火控雷達認知抗干擾技術(shù)研究

張梅倉，王 磊

(1. 中國華陰兵器試驗中心， 陜西 華陰 714200； 2. 西安導航技術(shù)研究所， 西安 710068)

·電子對抗·

火控雷達認知抗干擾技術(shù)研究

張梅倉1，王 磊2

(1. 中國華陰兵器試驗中心， 陜西 華陰 714200； 2. 西安導航技術(shù)研究所， 西安 710068)

認知雷達技術(shù)通過對周圍環(huán)境的學習，實時調(diào)整雷達的工作參數(shù)，最優(yōu)化雷達在特定場景下的工作性能，發(fā)揮雷達最大性能。火控雷達認知抗干擾技術(shù)是一種基于認知技術(shù)的雷達抗干擾設計方法，將認知技術(shù)融入火控雷達設計中。文中針對火控雷達面臨的復合干擾特別是主瓣干擾威脅問題，研究火控雷達認知抗干擾技術(shù)，智能化調(diào)整火控雷達工作參數(shù)，選擇工作頻率，優(yōu)化發(fā)射波形，有效提升火控雷達抗干擾的能力。

認知雷達技術(shù)；雷達抗干擾；欺騙式干擾

0 引 言

目前，火控雷達主要面臨著四大威脅：低空突防、電磁干擾、隱身目標和反輻射導彈。隨著電磁干擾技術(shù)的不斷改進和發(fā)展，電磁干擾對火控雷達的威脅越來越大。當前，電磁干擾技術(shù)呈現(xiàn)出多樣性和復雜性的特點，傳統(tǒng)的抗干擾技術(shù)已無法滿足戰(zhàn)場復雜對抗環(huán)境的需求，主要存在以下問題[1]：(1)抗干擾技術(shù)手段以人工操作為主，應對場景變化速度慢，效率低；(2)對外部干擾環(huán)境認知不夠，雷達難以自動辨識受到干擾的種類；(3)針對主瓣干擾較難起效； (4)副瓣干擾抑制能力有限。

為了應對日益復雜的干擾樣式，捷變頻、自適應波束形成等技術(shù)已經(jīng)使得抗干擾技術(shù)由被動、固定，向主動、自適應演化；而信號盲分離等抗干擾技術(shù)使得抗干擾策略逐步走向認知化[2]。

火控雷達面臨的抗干擾問題很難依賴于某個算法或者某個分系統(tǒng)技術(shù)圓滿解決，而是需要雷達系統(tǒng)充分

利用多種技術(shù)綜合協(xié)作來應對[3]。本文提出，在抗干擾設計準則下，利用火控雷達系統(tǒng)的天線、收發(fā)、信號處理、數(shù)據(jù)處理等各個分系統(tǒng)，結(jié)合外界環(huán)境的反饋信息以及火控雷達自身工作特點，統(tǒng)籌全雷達系統(tǒng)資源，進行綜合抗干擾設計，形成一個以雷達系統(tǒng)性能充分發(fā)揮為目標的智能化認知抗干擾技術(shù)體系。

本文將認知技術(shù)引入火控雷達抗干擾工作中，著重系統(tǒng)性地研究火控雷達認知抗干擾技術(shù)體系及其技術(shù)組成。通過對火控雷達認知抗干擾技術(shù)體系的分析，提出未來認知火控雷達應重點研究的一些基礎技術(shù)內(nèi)容，以及認知火控雷達抗干擾性能的評價指標問題。

1 火控雷達認知抗干擾技術(shù)

2006年，加拿大Haykin S.[4]首次提出認知雷達概念。認知雷達技術(shù)是具備對環(huán)境學習和反饋特性的新一代智能雷達技術(shù)，具有完善的接收和發(fā)射自適應特征，通過與環(huán)境的不斷交互和學習，獲取環(huán)境的信息，結(jié)合先驗知識和推理，不斷地調(diào)整接收機和發(fā)射機參數(shù)，自適應探測目標，用以提高復雜、時變以及未知電磁環(huán)境與地理環(huán)境下的感知性能。通過認知技術(shù)雷達可以對周圍環(huán)境進行充分地感知與分析，以便采取針對性的發(fā)射波形，有效地提高雷達對抗電磁干擾威脅的能力[5]，如圖1所示。同時，由于發(fā)射的全自適應，雷達可以根據(jù)跟蹤目標的不同，采用最佳的跟蹤波形，達到穩(wěn)定跟蹤目標的同時降低發(fā)射泄漏。

圖1 認知雷達系統(tǒng)框架圖

認知抗干擾技術(shù)的本質(zhì)是將認知技術(shù)融入雷達系統(tǒng)設計中，使雷達具備感知與分析外界環(huán)境的能力，并根據(jù)環(huán)境分析的反饋結(jié)果，實時調(diào)整發(fā)射參數(shù)，使雷達的抗干擾能力及工作性能始終處于最佳狀態(tài)的一種現(xiàn)代雷達設計技術(shù)。

認知抗干擾的核心技術(shù)是自動識別干擾類型，并且自動采取相應的抗干擾的措施，如圖2所示。其抗干擾體系主要體現(xiàn)在以下三個方面：(1)基于寬帶偵察與窄帶通道的抗干擾環(huán)境認知功能；(2)基于干擾分類識別的干擾措施調(diào)度處理技術(shù)；(3)基于雷達系統(tǒng)綜合設計的抗干擾技術(shù)。

圖2 基于認知技術(shù)雷達抗干擾框圖

類似于自適應頻率捷變技術(shù)可以看成是認知抗干擾技術(shù)的雛形，該技術(shù)偵察外部干擾頻率分布，自動將雷達工作頻點跳轉(zhuǎn)到干擾功率最小的頻點。

1.1 寬帶與窄帶偵察相結(jié)合的干擾認知技術(shù)

對干擾環(huán)境的認知是雷達對抗干擾的前提。干擾認知需要對干擾源的特征進行提取、分析和分類，對不同類型的干擾可以采用不同的對抗措施，如圖3所示。

目前，雷達的抗干擾和工作通道結(jié)合在一起，在正常的工作通道可以獲得的干擾源參數(shù)包括：干擾空間位置、干擾時域、頻域等特征[6]。但是，當雷達工作在干擾對抗模式時，需要更為全面、快速地了解干擾在整個雷達可以工作帶寬的分布、干擾源的時頻變化特點和使用策略等，如此大的數(shù)據(jù)量難以用雷達的工作通道來傳輸。認知雷達將寬帶偵察通道用于干擾分析、識別，為干擾分類與抗干擾效果評估奠定基礎。

圖3 多種干擾類型和針對性抗干擾措施

干擾的寬帶偵收分析通道，可以設計成數(shù)字信道化機制，將雷達工作頻段設計成信道化模式，同時完成各頻點的干擾變化與種類分析，有以下三點：(1)實時偵察雷達外部電磁環(huán)境，獲取雷達工作頻點的干擾信息，為操作員提供干擾時間與頻率分布，為主動抗干擾提供情報基礎。(2)寬、窄帶融合分析，更為有效地獲取干擾的空間、頻率、時間等多維信息。(3)寬帶可以偵察到非失真干擾，以及干擾機的邊帶雜散信息，為干擾種類識別奠定技術(shù)基礎。

1.2 基于干擾分類識別的智能抗干擾調(diào)度策略

雷達策略設計最為重要的就是通過策略優(yōu)化推演，找到可以應用于多種復雜場景的抗干擾策略[7]，并將各種因素參數(shù)化，使用計算機定量分析，求解出復雜的應對策略。

抗干擾策略的選擇是由雷達對外界環(huán)境信息的掌握程度決定[8]。對于認知火控雷達而言，環(huán)境感知主要獲取雷達所需的地理和電磁環(huán)境的信息，同時可以實現(xiàn)與多源傳感器和多平臺的信息交互，完成環(huán)境信息的分析和識別，對干擾樣式等進行有效甄別，為信號處理和資源配置提供相關(guān)的信息。

認知火控雷達因其特別快速反應的特點，需要設置專門的知識庫，來解決知識高速利用及響應的問題。動態(tài)知識庫主要用于存儲、調(diào)度和更新各種類型的先驗知識。知識庫應該包含環(huán)境知識、算法知識、系統(tǒng)知識、升級知識等多個層面的知識體系，并且知識能夠?qū)崿F(xiàn)自主更新和升級。

對于雷達系統(tǒng)設計而言，策略設計最為重要的工作，即通過策略優(yōu)化推演，找到可以應對多種復雜場景的抗干擾策略[9]。基于“博弈論”的抗干擾策略研究，將是雷達干擾對抗的重要手段。博弈論將各種因素量化加權(quán)，演變?yōu)榭梢允褂糜嬎銠C計算的量化因素，從而可以采用計算機分析及利用動態(tài)知識庫求解復雜的應對策略。

1.3 發(fā)射波形抗干擾技術(shù)

對于干擾方而言，重要的一環(huán)是對目標雷達信號的偵搜。可靠地識別出需要干擾的對象特征是干擾方實施有效干擾的前提條件。認知火控雷達想要對抗干擾，迷惑或者讓干擾方難以截獲自身雷達信號是重要的抗干擾思路。雷達發(fā)射可以采取的措施有：

1)欺騙脈沖發(fā)射，擾亂干擾機轉(zhuǎn)發(fā)。該措施針對射頻儲存轉(zhuǎn)發(fā)干擾非常有效。

2)低截獲波形。脈沖雷達采用多脈沖積累或者長脈沖工作方式，或者多輸入多輸出(MIMO)雷達體制，使空間電磁輻射功率有效降低，讓干擾方難以偵測。

雷達發(fā)射波形優(yōu)化技術(shù)分為兩個趨勢：優(yōu)化選擇和優(yōu)化設計。優(yōu)化選擇的前提是有龐大的波形庫，但難以滿足雷達實時性要求。優(yōu)化設計是根據(jù)環(huán)境需要實時設計波形或者計算波形參數(shù)。波形設計使用的準則有信噪比準則(SNR)和互信息準則(MI)。聯(lián)合準則法則是綜合了二者優(yōu)缺點，目的是最大化環(huán)境信息，設計或者選擇出最優(yōu)的發(fā)射波形。

(1)

其中

α=TH/TZ， TZ=T+TH

式中：T表示發(fā)射信號x(t)的脈沖持續(xù)時間；TH表示目標響應h(t)的持續(xù)時間；TZ表示x(t)和h(t)對應的卷積變換輸出z(t)的持續(xù)時間。通常情況下，TH>>T，所以α→1。γH(f)表示目標響應h(x)的期望功率譜方差。X(f)表示發(fā)射信號x(t)關(guān)于脈沖持續(xù)時間T的傅里葉變換。Scc(f)表示零均值高斯過程c(t)的功率譜密度；Snn(f)表示零均值噪聲過程n(t)的功率譜密度。

則輸出信噪比SNR可以表示為

(2)

式中：積分限W表示信號帶寬，即頻帶；snr(f)表示信噪比的譜密度函數(shù)，即“SNR頻譜”。

mi(f)=ln[1+snr(f)]

(3)

(4)

所以，互信息MI的表達式可以表示為

(5)

一般來說，同等條件下snr(f)在整個接收帶寬內(nèi)起伏變化越大，其利用的環(huán)境信息越多，由式(3)可知，mi(f)與snr(f)呈對數(shù)關(guān)系，所以，mi(f)起伏程度會低于snr(f)，而mi(f)代表的是目標與回波信號的互信息。所以，mi(f)與snr(f)之間的差值可以近似看作為回波信號與干擾信號(雜波，噪聲)之間的互信息，有

(6)

聯(lián)合準則的目的是最大化環(huán)境信息，即最大化Δ(f)，從而可以促使雷達更加精確的感知環(huán)境，如圖4所示。由此設計或選擇出最優(yōu)的發(fā)射波形。

圖4 三種準則下的優(yōu)化波形能量譜仿真

由圖4可知，三種準則波形的趨勢都是將能量值匯集在雜波功率譜值小，沖激響應譜方差值大的地方。這類似于雷達決策系統(tǒng)在對環(huán)境頻譜感知后作出的波形能量譜最優(yōu)分配。不同的是，三種準則下，能量譜分配程度不一樣，信噪比準則下波形能量譜值方差最小，互信息準則次之，聯(lián)合準則最高。即聯(lián)合準則能夠最大限度地將波形能量值置于最優(yōu)的接收頻率段，從而達到最優(yōu)化波形有效抗干擾的目的。

2 進一步需要研究的內(nèi)容

認知技術(shù)對雷達設計的靈活性裕度要求極高。傳統(tǒng)的火控雷達在接收到目標指示后，難以再應對大的目標特征變化，靈活性極差，抗干擾能力弱。火控雷達認知抗干擾技術(shù)在現(xiàn)役裝備的火控雷達上實現(xiàn)智能化地抗干擾比較困難，需要在軟硬件組成及體系結(jié)構(gòu)上進行大的改變。除了采用靈活度更高的數(shù)字相控陣體制外，我們認為至少還需要開展以下內(nèi)容的研究：

1)高性能的雷達收發(fā)前端技術(shù)。與傳統(tǒng)相比，認知雷達需要獲取的信息多，對收發(fā)前端提出了更高的要求。更大的收發(fā)帶寬、更靈活的收發(fā)波束控制等，還需要兼容多元信息和多平臺的數(shù)據(jù)。

2)雷達環(huán)境感知技術(shù)。環(huán)境感知主要獲取雷達所需的地理和電磁環(huán)境的信息，同時可以實現(xiàn)與多源傳感器和多平臺的信息交互，完成環(huán)境信息的分析和識別，對干擾樣式等進行有效甄別，為信號處理和資源配置提供相關(guān)的信息。

3)雷達動態(tài)知識庫設計。動態(tài)知識庫主要用于存儲、調(diào)度和更新各種類型的先驗知識，是認知雷達走向智能化的重要基礎。知識庫應該包含環(huán)境知識、算法知識、系統(tǒng)知識、升級知識等多個層面的知識體系，并且知識能夠?qū)崿F(xiàn)自主更新和升級。

4)收/發(fā)全自適應處理技術(shù)。與傳統(tǒng)雷達相比，認知雷達是全自適應的閉環(huán)體系，其不僅在接收端實現(xiàn)自適應，而且實現(xiàn)收發(fā)處理聯(lián)合自適應，先驗知識與接收數(shù)據(jù)聯(lián)合處理，算法、資源、策略的多層次自適應調(diào)度，充分發(fā)揮多源信息和先驗知識的優(yōu)勢，同時利用實時數(shù)據(jù)彌補先驗知識在時效上的缺陷。

3 結(jié)束語

認知雷達的模型雖已提出多年，但在國內(nèi)外都還只是理論模型。如何將其融入火控雷達抗干擾技術(shù)中，并且能結(jié)合干擾的特點來發(fā)揮出最大效能，須從總體設計上考慮。基于認知技術(shù)的雷達系統(tǒng)是一種高度自適應，具有一定智能化，能夠根據(jù)環(huán)境需要動態(tài)調(diào)整工作參數(shù)，以雷達系統(tǒng)在特定環(huán)境下整體性能最優(yōu)為目標的新型雷達系統(tǒng)。理論上認知技術(shù)能夠整體提高火控雷達的工作性能，但還無法提出普適的指標。在非均勻的環(huán)境下，雷達需要不斷調(diào)整參數(shù)來更好地適應環(huán)境，認知技術(shù)發(fā)揮的空間會更大，效果更明顯。但是在均勻環(huán)境下，雷達無需不斷調(diào)整工作狀態(tài)。在此情況下，認知雷達與傳統(tǒng)雷達相比就不再具備優(yōu)勢。

如何科學合理地評價基于認知技術(shù)的雷達抗干擾性能，就需要引入一種全新的評價指標體系。

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張梅倉 男，1965年生，高級工程師。研究方向為雷達試驗鑒定與評估。

王 磊 男，1983年生，高級工程師。研究方向為雷達系統(tǒng)總體設計。

A Study on the Technology of Cognitive Anti-jamming for Fire Control Radar

ZHANG Meicang1，WANG Lei2

(1. Huayin Ordnance Test Centre, Huayin 714200, China) . Research Institute of Navigation Technology, Xi′an 710068, China)

Cognitive anti-jamming technology for fire control radar is proposed, which is state of the art technology. Through the study of the surrounding environment, cognitive radar technology adjust the working parameters of radar in real time, optimize radar performance in a specific scenario, to maximize the performance of radar. Anti-jamming technology of cognitive radar is one kind of radar anti-jamming design method based on cognitive technology, which integrate the cognitive technology into the radar designing, so that the radar has the ability to adjust its working parameters, and effectively improve the ability of radar anti-jamming.

technology of cognitive radar; radar anti-jamming; deception jamming

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.12.019

張梅倉 Email：2694506176@qq.com

2016-09-16

2016-11-15

TN974

A

1004-7859(2016)12-0091-04