 结 语

在现代电子战争中,对雷达的干扰技术已经成为非常关键的技术。由于多普勒技术运用的越来越广泛,对雷达的多普勒干扰技术进行干扰也逐渐成为战争中对雷达干扰的主要手段之一。多普勒雷达,极化分集体制雷达和合成孔径雷达是现代雷达体制中很重要的组成部分,它们在现代战争中所起的作用是巨大的。正是这个原因,对于这三种雷达干扰已成为现代电子对抗中的热门焦点。从本文的论证可以看到,多普勒干扰方法可应用于对多种体制雷达实施干扰,并且能够达到很好的效果。

参考文献

[1]秦勤,孝建伟.潮流推算在港口雷达海杂波处理中的应用[J].现代电子技术,2008,31(13):71-72.

[2]秦勤,索继东.针对雷达速度跟踪系统的多普勒频率干扰[J].中国雷达,2004(3):25-29.

[3]秦勤.一种针对雷达多普勒测速系统全面干扰的方法[J].火控雷达技术,2005,34(3):65-68.

[4]庄钊文,肖顺平,王雪松.雷达极化信息处理及其应用[M].北京:国防工业出版社,1999.

[5]乔宏章.极化分集接收技术研究[J].无线电工程,1995(5):9-11.

[6]郭华东,李新武.极化干涉雷达遥感机制及作用[J].遥感学报,2002,6(6):401-405.

[7]袁孝康.星载合成孔径雷达导论[M].北京:国防工业出版社,2003.

[8]袁孝康.星载合成孔径雷达回波多普勒频率的计算[J].上海航天,2001,18(3):27-30.

[9]MAITRE Henri.合成孔径雷达图像处理[M].北京:电子工业出版社,2005.

[10]郭华东,李新武.逆合成孔径雷达多善勒质心跟踪法性能分析[J].电子学报,2009(6):1324-1329.

[11]秦勤,索继东,于海霞.航海雷达测速方法的探讨[J].大连海事大学学报,2005,31(1):33-34.