交叉眼干扰半实物仿真技术研究*

马逸超

(1．航空制导武器航空科技重点实验室,河南 洛阳 471009； 2．中国空空导弹研究院,河南 洛阳 471009)

0 引言

制导系统(guidance system)的半实物仿真(hardware in loop simulation)技术对于检验和提高武器系统的作战效能有着非常重要的意义。射频制导半实物仿真试验室，是考察制导武器在复杂电子对抗条件下对目标截获、跟踪以及抗干扰能力的重要设施；能够在试验室内对武器系统性能进行有效评估。交叉眼干扰是随着电子技术发展出现的一种新型干扰，能够对雷达角跟踪回路产生有效干扰。本文对交叉眼干扰原理以及半实物仿真的实现难度进行了分析，并初步提出了一条工程可实现途径。

1 交叉眼干扰分析

以下首先对交叉眼干扰的工作原理进行分析，之后将对在试验室内模拟干扰的半实物仿真技术要求进行分析[2]。

1.1 欺骗式干扰对雷达的作用原理

欺骗式干扰是干扰设备通过对雷达信号的截获分析，并选择合适的调制参数生成干扰信号；诱使雷达测距、测速、测角回路的测量信息与真实值产生偏离[3]。以下分别为雷达原理方程，以及干扰对雷达的作用方程[4]：

(1)

雷达收到的干扰功率为

(2)

式中：Pt为雷达发射功率；Prj为雷达收到干扰功率；Pj为雷达干扰机功率；Gj为干扰机发射天线在雷达方向上的增益；Gt为雷达天线增益；Gr为雷达接收天线在干扰方向的增益；Rj为干扰机与雷达之间的距离；σ为目标雷达散射截面。

由式(1)，(2)可知，干扰信号与目标回波信号功率公式不同，信号特征也有差异；因此在干扰与目标仿真模型设计时，应对干扰机功率、雷达接收天线在干扰方向的增益、目标类型、作用距离等参数进行综合模型设计，才能较真实地模拟复杂电子对抗环境。

1.2 交叉眼干扰的工作原理

交叉眼干扰是一种针对雷达角跟踪通道的干扰方式。它采用2个或多个在空间上相隔一定距离的干扰辐射源发射模拟雷达回波，并使其在功率/相位等参数上满足一定条件，各发射信号在雷达接收天线口面合成，形成局部特殊辐射场。该辐射场的波前在雷达所在位置的局部发生畸变以产生假象，使以平面波前检测为原理的雷达，误认为辐射源在另外的虚假位置。交叉眼干扰参数选择适当时，可以使被干扰雷达的瞄准轴超出两干扰源连线的方向，产生较大的角误差。交叉眼干扰机通常由2路独立的干扰机组成，如图1 所示[5]。其中接收天线R1与发射天线J2处于同一位置，接收天线R2与发射天线J1处于同一位置，工作时还需要保证2路射频通道宽带信号的相位一致性。

图1 交叉眼干扰机工作原理图Fig.1 Cross-eye jamming machine working principle diagram

设2相干干扰源在天线孔径处产生的电场相位差为φ，通过计算可求得天线跟踪的方向θ满足公式：

(3)

由于角度θ很小，tanθ≈θ，所以有

(4)

式中: θ为诱偏误差角；β为2个信号振幅比；Δθ为2个干扰源之间的角度差。

式(4)为交叉眼干扰的原理公式。从以上公式分析，相干干扰能直接干扰单脉冲雷达的角跟踪系统。产生干扰的原理就是利用空间相隔一定距离的2个点源的信号在幅度上相等，相位相差180°，在空间产生极为严重的相位波前失真。雷达接收到这种信号后，就会使天线跟踪点偏离开2个干扰源间距之外。

1.3 交叉眼干扰半实物仿真技术要求分析

从公式(4)的分析中可以得出结论：两相干干扰源产生的相位波前失真，取决于干扰源的振幅比β，两干扰源在天线孔径处产生的电场相位差φ以及两干扰源的距离。当干扰源之间的距离固定、相位相反、振幅相等时相位波前失真最大而与雷达的天线方向图形状无关。由公式分析可知当干扰参数选择：β=1.0±0.1，φ=180°±5°时干扰效果较为明显[6]。如果直接依照原理公式实现该项干扰的半实物仿真，目标模拟器的系统精度必须高于干扰控制参数一个数量级，这对于半实物仿真目标模拟器设计指标提出了很高的要求[7]。

首先,由于战术导弹的雷达导引头工作频段较高，因此1 mm的距离误差将造成几十度的信号相位误差。阵列式目标模拟器系统构成复杂，其微波连接电缆数量巨大，因此很难保证各辐射路径相位的精度要求。其次，目标模拟器采用大量微波有源器件，其幅度/相位的工作特性不仅与频率有关而且与功率和环境温度有关，因此幅度相位控制精度很难满足仿真需求[8]。

从以上2方面分析，直接使用交叉眼干扰的原理公式实现该项干扰的半实物仿真从工程角度考虑基本无法实现，因此需要从其他途径研究实现交叉眼干扰仿真的方法。

2 交叉眼干扰仿真研究途径

根据以上分析，直接采用交叉眼干扰原理公式进行半实物仿真试验方案设计存在较大的技术难度，因此以下将从阵列式目标模拟器的工作原理出发进行分析并结合合成场原理，通过研究控制三元组的3个辐射单元的幅度/相位控制关系，使三元组在雷达天线处的相位波前畸变与交叉眼干扰效果等效。

2.1 阵列式目标模拟器原理

阵列式目标模拟器组成面阵的基础常有矩形阵、四边形阵、三角形阵等，其中，三角形阵天线之间的耦合最小，且对相同的视场角，所需天线数目最少，故最常使用。因此本文将主要针对采用三角形阵(简称三元阵)形式的目标模拟器进行研究。阵列式目标模拟器以3个天线为目标子阵，组成三元组，同时辐射电磁波。根据各天线辐射射频信号能量的相对大小，存在一个等效的能量辐射中心，作为仿真的目标回波信号。三元组目标合成原理如图2所示。

假设3个天线方位角分别为ψ1，ψ2，ψ3，俯仰角分别为θ1，θ2，θ3，其物理位置如图3所示。

注：A，B，C为三元组的3个天线；R为观测点到3个天线的距离图2 三元组目标合成原理图Fig.2 Three-element group target synthesis principle diagram

图3 三元组物理位置示意图Fig.3 Three-element group physical location

设A，B两天线辐射信号的相位差为φ1，A，C之间的相位差为φ2，且A,B,C为同频率信号，且观测点到各天线的距离相等，即不存在波程差引起的相位差，则3路信号的合成场强为

E=Emejωt-αR-ψφ1φ2，

(5)

如果三元天线辐射的信号相位相同，则合成场强可简化为

E=Emej(ωt-αR)，

(6)

式中：αR为传输路径产生的相位差。

对于天线和观测点相对位置固定的情况下，αR为常数，可通过调整信号的初相加以补偿，故可令其为0。则合成场强为

E=Emejωt.

(7)

合成场强的指向即为三元阵等效能量辐射中心的指向，它也可由方位角ψ和俯仰角θ来描述，由空间矢量叠加原理可得，其正切分别为

(8)

以上即为三元组目标位置合成公式。由公式(8)可知，目标的等效位置不仅决定于三元组信号的幅度，也取决于三元组信号的相位。

2.2 三元组合成等效交叉眼干扰

由于采用3个天线进行目标位置合成，三元组在雷达天线处的合成波前可以不再是球面波，即波前相位产生畸变，其工作原理与交叉眼干扰有相似之处[9]。基准坐标系和天线坐标系如图4所示，目标在基准坐标系中的角度位置为(ψ,θ)，雷达天线指向目标时，雷达天线口面上任一点在天线坐标下坐标为(X,Y,Z)，在系统基准坐标系下的坐标为(x, y, z)。从天线坐标系变换到基准坐标系：

图4 基准坐标系和天线坐标系Fig.4 Reference coordinate and the antenna coordinate

三元组在基准坐标系下的角度坐标为 (ψ1,θ1),(ψ2,θ2),(ψ3,θ3),计算天线口面的接收场。天线上任意一点(x,y,z)到三元组第i个单元的距离为R，三元组各单元馈电幅度为Ei，各单元馈电相位为φi将各单元视为点源。根据雷达天线不同的口面场分布可以算出天线口面(x,y,z)处的接收场为[10]

(9)

式中：Is为雷达天线口面场分布。

以比相单脉冲雷达为例，将雷达天线口面分为4个区域，如图5所示[11]。对这4个区域进行不同的馈电可以分别得到和波束以及俯仰差，方位差波束。4个象限同相馈电得到和波束；1，4象限同相馈电，2，3象限同相馈电并与1，4反相，得到方位差波束；1，2同相，3，4同相并与1，2反相，得到俯仰差波束。

图5 雷达天线示意图Fig.5 Schematic diagram of the radar antenna

三元组在雷达天线口面某一象限的合成场为

(10)

则可得出雷达测角的方位差与俯仰差表达式，令其计算结果与干扰诱偏状态下的结果相等，通过对式(10)求解方程组可以求出三元组各单元的馈电幅度与相位。通过在微波暗室内，应用干涉仪式校准装置对模拟的目标回波信号进行角度测量，其结果如表1所示。

表1 干扰诱偏角位置测量结果Table 1 Interference angle measurement results

测试数据表明，该仿真方法在模拟诱偏角较小时精度较高；模拟诱偏角较大时精度较低；该现象与系统幅度相位控制精度有关。当诱偏角较大时，对仿真信号的幅度相位控制精度要求较高，因此模拟精度较低。由以上分析可知：该方案产生的干扰信号具有与交叉眼干扰相似的指向效果。

3 结束语

本文通过对交叉眼干扰的工作原理，以及半实物仿真试验室实现这一干扰仿真的难点进行分析，提出了从三元组目标位置合成原理出发实现交叉眼干扰半实物仿真的一种实现途径。通过在实验室利用目标模拟器校准装置[12]进行测试证明，该方法实现的干扰效果与直接采用交叉眼干扰的原理公式相同，并且具备了较高的工程可实现能力。

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