基于干擾分類的自適應抗主瓣干擾方法

宋建強，張振標，全 剛，唐和根，孔 閣

(中國酒泉衛星發射中心，甘肅 酒泉 732750)

0 引言

隨著信息技術的迅猛發展，現代戰爭中雷達所處的電磁環境越來越復雜，有效對抗高強度、多樣式電磁干擾，成為提高雷達作戰水平和生存能力的重要體現。

面對復雜的電磁干擾，研究者提出了各種抗干擾方法，如頻率捷變、旁瓣匿影、旁瓣對消、低旁瓣、低截獲概率(Low Probability of Intercept，LPI)波形設計等[1]，這些措施在對抗副瓣干擾中起到了重要作用，但對自衛式干擾和伴隨式干擾等主瓣干擾或近主瓣干擾通常無能為力[2]。對于主瓣干擾，雷達工作者又提出了和差波束主瓣對消、多站無源定位、盲源分離技術等[3-4]抗主瓣干擾措施。然而，當雷達面臨未知干擾類型時，雷達抗干擾手段很難發揮有效性能，嚴重制約雷達實戰性能。

2006年HAYKINS S首次提出“認知雷達”的概念[5]，其系統架構包括環境感知、動態知識庫、判決及人機交互和自適應發射接收處理等，通過發射-接收電磁波來感知外部環境，針對得到的外部環境信息采取相應的對抗措施，并根據措施的效果反饋，調整雷達抗干擾措施，達到雷達最佳抗干擾效果[6]。

1 主瓣干擾分類識別

1.1 干擾分類

雷達面臨的干擾信號類型及干擾樣式根據具體應用場景不同而有所差異。但在現代雷達對抗中，雷達面臨的主要干擾通常為主瓣干擾。主瓣干擾包括主瓣壓制和主瓣轉發兩大類，且干擾使用策略、干擾調制類型、干擾形式等干擾特性可設置，使得主瓣干擾在時域、頻域和空域與目標回波相互重疊，干擾抑制困難[7]，嚴重影響了雷達系統的目標檢測、跟蹤性能。

壓制干擾時，干擾信號類似“噪聲”，進入雷達接收機后，其作用和接收機中本身具有的電噪聲相仿。在壓制干擾中，描頻壓制干擾、寬帶阻塞壓制干擾、寬帶掃頻壓制干擾，其核心都是提高干擾信號的干信比，使接收機飽和，影響接收機正常工作或無法分離目標信號。

根據主瓣壓制干擾特點，可以進一步將壓制干擾分為窄帶描頻壓制干擾、寬帶阻塞壓制干擾、寬帶掃頻壓制干擾等類型[8]。壓制干擾的主要特征及對雷達的主要影響如表1所示。

表1 壓制干擾信號主要特性及影響

轉發干擾不同于壓制干擾，其是用假目標信息來迷惑雷達，使雷達不能區分出真假目標，從而不能正確對目標進行檢測和跟蹤。轉發干擾工作時，干擾設備直接將截獲的雷達信號放大，并按照干擾要求進行各種調制，然后將調制后的信號進行功率放大后發射出去。按照轉發干擾主要特征，可以進一步將轉發干擾分為3種：密集轉發干擾、間隙采樣干擾和示樣脈沖干擾。轉發干擾的主要特征及對雷達主要影響如表2所示。

表2 轉發干擾信號主要特性及影響

1.2 干擾識別

干擾分類識別是對干擾信號進行接收后，經過一系列分析處理，得到干擾信號樣式類別的過程。當雷達收到回波后，首先，對回波信號進行信道化處理，這樣有利于信號的快速處理。其次，利用干擾回波幅度特征(即波門內過門限點數)對干擾信號進行脈沖/連續波干擾分類。最后，針對識別出的脈沖干擾，通過信號檢測、參數測量、信號預分選、干擾樣式匹配等算法，實現脈沖干擾信號分類識別；針對識別出的連續波干擾，經過快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform，FFT)、頻譜累計、頻率拼接、頻點量化等算法過程，實現連續波干擾信號分類識別。具體實現算法過程如下。

1.2.1 雷達接收數據信道化處理

頻率信道化是通過一組覆蓋整個頻段的濾波器將頻段劃分為若干個子頻段(信道)，每個濾波器的輸出就是一個信道輸出。

將輸入數X(i)，i=1，2…N分配至各個信道內：

X(p)=X(p×k)，p=1，2…D；k=1，2…N/D

(1)

式(1)中，D為信道數量，N/D為單個信道的數據長度，N為D的整數倍，數據長度不足整數倍時則補零。將信道化濾波器h(i)，i=1，2…M分配至各個信道內：

hp(k)=h(p×k)，p=1，2…D；k=1，2…M/D

(2)

式(2)中，M/D為單個信道的濾波器階數，M為D的整數倍。

對每個信道濾波器：

Xp=ifft[fft(Xp)×fft(hp)]

(3)

符號調制，輸出信道的第p點數據：

(4)

1.2.2 包絡檢測、參數測量

對信道化處理后的每個信道回波輸出進行幅度包絡檢測，判決該信道是否有信號存在。

設檢測門限為T(T可通過儀表測量系統噪聲基底得到)，則輸出信號Bk(i)可表示為：

(5)

式(5)中，Ti為直接包絡檢測門限。

通過與設定的數字門限比較，獲得信號的視頻方波，針對該方波可進行信號到達時間TOA、信號結束時間TOE、信號幅度A、頻率f等數據測量，得到信號參數的包絡集：

{(TOAi、TOEi、Ai、fi)}，i=1，2…Nht

(6)

1.2.3 信道化融合處理

假設信道化處理后共有D個信道，形成的信道信息PDW表示為：

{PDWk}，k=1，2…D

(7)

PDWk={PDWk(i)}，i=1，2…Nht,k

(8)

Nht,k為第k個信道的脈沖數量。此時，需要根據形成的信道信息判斷相鄰信道之間是否存在交疊區。

(9)

式(9)中，PDWk(i).TOA為第k個信道信號的脈沖到達時間，PDWk(j).TOE為第k個信道信號的脈沖結束時間，ΔT為設定的信道脈沖寬度容差。

如果滿足式(9)，說明相鄰兩個通道存在交疊區，次時，需要對信道交疊區進行如下處理，完成信道化融合工作：

(10)

1.2.4 已知信號匹配

對干擾信號進行分類識別，其實質就是對偵收信號與給定的模板信號進行匹配，根據匹配結果將干擾信號歸入相應類別。

對于融合之后的PDW(i)，按照系統設定的已知信號模板[PWtmpk(i)，ftmpk(i)，PRItmpk(j)]，j=1，2…NEm，NEm為已知信號模板數量，PW=TOE-TOA為脈沖寬度，f為信號頻率，PRI為脈沖重復間隔。

(11)

式(11)中，TOA(n)為已經匹配的PDW信息。如果滿足式(11)，則說明該干擾信號與模板信號相匹配，可將該信號劃歸為相應的模板信號類型。如果不滿足上述條件，則說明接收的該干擾信號為新類型，保存其相應參數信息，并將其加入干擾類型庫。

2 干擾分類的自適應抗主瓣干擾方法

2.1 干擾與抗干擾策略

在無先驗信息或先驗信息不完備的情況下，干擾設備在選擇干擾策略時，干擾類型選擇的優先級一般如下：

遠區用壓制干擾：窄帶瞄頻->寬帶掃頻->寬帶阻塞。

近區用轉發干擾：間歇采樣->示樣脈沖->全脈沖存儲轉發。

基于干擾分類識別的抗干擾策略是在對干擾進行分類識別與建庫的基礎上，根據干擾類型樣式自適應選擇抗干擾措施，并根據干擾抑制性能，進行抗干擾策略的優化。

根據干擾類型和效果，采取發射波形和工作方式變化，誘使敵方干擾設備的工作方式往有利于雷達對抗的方向變化。

針對不同干擾類型，設計相應的對抗策略，以有利于干擾抑制；根據干擾對抗能力，通過分步驟、分階段誘騙，減低干擾效能；根據干擾對抗效果，自適應調整抗干策略，提高干擾對抗性能。

2.2 自適應抗干擾方法

根據得到的干擾信息，自適應抗干擾方法如圖1所示。

圖1 自適應抗干擾工作原理

其中，干擾環境感知和干擾分類通過寬帶通道和窄帶通道偵收干擾信號，提取干擾信號的頻域、時域特征，對干擾信號進行分類、識別和建庫。干擾特征庫和抗干擾算法庫主要用于存儲、調度和更新各種應對干擾的先驗信息(即各種抗干擾技術)，在干擾對抗時分別為干擾類型樣式和自適應干擾抑制提供數據支撐。干擾決策模塊主要用于對干擾措施采用最優化選擇。干擾效果評估主要用于雷達抗干擾效果的評估與反饋，通過評估與反饋，為雷達提供最佳抗干擾效果。

自適應抗干擾主要工作流程為：首先，根據接收到的雷達波束，提取干擾回波的信號特征，利用干擾分類技術進行干擾識別。然后，基于不同干擾信號類型特征形成有針對性的抗干擾策略，利用抗干擾算法庫，自適應選取相應抗干擾措施減低干擾效能。最后，根據干擾對抗效果，自適應調整抗干擾策略，提高干擾對抗性能。

2.3 抗干擾效果評估與反饋

雷達抗干擾效果評估是對雷達裝備在一定干擾條件下和一定作戰時間內成功完成其規定作戰任務、滿足作戰需要的能力評估，是完成某種既定任務程度指標的模糊綜合定量評價。雷達對干擾的效果評估是整個自適應抗干擾過程中的一個重要步驟，其職責就是判定某項抗干擾措施是否有效。

抗干擾效果的優劣沒有恒定的標準，但通常將影響雷達目標檢測和顯示的3個主要因素(即干擾剩余、點跡密度和點跡質量)作為評價雷達抗干擾效果的主要指標，且不同的干擾樣式采用不同的干擾對抗效果指標進行評估，其中干擾剩余指標主要針對壓制性干擾；點跡密度和點跡質量指標主要針對主副瓣轉發干擾。

對干擾效果進行評估后，若評估結果滿意，則將干擾抑制后的回波數據輸出送下一級系統進行處理；若評估結果未達標，則將評估效果反饋給干擾決策模塊，促使干擾決策模塊重新制定抗干擾策略，選擇更優抗干擾手段，達到最佳抗干擾效果。

3 試驗驗證

3.1 主瓣壓制干擾情形

干擾場景如下：干擾類型為干噪比大于30 dB噪聲壓制干擾(寬帶阻塞)，設置目標信號從天線法線入射、干擾入射方向與目標方位差0.3°，俯仰差0.5°，干擾信號從雷達主瓣進入。對目標回波信號進行變頻、數字化等一系列處理后，雷達設備形成和差三路接收波束。對輸入信號進行分類識別后，反干擾分類識別模塊根據干擾信號特征識別出噪聲壓制干擾，在抗干擾算法庫中選擇信號分離技術抑制噪聲壓制干擾。干擾抑制處理前后脈壓對比效果如圖2所示。

圖2 干擾抑制處理前后脈壓對比

由圖2可知，對于干噪比大于30 dB噪聲壓制干擾，采用該方法對干擾信號進行干擾抑制處理后，30 dB的噪聲壓制干擾剩余≤5 dB，干擾抑制方法對和波束信號獲得約25 dB的信干噪比處理增益，表明該方法可以有效抑制噪聲壓制干擾。

3.2 主瓣轉發干擾情形

利用干擾模擬機設定干擾場景如下：干擾類型設定為間隙采樣干擾，信號回波信息經過一系列信號變換及處理后，結果如圖3(a)所示。可見，干擾后回波信號中出現了間隙采樣干擾信號。

采用基于干擾分類的自適應反干擾方案，干擾分類識別模塊識別出干擾信號為間隙采樣干擾，自適應反干擾方案自動選擇窄脈沖剔除技術進行干擾抑制處理，抑制處理后脈壓結果如圖3(b)所示。可以看出，采用該方法對干擾信號進行干擾抑制處理后，可以有效抑制間隙采樣干擾。處理結果表明，干擾抑制后干擾虛警少于10-4。

圖3 干擾抑制前后脈壓結果對比

4 結語

針對雷達面臨主瓣干擾時，無法有效對目標回波信號進行檢測或檢測到過多假目標的問題，文章提出了一種基于干擾分類識別的自適應抗主瓣干擾方法。該方法針對雷達回波信號，采用干擾分類技術對干擾信號進行分類識別，并基于干擾類型特征形成有針對性的抗干擾策略，利用抗干擾算法庫，自適應地選取相應的抗干擾措施完成干擾抑制，達到抗干擾的效果。經過試驗驗證，該方法能夠有效抑制主瓣干擾，對保障雷達在對抗條件下正常工作起到較好效果。