相控陣雷達抗主瓣干擾技術綜述

王志剛，朱 燦，刁志龍，洪 暢

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，江蘇 南京 211106)

0 引 言

根據國家海洋戰略發展趨勢，圍繞海洋權益的斗爭日益激烈，我國海洋國土面臨的安全形勢日益復雜。東海、南海等海域已成為我軍目前最重要的海上戰場，同時我軍水面艦艇的活動區域也隨著海軍“大洋存在、兩極拓展”發展戰略的穩步推進而不斷延伸。隨著近幾年南海和東海部分島礁維權斗爭形勢的不斷升級，海軍艦載雷達裝備作戰使用方式也發生了明顯變化，軍事斗爭準備和常態化的非軍事運用對雷達裝備在復雜海況和地理環境下的不間斷警戒探測能力提出了越來越高的要求。與此同時，從信息對抗的發展態勢來看，海戰場各種有意、無意的干擾源數量越來越多，干擾功率越來越大，干擾手段越來越精細，干擾作戰樣式越來越靈活，對艦載雷達裝備在復雜電磁環境下的抗干擾能力提出了前所未有的高要求。

本質而言，雷達對抗的過程既是技術對抗也是戰術對抗[1-2]。實際作戰中，電子進攻的戰術手段復雜多變，按照干擾機與被掩護突防目標的空間位置關系可以分為：支援式電子干擾、隨隊式電子干擾、自衛式電子干擾以及復合式電子干擾。按照干擾從雷達副瓣還是主瓣、近主瓣進入雷達接收機和處理機，可將電子干擾分為副瓣干擾和主瓣干擾，而所謂復合式干擾通常同時從雷達的主瓣和副瓣進入。隨著對雷達對抗技術認識的進一步加深，為提高掩護戰斗機或導彈突防的干擾有效性，主瓣干擾樣式將逐步成為未來戰爭中電子戰裝備的優先選擇，來自于艦載電子戰飛機的遠距離支援式主瓣干擾、隨隊式主瓣干擾戰斗機載/反艦導彈彈載自衛式干擾是未來海戰中艦載預警探測面臨的主要干擾場景。

隨著電子戰裝備以及電子對抗措施(ECM)領域專項技術的不斷發展，各種各樣具有特定干擾效果的雷達有源壓制和欺騙干擾樣式相繼被提出，給現代雷達對戰場干擾環境的感知能力和抗干擾能力提出了新的挑戰。對于副瓣來向的有源干擾信號，相控陣雷達可采用超低副瓣天線、副瓣匿影、副瓣對消或自適應副瓣置零等抗副瓣干擾技術進行有效抑制，這些技術目前已在實際工程中廣泛應用并取得了良好的效果，基本解決了雷達副瓣干擾問題。然而當干擾來自天線主瓣或近主瓣區域時：在空域上，干擾和目標均在主瓣波束范圍內，獲得相近的雷達增益；在時域上，干擾強度大；在樣式上，主瓣干擾具有多種類型，包括掃頻式噪聲干擾、轉發式欺騙干擾、靈巧干擾、雜亂脈沖干擾等等。對于主瓣進入的有源干擾，現有較為成熟的抗副瓣干擾技術已經基本失效，而雷達應對主瓣干擾的手段仍十分有限，未能形成有效的對抗措施，嚴重制約了各類預警探測雷達的實戰性能。正因為此，如何有效地抑制主瓣干擾已經成為現代雷達電子反對抗中亟待解決的共性難題[3-4]。

1 主瓣干擾概念

主瓣干擾是指從雷達主瓣進來的干擾，與真實目標回波相比，主瓣干擾不僅在能量上具有絕對的優勢，而且部分樣式干擾在空域、時域和頻域等多個維度上都與真實目標回波信號具有高度的相似性，很難在處理階段被完全剔除。正因為此，抗主瓣干擾也是雷達領域國際公認的難題。對于壓制性主瓣干擾而言，無論是瞄準式、阻塞式還是掃頻式噪聲干擾，其本質都是提高雷達回波信號中的干信比，使雷達無法在干擾環境中可靠地檢測出目標信號；對于欺騙性主瓣干擾而言，干擾信號與目標回波信號具有相似的時頻域特征，而在空域上兩者又同處于雷達主瓣波束之內，這就使得雷達難以在高置信度假目標群中有效提取出真實目標，大量的虛假目標也會大幅消耗相控陣雷達的可用資源。此外，在單平臺預警探測雷達常態化面臨的支援式、自衛式或隨隊式主瓣干擾場景下，雷達自身難以獲得干擾方精確的距離、角度和速度信息，這些先驗知識的缺失也給主瓣干擾抑制措施的有效性帶來了較大的挑戰。

2 抗主瓣干擾技術研究現狀

從雷達抗干擾能動性角度可將抗主瓣干擾技術分為主動對抗和被動抑制2個方向，其中主動對抗主要表現在雷達的低截獲性能和主動誘騙、干擾電子戰設備，被動抑制主要表現在信息處理階段精細化主瓣干擾判別與剔除算法。雷達對抗過程是一個不完全信息動態博弈過程，針對主瓣干擾的主動對抗和被動抑制算法對副瓣也適用，甚至是相通的。

2.1 主動對抗抗干擾

捷變頻[5]雷達平時可偽裝成固定頻率雷達，只有在關鍵時刻才采用捷變頻。雷達的發射頻率在不斷變化，可增加電子戰截獲、探測和定位以及性能參數提取的難度；頻率捷變的載頻隨機捷變，故不能預測其變化規律，能有效地抗窄帶瞄準干擾；由于雷達的工作頻率在較寬的范圍內躍變，這就迫使干擾機將干擾功率分布在雷達可能應用的整個帶寬內，干擾功率密度就大大降低，故能抗寬帶阻塞干擾；寬帶阻塞式干擾機能在很寬的頻帶內產生白噪聲，但阻塞式寬帶干擾頻譜在寬帶覆蓋中往往存在“弱區”，這是由干擾頻帶分布不均勻所致，應用自適應能力的捷變頻技術，即干擾分析與發射選擇技術，能實時測出“弱區”頻率，并用此頻率發射；回答式干擾機能對雷達實施距離拖引干擾，但它對頻率捷變雷達只能實現距離后拖，而不能實現距離前拖，因為干擾機將接收到的雷達發射脈沖信號延遲一個重復周期轉發給雷達，以干擾下一個周期的目標回波脈沖信號，而下一個脈沖信號的頻率已變，因此起不到干擾作用；頻率捷變雷達的發射頻率是以隨機方式進行脈間躍變，發射信號落入相鄰雷達的探測頻率的概率很小，因此能減小友鄰雷達之間的相互干擾，達到抗同頻異步干擾的目的。

2.1.2 頻率分集陣

與傳統相控陣列的發射信號不同，頻率分集陣列不同陣元發射載頻不同的信號。因此引入了額外的相位項，該項與頻差和距離相關，使得波束指向在距離向上不再保持恒定，所以頻率分集陣列具有距離依賴性方向圖。該概念提出后，在美國空軍、海軍等國防研究機構中引起較為廣泛的關注。近年來，多個國內外期刊和會議上也涌現出了不少頻率分集陣雷達相關的研究論文[6]。

頻率分集陣雷達在抗主瓣干擾方面具有兩方面優勢。首先，頻率分集陣雷達波形復雜，干擾機處理難度大，在空間中特定空域形成發射主瓣，干擾機接收到的能量小，從而實現低截獲。其次，頻率分集陣雷達具有角度-距離二維天線方向圖，針對目標角度和干擾源角度相同的場景，利用自適應或者非自適應處理算法，可實現主瓣欺騙干擾的自適應抑制。但該體制發射、接收端設計較為復雜，對工程實現有一定要求。

2.1.3 相參捷變頻

在強化雷達在對抗環境中的存活能力的同時，提高雷達探測分辨力是現代雷達技術的主要發展目標。相參捷變頻波形在這兩個方面都有良好的發展前景：一方面，相參可以帶來積累增益上的好處；另一方面，頻率捷變可以使雷達在電子反對抗中獲得優勢。因此，相參捷變頻[7]被認為是未來雷達發展中很有競爭力的波形體制之一。捷變相參體制雷達系統框圖如圖1所示。

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圖1 捷變相參體制雷達系統框圖

早在二戰期間，英美等國家就逐漸使用可變頻率雷達替代固定頻率雷達，在減輕各友鄰雷達之間同頻串擾的同時躲避敵人故意施加的瞄頻干擾。早期的可變頻雷達采用磁控管發射機，脈沖載頻的改變通過機械調諧機構實現，只能實現非相參處理或者接收相參。1965年開始，清華大學茅于海等人開始對全相參捷變頻雷達的研究工作，全相參頻率綜合器是全相參捷變頻雷達的關鍵設備，要求在各捷變頻頻點上產生高純度、穩定度的信號，并能通過數字控制在頻點之間快速切換，一般由晶體振蕩器、倍頻混頻器以及數字開關等組成。相參體制的雷達信號能夠保存回波中的多普勒信息(在捷變頻雷達中，也包括載頻變化引起的回波相位變化)，其穩定度要優于非相參和接收相參機制，從而能通過對脈沖之間相位的處理精確估計目標運動速度、抑制地/海雜波和有源干擾，也能實現合成帶寬獲得高分辨距離像。經過多年的技術發展，具備相參能力的捷變頻雷達技術已經成為發展的主流并得到廣泛應用。

2.1.4 射頻掩護

射頻掩護作為一種充分彰顯雷達主動行為優勢的抗干擾手段，具有工程實現簡單且抗干擾性能優異等突出特點。電子戰設備針對各種體制雷達的有效干擾均需及時、正確的偵察引導，而偵察引導依賴于正確截獲雷達工作信號的特點。因此雷達方有意識地炮制復雜威脅信號環境，造成偵察引導的迷失和錯誤，是一種行之有效的主動抗干擾手段。其主要設計思想是：針對電子戰設備干擾通道資源有限以及彈載和部分機載干擾設備無人工干預的弱點，雷達發射虛假信號掩護真實探測信號，迷惑和欺騙干擾偵測系統，引導干擾頻率、波形鎖定掩護信號，保護雷達真實探測信號不被干擾或盡量少被干擾。

掩護信號有效作用機理完全針對電子戰設備的截獲測量與干擾引導環節。當電子戰偵察系統測量出高威脅信號的頻率與波形時，將引導干擾系統進行相應頻點波形的高功率輻射，這決定了掩護信號有效性的設計和使用原則。掩護信號實現對電子戰設備有效誘騙的3個主要條件為：(1)在工作時序上，掩護信號不滯后于真實探測信號，保證電子戰設備的偵察接收機首先截獲到掩護信號；(2)掩護信號在時頻域具有較高的強度，保證其威脅度高于真實探測信號，從而能夠被優先鎖定；(3)掩護信號與真實探測信號在時/頻/波形域具有充分的隔離度，最小化掩護信號與目標探測信號之間的自擾。

2.1.5 智能抗干擾

要在復雜的對抗環境中處于優勢地位，必須知己知彼，經過專門的偵察分析設備，偵察、分析干擾機的工作參數，據此制定抗主瓣干擾策略，比如根據干擾機對目標威脅度判斷準則，有意發射虛假高威脅度的雷達信號，誤導干擾機的判斷；根據干擾機收發時間開關規律設計雷達工作模式，使得雷達的抗干擾效果達到最佳，即智能化雷達[8]。

智能化雷達抗干擾技術的核心即為自動識別干擾類型并自動采取抗干擾措施，完成干擾的對抗。智能化抗干擾體系主要體現在以下3個方面：(1)基于寬帶偵察與窄帶通道的干擾環境認知功能；(2)基于雷達系統綜合設計的抗干擾技術；(3)基于干擾分類識別的干擾措施調度處理技術。智能化雷達抗干擾技術強調雷達抗干擾問題不能依賴于某個算法或者某個分系統技術解決，而是需要雷達系統的各項技術綜合協調地解決。在抗干擾的設計準則下，針對天線、接收、信號處理、數據處理的各個環節進行綜合抗干擾設計，形成一個優化的抗干擾體系，從更高的層次解決雷達的抗干擾問題。

2.2 被動抑制抗干擾

2.2.1 自適應波束形成

自適應波束形成(ADBF)技術[9]能夠實時地對空間中變化的干擾環境做出反應，自動在干擾方向上形成零陷，在濾除干擾信號的同時保證了目標信號的有效接收。其核心問題是在某一準則下尋求陣列的最優加權矢量，具體包括：最小均方誤差(MMSE)準則、最大信干噪比(MSINR)準則以及最小噪聲方差(MNV)準則。

如圖2所示，在主瓣干擾場景下，自適應波束形成技術在主瓣內形成零陷的同時會導致副瓣電平的升高、主波束變形和波束指向的偏移，進而導致輸出信干噪比的下降和虛警概率的急劇增加。同時，對于干擾和目標在波束主瓣中完全不可分辨的場景，自適應波束形成在抑制干擾信號的同時也將同等地抑制目標回波信號，所以該技術無法對抗自衛式干擾及同軸支援式干擾。

圖2 自適應波束形成方向圖

2.2.2 阻塞矩陣預處理法

阻塞矩陣預處理法[10](BMP)是針對自適應波束形成技術處理主瓣干擾時所暴露出的波束變形等缺陷而提出的，其實質就是通過阻塞矩陣對接收數據進行預處理以顯著抑制主瓣干擾信號，然后用預處理后的接收數據進行自適應波束形成，這時接收數據中僅有目標和副瓣干擾信號，期望信號和主瓣干擾在計算協方差陣時對特征值沒有影響，求出的自適應權值在波束形成時就不會在信號和主瓣方向上形成零點，減弱了信號相消和主波束變形的問題。

如圖3所示，阻塞矩陣預處理法能有效地解決自適應波束形成引起的主波束變形及副瓣電平升高等問題，但波束峰值偏移依然存在，可以通過自適應波束保形(權系數補償、白化處理和對角加載)方法進行補償改善。由于阻塞矩陣是利用相鄰天線單元進行相消處理抑制主瓣干擾，相當于對數據進行降維操作。雖然降維操作有利于陣列信號處理算法的工程應用，但同時也會帶來陣列處理自由度的損失。蘇保偉等對阻塞矩陣法抗主瓣干擾的性能作了仿真實驗，在目標信號及主瓣干擾的方位角已知條件下驗證了該方法的有效性；李榮鋒等將阻塞矩陣法應用在強主瓣干擾環境中，通過引入阻塞矩陣預處理消除了線性陣列接收信號中的主瓣干擾分量，結合自適應波束形成算法，同時解決了主副瓣干擾問題，波束指向偏移量較ADBF方法有所下降。阻塞矩陣構建過程中對主瓣干擾到達角度的測量精度要求很高，在工程應用中，干擾源精確的高分辨或超分辨測角結果是阻塞矩陣抗主瓣干擾方法應用的基本前提。

圖3 預處理前和預處理后方向圖

2.2.3 特征投影矩陣預處理法

特征子空間投影預處理法[11](EPB)的實質是基于對陣列數據協方差矩陣特征值的處理，消除雷達接收信號中的主瓣干擾分量。特征子空間投影預處理法的一個基本假設是：干擾能量遠大于信號和噪聲。陣列天線的接收數據中包含了干擾、信號和噪聲，利用陣列接收快拍數據構成協方差矩陣并將其特征值從大到小排序，由于干擾能量遠大于信號和噪聲，故可將前面r個(r為干擾源個數)大特征值對應的特征向量張成干擾子空間，后M-r個小特征值對應的特征向量張成信號和噪聲子空間。由于干擾、信號和噪聲相互獨立，干擾子空間正交于信號和噪聲子空間，將數據矢量投影到干擾子空間，理論上由于信號和噪聲在干擾子空間的投影分量為零，故投影分量中將只含有干擾投影分量，再用原信號減去干擾投影分量即可將強干擾信號濾除。

特征子空間投影法從空間譜估計的角度對強干擾信號進行濾除，同時不損失陣列自由度。但當干擾源個數先驗信息缺失時，若干擾特征值個數選擇偏少則干擾對消不充分，干擾特征值選多時會將信號對消掉。另外，該方法最重要的基本前提是干擾與信號及噪聲不相關，當不滿足該約束時必須要對數據矢量進行空間平滑的解相關處理。同時，特征投影矩陣預處理法主瓣峰值偏移的情況依然存在，可以通過自適應波束保形(權系數補償、白化處理和對角加載)方法進行補償改善，如圖4所示。另外，特征投影矩陣預處理法抑制副瓣干擾效果較差，而且主瓣干擾和旁瓣干擾同時存在時，主瓣干擾能量要比旁瓣干擾弱20 dB以上，否則旁瓣干擾的抑制效果就會變差甚至無法抑制。

圖4 預處理前和預處理后方向圖

2.2.4 盲源分離

盲源分離[12]就是在不知道源信號和傳輸信道參數的情況下，根據源信號的統計特性，僅由觀測信號來恢復或分離出源信號的過程，經典算法有快速固定點獨立成分分析法(FastICA)和特征矩陣聯合近似對角化法(JADE)。相控陣雷達可根據數字波束合成技術，分別基于同時多波束、和差波束和主輔通道3種模型，產生多路觀測信號。然后通過去均值實現所有源信號相關矩陣和協方差矩陣的一致性，再對觀測信號進行預白化處理去除各觀測信號之間的相關性，最后通過對白化后的接收數據的四階累積量矩進行特征值分解(JADE)或是負熵逼近(FastICA)得到分離矩陣，恢復出源信號集合。然而由于盲分離算法的順序不確定性，還需通過設定的綜合分類器進行目標和干擾通道的分類識別，如圖5所示。

圖5 多通道盲源分離抗主瓣干擾流程圖

盲源分離方法需要利用多個接收通道實現目標回波和干擾信號的分離，所需通道數與干擾源和目標的數量有關，一般情況下要求通道數不小于目標和干擾數量的總和，所以盲源分離算法需要準確的干擾源數量先驗信息。盲源分離算法分離效果與目標和干擾之間的來向差有關，對于非目標方向的干擾(壓制式和欺騙式)，都有很好的抑制效果。但隨著來向差異變小，分離效果會逐漸變差，所以對自衛式主瓣干擾或同軸支援式干擾而言，盲源分離方法無法有效提取出目標信號。

2.2.5 基于波形熵的異步干擾抑制

主瓣內高重頻窄脈沖干擾經脈沖壓縮后，脈沖寬度被展寬，幅度有所衰減，因此只要選擇足夠大的干擾功率，提高干擾脈沖的重頻，增大干擾脈沖與目標的重合概率，窄脈沖干擾就會具有較好的覆蓋干擾效果。

熵描述了在某一給定時刻一個系統可能出現的有關狀態的不確定程度，解決了對信息的量化度量問題，波形熵則是一種借用熵的概念來表征信號平穩度的物理量。基于波形熵的異步干擾抑制即是基于異步窄脈沖干擾在多個雷達脈沖回波之間呈現位置隨機性的特點實現異步干擾檢測及抑制的技術。

對于某個距離單元的多脈沖回波，如果是目標或正常地物回波，其波形熵的值較大；如果是異步窄脈沖干擾，其波形熵的值較小。通過計算各距離單元上多脈沖的波形熵值，將計算結果和一個門限進行比較，如果波形熵的值小于門限值，則認為是異步窄脈沖干擾，做個干擾標記1，最后將干擾標記為1的相關脈沖以最小值或其他規則輸出，達到抗異步窄脈沖干擾的功能，如圖6所示。

圖6 基于波形熵異步干擾檢測的干擾抑制流程圖

3 結束語

本文首先詳細介紹了相控陣雷達主瓣干擾的基本概念和抑制難點。然后從主動對抗和被動抑制兩個方向梳理了現有單裝雷達抗主瓣干擾的方法，著重介紹了代表性成果及其最新進展，分析相應算法實現思路及存在的問題。傳統雷達設計時往往關注探測任務，比如探測威力、精度等方面的性能，并沒有針對可能遇到的干擾場景進行有針對性的設計，面對主瓣干擾的威脅，未來雷達設計必須將反干擾作為設計的重要指標，從受雷達體制限制被動設計抗干擾算法轉向由抗干擾技術和抗干擾需求主動引導雷達設計，這樣才能轉被動為主動，更好地滿足復雜電磁環境中的探測要求。