雷达制导武器极化识别干扰仿真试验方法研究.pdf

2023 年 11 月第 19 卷 第 4 期系统仿真技术System Simulation TechnologyNov.，2023Vol.19，No.4雷达制导武器极化识别干扰仿真试验方法研究郭姣1，申庆茂2，刁桂杰3*，苏金华1，杨亮1（1.北京机电工程研究所，北京 100074；2.空装驻北京地区第二军事代表室，北京 100000；3.复杂系统控制与智能协同技术重点实验室，北京 100074）摘要：目标和干扰极化特性的使用提高了雷达制导武器系统的抗干扰能力，目标和干扰极化特性的模拟又是验证极化雷达识别目标和干扰能力的一个重要手段。本研究从极化雷达的测量方式着手，建立极化雷达目标和干扰回波模型，分析不同目标和干扰极化雷达散射截面（Radar cross section，RCS）特性的差异。在此基础上，提出极化特性控制算法，构建极化信号的调制方法，并在实验室构建半实物仿真环境进行了验证和分析。关键词:雷达；目标；干扰；极化特性；仿真The Study on Simulation Test Methods of Polarization Identification Interference for Radar Guided WeaponGUO Jiao1，SHEN Qingmao2，DIAO Guijie3*，SU Jinhua1，YANG Liang1（1.Beijing Electro-mechanical Engineering Institute，Beijing 100074，China；2.Second Military Representative Office of Air Force in Beijing，Beijing 100000，China；3.Key Laboratory of Complex System Control and Intelligent Agent Cooperation，Beijing 100074，China）Abstract：The use of polarization characteristics of targets and interference improves the anti-jamming ability of Radar Guided Weapon.The simulation of targets/interference polarization characteristics is an important means of verifying the ability of polarized radar identifying targets/interference.By starting with the measurement mode of polarized radar.This paper focuses on establishing the target/interference echo model of polarimetric radar，as well as analyzing the RCS characteristics of different target and interference.Furthermore，the control algorithm of polarization characteristics is proposed，and the modulation method of polarization signal is constructed.At last，it was verified and analyzed in the hardware-in-the-loop simulation environment constructed in the laboratory.Key words：radar；targets；interference；polarization characteristics；simulation随着雷达干扰技术的发展，目标和干扰信号的波形在时域、频域及空域的状态特征都可以达到高度相似，而极化雷达制导武器系统利用目标和干扰在极化域的差别，可以有效地对抗多种无源和有源干扰，很大程度上促进了雷达的抗干扰能力。极化雷达采用固定极化、变极化等方式对目标和干扰进行探测，采用极化滤波、极化增强、极化抑制等技术提取目标和干扰的极化特性，而极化雷达对极化信息的提取、处理和使用需要在半实物仿真环境中得到验证，因此需要开展雷达制导武器极化识别干扰仿真试验方法研究，模拟出目标和干扰回波信号的极化特性，为极化雷达的仿真验证提供逼真的半实物仿真环境。本研究根据极化雷达制导武器半实物仿真试验构建雷达目标和干扰回波模型，计算并分析了不同目标通信作者：刁桂杰，E-mail：中图分类号:V19 文献标志码:A DOI:10.16812/31-1945.2023.04.014郭姣，等：雷达制导武器极化识别干扰仿真试验方法研究和干扰的极化雷达散射截面（Radar cross section，RCS）特性；针对目标和干扰极化特性的控制算法开展研究，提出了目标和干扰极化信号的调制方法；最后，在实验室构建半实物仿真环境，对极化雷达目标和干扰仿真方法进行验证和分析。1 极化雷达目标和干扰回波模型 1.1雷达目标和干扰极化特性测量原理极化测量是雷达利用极化信号的前提和基础，也是实验室完成极化特性模拟的依据。雷达目标和干扰极化的测量方式分为分时极化测量方式和同时极化测量方式。分时极化测量方式是采用“交替发射正交极化信号，同时接收目标和干扰回波正交极化分量”的工作模式。在水平、垂直极化基下，按照时间先后顺序发射不同水平、垂直极化的脉冲，2个正交极化通道同时接收回波信号。同时极化测量方式，采用的是“同时发射正交极化信号，同时接收目标和干扰回波正交极化分量”的工作模式。分时极化测量和同时极化测量工作模式分别如图1和图2所示。由于分时极化测量只需要一路射频电路，这样便降低了发射电路的实现难度，也降低了研制成本，因此得到广泛应用，其原理框图如图3所示。同时极化测量方法需要发射一个脉冲，该脉冲由多个编码序列相干叠加得到，每个编码序列对应一种发射极化。在接收时，利用编码序列之间的正交性分离出不同发射极化对应的矢量回波，经进一步处理后就可以得到目标和干扰的完整极化信息。同时极化测量方式的雷达原理框图如图4所示。对于动态目标和干扰的测量，分时极化测量方式可以近似得到目标和干扰的极化散射矩阵。由于2次发射脉冲之间的时间延迟，很难得到理论上完整的极化信息。相较于分时极化测量方式，同时极化测量方式只需要一个脉冲，历时较短，对运动姿态的变化不太敏感，更适用于非平稳目标和干扰的情况。1.2极化雷达目标和干扰回波模型假设雷达发射信号的数学表达式为Et=x(t)EtHEtV（1）其中，x(t)为发射的脉冲调制信号，EtHEtV为发射信号在水平、垂直极化基下Jones矢量的表示形式。目标和干扰回波信号 Es可以表示为 EsHEsV=G(r)SEt=G(r)SHHSHVSVHSVV EtHEtV（2）其中，G(r)为距离因子，S=SHHSHVSVHSVV为测量目标和干扰在水平、垂直极化基下的Sinclair极化散射矩阵。对于同时极化测量方式的雷达，发射电磁波水平、垂直分量可以为满足EtH2+EtV2=1的任意值。而对于分时极化测量方式的雷达，当发射电磁波为水平极化时，水平、垂直分量为EtH=1，EtV=0；当发射电磁波为垂直极化时，水平垂直分量为EtH=0，EtV=1。利用EsH，EsV幅度、相位之间的关系，雷达可以完成多种目标和干扰极化特性的识别。图1分时极化测量工作模式图Fig.1Working mode of time-sharing polarization measurement图2同时极化测量工作模式示意图Fig.2Mode of simultaneous polarization measurement图3分时极化测量雷达原理框图Fig.3Principle of time-sharing polarization measurement radar图4同时极化测量雷达原理框图Fig.4Principle of simultaneous polarization measurement radar353系统仿真技术第 19 卷 第 4 期1.3目标和干扰极化RCS特性计算通过对不同目标和干扰电磁散射特性进行建模，计算出某个目标极化RCS的变化特性、箔条干扰随扩散时间的极化RCS变化特性，如图5和图6所示。从图 5-6中可以看出，对于固定的雷达工作方式和相同的入射电场，不同的目标和干扰必然具有不同的回波信号，其表现出来的同极化分量和交叉极化分量RCS有明显的差别。2 雷达制导武器极化识别目标和干扰仿真方法 2.1目标和干扰极化特性控制算法任意极化电磁波可以用椭圆率角和椭圆倾角来表示，也可以通过水平、垂直极化基的幅度和相位控制得到。假设水平和垂直极化信号的振幅分别为E0H、E0V，相位为H、V，并且令信号水平和垂直极化分量的幅度满足归一化条件，即E0H、E0V满足E20H+E20V=1。当合成信号为线极化信号时，极化倾角为，其取值范围是(-90，90，当 0时，两极化信号相位差满足=V-H=0，可 以 令H=0、V=0；当L 0时，两极化分量的相位差为=tan-1()2-1 sincos，if 0+tan-1()2-1 sincos，if 0（6）可以令水平、垂直极化分量的相位为H=0V=（7）当 0tan-1()2-1 sincos-，if 0（8）可以令水平、垂直极化分量的相位为 H=|V=0（9）由此，可以得到目标和干扰极化特性控制算法的流程如图7所示。2.2目标和干扰极化特性的调制半实物仿真中目标和干扰极化信号模拟的核心任务就是按照目标或干扰的极化特性给出水平和垂直极化分量信号的幅度和相位，并在实验室内调制对应的极化分量信号，从而合成所需要的目标或干扰极化特性的射频信号，目标和干扰极化信号的调制方案如图8所示。首先通过雷达目标模拟器生成雷达的目标和干扰信号，其中包含了目标和干扰的距离、多普勒等信息，生成的目标和干扰信号通过功率分配器分为水平、垂直2个支路，通过调制水平和垂直2个支路的雷达目标信号来实现水平、垂直极化分量的幅相特性，调制好的图7目标和干扰极化特性控制算法流程图Fig.7The control algorithm flow of target and interference polarization characteristic355系统仿真技术第 19 卷 第 4 期水平、垂直极化信号最后送到双极化发射天线，最终辐射出所需要模拟的目标和干扰极化信号。3 仿真验证及结果分析 通常情况下，雷达目标和干扰散射特性依赖于目标和干扰散射中心的特性，其在短时间内的极化度是相当高的，并且依赖于雷达发射电磁波的极化方式。在半实物仿真实验室对于固定发射极化的雷达，认为其目标和干扰的极化特性也是对应固定的。主动雷达的半实物仿真试验中，极化调制系统通过控制软件设置所要模拟的目标和干扰极化特性；雷达回波模拟系统接收由主动雷达馈入的发射信号，模拟出主动雷达目标和干扰回波，包括目标和干扰的距离、多普勒等信息；雷达回波模拟器将目标和干扰回波信号通过功率分配器发送至极化调制系统，极化调制系统接收雷达导引头发射的极化方式同步信号，并按照预设的对应极化特性完成信号调制；调制后的信号经过馈电系统发送至天线阵列。雷达极化识别干扰的半实物仿真方法如图9所示。根据线极化信号调制原理及幅相控制算法，在微波暗室环境下进行雷达极化识别干扰仿真验证。通过双极化天线在阵列天线端发射经过雷达极化识别干扰仿真系统调制的线极化信号，利用某极化雷达在射频转台端接收信号。极化信号按照线极化方式调制，极化幅角由090旋转变化。极化雷达接收信号的极化特性如图10和图11所示。当极化分量的幅度变化时，线极化信号的极化角在4.583.7变化，线极化信号水平、垂直极化分量的相位差也在20之间变化。理想情况下，进行线极化信号调制时，线极化信号的极化角应该在090变化，并且2个极化分量的相位差也应该是0。实验室环境下，当天线的极化隔离度在25 dB时，会产生3.2的极化角误差，叠加导引头接收通道之间的隔离度，误差还会增加。因此，极化雷达测量到极化角的变化范围小于理论值主要是由于导引头隔离度和天线阵列隔离度有限导致的，但这属于天线的固有特性，并不影响导引头通过极化角、极化相位等特征对目标和干扰的识别。图8目标/干扰极化信号的调制方案Fig.8The modulation scheme of target/jamming polarized signal图9雷达极化识别干扰的半实物仿真方法Fig.9Hardware-in-the-loop simulation of polarization identifying jamming for radar图10雷达接收极化信号的极化角Fig.10The polarization angle of the polarized signal received by radar图11雷达接收极化信号的极化相位差Fig.11The polarization phase difference of the polarized signal received by radar356郭姣，等：雷达制导武器极化识别干扰仿真试验方法研究4 结 论 本研究对雷达制导武器极化识别干扰仿真试验方法进行了研究。首先，对极化雷达的不同测量方式进行了分析，通过对目标和干扰散射特性建模，找出不同目标和干扰的极化RCS特性的差别；然后，通过极化特性控制算法的研究，提出目标和干扰极化特性的调制方法；最后，通过在射频暗室构建目标和干扰极化特性的仿真环境，对雷达制导武器极化识别干扰仿真试验进行了验证和分析，结果表明可以应用在雷达极化识别目标和干扰的仿真试验中。参考文献：1李永祯，肖顺平，王雪松.雷达极化抗干扰技术 M.北京：国防工业出版社，2010.LI Yongzhen，XIAO Shunping，WANG Xuesong.Radar polarization anti-jamming technologyM.Beijing：The National Defence Industry Press，2010.2XU F，WANG H P，JIN Y Q，et al.Impact of cross-polarization isolation on polarimetric target decomposition and target detection J.Radio Science，2016，50（4）：327-338.3LI Zhengyi，DU Zhengwei，TAKAHASHI Masaharu，et al.Reducing mutual coupling of MIMO antennas with parasitic elements for mobile terminals J.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2012，60（2）：473-481.4赵云霄.无线通信中基于极化特性的多维调制技术 D.重庆：重庆大学，2020.ZHAO Yunxiao.Multi-dimensional modulation technique based on polarization characteristics in wireless communication D.Chongqing：Chongqing University，2020.5姚宠达，张定北，王辉，等.分时双极化雷达射频仿真方法研究 J.计算机仿真，2014，31（3）：11-14.YAO Chongda，ZHANG Dingbei，WANG Hui，et al.Research on RF simulation method of time-sharing dual polarization radar J.The Computer Simulation，2014，31（3）：11-14.6刘业民.箔条云极化雷达特性及抗干扰技术研究 D.长沙：国防科技大学，2019.LIU Yemin.Research on characteristics and anti-jamming technology of chaff cloud polarization radar D.Changsha：National University of Defense Technology，2019.7王恒霖，曹建国.仿真系统的设计与应用 M.北京：科学出版社，2003.WANG Henglin，CAO Jianguo.Design and application of simulation systemM.Beijing：The Science Press，2003.8施龙飞.雷达极化抗干扰技术研究 D.长沙：国防科技大学，2009.SHI Longfei.Research on radar polarization anti-jamming technologyD.Changsha：National University of Defense Technology，2009.9QU Longyue，ZHANG Rui，KIM Hyeongdong.Decoupling between ground radiation antennas with ground-coupled loop-type isolator for WLAN applicationsJ.IET Microwaves，Antennas&Propagation，2016，10（5）：546-552.郭 姣 女（1989-）,河北邯郸人,硕士,工程师,主要研究方向为射频仿真。357