CN104215938A - 一种对地形反弹干扰的极化检测识别方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及雷达信号处理和雷达电子对抗技术领域，公开一种对地形反弹干扰的极化检测识别方法和装置，所述方法采用的装置位于无人飞行器的机载雷达上，包括：发射机、双通道接收机、内部处理器、环形器，所述内部处理器通过电缆分别与发射机和双通道接收机相连，双通道接收机由水平极化接收机和垂直极化接收机组成，水平极化接收机通过电缆与水平极化天线相连，垂直极化接收机通过电缆与垂直极化天线相连。本发明能够检测和确定是否存在干扰机发射的干扰信号；当判断受到干扰后，能够识别出地形反弹产生的干扰信号。适用于多种依靠雷达信号进行探测、识别、角跟踪的装置中，快速识别干扰信号的类型，提高系统的干扰识别能力，进而有效的消除干扰。

Description

一种对地形反弹干扰的极化检测识别方法和装置

技术领域

本发明涉及雷达信号处理和雷达电子对抗技术领域，尤其涉及一种对地形反弹干扰的极化检测识别方法和装置。

背景技术

目前，大部分无人飞行器普遍采用雷达，也称为机载雷达，对空中或地面目标进行探测。为了阻止无人飞行器的有效探测，防御方如飞机，会携带干扰机，施放噪声压制干扰或欺骗干扰，使机载雷达产生错误的角度、距离测量信息。为此，机载雷达普遍采用了跟踪干扰源(HOJ)技术，该技术是将目标发射的干扰信号作为信号源，被动接收干扰信号，从而实现无源被动角度跟踪与精确测量。根据雷达单脉冲雷达的角跟踪原理，目标的方向由天线轴线的方向给出，而目标方向与天线轴线方向的一致由伺服误差电压为零来保证。限制测量精度的噪声是指能引起伺服误差电压在零点作随机起伏的噪声。而干扰机产生的噪声干扰信号尽管也是随机起伏的，但由于雷达天线馈源接收到的是同一噪声样本在同一时刻输出的信号，天线轴线方向与干扰机方向一致，使得雷达天线馈源接收到的噪声信号的差值就恒为零，由此产生的伺服误差电压也恒为零而无任何起伏，因而不会使天线发生偏转而导致测角误差。因此，跟踪干扰源技术能够有效对付施放自卫式干扰的飞机。

为了保护飞机的安全，防御飞机的干扰机采取了新的技术措施，它将干扰信号照射到地面，电磁干扰经过地面的反射产生了“地形反弹干扰”。地形反弹干扰和真实目标回波都能够进入机载雷达天线，但是所处的空间角度不同，使得雷达视场角内存在两个角跟踪信号，迫使雷达跟踪的角度并非的实际目标角度，形成角度欺骗的干扰效果。跟踪干扰源(HOJ)无法识别地形反弹干扰，使得地形反弹干扰效果显著，目前未见到报道有效的雷达电子反干扰措施和装置，能够检测和识别地形反弹干扰。

发明内容

本发明提供一种对地形反弹干扰的极化检测识别方法和装置，是利用极化信息来检测识别地形反弹干扰的方法和装置。通过比较接收信号与发射信号的极化特征差异，检测和确定是否存在干扰机发射的干扰信号；当判断受到干扰后，通过分析接收信号的极化相位特性，识别出地形反弹产生的干扰信号。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种对地形反弹干扰的极化检测识别装置，位于无人飞行器的机载雷达上，包括：发射机、双通道接收机、内部处理器、环形器，所述内部处理器通过电缆分别与发射机和双通道接收机相连，发射机和双通道接收机通过环形器相连；其中双通道接收机由水平极化接收机和垂直极化接收机组成，水平极化接收机通过环形器与水平极化天线相连，垂直极化接收机通过环形器与垂直极化天线相连。

一种对地形反弹干扰的极化检测识别方法，位于无人飞行器的机载雷达发射预定极化方式的电磁信号，双通道接收机通过水平极化接收机和垂直极化接收机接收两路射频通道，以保证能够同时接收垂直极化和水平极化信号，接收机接收到回波信号后，内部处理器对发射、接收信号的极化特征进行比较分析；

如果在极化上存在测定的差异，就能够确定干扰的存在，进一步分析回波信号的极化相位特性，确定干扰信号是否为地形反弹干扰；其具体步骤如下：

步骤一：发射预定极化信号

无人飞行器的机载雷达发射预定极化方式的电磁信号，以检测期望的目标；发射的能量集中在目标方向，极化方式为单一的水平极化或垂直极化；雷达内部处理器确定并记录发射信号的极化特性；

步骤二：接收回波信号

当目标到达机载雷达的作用距离内，雷达信号照射到目标表面，产生雷达表面回波，反射回雷达；同时，装在目标上的干扰机可能也在发射干扰信号，以干扰机载雷达对真实回波信号方向的测量；机载雷达具备正交的水平极化天线、垂直极化天线以及双通道接收机，能够同时接收回波信号的水平极化和垂直极化分量；接收机的主极化通道允许接收与发射信号极化方式一致的回波信号，交叉极化通道接收与主极化通道相正交的信号；通过采用的正交双极化天线和双通道接收机结构，能够使雷达系统接收任意极化状态信号；

步骤三：判定是否存在干扰信号

机载雷达中的内部处理器分析接收机通道接收到信号的极化方式，并与发射信号的极化方式相比较，以确定接收信号的极化与发射信号的极化是否一致；

目标和发射信号构成了散射机理，并形成回波信号，因此期望目标的表面回波保留了发射信号的极化特征，即使雷达缓慢旋转，当在常规无人飞行器内，由于无人飞行器的飞行运动属于平动，本身不进行自旋，相对于雷达波速(即光速)，无人飞行器的横滚角变化忽略不计，因此大部分目标回波信号与发射信号的极化方式基本相同；

当交叉极化通道接收到可测的交叉极化回波信号，内部处理器认为接收信号与发射信号的极化方式不同，判定存在干扰信号；

步骤四：判定干扰信号是否为地形反弹干扰

当内部处理器发现干扰存在，就进一步分析信号的极化相位特性，来识别地形反弹干扰；

干扰机发射信号照射到地面上，并发生反弹，产生地形反弹干扰；发射的干扰信号最初为任何极化方式；由于地面是粗糙表面的组合，使得照射到地面上的任何信号都将被去极化，因此地形反弹信号的极化相位差通常是随机的；通过分析接收信号的极化相位差是否满足随机特性，机载雷达能够确定接收到的是直达干扰，还是地形反弹干扰；

对于直达干扰信号，主极化S₁和交叉极化回波S₂分别如式(1)所示：

$\left[\begin{array}{c}{S}_1\\ S_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{E}_y\\ E_x\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{n}_1\\ n_2\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中，E_x、E_y分别是干扰机发射干扰信号的水平极化分量和垂直极化分量；n₁、n₂是两个分量的热噪声分量；θ是无人飞行器的横滚角，当θ＝0时，天线照射方向与机载雷达天线发射极化方向一致；一般而言，E_x、E_y是同相的线极化信号，不考虑热噪声的影响，S₁、S₂也应是同相的；

直达干扰信号和目标所在的角度位置相同，通过HOJ技术就能够完成对干扰的跟踪，因此直达干扰信号的角度测量即为目标所在方向，因此不需要进行干扰识别，按照常规的HOJ处理和角度跟踪处理即可；

对于地形反弹干扰信号，主极化和交叉极化回波如式(2)所示：

$\left[\begin{array}{c}{S}_1^c\\ S_2^c\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}{c}_{\mathrm{yy}}& c_{\mathrm{yx}}\\ c_{\mathrm{xy}}& c_{\mathrm{xx}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{E}_y\\ E_x\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{n}_1\\ n_2\end{array}\right]---\left(2\right)$

式中，c_yy、c_yx、c_xy、c_xx为地形杂波反射系数，系数下标的第一个字母代表发射极化，第二个字母代表接收极化，在满足互易性条件下：c_yx＝c_xy；

干扰信号回波的幅度、相位与地形特性有关，同时，地形反弹干扰信号主极化和交叉极化分量间的相位差是随机的，而直达干扰信号的极化相位差是确定的；

机载雷达将主极化和交叉极化两个接收通道的回波信号分成多个距离单元，每个距离单元相当于一个特殊的时间窗，代表目标的距离；内部处理器根据两个极化通道内每个距离单元的输出的相位值，计算相位差；然后通过循环，计算出所有距离单元上的相位差均值和标准差；

如果相位差均值接近0°，且标准差很小，内部处理器判定干扰信号为直达干扰，极化方式为线极化；

如果极化相位差的均值接近90°，且标准差很小，内部处理器判定干扰信号为直达干扰，极化方式为圆极化；如果标准差很大，达到了直达干扰的2到3倍甚至以上，内部处理器就判定接收到的干扰信号为地形反弹干扰。

由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下优越性：

本发明提出的一种对地形反弹干扰的极化检测识别方法和装置，可以使无人飞行器机载雷达快速检测到干扰的存在，并明确区分地形反弹干扰和线极化或圆极化干扰。方法实用性强，应用范围广。

本发明可以应用于无人飞行器、飞机以及多种依靠雷达信号进行探测、识别、角跟踪的装置中，快速识别干扰信号的特殊类型，提高系统的干扰识别能力，进而有效的消除干扰。

附图说明

图1是无人飞行器的机载雷达探测飞机的过程示意图。

图2是本发明的机载雷达结构框图。

图3是机载雷达对地形反弹干扰极化检测识别流程图。

图4是45°斜线极化直达干扰时，机载雷达接收信号的相位差统计分布。

图5是45°斜线极化直达干扰时，机载雷达接收信号的相位差标准差统计值与干噪比的关系曲线。

图6是圆极化直达干扰时，机载雷达接收信号的相位差统计分布。

图7是圆极化直达干扰时，机载雷达接收信号的相位差标准差统计值与干噪比的关系曲线。

图8是地形反弹干扰时，机载雷达接收信号的相位差统计分布。

图9是地形反弹干扰时时，机载雷达接收信号的相位差标准差统计值与干噪比的关系曲线。

图中：1、机载雷达；2、干扰机；3、发射电磁信号；4、回波信号和直达干扰；5、地形反弹干扰。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

图1为无人飞行器的机载雷达1探测飞机的过程示意图。机载雷达安装在无人飞行器上。机载雷达向目标方向发射电磁信号3。电磁波照射到包括所期望的目标，产生雷达表面的回波信号和直达干扰4，反射回机载雷达。雷达发射信号同时，装在飞机上的干扰机2向地面发射干扰信号，到达地面后发生反弹，产生地形反弹干扰5。

图2为本发明设计的机载雷达结构示意图。包括水平极化天线和垂直极化天线、环形器、发射机、双通道接收机和内部处理器五部分，发射机和接收机通过环形器相连。环形器与天线相连。正交双极化天线安装在雷达前端，使用传统的万向结构，具有较宽波束宽度来接收回波信号。接收机有两个接收通道，与正交双极化天线相连，能够同时接收水平和垂直极化信号。内部处理器与发射机、接收机相连，可以确定和记录发射信号极化特性并控制发射机发射，同时可以对接收机接收到的信号的极化特性差异进行分析，以确定干扰信号类型。

图3为机载雷达对地形反弹干扰极化检测和识别流程图。步骤如下：

步骤一：机载雷达向飞机目标发射电磁信号3，机载雷达的内部处理器确定并记录发射信号的极化特性。

步骤二：当飞机目标到达雷达的视距内，机载雷达照射到目标表面，产生雷达表面回波，回波经过雷达天线接收并送入接收机。同时，飞机上的自卫式干扰机可能也在发射干扰信号，以干扰机载雷达测量真实目标角度位置。雷达通过正交双极化天线以及双通道接收机，同时接收回波信号的水平极化分量和垂直极化分量。

步骤三：机载雷达的内部处理器分析接收机通道接收到信号的极化方式。如果交叉极化通道接收到可测的交叉极化回波信号，处理器就认为接收信号与发射信号的极化方式不同，判定存在干扰信号。否则，处理器就判定干扰不存在，继续对回波进行常规的信号处理。

步骤四：一旦发现干扰存在，内部处理器就根据接收信号的极化相位特性来识别地形反弹干扰。如果处理器分析接收信号相位差是随机的，就判定存在地形反弹干扰，然后处理器启动抗干扰程序，重新获取目标的真实回波；否则处理器就判定存在直达干扰，启动HOJ抗干扰程序，跟踪干扰源所在方向。

利用本发明方法进行计算机仿真试验，图4、5、6、7、8、9为试验结果。通过试验结果对比可以看出，直达干扰信号和地形反弹信号的极化特征具有明显的统计特性差异，在不同的距离单元，对于直达干扰，垂直极化与水平极化信号的相位差更加集中，分布标准差较小，而对于地形反弹干扰，垂直极化与水平极化信号的相位差分布较广，标准差较大，可以通过本发明方法区分这两种信号。

图4、6分别为45°斜线极化直达干扰、圆极化直达干扰在干噪比JNR＝30dB、无人飞行器的横滚角θ＝30°时，单次仿真得到的1024个距离单元的相位差统计分布。其中，45°斜线极化时仿真结果为：相位差均值0.0153°，相位差标准差为7.4432°；圆极化时仿真结果为：相位差均值为90.1088°，相位差标准差为3.5787°。同时，还可以看出，在1024个距离单元，直达干扰的垂直极化与水平极化信号的相位差更加集中，分布标准差较小。

图5、7分别为45°斜线极化直达干扰、圆极化直达干扰相位差标准差统计值与干噪比的关系曲线，其中JNR＝15～40dB，随着干扰信号功率的不断增大，标准差统计值也由大到小逐渐趋于稳定，在5°范围内。

图8为45°斜线极化产生的地形反弹干扰在干噪比JNR＝30dB，无人飞行器的横滚角θ＝30°，单次仿真得到的1024个距离单元的相位差统计分布，相位差均值为4.1829°，相位差标准差为87.9125°。可以看出，在1024个距离单元，地形反弹干扰的垂直极化与水平极化信号的相位差分布范围广，分布标准差较大。

图9为地形反弹干扰相位差标准差统计值与干噪比的关系曲线，其中，JNR＝15～40dB，随着干扰信号功率的不断增大，标准差的统计值很大，且变化范围不大，一直在87°左右。

Claims (2)

1.一种对地形反弹干扰的极化检测识别装置，其特征是：位于无人飞行器的机载雷达上，包括：发射机、双通道接收机、内部处理器、环形器，所述内部处理器通过电缆分别与发射机和双通道接收机相连，发射机和双通道接收机通过环形器相连；其中双通道接收机由水平极化接收机和垂直极化接收机组成，水平极化接收机通过环形器与水平极化天线相连，垂直极化接收机通过环形器与垂直极化天线相连。

2.一种如权利要求1所述对地形反弹干扰的极化检测识别装置的检测识别方法，其特征是：位于无人飞行器的机载雷达发射预定极化方式的电磁信号，双通道接收机通过水平极化接收机和垂直极化接收机接收两路射频通道，以保证能够同时接收垂直极化和水平极化信号，接收机接收到回波信号后，内部处理器对发射、接收信号的极化特征进行比较分析；

如果在极化上存在测定的差异，就能够确定干扰的存在，进一步分析回波信号的极化相位特性，确定干扰信号是否为地形反弹干扰；其具体步骤如下：

步骤一：发射预定极化信号

无人飞行器的机载雷达发射预定极化方式的电磁信号，以检测期望的目标；发射的能量集中在目标方向，极化方式为单一的水平极化或垂直极化；雷达内部处理器确定并记录发射信号的极化特性；

步骤二：接收回波信号

当目标到达机载雷达的作用距离内，雷达信号照射到目标表面，产生雷达表面回波，反射回雷达；同时，装在目标上的干扰机可能也在发射干扰信号，以干扰机载雷达对真实回波信号方向的测量；机载雷达具备正交的水平极化天线、垂直极化天线以及双通道接收机，能够同时接收回波信号的水平极化和垂直极化分量；接收机的主极化通道允许接收与发射信号极化方式一致的回波信号，交叉极化通道接收与主极化通道相正交的信号；通过采用的正交双极化天线和双通道接收机结构，能够使雷达系统接收任意极化状态信号；

步骤三：判定是否存在干扰信号

机载雷达中的内部处理器分析接收机通道接收到信号的极化方式，并与发射信号的极化方式相比较，以确定接收信号的极化与发射信号的极化是否一致；

目标和发射信号构成了散射机理，并形成回波信号，因此期望目标的表面回波保留了发射信号的极化特征，即使雷达缓慢旋转，当在常规无人飞行器内，由于无人飞行器的飞行运动属于平动，本身不进行自旋，相对于雷达波速(即光速)，无人飞行器的横滚角变化忽略不计，因此大部分目标回波信号与发射信号的极化方式基本相同；

当交叉极化通道接收到可测的交叉极化回波信号，内部处理器认为接收信号与发射信号的极化方式不同，判定存在干扰信号；

步骤四：判定干扰信号是否为地形反弹干扰

当内部处理器发现干扰存在，就进一步分析信号的极化相位特性，来识别地形反弹干扰；

干扰机发射信号照射到地面上，并发生反弹，产生地形反弹干扰；发射的干扰信号最初为任何极化方式；由于地面是粗糙表面的组合，使得照射到地面上的任何信号都将被去极化，因此地形反弹信号的极化相位差通常是随机的；通过分析接收信号的极化相位差是否满足随机特性，机载雷达能够确定接收到的是直达干扰，还是地形反弹干扰；

对于直达干扰信号，主极化S₁和交叉极化回波S₂分别如式(1)所示：

$\left[\begin{array}{c}{S}_1\\ S_2\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{E}_y\\ E_x\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{n}_1\\ n_2\end{array}\right]---\left(1\right)$ 其中，E_x、E_y分别是干扰机发射干扰信号的水平极化分量和垂直极化分量；n₁、n₂是两个分量的热噪声分量；θ是无人飞行器的横滚角，当θ＝0时，天线照射方向与机载雷达天线发射极化方向一致；一般而言，E_x、E_y是同相的线极化信号，不考虑热噪声的影响，S₁、S₂也应是同相的；

直达干扰信号和目标所在的角度位置相同，通过HOJ技术就能够完成对干扰的跟踪，因此直达干扰信号的角度测量即为目标所在方向，因此不需要进行干扰识别，按照常规的HOJ处理和角度跟踪处理即可；

对于地形反弹干扰信号，主极化和交叉极化回波如式(2)所示：

$\left[\begin{array}{c}{S}_1^c\\ S_2^c\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\θ}& \sin \mathrm{\θ}\\ -\sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}\end{array}\right]\left[\begin{array}{cc}{c}_{\mathrm{yy}}& c_{\mathrm{yx}}\\ c_{\mathrm{xy}}& c_{\mathrm{xx}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{E}_y\\ E_x\end{array}\right]+\left[\begin{array}{c}{n}_1\\ n_2\end{array}\right]---\left(2\right)$

式中，c_yy、c_yx、c_xy、c_xx为地形杂波反射系数，系数下标的第一个字母代表发射极化，第二个字母代表接收极化，在满足互易性条件下：c_yx＝c_xy；

干扰信号回波的幅度、相位与地形特性有关，同时，地形反弹干扰信号主极化和交叉极化分量间的相位差是随机的，而直达干扰信号的极化相位差是确定的；

机载雷达将主极化和交叉极化两个接收通道的回波信号分成多个距离单元，每个距离单元相当于一个特殊的时间窗，代表目标的距离；内部处理器根据两个极化通道内每个距离单元的输出的相位值，计算相位差；然后通过循环，计算出所有距离单元上的相位差均值和标准差；

如果相位差均值接近0°，且标准差很小，内部处理器判定干扰信号为直达干扰，极化方式为线极化；

如果极化相位差的均值接近90°，且标准差很小，内部处理器判定干扰信号为直达干扰，极化方式为圆极化；如果标准差很大，达到了直达干扰的2到3倍甚至以上，内部处理器就判定接收到的干扰信号为地形反弹干扰。