現代反輻射導彈攻防對抗技術面臨的新挑戰＊

戴幻堯，雷 昊，趙 晶，黃振宇

（1.中國洛陽電子裝備試驗中心，河南 洛陽471003；2.中國人民解放軍95868部隊，北京100076）

0 引言

被動雷達導引頭（PRS）是反輻射武器關鍵的部件，其性能直接影響反輻射武器的作戰效能［1］。傳統的PRS主要采用單脈沖測角技術，具有作用距離遠、體積小、智能化高、抗噪聲干擾能力強等優點，但是也存在很多局限性：PRS 空間和頻率分辨能力普遍偏弱，利用雷達組網、有源誘偏等手段，可將反輻射武器引向幾個輻射源的功率重心，能夠有效地避免反輻射導彈的攻擊；PRS 對輻射源信號的依賴性強，利用間歇發射、提前關機等手段切斷輻射信號源，可以使PRS不能穩定對目標進行跟蹤，甚至丟失攻擊目標。這些局限性使傳統體制的PRS難以適應現代戰場對抗環境。要保持反輻射武器對雷達、干擾源的威懾力，現代反輻射武器采用了許多先進的信號處理方法與復合制導技術來對抗防御方［2-4］。本文首先論述了PRS面臨防御方的信號環境，然后梳理了現代反輻射武器采取的新型抗干擾技術，通過仿真實例指出了傳統研究結論［5-8］值得商榷之處。

1 反輻射雷達導引頭面臨的對抗環境

對抗PRS，從技術上講，雷達可以考慮從空域、時域、頻域幾個方面采取措施。在空域方面，雷達可采用窄波束探測目標，并盡量降低天線的副瓣電平，目前副瓣電平可以低到-50dB，在時域方面，雷達可以采用寬脈沖發射、閃爍工作、應急關機等控制輻射功率的時間的手段。在頻域方面，雷達可采取捷變頻、脈沖壓縮、擴頻等技術。

1.1 低截獲概率雷達

低截獲概率（LPI）雷達是在雷達設計上使其不被PRS的截獲系統截獲，或截獲概率極低，這樣就可以免遭電子干擾和ARM 的攻擊。它主要通過采用寬帶高占空比的發射機，從而可以將輻射的能量以類噪聲的方式分散到一個極寬的頻率范圍，使快速干擾系統都無法對其進行瞄準式干擾；采用低旁瓣雷達天線可將任何可能發生的截獲限制到主瓣區；采用功率管理技術可使雷達僅當需要測量目標特性時才輻射能量，并且僅以與被測目標雷達面積大小相符合的功率電平輻射能量，造成PRS難以偵察截獲和跟蹤處理。簡言之就是極寬的頻帶、復雜的調制、極窄的類圖釘形的模糊函數。

1.2 雙／多基地雷達

在雷達系統中，由于接收機是無源寂靜工作的，因此在雙／多基地雷達系統中，可以把接收機靠前配置，PRS也無法對雷達接收機實施探測，而此時發射機可布置于己方一側的戰區前沿或飛機、衛星等空間平臺上，這樣就可以大大減少發射機被ARM 跟蹤和攻擊的概率。若采用多基地雷達，即使個別發射機被摧毀，整個防空系統仍能正常工作。

1.3 捷變頻技術［9-10］

捷變頻是一種技術而不是一種雷達體制，這種技術可以用于各種不同用處的雷達。例如監視雷達、跟蹤雷達、導彈制導雷達等等。捷變頻雷達體制是一種用來在頻域內對抗有源干擾的重要手段，同時，利用脈間頻率捷變還可以減少目標回波幅度起伏（幅度噪聲）和角閃爍（角噪聲）對雷達性能的影響，提高定向精度。因此可以通過兩臺捷變頻雷達同步觸發，以相同的脈寬同時照射同一批ARM；合理選擇頻率捷變參數，捷變速率應使ARM 尋的雷達伺服系統最佳響應；雙臺雷達要有合理的發射功率比值，以便獲得足夠的ARM 尋的雷達定向偏差及其產生的概率。

1.4 多點非相干／相干誘偏干擾

假設雷達信號與誘餌信號同時進入PRS。為此，雷達在每次發射脈沖前應將雷達發射脈沖的參數（包括脈寬、載頻、發射時間、功率等）通知誘餌，誘餌就按此調整自己的信號形式同雷達的信號形式一樣，并使雷達和誘餌脈沖同時到達ARM。如圖1所示，S1是雷達，S2是誘餌，Δθ是PRS與兩點源S1與S2構成的夾角，雷達與誘餌之間的距離為L，ΔθR為PRS的角度分辨角，O 為ARM 的瞄準點。

圖1 有源誘偏原理示意圖

當Δθ＜ΔθR時，PRS對兩點源的跟蹤角偏差θ 為［1］：

對于非相干兩點源干擾：

對于相干兩點源干擾：

式中，β為兩點源的幅度比，φ 為兩點源的相位差。

由式（1）、（2）可以看出，當Δθ＜ΔθR時：比幅體制PRS，導彈跟蹤兩點的功率重心；比相體制PRS，導引頭跟蹤兩點源的相位重心。因此，當β趨于1，并且Δφ趨于180°時，θ可趨于無限大，即可使導引頭跟蹤兩點源連線以外的位置?？傻酶櫧嵌绕铍S兩點源干擾信號的幅度比β和兩點源干擾信號的相位差Δφ 的變化如圖2所示。

圖2 角偏差隨兩點源幅度和相位差的變化

進一步分析可知，隨著兩點源之間的角距離Δθ增加，特性曲線平衡點的斜率將減小，當Δθ達到某一臨界值（分辨率）時，此時系統將進入隨遇平衡狀態，跟蹤點將離開幾何中心，而向某一點靠近。當兩點源與PRS之間的夾角大于導引頭分辨率時，PRS能夠分辨兩點源，并對其中之一進行穩定的跟蹤，以往研究指出［7］，此時導彈與兩點源之間的距離比較接近，由于導彈的過載能力有限已經來不及轉向，導致ARM 攻擊失敗。

1.5 高重頻脈沖干擾

高重頻脈沖干擾是一種基于時間、空間和頻率的三維聯合控制的新型壓制干擾技術［11］，起初設計用于對組網雷達的干擾。利用干擾機發射的遠高于雷達脈沖重復頻率的干擾脈沖在雷達的自動檢測器輸出端或顯示器上形成遠大于雷達自動處理的假目標批數（對固定幅度門限的雷達）或干擾能量使幅度門限抬高，形成黑洞（具有自適應幅度門限的雷達），致使雷達目標處理能力大幅度下降甚至喪失的遮蓋性干擾技術，理論上可以利用一部干擾機的有限干擾功率同時實現對多部雷達，特別是組網雷達的壓制式干擾。

干擾信號出現的概率取決于干擾信號重頻與脈寬的乘積，當選擇干擾脈沖寬度小于雷達脈沖寬度時，干擾概率取決于干擾的重頻與雷達脈寬的乘積。高重頻的干擾信號在雷達信號檢測器中出現高概率的誤判，從而在顯示器上（或數據庫中）造成了高密度的假目標過載，這就是高重頻脈沖的干擾原理。

利用高重頻干擾技術實現對雷達網的壓制干擾的另一條新技術途徑是利用高功率微波窄脈沖技術。高功率微波窄脈沖頻譜很寬，單位頻譜能量高，譜密度大，往往能同時覆蓋、同時照射目標的雷達網中的幾部不同雷達的頻率范圍，脈沖重頻又可以達到很高，因此利用高功率微波窄脈沖技術也可實現對雷達網的遮蓋壓制干擾。根據該原理不難推斷，這種技術也用于干擾PRS，以遮蓋目標雷達信號，破壞PRS對真實目標的分選識別和跟蹤濾波，從而保護有價值的重點目標雷達。

2 PRS抗干擾新技術

2.1 聚類分選和極化分選

聚類分選的物理內涵：根據導引頭前端測量的脈沖描述字（PDW）數據之間的相似性，將數據對象分組為若干個類，使同一個類的元素之間具有較高的相似度，而不同類的元素差別較大［10］。在聚類分選過程中，將每個輻射源當作一個信號類，PDW 中的參數是聚類的特征維數，每個脈沖是一次觀測樣本。只要聚類時選擇的特征參數具有較好的類內聚集性和類間分離性，理論上可以實現較好的聚類分選效果。利用脈沖到達角（DOA）、載頻（CF）、脈沖寬度（PW）和脈內調制參數（PM）等進行多參數綜合聚類，與傳統基于TOA 的脈沖去交錯算法（如累積直方圖CDIF或PRI變換法）相結合，能夠得到非常高的分選正確率，后來還衍生了動態距離聚類算法。

聚類分析中不需要用脈沖流的先驗知識，所以它是一種無監督分類方法，它特別適合對缺少先驗知識的對象進行分類，因此目前工程應用中通過聚類方法聯合其他多參數分選來實現脈沖去交錯是雷達信號分選的首選技術方案。

仿真模擬的10部雷達脈沖信號（2部頻率捷變雷達、2部PRI參差雷達、1部參差抖動PRI雷達、2部抖動PRI雷達和3部常規雷達），按照到達時間進行混疊。考慮到雷達發射機的機械抖動以及雷達接收機不可避免的測量誤差，在模擬雷達脈沖信號時，給CF、PW 等參數增加了隨機量，使CF 偏差在1%以內，DOA、PW、k（調頻斜率）、B（調制帶寬）偏差在5%以內。固定和參差PRI的變化范圍1%～3%，抖動PRI的范圍為5%～10%。

仿真時采用DOA、CF、PW、k多維參數綜合聚類，采用動態距離聚類算法DDC［12］得到的仿真結果如圖3所示。為了方便查看，將分選結果投影到了歸一化PW-CF 平面，并用不同的符號對分類結果做了標記，從圖中可以看到，DDC算法成功分類了10部雷達脈沖，盡管對幾類脈沖參數設置得非常接近，但是由于DDC算法采用多維參數聚類，因此在DOA、k 維上被分離得較好。

圖3 動態距離聚類算法分選結果

另外，傳統的PDW 中不包含雷達信號的極化參數，而極化參數（極化幅度描述子和極化相位描述子）可以拓展PDW 維度，一方面利用極化參數進行粗分選，可以降低脈沖流密度，增加脈沖間的相關性，然后再進行常規參數分選；另一方面，極化參數也可以同其它常規PDW 參數綜合運用進行聚類分析，提高分選識別概率［13］。

2.2 空間譜估計

空間譜估計的物理內涵，就是頻域上功率譜密度在空域上的延伸與推廣，描述了信號空間參數的分布。得到信號的“空間譜”就能得到信號到達方向（DOA），提供了超過“瑞利限”的角度分辨能力［5］，空間譜估計的角度超分辨特性很好地彌補了PRS單脈沖測角體制下的角度分辨能力弱的缺點，利用幅度比較單脈沖測角和相位比較單脈沖測角的結果融合處理就能夠解決PRS相位模糊、測角精度、測角穩定性的問題，顯著改善PRS對目標輻射源和誘餌的分辨能力，從而提高抗干擾、抗誘偏能力。因此在反輻射武器上應用空間譜估計算法已逐漸從理論研究階段進入工程應用階段。

為了分析空間譜測角單元的角度分辨能力，設計如下仿真實驗。假設PRS的直徑為25cm，導引頭一維上安裝4個間距相等陣元，陣元之間的距離為8.33cm。只有一個誘餌，誘餌與雷達功率相同。下面實驗結果的每個點都是100次Monte-Carlo實驗后經過數據統計得到，快拍數為100，信噪比為20dB，干擾形式為非相干誘偏。

非相干干擾條件下采用MUSIC 算法時，分辨概率與輻射源角距離的對應關系如圖4中左圖所示。非相干干擾條件下采用MUSIC 算法時，分辨概率為70%、80%、90%時的頻率與輻射源角距離之間的關系如圖4中右圖所示?？梢钥吹椒直娓怕孰S著輻射源角距離、頻率的變大而增加，空間譜估計MUSIC 算法具穩定的角度高分辨能力。

圖4 非相干干擾條件下角度分辨能力

2.3 極化分辨技術

極化分辨技術的物理內涵，就是利用誘偏系統中雷達與誘餌天線的極化特性差異來進行目標雷達的分辨和識別，進而控制角度波門的空選范圍，最終選擇雷達輻射源作為打擊目標。下面將具體說明雷達天線和誘餌天線的極化差異。

不同于雷達天線，誘偏系統中誘餌天線受成本、尺寸等因素限制，多用一些簡單的全向或寬波束天線來實現，如加反射板的圓環天線或喇叭天線等［14-15］。一般來說，誘偏系統由3～4個誘餌組成，每個誘餌天線波束寬度較寬，朝某一個方向輻射以達到需要的覆蓋范圍，因此誘餌天線不需要掃描，其極化方式一般認為比較穩定。而雷達天線在目標搜索過程中需要不停地掃描，天線輻射場的極化方式總是在變化。對于相控陣體制的跟蹤類雷達，在TWS 和TAS工作模式下，天線也會進行小角度的掃描。所以，盡管誘餌天線與雷達天線的期望極化方式相同，但導引頭觀測到的雷達和誘餌天線的極化方式存在差異，如圖5所示。其分別模擬給出了PRS天線接收到的雷達輻射信號和誘餌信號的極化狀態在極化球上的分布，無論是主瓣區間還是副瓣區間，雷達的極化總是在變化，而誘餌的極化變化穩定。這些直觀的分析結果對于提高反輻射導彈對雷達和誘餌的區分能力，并進一步提高被動導引頭抗誘偏的能力，提供了重要的理論依據和實際應用價值，并逐步邁向工程應用。

圖5 雷達天線和誘餌天線的極化特性差異

3 新型干擾挑戰

通過第1節的論述可以看出，作為現代反輻射武器攻防對抗的防御方，采用了低截獲概率技術、收發分置技術等降低PRS對目標雷達的搜索截獲，采用了頻率捷變技術影響PRS的正確分選概率，采用了兩點源或多點源相干／非相干干擾來破壞PRS的測角、產生錯誤測角偏差、形成錯誤的ARM 制導信息，采用高重頻脈沖干擾，遮蓋目標雷達信號，破壞了對真實目標的分選識別和跟蹤濾波。

但是，要想真正實現對ARM 的有效干擾、破壞ARM 的目標截獲、分選識別和跟蹤還是比較困難的。傳統研究中沒有考慮PRS的技術發展，僅通過功能仿真得出PRS跟蹤能量中心［6-8］或相位中心的結論不能直接用于新體制PRS，值得商榷。

具體說來，利用誘偏系統干擾ARM 的正常工作，實現誘偏干擾效果要滿足很多苛刻的條件。例如誘餌數量、功率設置、載頻設置、時序關系設置、誘餌間距配置、誘餌的布站方案、誘餌的調制參數等都要滿足嚴格的技術、戰術條件。例如，當雷達和誘餌的調制參數不同時，會引起PRS的跟蹤狀態的不同：

1）當兩點源脈沖重復頻率相同但不同步時導引頭只跟蹤一個目標；

2）當兩點源脈沖重復頻率相同但一個信號的脈沖總是導前另一個脈沖時，導引頭總是跟蹤脈沖導前的信號；

3）兩點源重復頻率不同時，被動導引頭跟蹤重復頻率高的信號；

4）當雷達和誘餌在導引頭處的信號場強不同且二者功率差值大時，導引頭跟蹤場強高的目標。

因此，雷達誘餌系統的輻射信號必須保持和雷達信號時間同步、重頻相同、前沿基本一致，并且在導引頭處場強基本相等，才能起到一定的誘偏效果，但是，在對抗動態的條件下，要保持兩個源的信號到達PRS處的相位相差恒定為π，理論上能使導引頭跟蹤兩點源連線之外的某一點，從而達到最佳的誘偏效果，但這在工程上是很難做到的，并且空間譜估計技術的廣泛應用，使得在PRS捕獲信號后就能對空間角距離較近的目標雷達、誘餌進行角度分辨，從而進行空域目標選擇進而穩定跟蹤。

第1節提出，合理采用高重頻脈沖干擾技術，可以對PRS起到遮蓋性壓制效果，起到對目標雷達的保護作用。但是同時使用這種技術也存在很大的技術風險，這是因為采用高重頻脈沖干擾在一定程度上覆蓋了整個時間域，稀釋了雷達脈沖數量，雖然干擾了PRS對目標雷達的分選、識別、目標選擇和跟蹤濾波等一系列處理，但是同時也提高了PRS對干擾脈沖的截獲概率，暴露了干擾機的位置，現代反輻射武器前端先進的分選方法能夠比較容易地分選出干擾脈沖。由于干擾脈沖重復頻率高，通過多級目標邏輯判決，重復頻率越高越容易被判斷為跟蹤制導雷達，威脅等級越高，越容易被優先選擇打擊，這使得干擾機成為了反輻射武器的打擊目標。由于該類干擾機具備了ARM 探測告警裝備、脈沖多普勒信號處理機、高重頻窄脈沖發射機，還要具備相控陣收發組件，造價必然不菲，甚至可能比期望保護的雷達還要昂貴，因此即便保護了雷達輻射源，其犧牲的代價也是難以承受的。

除此以外，如第1節所述，現代反輻射武器往往采用一系列的抗干擾技術和目標判斷程序，例如聚類分選技術、多級目標邏輯判決、空間譜估計、極化分選技術等，通過復雜的信號處理（信號分選識別新技術，目標選擇等），ARM 總能有效地選擇目標或者干擾源進行攻擊，這使得現有的干擾策略和干擾技戰術基本失效，無法達到期望的電子對抗作戰目的。

4 結束語

綜上所述，現代反輻射導彈攻防對抗亟需研究更為有效的干擾手段，例如自適應交叉極化干擾技術，該干擾技術利用了幅度和差單脈沖測角體制對交叉極化信號存在固有的角度跟蹤偏差，巧妙地利用了天線本身固有的交叉極化屬性，通過自適應地產生和激勵天線的交叉極化分量并造成天線的交叉極化響應，從而形成較大的角度跟蹤誤差，該干擾不僅可以用于飛機、艦船對主被動雷達導引頭制導導彈的自衛防護，還可用于導彈突防?；诖?，研究更加科學合理的干擾策略，研究更加自動化的干擾機制，無疑是現代反輻射武器給電子對抗試驗帶來的新挑戰?！?/p>

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