一种基于反向阵的多点源交叉眼干扰实现方法

王寒冰，干 鹏，程浩岳，汤永浩，胡航玮

（1.中国航天科工集团8511 研究所，江苏 南京 210007； 2.北京机电工程研究所，北京 100074）

0 引言

交叉眼干扰技术用于对单脉冲雷达实施角度欺骗干扰［1-4］，通过发射两路或多路幅度近似相等、相位相差180°的干扰信号，可使单脉冲雷达产生错误的目标角度信息，迫使单脉冲雷达跟踪波束指向偏离被保护的飞机、舰船等平台本身，无法准确跟踪真实目标，甚至可造成单脉冲雷达跟踪环路失锁，从而起到电子防护作用。

传统两点源交叉眼干扰技术要想获得良好的干扰效果，要求发射的两路干扰信号在单脉冲雷达接收天线口面必须具有严格的相位差180°。但在实际应用中，交叉眼干扰设备所搭载平台的振动、摇摆等因素，必定会对干扰信号的传输路径产生影响，造成传输路径误差，从而导致相应的相位误差，因此无法时刻保证两路干扰信号在单脉冲雷达接收天线口面处相位相差180°，这一直是交叉眼干扰技术实际应用的一大难题［5-8］。后来，国外学者提出将反向天线应用于交叉眼干扰技术中，反向天线结构可自补偿干扰环路中由路径差、平台振动等因素引入的相位差，从而在不考虑内部电路传输路径误差情况下，保证两路干扰信号在雷达接收天线口面处相位相差180°，但该交叉眼干扰方法仍面临系统参数要求严格等问题。

近年来，基于反向阵的多点源交叉眼干扰技术得到了各国学者的广泛关注与研究［9-15］，该技术通过将多个反向交叉眼干扰机布置在空间上，形成了多环路组合，可有效提升干扰误差角度。与两点源反向交叉眼技术相比，基于反向阵的多点源交叉眼干扰技术具有更高的系统自由度，系统参数容限更加宽松。然而，基于反向阵的多点源交叉眼干扰技术还处于理论研究阶段，在研发和实际应用方面存在着收发隔离度差、系统结构复杂等诸多难点。

本文提出了一种基于反向阵的多点源交叉眼干扰实现方法，与两点源交叉眼干扰技术相比，该方法采用多单元反向天线阵列，一方面提高了交叉眼干扰系统自由度，降低了系统对干扰信号幅度和相位的控制精度要求；另一方面利用反向天线阵列的方向自回溯特性，实现了自动弥补波程差引起的相位差，无需估计来波方向，即可保证两路干扰信号在单脉冲雷达接收天线口面的相位差为180°。同时，本方法采用收发分开的2 个天线阵列，收发隔离度好，可实现同时收发，且降低了干扰环路的设计复杂度，易于工程实现。

1 基于反向阵的多点源交叉眼干扰理论分析

以对抗比幅单脉冲雷达为例，干扰场景如图1 所示，左侧为单脉冲雷达，右侧为多点源反向交叉眼干扰系统，R为雷达天线中心与干扰机天线阵列中心的距离，θr为雷达视轴相对于干扰机中心的转角，θc为干扰机相对雷达中心的转角，θe为干扰机天线阵列相对雷达视线的半张角。

图1 比幅单脉冲雷达干扰场景

多点源反向交叉眼干扰系统的天线阵列为由N个相同的天线阵元（N为偶数）组成的均匀线性Van Atta 阵列，如图2 所示，总长度为D，阵元间距为dc。天线阵元1 与N互为一组收发天线对，被称为干扰环路1，天线阵元2 与N-1 组成干扰环路2，以此类推，天线阵元n与N-n+1 组成干扰环路n，总共组成N/2 个干扰环路。天线阵元n接收的雷达信号经过调制后产生干扰信号，并送至天线阵元N-n+1 辐射；同理，天线阵元N-n+1 接收的雷达信号经过调制后产生干扰信号，送至天线阵元n辐射。为保证天线阵列的反向结构，每个干扰环路的馈线长度应相等。

假设干扰环路n中，2 个干扰信号的幅度比为an，相位差为Δϕn，且不同干扰环路之间的传输路径差已被精确补偿。在远场条件下，考虑到干扰环路n相对于雷达视线的半张角θn很小，θn≈θe，则单脉冲雷达的和通道与差通道的信号输出可分别表示为：

式中，PΣ(θ)和PΔ(θ)分别为单脉冲雷达和通道与差通道的方向图增益，Pc(θ)为干扰天线单元的方向图增益。

比幅单脉冲测角系统用和通道接收的信号归一化差通道接收的信号，并取归一化后信号的实部，可得到单脉冲比为：

根据文献［16］中的结论，单脉冲测角结果θi与单脉冲比MJ为线性关系，可表示为：

通过进一步对和差通道的天线方向图做泰勒级数展开和近似，单脉冲测角结果可以近似表达为：

式中，Gcj为交叉眼干扰增益，表达式为：

由式（5）可知，当干扰系统天线基线长度确定，即θe固定后，单脉冲雷达测角误差的决定因素为交叉眼干扰增益Gcj。根据式（6）可知，理论上当式（7）—（8）成立时，交叉眼干扰增益Gcj最大，即单脉冲雷达测角误差最大。

另外，通过式（7）可以看出，为获得最大干扰增益，多点源交叉眼干扰环路的幅度比无需按照两点源的情况（幅度比为1，即0 dB）设计，因此参数容限要求更宽松，即对幅度控制精度要求更低，具体分析见下文3.1 小节。

2 实现方法

在实际应用中，若每个干扰环路的一对阵元天线均用来接收和发射，则一般采用如图3 所示的选通电路，该干扰环路包含了放大转发器、移相器和环形器等部分，设计较复杂。另一方面，由于每个天线利用环形器收发切换工作，因此无法保证收发同时，可能导致一对阵元天线均无法接收完整雷达脉冲信号，或跨脉冲周期接收雷达信号，针对脉宽较宽或采用脉间捷变的雷达，干扰效能将受影响。

图3 典型干扰环路选通电路

本节提出一种基于反向阵的多点源交叉眼干扰实现方法，可实现同时收发，且降低干扰环路设计复杂度。

反向天线阵列采用2 个平行的线阵，分别记为线阵A和线阵B，如图4 所示。线阵A和线阵B的阵元数均为N，N为偶数且N≥4；线阵A用于接收雷达信号，线阵B用于发射干扰信号；线阵A由间隔距离L的子阵A1 和子阵A2 组成，A1 和A2 都是以d0为间隔的均匀阵，且天线单元个数均为N/2，其中d0一般取值为最大工作频点对应的半波长，以避免出现干扰波束栅瓣，使干扰主瓣增益降低；线阵B由子阵B1 和子阵B2 组成，阵元分布情况与线阵A相同，在垂直方向与线阵A间隔l0。

图4 反向天线阵列示意图

线阵A与线阵B中各个阵元的交联关系如图5 所示，线阵A中第1， 2， …，N/2 个阵元（即子阵A1）接收到雷达信号后，分别输送至干扰环路1， 2， …，N/2进行相位调制和幅度调制，产生前N/2 路干扰信号，再将各路干扰信号将分别送至线阵B中第N，N-1，…，N/2+1 个阵元（即子阵B2）辐射出去。同理，线阵A中第N/2+1，N/2+2， …，N个阵元（即子阵A2）接收到雷达信号，经干扰环路N/2+1，N/2+2，…，N调制后，所产生的后N/2 路干扰信号由线阵B中第N/2，N/2-1， …， 1 个阵元（即子阵B1）辐射出去，从而完成干扰信号的发射。

图5 阵列A 与阵列B 中各个阵元交联关系示意图

干扰环路主要由移相器和放大转发器等部分组成，如图6 所示，用于精确控制每个干扰环路中对雷达信号的相位调制量和幅度调制量。 干扰环路1， 2， …，N/2 分别和干扰环路N，N-1， …，N/2+1构成干扰环路对，通过幅相调制，使每个干扰环路对中的2 个干扰信号均具有适当的相位差和幅度比，可保证单脉冲雷达产生较大的测角误差，即获得良好的干扰效果。

图6 干扰环路组成示意图

3 仿真实验

本节通过仿真实验分析基于反向阵的多点源交叉眼干扰系统参数容限和干扰效能。仿真中，假设线阵A和线阵B的阵元数为4，阵元间距d0=0.015 m，线阵A和线阵B的垂直间隔l0=0.25 m，子阵A1 和子阵B1 分别与子阵A2 和子阵B2 间隔5 m。单脉冲雷达的工作频率为10 GHz，其与干扰机相距5 km，以单脉冲雷达为视角，干扰机的角度方向与单脉冲雷达跟踪波束中心指向相差2°。

3.1 系统参数容限分析

不考虑平台回波，两点源反向交叉眼干扰增益等高线如图7 所示，实际等高线关于幅度比a=0 dB 对称，为简单起见，这里省去了幅度比a＞0 dB 时对应的等高线；基于反向阵的多点源交叉眼干扰增益等高线如图8 所示，考虑了干扰环路1 幅度比a1和相位差Δϕ1分别取不同值。对比图7 和图8 可看出，在相同干扰增益条件下，基于反向阵的多点源交叉眼干扰对应的等高线范围明显大于两点源反向交叉眼干扰对应的等高线范围，因此基于反向阵的多点源交叉眼干扰可允许系统参数在更大范围内取值，即对幅度和相位控制精度要求更低。

图7 传统两点源交叉眼干扰增益等高线

图8 基于反向阵的多点源交叉眼干扰增益等高线

3.2 干扰效能

考虑干扰环路1 中幅度比a1=-0.4 dB 且相位差Δϕ1=180°；干扰环路2 中幅度比a2取值范围为[ -2 dB， 2 dB]，相位差Δϕ2取值范围为[175°， 185°]，同时考虑平台回波，则对单脉冲雷达实施交叉眼干扰时，单脉冲雷达的实际测角结果如图9 所示。可以看出，Δϕ2越接近180°，单脉冲雷达的实际测角结果与目标真实角度偏差越大；Δϕ2为180°时，a取值在和区间内，可使得单脉冲雷达测角误差大于3°。

图9 理想幅度比和相位差下的单脉冲测角结果

现考虑相位差存在1°以内的误差，幅度比an存在0.1 dB 以内的误差，令Δϕn和an分别在区间[179°，181°]和[ -0.1 dB，0.1 dB]内服从均匀分布，则当干扰机与单脉冲雷达的干扰距离不同时，单脉冲雷达测角误差如图10 所示。可以看出，干扰距离在8 km 以内时，单脉冲雷达的测角误差不小于1°，且随着干扰距离缩短，单脉冲雷达的测角误差增大。因此，实验结果表明，本文所提实现方法能对单脉冲雷达测角系统造成严重测角偏差。

图10 存在幅相调制误差时单脉冲测角误差

4 结束语

本文介绍了基于反向阵的多点源交叉眼干扰理论，并提出一种实现方法。通过采用2 个分置的天线阵列，分别用于接收雷达信号和发射干扰信号，可实现收发同时，提升干扰效能；同时降低了干扰环路的设计复杂度，利于工程实现。仿真试验结果表明，通过在适当区间内调制每个干扰环路对中2 个干扰信号的相位差和幅度比，该方法能对单脉冲雷达测角系统造成严重测角偏差，同时可允许干扰信号存在一定的幅度和相位调制误差。