石 榮 劉 江

(電子信息控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都 610036)

0 引言

單脈沖雷達(dá)顧名思義就是通過(guò)目標(biāo)反射回波的單個(gè)脈沖信號(hào)的測(cè)量即可獲得目標(biāo)距離與方向信息的雷達(dá)[1]，因?yàn)樵摾走_(dá)采用了同時(shí)多波束自動(dòng)測(cè)角，獲得目標(biāo)角誤差信息的時(shí)間非常短，也正是這一優(yōu)勢(shì)，其測(cè)角精度、實(shí)時(shí)性和抗干擾性能都比圓錐掃描雷達(dá)高得多，所以獲得了廣泛的工程應(yīng)用[2]。單脈沖雷達(dá)按照提取角度誤差信號(hào)的方法不同，可進(jìn)一步細(xì)分為比幅單脈沖雷達(dá)與比相單脈沖雷達(dá)，這兩種雷達(dá)的工作原理在各類(lèi)文獻(xiàn)中已廣泛講述[1-3]。

在電子偵察中大家早已熟知的兩種經(jīng)典測(cè)向方法分別是：比幅測(cè)向和干涉儀比相測(cè)向[4-5]。這兩種方法都具備單脈沖測(cè)向能力，所以在電子偵察的傳統(tǒng)五大參數(shù)脈沖描述字PDW(Pulse Description Word)中就有一個(gè)AOA(Angle Of Arrival)信號(hào)到達(dá)角的參數(shù)[4-6]，專門(mén)記錄該脈沖信號(hào)的來(lái)波方向信息。由此可見(jiàn)，在電子偵察中對(duì)截獲到的每一個(gè)脈沖信號(hào)都具有來(lái)波方向角的測(cè)量要求，即同樣具有單脈沖測(cè)向能力。

雖然單脈沖雷達(dá)與電子偵察分別屬于雷達(dá)與電子對(duì)抗兩大不同的技術(shù)領(lǐng)域，但是我們通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)：二者在測(cè)向模型上是完全統(tǒng)一的，即比幅單脈沖雷達(dá)的測(cè)向模型與電子偵察中比幅測(cè)向模型具有統(tǒng)一性；比相單脈沖雷達(dá)的測(cè)向模型與電子偵察中的單基線干涉儀測(cè)向模型具有統(tǒng)一性。通過(guò)對(duì)上述測(cè)向模型的統(tǒng)一性分析，可以更加深刻地揭示其本質(zhì)物理意義，從而為這兩個(gè)技術(shù)領(lǐng)域中單脈沖雷達(dá)測(cè)向與電子偵察測(cè)向的相關(guān)研究結(jié)果參考借鑒奠定基礎(chǔ)。

由于三維空間中的測(cè)向結(jié)果通常用方位角與俯仰角兩個(gè)參數(shù)來(lái)描述，方位角與俯仰角的測(cè)量是按照相同的技術(shù)原理分別獨(dú)立完成的，即在二維平面條件下對(duì)測(cè)角模型的分析完全具有一般性，所以本文的后續(xù)內(nèi)容均在二維平面條件下進(jìn)行闡述。

1 比幅測(cè)向模型的統(tǒng)一性分析

1)比幅單脈沖雷達(dá)的測(cè)向模型

雷達(dá)天線在一個(gè)角平面內(nèi)有2個(gè)分別指向不同方向、且主波束方向圖有部分重疊的左右波束，如圖1(a)所示，圖中L表示左波束，R表示右波束，θ表示方向角度。比幅單脈沖雷達(dá)將這2個(gè)波束同時(shí)接收的回波信號(hào)進(jìn)行和差處理分別得到和信號(hào)與差信號(hào)，于是等效分別合成了和波束與差波束，如圖1(b)和圖1(c)所示。

在各種介紹雷達(dá)原理的文獻(xiàn)中對(duì)比幅單脈沖雷達(dá)的差信號(hào)形成進(jìn)行過(guò)復(fù)雜的理論公式推導(dǎo)[2-3]，實(shí)際上，差信號(hào)所攜帶的角度指向誤差信息εD,R(θ)可由差波束輸出的信號(hào)幅值與和波束輸出的信號(hào)幅值之比來(lái)衡量，如下所表達(dá)：

(1)

式(1)中SL(θ)和SR(θ)分別是左波束和右波束所接收信號(hào)的幅值，θ為信號(hào)的來(lái)波方向，且有：

(2)

式(2)中Sp是由目標(biāo)回波信號(hào)強(qiáng)弱決定的系數(shù)，AL(θ)和AR(θ)分別是左右波束天線振幅方向圖函數(shù)，在天線研制完成之后，AL(θ)和AR(θ)為已知的固定函數(shù)，于是在圖1(c)所示的測(cè)角范圍內(nèi)，比幅單脈沖雷達(dá)由式(1)決定的角度誤差鑒別特性如圖2所示。

將式(2)代入式(1)，于是比幅單脈沖雷達(dá)的測(cè)角誤差信號(hào)由式(3)完全決定：

(3)

2)電子偵察中的比幅測(cè)向模型

電子偵察中的比幅測(cè)向通常也采用兩個(gè)指向不同方向的天線波束所接收的信號(hào)進(jìn)行幅度大小的比較，同樣記左波束和右波束接收到信號(hào)的幅值分別為SL(θ)和SR(θ)，于是電子偵察中的比幅測(cè)向的角度誤差信號(hào)由下式所表達(dá)，由于有兩種表達(dá)方式，所以分別記為εD,E1(θ)和εD,E2(θ)：

(4)

(5)

由式(4)與(5)可知：εD,E1(θ)=1/εD,E2(θ)，從本質(zhì)上講二者可以看成是一種方式。

由上可見(jiàn)，電子偵察中的比幅測(cè)向主要是通過(guò)左右兩個(gè)波束所接收到信號(hào)的幅度比值來(lái)決定的，實(shí)際上這一比值就是左右波束天線振幅方向圖函數(shù)在同一個(gè)角度位置上取值之間的比值。為了使用方便，工程應(yīng)用中通常將這一比值做成表格，通過(guò)查表方式來(lái)獲得信號(hào)的來(lái)波方向角θ的值。

3)二者的模型統(tǒng)一性分析

對(duì)比式(3)與式(4)(5)可得：

(6)

由圖3可見(jiàn)，在測(cè)角范圍內(nèi)比幅單脈沖雷達(dá)測(cè)向結(jié)果與電子偵察中比幅測(cè)向結(jié)果具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，而這一關(guān)系是由式(6)所唯一決定的，這說(shuō)明二者在測(cè)向模型上是完全統(tǒng)一的。

2 比相測(cè)向模型的統(tǒng)一性分析

1)比相單脈沖雷達(dá)的測(cè)向模型

比相單脈沖雷達(dá)天線通常由2個(gè)相位中心相隔數(shù)個(gè)波長(zhǎng)的天線口徑組成，同樣稱這兩個(gè)天線分別為左天線與右天線，并記它們之間相隔的距離為dLR，每個(gè)天線口徑產(chǎn)生一個(gè)獨(dú)立波束，且這2個(gè)波束的天線軸是相互平行的，即這2個(gè)波束指向相同的方向，在天線波束的遠(yuǎn)區(qū)可認(rèn)為這2個(gè)波束是完全重合的。在所關(guān)注的測(cè)角范圍內(nèi)這2個(gè)波束所接收到目標(biāo)回波信號(hào)的振幅完全相同。當(dāng)目標(biāo)回波信號(hào)的來(lái)波方向偏離天線軸線時(shí)，兩天線接收的信號(hào)由于波程差而引起相位差φ，如圖4所示。

由圖4可知，來(lái)波方向角θ與相位差φ之間的關(guān)系由下式確定。

(7)

式(7)中λ表示脈沖信號(hào)的波長(zhǎng)。比相單脈沖雷達(dá)的差信號(hào)所攜帶的角度指向誤差信息εD,R(θ)同樣由差波束輸出的信號(hào)幅值與和波束輸出信號(hào)幅值之比來(lái)衡量，只不過(guò)由于相位差的引入，信號(hào)的和差計(jì)算需要采用矢量形式表達(dá)如下：

(8)

(9)

將式(9)代入式(8)，化簡(jiǎn)后可得：

(10)

由于比相單脈沖雷達(dá)的測(cè)角范圍限制在天線的3dB波束寬度范圍內(nèi)，此時(shí)θ很小。且dLRsinθ<λ時(shí)，由式(7)可知，在此條件下φ也很小，有tan(φ)≈φ成立，關(guān)于這一點(diǎn)，后文還會(huì)進(jìn)一步說(shuō)明。于是由式(7)與(10)可得：

三是創(chuàng)新形式，和諧執(zhí)法。對(duì)部分政府部門(mén)主導(dǎo)、地方水行政主管部門(mén)處理阻力較大的違法項(xiàng)目，局主要領(lǐng)導(dǎo)做出明確批示推動(dòng)項(xiàng)目依法處理；局分管領(lǐng)導(dǎo)多次專題研究違法項(xiàng)目處理方案，逐一明確查處或處理措施并親自帶隊(duì)開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)檢查；局水政監(jiān)察總隊(duì)深入開(kāi)展調(diào)查取證，查清事實(shí)，明確主體。在嚴(yán)格查處水事違法案件的同時(shí)，堅(jiān)持以人為本，分類(lèi)處理，堅(jiān)持在規(guī)范中服務(wù)、服務(wù)中規(guī)范，對(duì)違法情節(jié)輕微或剛開(kāi)工即被發(fā)現(xiàn)的靈山耿灣、環(huán)太湖公路景觀整治工程等違法項(xiàng)目，通過(guò)對(duì)項(xiàng)目業(yè)主實(shí)行現(xiàn)場(chǎng)叫停、單位約談、行政告知等形式，教育、引導(dǎo)相對(duì)人依法補(bǔ)辦手續(xù)或現(xiàn)場(chǎng)整改，逐步規(guī)范和約束涉水開(kāi)發(fā)利用行為。

(11)

2)單基線干涉儀的測(cè)向模型

在電子偵察中采用比相法測(cè)向的典型設(shè)備便是測(cè)向干涉儀，單基線干涉儀測(cè)向如圖5所示。

圖5中兩個(gè)天線單元L與R之間的間距為dLR，L與R之間的連線構(gòu)成干涉儀的基線，輻射源來(lái)波方向與干涉儀基線的法向之間的夾角記為θ，被測(cè)信號(hào)的波長(zhǎng)仍然記為λ。設(shè)測(cè)量得到的干涉儀天線單元L與R所接收到脈沖信號(hào)之間的相位差記為φ，由干涉儀測(cè)向原理可得如下關(guān)系式：

(12)

3)二者的模型統(tǒng)一性分析

對(duì)比式(11)與(12)可知，比相單脈沖雷達(dá)輸出的角度誤差信號(hào)與電子偵察中的干涉儀輸出的相位差信號(hào)成嚴(yán)格的1/2常系數(shù)比例關(guān)系，這說(shuō)明二者在測(cè)向模型上是完全統(tǒng)一的。實(shí)際上對(duì)比單基線干涉儀測(cè)向的原理圖5與比相單脈沖雷達(dá)測(cè)向的原理圖4，二者幾乎完全一樣。兩個(gè)應(yīng)用方向上的差異主要在于：在比相單脈沖雷達(dá)中通過(guò)和差信號(hào)處理來(lái)解算信號(hào)的來(lái)波方向；而在單基線干涉儀中是直接通過(guò)相位差關(guān)系式來(lái)解算信號(hào)的來(lái)波方向，通過(guò)前面的分析可知，二者是完全一致的。

在此需要進(jìn)一步解釋的是：如前所述的兩天線單元的相位中心之間的距離是數(shù)倍波長(zhǎng)，即有dLR>>λ成立。大家熟知：在電子偵察中一旦dLR>>λ，就會(huì)產(chǎn)生測(cè)向模糊，通常需要采用多基線干涉儀來(lái)測(cè)向，即用短基線的相位差測(cè)量結(jié)果去解長(zhǎng)基線的相位測(cè)量的模糊，這樣才能精確得到來(lái)波方向的測(cè)量值。由上述分析可知：比相單脈沖雷達(dá)本質(zhì)上是單根長(zhǎng)基線干涉儀測(cè)向，其之所以不產(chǎn)生測(cè)向模糊，原因在于應(yīng)用場(chǎng)景中測(cè)角范圍通常是由雷達(dá)天線主波束寬度θM所限定的。即在|θ[<θM的條件下，比相單脈沖雷達(dá)的測(cè)角范圍滿足如下關(guān)系式：

(13)

于是式(13)的限制條件確保了在式(11)與(12)中θ與φ之間具有一一映射關(guān)系，這自然就不存在測(cè)向模糊了。

3 二者模型統(tǒng)一性的應(yīng)用

前面我們從理論上分別論證了比幅單脈沖雷達(dá)與電子偵察比幅測(cè)向在模型上的統(tǒng)一性；以及比相單脈沖雷達(dá)與電子偵察單基線干涉儀測(cè)向在模型上的統(tǒng)一性。這一理論分析結(jié)果給工程實(shí)際應(yīng)用的指導(dǎo)意義主要體現(xiàn)在如下幾方面：

1)推動(dòng)雷達(dá)與電子戰(zhàn)設(shè)備綜合一體化的發(fā)展

目前的數(shù)字化雷達(dá)通過(guò)軟件重編程都可以增加新的功能，對(duì)于一部數(shù)字化單脈沖雷達(dá)來(lái)講，不僅可以實(shí)現(xiàn)雷達(dá)探測(cè)與跟蹤目標(biāo)的基本功能，而且通過(guò)中頻數(shù)字化軟件重編程可增加電子偵察的功能。這樣一來(lái)，這部雷達(dá)平時(shí)可以作為一部同頻段的電子偵察設(shè)備進(jìn)行工作，對(duì)預(yù)定空域的同頻段雷達(dá)輻射源進(jìn)行信號(hào)偵收與截獲。

如果是比幅單脈沖雷達(dá)，則可以按照式(3)對(duì)截獲到的每一個(gè)脈沖信號(hào)進(jìn)行測(cè)向，而這一測(cè)向結(jié)果與電子偵察中比幅測(cè)向結(jié)果是完全一致的。如果是比相單脈沖雷達(dá)，則可以按照式(8)對(duì)截獲到的每一個(gè)脈沖信號(hào)進(jìn)行測(cè)向，而這一測(cè)向結(jié)果與電子偵察中干涉儀測(cè)向結(jié)果是完全一致的。再加上所提取出的其它脈沖參數(shù)，于是由{頻率RF(Radio Frequency)，幅度PA(Pulse Amplitude)，脈寬PW(Pulse Width)，到達(dá)時(shí)間TOA(Time of Arrival)，到達(dá)角度AOA}組成的PDW脈沖描述字就可以準(zhǔn)確獲得。

同樣的道理，采用數(shù)字化比幅測(cè)向或者干涉儀測(cè)向的電子偵察設(shè)備通過(guò)軟件重編程之后，也可以作為雙基地單脈沖雷達(dá)的雷達(dá)接收機(jī)來(lái)使用，根據(jù)前面的式(4)(5)或(12)，能夠輸出脈沖回波的角度信息，再加上目標(biāo)回波時(shí)延所形成的距離信息，則可以解算出目標(biāo)的準(zhǔn)確位置。所以單脈沖雷達(dá)與電子偵察的測(cè)向模型的統(tǒng)一性推動(dòng)了二者在接收處理流程中多個(gè)環(huán)節(jié)的軟/硬件共用，促進(jìn)了雷達(dá)與電子戰(zhàn)設(shè)備一體化的發(fā)展。

2)對(duì)電子偵察測(cè)向接收機(jī)的干擾

在電子對(duì)抗行動(dòng)中很早就對(duì)單脈沖雷達(dá)的有效干擾問(wèn)題展開(kāi)過(guò)深入研究，并總結(jié)了幾種有效的干擾樣式[5-6]。按照電子對(duì)抗中電子干擾的定義，電子干擾是指利用電磁能對(duì)敵方電子信息設(shè)備或系統(tǒng)進(jìn)行擾亂的行動(dòng)；其目的是使敵方電子信息設(shè)備或系統(tǒng)的使用效能降低甚至失效。由此定義可見(jiàn)：敵方的電子偵察測(cè)向設(shè)備同樣是我方實(shí)施電子干擾的重要目標(biāo)之一[7]；但是如何對(duì)電子偵察測(cè)向接收設(shè)備實(shí)施有效干擾的研究并不深入[8]。根據(jù)前面單脈沖雷達(dá)與電子偵察的測(cè)向模型的統(tǒng)一性分析可知：電子偵察測(cè)向原理與單脈沖雷達(dá)測(cè)向原理在本質(zhì)上是相同的，所以我們可以借鑒對(duì)單脈沖雷達(dá)測(cè)角實(shí)施干擾的方法來(lái)對(duì)電子偵察測(cè)向設(shè)備實(shí)施干擾。對(duì)單脈沖雷達(dá)的干擾主要分為非相干干擾、相干干擾和交叉極化干擾三大類(lèi)，借鑒之后分別闡述如下：

①非相干干擾主要是在單脈沖雷達(dá)的分辨角度范圍內(nèi)設(shè)置兩個(gè)或兩個(gè)以上的同頻干擾源，通過(guò)交叉閃爍的方式來(lái)實(shí)施干擾。在此條件下單脈沖雷達(dá)所測(cè)出的脈沖信號(hào)的到達(dá)方向?qū)⒃谶@幾個(gè)干擾源的位置之間不斷改變，最終結(jié)果將鎖定在干擾信號(hào)能量質(zhì)心所在方向。仿照上述方式對(duì)電子偵察測(cè)向接收機(jī)實(shí)施非相干干擾，同樣在其測(cè)角范圍內(nèi)設(shè)置兩個(gè)或兩個(gè)以上的同頻干擾源，通過(guò)交叉閃爍的方式來(lái)實(shí)施干擾，電子偵察接收機(jī)所輸出的脈沖信號(hào)的AOA信息同樣會(huì)保持在干擾信號(hào)能量質(zhì)心位置處，產(chǎn)生角度欺騙的干擾效果。

②對(duì)單脈沖雷達(dá)實(shí)施相干干擾就是通常所說(shuō)的交叉眼干擾，交叉眼干擾可以使得兩個(gè)干擾源的干擾信號(hào)在到達(dá)單脈沖雷達(dá)天線口面處具有穩(wěn)定的相位關(guān)系。這一干擾方法同樣適用于對(duì)電子偵察測(cè)向接收機(jī)實(shí)施干擾，根據(jù)前面單脈沖雷達(dá)與電子偵察的測(cè)向模型的統(tǒng)一性分析可知，此時(shí)電子偵察測(cè)向接收機(jī)同樣會(huì)產(chǎn)生較大的測(cè)向誤差而形成角度欺騙的干擾效果。

③對(duì)單脈沖雷達(dá)實(shí)施交叉極化干擾主要是利用了雷達(dá)天線在主極化與正交極化方向上的差異性。通常情況下單脈沖雷達(dá)大多采用高增益天線，天線波束寬度窄，其交叉極化方向的天線增益遠(yuǎn)低于主極化方向上的天線增益。而電子偵察測(cè)向天線大多數(shù)為寬波束天線，主極化方向上的天線增益并不高，也就意味著交叉極化方向上的天線增益與主極化方向上的天線增益相差并不太大。這就為針對(duì)電子偵察接收設(shè)備實(shí)施交叉極化干擾創(chuàng)造了更為有利的條件，只要電子偵察測(cè)向天線的交叉極化特性出現(xiàn)差異，那么對(duì)其實(shí)施交叉極化干擾也會(huì)更加有效。

由上可見(jiàn)，借鑒電子攻擊中對(duì)單脈沖雷達(dá)的干擾方法，將能夠?qū)撤降碾娮觽刹鞙y(cè)向設(shè)備實(shí)施有效的干擾。

3)拓展單脈沖雷達(dá)的工作帶寬

傳統(tǒng)的單脈沖雷達(dá)是典型的窄帶雷達(dá)，但是電子偵察通常具有很寬的工作帶寬，二者在測(cè)向應(yīng)用上之所以具有如此差異，主要原因在于單脈沖雷達(dá)的工作帶寬拓展受限于和差波束形成的硬件性能。在電子偵察中并沒(méi)有通過(guò)硬件來(lái)形成和差波束，而是將左右波束的信號(hào)完整記錄下來(lái)之后再進(jìn)行軟件處理。同樣，寬帶或超寬帶單脈沖雷達(dá)也可以借鑒電子偵察的處理架構(gòu)，將左右波束的信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)之后再進(jìn)行處理，即可大幅度拓寬工作帶寬，提升雷達(dá)的性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

比幅單脈沖雷達(dá)與電子偵察比幅測(cè)向具有統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型；比相單脈沖雷達(dá)與電子偵察中的單基線干涉儀測(cè)向也具有統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型。二者在測(cè)向模型上的統(tǒng)一性不僅推動(dòng)了雷達(dá)與電子戰(zhàn)設(shè)備綜合一體化的進(jìn)一步發(fā)展，而且為這兩個(gè)不同應(yīng)用領(lǐng)域的相互借鑒奠定了重要基礎(chǔ)。我們可以借鑒針對(duì)單脈沖雷達(dá)實(shí)施角度欺騙干擾的技術(shù)途徑來(lái)對(duì)電子偵察測(cè)向設(shè)備實(shí)施有效的干擾，從而為電子防御技術(shù)的發(fā)展提供了新的途徑與思路；另一方面，也可以借鑒電子偵察測(cè)向中的方法拓展單脈沖雷達(dá)的工作帶寬，提升單脈沖雷達(dá)的性能。綜上所述，單脈沖雷達(dá)測(cè)向與電子偵察測(cè)向的模型統(tǒng)一性分析結(jié)果為無(wú)線電測(cè)向理論的創(chuàng)新性應(yīng)用研究提供了重要參考。