雷達(dá)反主瓣干擾的現(xiàn)狀和趨勢(shì)研究

梁海珊

(南京電子技術(shù)研究所 南京 210039)

0 引言

雷達(dá)干擾是隨著雷達(dá)的產(chǎn)生而產(chǎn)生的，隨著雷達(dá)的發(fā)展而發(fā)展的，是電子戰(zhàn)的一種重要形式。從交戰(zhàn)過程看電子對(duì)抗系統(tǒng)(ECM)和電子反對(duì)抗(ECCM)分為兩個(gè)過程：第一個(gè)過程是偵察和反偵察的較量。電子對(duì)抗系統(tǒng)要近乎全方位、全頻段偵察，并對(duì)輻射源識(shí)別、定位；而雷達(dá)電子反對(duì)抗需要采取措施降低截獲概率，增加信號(hào)分選、測(cè)量難度。第二個(gè)過程是干擾和反干擾的較量。發(fā)現(xiàn)雷達(dá)信號(hào)后，電子對(duì)抗系統(tǒng)要合理調(diào)度資源進(jìn)行干擾；而干擾信號(hào)進(jìn)入雷達(dá)系統(tǒng)后，雷達(dá)系統(tǒng)要采取措施反干擾，保證對(duì)目標(biāo)的探測(cè)。

電子對(duì)抗對(duì)雷達(dá)實(shí)施有效的干擾必須具備的條件是：在三個(gè)作用域上對(duì)準(zhǔn)，包括頻率域、極化域和空域；足夠強(qiáng)的干擾信號(hào)能量；有效多樣的干擾樣式。干擾得以進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī)的必要條件是頻率域、極化域和空域上對(duì)準(zhǔn)。在此基礎(chǔ)上，足夠的干擾信號(hào)強(qiáng)度及有效的調(diào)制樣式以及實(shí)時(shí)適應(yīng)雷達(dá)對(duì)抗環(huán)境才能充分發(fā)揮壓制和破壞雷達(dá)工作的效能。

為了達(dá)到上述目的，從技術(shù)和原理上描述，電子對(duì)抗正在朝著雷達(dá)對(duì)抗的陣列化和數(shù)字化、雷達(dá)對(duì)抗的智能化與認(rèn)知雷達(dá)對(duì)抗以及協(xié)同雷達(dá)對(duì)抗與綜合集成雷達(dá)對(duì)抗等方向發(fā)展，使得雷達(dá)的工作環(huán)境越來越惡劣。

1 主瓣干擾概念與威脅

主瓣干擾是指從雷達(dá)主瓣進(jìn)來的干擾，在空域上，干擾和目標(biāo)在主瓣波束范圍內(nèi)；在時(shí)域上，由于獲得了雷達(dá)主瓣增益，干擾強(qiáng)度很大；在樣式上，主瓣干擾具有多種類型，包括噪聲壓制干擾、轉(zhuǎn)發(fā)式干擾、靈巧干擾、脈沖干擾等等。

實(shí)際作戰(zhàn)中，電子干擾的戰(zhàn)術(shù)手段較多，可以按照干擾機(jī)與被掩護(hù)目標(biāo)的空間位置關(guān)系分為：自衛(wèi)式電子干擾、隨隊(duì)式電子干擾、支援式電子干擾、以及復(fù)合式電子干擾。

按照干擾從雷達(dá)副瓣還是主瓣、近主瓣進(jìn)入，可以將電子干擾的戰(zhàn)術(shù)手段分為兩類：一類是支援式電子干擾，另一類是隨隊(duì)式電子干擾和自衛(wèi)式電子干擾。復(fù)合式干擾往往從雷達(dá)主瓣以及主副瓣同時(shí)進(jìn)入。對(duì)于副瓣干擾，可以通過常規(guī)的自適應(yīng)波束形成算法在空域形成凹口抑制干擾，使輸出信干噪比最大，但是通道誤差會(huì)限制對(duì)消比。而對(duì)于從近主瓣、主瓣進(jìn)入的干擾，常規(guī)的自適應(yīng)波束形成算法會(huì)在雷達(dá)主瓣內(nèi)形成零陷，導(dǎo)致主瓣畸變、旁瓣升高，從而使得輸出信干噪比下降，算法性能下降嚴(yán)重。因此，雷達(dá)在對(duì)抗主瓣干擾時(shí)，常規(guī)的自適應(yīng)波束形成算法已不適用，需要研究反主瓣干擾算法。

2 反主瓣干擾研究現(xiàn)狀

空域、時(shí)域、極化域等是雷達(dá)的主要作用域。下面分別從不同作用域角度探究反主瓣干擾研究現(xiàn)狀。

2.1 傳統(tǒng)空域

面對(duì)主瓣、近主瓣干擾，自適應(yīng)波束形成會(huì)在主瓣上形成凹口?；谧枞仃囶A(yù)處理算法利用主瓣干擾的角度信息構(gòu)造阻塞矩陣；然后利用構(gòu)造好的矩陣對(duì)接收信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，去除回波中的主瓣干擾能量；最后利用預(yù)處理后的數(shù)據(jù)求取自適應(yīng)權(quán)矢量。此時(shí)，由于主瓣干擾成分被消除，在主瓣范圍內(nèi)自適應(yīng)算法將不會(huì)形成零陷，保證了主瓣形狀不變并保持副瓣電平的水平[1]。但實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)干擾測(cè)角并不準(zhǔn)確，阻塞矩陣構(gòu)造有誤差，對(duì)最后性能影響較大，需要精確已知期望信號(hào)及與阻塞干擾方位角。

基于大口徑輔助陣的方法可以在空域上處理主瓣干擾。該方法是在原雷達(dá)的附近增加一個(gè)輔助陣列，基于成本考慮，輔助陣單元可采用拋物面天線，借助輔助陣列所帶來的額外自由度來抑制主瓣干擾[2]。輔助陣也增加了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，需要設(shè)計(jì)輔助陣口徑、輔助陣單元間距、輔助陣單元個(gè)數(shù)等。

針對(duì)主瓣干擾抑制后測(cè)角性能下降的問題，文獻(xiàn)[3]提出了子陣間約束自適應(yīng)和差單脈沖測(cè)角算法，該方法先聯(lián)合各子陣和波束、差波束輸出進(jìn)行自適應(yīng)處理，分別形成合成的自適應(yīng)和波束、差波束，在差波束自適應(yīng)權(quán)形成中增加了單脈沖比全陣列約束，可以在抑制主瓣、近主瓣干擾的同時(shí)還能較好地保持單脈沖比不失真，并克服了子陣自適應(yīng)處理帶來的孔徑損失。在和差自適應(yīng)權(quán)過程求逆運(yùn)算較大，該算法計(jì)算復(fù)雜度較高，而且在有陣列誤差等條件下魯棒性還有待探討。文獻(xiàn)[4]提出了子陣級(jí)自適應(yīng)單脈沖的四通道主瓣干擾抑制方法，在對(duì)一個(gè)方向(方位或者俯仰)的主瓣干擾進(jìn)行抑制的同時(shí)，可保證與之正交(方位或俯仰)的單脈沖比保持不變(與靜態(tài)單脈沖比相同)，無需對(duì)自適應(yīng)和、差波束的輸出進(jìn)行校正。但存在一定的陣列等效孔徑損失，在一定程度上影響了單脈沖目標(biāo)角度估計(jì)精度。

2.2 新型空域

2.2.1 頻率分集陣?yán)走_(dá)

文獻(xiàn)[5]首次提出FDA(Frequency Diverse Array)雷達(dá)概念，并申請(qǐng)了美國(guó)專利。國(guó)內(nèi)有部分學(xué)者將FDA直譯成頻率分集陣[6-7]，也有將其譯作頻控陣[8]，綜合來看，頻率分集陣?yán)走_(dá)這種翻譯更有代表性。與傳統(tǒng)相控陣列的發(fā)射信號(hào)不同，頻率分集陣列不同陣元發(fā)射載頻不同的信號(hào)。因此引入了額外的相位項(xiàng)，該項(xiàng)與頻差和距離相關(guān)相關(guān)，使得波束指向在距離向上不再保持恒定，而是一種與距離相關(guān)的波束，所以頻率分集陣列具有距離依賴性方向圖。該概念提出后，在美國(guó)空軍、海軍等國(guó)防研究機(jī)構(gòu)中引起較為廣泛關(guān)注[9-10]。近年來，多個(gè)國(guó)內(nèi)外期刊和會(huì)議上也涌現(xiàn)出了不少頻率分集陣?yán)走_(dá)相關(guān)的研究論文[11-14]。頻率分集陣?yán)走_(dá)在抗主瓣干擾方面具有優(yōu)勢(shì)。首先，頻率分集陣?yán)走_(dá)波形復(fù)雜，干擾機(jī)處理難度大，在空間中特定空域形成發(fā)射主瓣，干擾機(jī)接收到的能量小，從而實(shí)現(xiàn)低截獲。其次，頻率分集陣?yán)走_(dá)具有角度-距離二維天線方向圖，針對(duì)目標(biāo)角度和干擾源角度相同的場(chǎng)景，利用自適應(yīng)或者非自適應(yīng)處理算法，可實(shí)現(xiàn)主瓣欺騙干擾的自適應(yīng)抑制[15]。但該體制發(fā)射、接收端設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，對(duì)工程實(shí)現(xiàn)有一定要求。

2.2.2 分布式MIMO雷達(dá)

MIMO雷達(dá)從信號(hào)形式和收發(fā)體制上具有良好的反干擾能力[16]。

首先，信號(hào)被截獲的概率低，主要由于兩點(diǎn)：

1)發(fā)射正交信號(hào)，空間不形成波束，干擾機(jī)接收到的雷達(dá)信號(hào)功率很小，信號(hào)分選難度大。

2)采用收發(fā)分離體制。發(fā)射端可以發(fā)射連續(xù)波信號(hào)，這樣可以降低發(fā)射信號(hào)峰值功率；接收端可以通過長(zhǎng)時(shí)間積累獲得增益，所以不會(huì)影響雷達(dá)威力，而干擾機(jī)不容易將雷達(dá)發(fā)射的能量積累。

其次，采用收發(fā)分置的體制的分布式MIMO雷達(dá)，干擾機(jī)只能偵收到發(fā)射機(jī)的位置，使得干擾機(jī)實(shí)施干擾朝向雷達(dá)發(fā)射機(jī)，而不是接收機(jī)，接收機(jī)處于干擾機(jī)副瓣位置；而且接收端可以通過采用數(shù)字波束形成等技術(shù)，在空域形成凹口，將干擾方向置零，從而達(dá)到消除有源干擾的目的，仿真實(shí)驗(yàn)已經(jīng)驗(yàn)證可行性[17]。并且分布式MIMO雷達(dá)具有抑制離散式多普勒擴(kuò)展雜波的前景[18]。但另一方面，干擾機(jī)陣列化的發(fā)展，干擾發(fā)射的電子波束控制，使得干擾機(jī)具有對(duì)抗分布式MIMO雷達(dá)的潛力。

2.2.3 雷達(dá)組網(wǎng)

雷達(dá)組網(wǎng)是指將多部不同頻段、不同體制、不同極化方式、不同位置的雷達(dá)利用信息融合技術(shù)融合多源信息進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)、目標(biāo)跟蹤、目標(biāo)識(shí)別等的技術(shù)。相比于單站雷達(dá)，組網(wǎng)雷達(dá)具有布站靈活、頻段資源豐富等優(yōu)勢(shì)，使該體制具有很強(qiáng)的抗有源干擾潛力。文獻(xiàn)[19-20]較早地研究了組網(wǎng)雷達(dá)中的抗干擾技術(shù)；文獻(xiàn)[21]基于定量分析的非線性規(guī)劃模型，利用不同頻率、不同體制的雷達(dá)組網(wǎng)進(jìn)行干擾抑制；雷達(dá)組網(wǎng)的概念在不斷發(fā)展，從雷達(dá)被動(dòng)組網(wǎng)，到組網(wǎng)雷達(dá)，再到網(wǎng)絡(luò)化雷達(dá)，文獻(xiàn)[22]從數(shù)據(jù)融合的角度分析了網(wǎng)絡(luò)化雷達(dá)抗有源干擾潛力。

然而，雷達(dá)組網(wǎng)抗干擾也面臨很多挑戰(zhàn)。一方面，多個(gè)雷達(dá)的空間對(duì)齊、時(shí)間校準(zhǔn)是工程化需解決的首要問題，雷達(dá)網(wǎng)協(xié)同探測(cè)理論仍需完善；另一方面，雷達(dá)對(duì)抗也在向協(xié)同化發(fā)展，文獻(xiàn)[23]討論了協(xié)同干擾對(duì)抗對(duì)空情報(bào)雷達(dá)網(wǎng)。

2.3 空域、極化域

極化域是雷達(dá)的重要作用域，極化信號(hào)處理方法、自適應(yīng)極化濾波性能已經(jīng)進(jìn)行了廣泛分析和研究。極化陣列系統(tǒng)復(fù)雜度大，成本高，文獻(xiàn)[24]提出了一種新型的極化抗干擾天線形式——交叉極化天線陣列，和常規(guī)極化陣列相比具有相同的抗干擾性能，設(shè)備量?jī)H為常規(guī)極化陣列的一半.實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果驗(yàn)證了交叉極化天線抗干擾性能的有效性。文獻(xiàn)[25]利用天線在空域掃描時(shí)的極化慢變特性。首先，對(duì)接收到的干擾信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，獲得極化狀態(tài)的估計(jì)，然后利用最佳極化進(jìn)行極化濾波，以便能夠抑制噪聲干擾。但是極化狀態(tài)的估計(jì)需要天線掃描一定空間范圍，接收信號(hào)要進(jìn)行極化分解，干擾抑制的實(shí)時(shí)性不優(yōu)。

2.4 時(shí)域、空域

傳統(tǒng)自適應(yīng)波束形成、空間譜估計(jì)等算法大多利用了接收信號(hào)的二階統(tǒng)計(jì)特性，而實(shí)際雷達(dá)接收的信號(hào)通常都是非高斯信號(hào)，一階、二階矩并不能完全描述信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性，需要采用高階矩進(jìn)行處理[26]。文獻(xiàn)[27]提出了基于盲源分離的抗主瓣干擾方法，盲源分離算法JADE將四階累積量引入到目標(biāo)函數(shù)中，仿真實(shí)驗(yàn)表明對(duì)主瓣干擾抑制效果較好。高階統(tǒng)計(jì)量的使用對(duì)樣本數(shù)提出了更高要求，盲源分離后如何精確測(cè)角仍需研究。

3 發(fā)展趨勢(shì)

3.1 戰(zhàn)場(chǎng)電磁環(huán)境感知技術(shù)

要在復(fù)雜的對(duì)抗環(huán)境中處于優(yōu)勢(shì)地位，必須知己知彼，經(jīng)過專門的偵察分析設(shè)備，偵察、分析干擾機(jī)的工作參數(shù)，據(jù)此制定抗主瓣干擾策略，比如根據(jù)干擾機(jī)對(duì)目標(biāo)威脅度判斷準(zhǔn)則，有意發(fā)射虛假高威脅度的雷達(dá)信號(hào)，誤導(dǎo)干擾機(jī)的判斷；根據(jù)干擾機(jī)收發(fā)時(shí)間開關(guān)規(guī)律設(shè)計(jì)雷達(dá)工作模式，使得雷達(dá)的抗干擾效果達(dá)到最佳。

3.2 從體制上形成對(duì)干擾機(jī)的優(yōu)勢(shì)

前文提到的頻率分集陣?yán)走_(dá)，由于具有角度-距離二維天線方向圖，現(xiàn)役干擾機(jī)很難對(duì)其釋放有效干擾。等離子體具有超導(dǎo)特性。等離子雷達(dá)利用該特性反射雷達(dá)波束，可以在極短時(shí)間，近乎十億分之一秒重新定向，能以近乎無限快的速度進(jìn)行目標(biāo)跟蹤，干擾機(jī)很難對(duì)如此快的發(fā)射頻率進(jìn)行有效干擾。近期出現(xiàn)的量子雷達(dá)等新體制雷達(dá)干擾機(jī)同樣很難有效干擾。

3.3 反干擾信號(hào)處理中采用新途徑和新算法

一方面，對(duì)于主瓣假目標(biāo)干擾，可以分析多維特征信息，包括行為失配、微多普勒特征、雷達(dá)反射面積調(diào)制失常、雷達(dá)寬窄帶、微動(dòng)特征等[27]。對(duì)干擾機(jī)產(chǎn)生干擾信號(hào)的每個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)的分析。由于干擾機(jī)很多環(huán)節(jié)和器件存在非線性，比如頻率變換環(huán)節(jié)、射頻功率放大器等。這其中引入的非線性失真會(huì)對(duì)調(diào)制產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行二次調(diào)制，這樣干擾機(jī)所產(chǎn)生的假目標(biāo)帶有與干擾機(jī)相關(guān)的特定特征，這種特征使得有源欺騙干擾與真實(shí)目標(biāo)有一些區(qū)分度，為最后的剔除提供了依據(jù)。另一方面，壓縮感知[28]、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等新算法在抗主瓣干擾具有良好前景。

4 結(jié)束語

傳統(tǒng)雷達(dá)設(shè)計(jì)時(shí)往往關(guān)注探測(cè)任務(wù)，比如探測(cè)威力、精度等方面的性能，并沒有針對(duì)可能遇到的干擾場(chǎng)景進(jìn)行有針對(duì)的設(shè)計(jì)，面對(duì)主瓣干擾的威脅，未來雷達(dá)設(shè)計(jì)必須將反干擾作為設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，從受雷達(dá)體制限制被動(dòng)設(shè)計(jì)抗干擾算法轉(zhuǎn)向由抗干擾技術(shù)和抗干擾需求主動(dòng)引導(dǎo)雷達(dá)設(shè)計(jì)，這樣才能轉(zhuǎn)被動(dòng)為主動(dòng)，更好地滿足復(fù)雜電磁環(huán)境中的探測(cè)要求。