現(xiàn)代雷達(dá)自適應(yīng)旁瓣相消對(duì)抗技術(shù)

宋之玉，張 進(jìn)

（中國航天科工集團(tuán)8511研究所，江蘇 南京 210007）

0 引言

現(xiàn)代軍用雷達(dá)面臨各種復(fù)雜的電子干擾環(huán)境，其中支援式干擾（旁瓣干擾）是使用較多的一種干擾方式，如果沒有旁瓣干擾對(duì)消措施，則主瓣接收的目標(biāo)回波信號(hào)很容易被旁瓣接收的干擾信號(hào)淹沒，從而大大降低了雷達(dá)的探測(cè)性能和工作可靠性。軍用雷達(dá)天線旁瓣電平較高，這不僅限制了雷達(dá)對(duì)旁瓣地海雜波的抑制能力，也給敵方被動(dòng)偵察定位、反輻射攻擊、電子干擾等提供了十分有利的技術(shù)條件，因此在雷達(dá)設(shè)計(jì)工程上應(yīng)盡可能地降低雷達(dá)天線收發(fā)旁瓣電平。

雷達(dá)自適應(yīng)旁瓣對(duì)消（ASLC）技術(shù)自20世紀(jì)60年代問世以來得到了迅速發(fā)展，目前已是用來抑制有源干擾信號(hào)從雷達(dá)旁瓣進(jìn)入的最經(jīng)濟(jì)和最有效的方法。ASLC技術(shù)的核心是利用一組輔助天線（輔助通道）接收的干擾信號(hào)與主天線旁瓣接收的干擾信號(hào)的相關(guān)性，對(duì)輔助天線（輔助通道）接收的干擾信號(hào)進(jìn)行幅相加權(quán)處理并與主天線接收的干擾信號(hào)相減，使雷達(dá)天線自動(dòng)在有源干擾方向形成很深的接收零陷，從而達(dá)到抑制支援式有源干擾的目的。

為了提高支援式干擾（旁瓣干擾）的戰(zhàn)術(shù)效能，有必要研究雷達(dá)自適應(yīng)旁瓣對(duì)消的工作原理以及其技術(shù)特點(diǎn)，分析可能存在的戰(zhàn)術(shù)技術(shù)對(duì)抗方法以及干擾信號(hào)設(shè)計(jì)方法，為研究各類支援式電子干擾裝備提供理論支撐。

1 自適應(yīng)旁瓣對(duì)消原理

現(xiàn)代軍用雷達(dá)陣列天線自適應(yīng)旁瓣對(duì)消系統(tǒng)組成如圖1所示，在雷達(dá)主天線的附近安裝1個(gè)或幾個(gè)低增益的全向天線，也稱輔助天線，各輔助天線的增益相同并且比主天線的第一旁瓣電平略高2~4 dB，如圖2所示。目標(biāo)信號(hào)和干擾信號(hào)幾乎同時(shí)到達(dá)雷達(dá)主天線和輔助天線，但輔助天線收到的目標(biāo)信號(hào)相對(duì)主天線收到的目標(biāo)信號(hào)很小，可以忽略。自適應(yīng)對(duì)消處理器對(duì)主天線和各輔助天線接收的信號(hào)進(jìn)行采樣，并根據(jù)一定的規(guī)則計(jì)算一組權(quán)值系數(shù)，各輔助天線接收的信號(hào)（包括目標(biāo)信號(hào)和干擾信號(hào)）分別和權(quán)值系數(shù)相乘（加權(quán)處理），再和主天線接收到的信號(hào)（包括目標(biāo)信號(hào)和干擾信號(hào)）相減，則主天線中收到的旁瓣連續(xù)波噪聲干擾信號(hào)恰好被對(duì)消，留下目標(biāo)信號(hào)輸出。

圖1 主天線與旁瓣對(duì)消天線方向圖

圖2 雷達(dá)自適應(yīng)旁瓣對(duì)消組成框圖

旁瓣對(duì)消的關(guān)鍵是權(quán)值系數(shù)的計(jì)算，計(jì)算準(zhǔn)則是保證對(duì)消剩余最小，即：各輔助天線接收的干擾信號(hào)乘以權(quán)值系數(shù)后和主天線旁瓣接收到的干擾信號(hào)等幅反向，對(duì)消（相減）后剩余為0，也就是雷達(dá)主天線在干擾方向形成波束零陷。對(duì)于連續(xù)波或窄帶噪聲干擾信號(hào)，旁瓣對(duì)消可以使主天線中的接收信噪比改善20~30 dB。

在圖2中，y(t)表示主天線在t時(shí)刻收到的信號(hào)采樣；X1(t)，X2(t)，X3(t)，…，XN(t)表示各輔助天線在t時(shí)刻收到的信號(hào)采樣，N為輔助天線數(shù)量；W1，W2，…，W N表示加權(quán)系數(shù)；R表示對(duì)消輸出，可表示為：

且：

式中，W?n表示W(wǎng) n的共軛，H表示共軛轉(zhuǎn)置。式（1）表明對(duì)消剩余就是由主天線信號(hào)減去權(quán)值矢量和副主天線信號(hào)的內(nèi)積，目的是使對(duì)消剩余功率最小。用統(tǒng)計(jì)表示為：E=(|R|2),即：

式中，R XY為主天線和輔助天線輸入信號(hào)的互相關(guān)矩陣，R XY=E(X?Y?)；R XX為輔助天線輸入信號(hào)的自相關(guān)矩陣，R XX=E(X?XH)。

欲使對(duì)消剩余P最小，對(duì)式（2）兩端的權(quán)值矢量W求導(dǎo)數(shù)，并使導(dǎo)數(shù)為0，即可求得每一個(gè)權(quán)值分量W1，W2，…，W N，即：

可以得到最優(yōu)權(quán)值矢量為：

式中，

這樣對(duì)消剩余P的最小值為：

式（2）表明，要實(shí)現(xiàn)旁瓣對(duì)消，必須同時(shí)對(duì)主通道的波束合成數(shù)據(jù)和輔助通道的數(shù)據(jù)進(jìn)行采樣，然后計(jì)算輔助通道自相關(guān)矩陣和主輔通道的互相關(guān)矩陣，并對(duì)自相關(guān)矩陣求逆，逆矩陣和互相關(guān)矩陣相乘得到自適應(yīng)最優(yōu)權(quán)值矢量。主通道的波束合成數(shù)據(jù)減去自適應(yīng)權(quán)值矢量與輔助通道數(shù)據(jù)的乘積即得到最佳旁瓣對(duì)消輸出，對(duì)消比正比于旁瓣干擾功率，旁瓣干擾功率越大，對(duì)消比越大。

下面進(jìn)行對(duì)消效能仿真：假定對(duì)消系統(tǒng)由20個(gè)陣元的主天線和2個(gè)輔助天線等距直線陣組成，陣元間距為d=λ/2，目標(biāo)信號(hào)方向?yàn)?°，干擾信號(hào)為窄帶噪聲，方向分別為20°和40°，對(duì)消前后主天線輸出的仿真結(jié)果如圖3所示，在圖3（b）中，雷達(dá)天線方向圖2個(gè)干擾源方向在原副瓣電平基礎(chǔ)上又形成了40多分貝的零陷，顯然這一措施將削減干擾信號(hào)40 d B，抑制支援式干擾很有效。

圖3 自適應(yīng)旁瓣對(duì)消波束方向圖

2 自適應(yīng)旁瓣對(duì)消技術(shù)特點(diǎn)

陣列雷達(dá)自適應(yīng)旁瓣對(duì)消一般在中頻和通道脈壓之前完成，對(duì)消的帶寬就是中頻接收帶寬，比雷達(dá)信號(hào)帶寬略寬一些。據(jù)上文對(duì)ASLC原理及權(quán)值的求解分析可知，在自適應(yīng)旁瓣對(duì)消系統(tǒng)中，存在2個(gè)影響對(duì)消效能假定的前提條件，一是假定輔助天線收到的目標(biāo)信號(hào)相對(duì)主天線收到的目標(biāo)信號(hào)很小，可以忽略；二是假定輔助天線中收到的干擾信號(hào)只和主天線中旁瓣收到的干擾信號(hào)相關(guān)，而和主天線中收到的目標(biāo)信號(hào)不相關(guān)。若違反了這2個(gè)假定前提條件，對(duì)消效能將會(huì)受到嚴(yán)重影響。

在自適應(yīng)旁瓣對(duì)消系統(tǒng)中，存在著多種影響干擾對(duì)消性能的因素，如量化噪聲、干擾信號(hào)的帶寬、干擾信號(hào)和目標(biāo)信號(hào)的相關(guān)性、接收機(jī)的幅相誤差、輔助通道個(gè)數(shù)等。由于對(duì)消系統(tǒng)的幅度相位誤差、采樣量化誤差、接收機(jī)的幅相誤差、輔助通道個(gè)數(shù)以及閉環(huán)算法中的自適應(yīng)對(duì)消處理的算法收斂時(shí)間等因素屬于雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，干擾方并不能利用這些來優(yōu)化旁瓣干擾的效能，故在此并不討論，本文主要討論干擾源數(shù)量（相應(yīng)于輔助通道個(gè)數(shù)）、干擾信號(hào)帶寬、干擾信號(hào)相關(guān)性、閃爍干擾、飽和干擾等干擾方法對(duì)自適應(yīng)旁瓣對(duì)消性能的影響?？偨Y(jié)起來影響旁瓣對(duì)消性能的因素包括：

1）各主輔天線接收機(jī)通道的幅相失衡誤差越大，旁瓣相消效果越差；

2）閉環(huán)算法中自適應(yīng)對(duì)消處理的算法收斂時(shí)間越長(zhǎng)，旁瓣相消效果越差，輔助通道數(shù)不能太多；

3）干擾信號(hào)帶寬越寬，旁瓣相消性能越差，原因是最優(yōu)權(quán)值必須針對(duì)每個(gè)頻率計(jì)算不同的權(quán)值，只對(duì)一個(gè)頻率計(jì)算權(quán)值必然增大對(duì)消誤差；

4）干擾源個(gè)數(shù)大于對(duì)消天線個(gè)數(shù)，對(duì)消產(chǎn)生的零陷個(gè)數(shù)不足，旁瓣對(duì)消無效；

5）輔助天線接收到的干擾信號(hào)和目標(biāo)信號(hào)相關(guān)性越好，旁瓣相消性能越差；

6）輔助天線中目標(biāo)信號(hào)電平越大，對(duì)旁瓣相消效果越差。

3 自適應(yīng)旁瓣對(duì)消對(duì)抗辦法

根據(jù)前面對(duì)ASLC性能特點(diǎn)的分析，雖然寬帶干擾信號(hào)能夠部分抑制ASLC的性能，但是干擾信號(hào)帶寬受到雷達(dá)中頻接收帶寬的限制，一旦干擾信號(hào)帶寬超出雷達(dá)接收帶寬，干擾信號(hào)將被雷達(dá)接收機(jī)濾波，造成干擾功率損失，因此在對(duì)抗裝備的工程設(shè)計(jì)上，干擾信號(hào)一般不能采用寬帶噪聲干擾信號(hào)。

雖然當(dāng)分布式干擾源數(shù)量大于雷達(dá)對(duì)消輔助通道數(shù)量時(shí)，ASLC不能形成足夠數(shù)量的天線方向圖零陷對(duì)準(zhǔn)所有干擾源，致使對(duì)消失敗[1]，但是這需要數(shù)量較多的高功率旁瓣干擾機(jī)同時(shí)干擾一部雷達(dá)，工程上實(shí)現(xiàn)比較困難。據(jù)公開資料報(bào)道，“愛國者”系統(tǒng)的AN/MPQ-53相控陣?yán)走_(dá)只有5個(gè)用于旁瓣對(duì)消的輔助天線通道；“宙斯盾”系統(tǒng)中的AN/SPY-1D雷達(dá)有6個(gè)輔助天線；俄羅斯C-300系統(tǒng)中的火控雷達(dá)則只有2個(gè)輔助天線。因此，大功率分布式相參干擾機(jī)的數(shù)量至少應(yīng)在6部以上，才能保證對(duì)一部雷達(dá)的旁瓣干擾有效。

比較可行的辦法是采用現(xiàn)代相參儲(chǔ)頻技術(shù)使大功率干擾信號(hào)和目標(biāo)信號(hào)盡量相關(guān)，降低雷達(dá)的對(duì)消比，從而達(dá)到旁瓣壓制干擾的目的，相參干擾信號(hào)可以是數(shù)字調(diào)制的多普勒噪聲信號(hào)或者旁瓣密集多假目標(biāo)信號(hào)。

4 相關(guān)干擾方法

ASLC技術(shù)的核心是輔助天線接收的干擾信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)不相關(guān)，而與主天線旁瓣接收的干擾信號(hào)相關(guān)，認(rèn)為主天線旁瓣接收的目標(biāo)信號(hào)為0；如果輔助天線接收的干擾信號(hào)和主天線接收的目標(biāo)信號(hào)相關(guān)，存在固定的幅度相位關(guān)系，則加權(quán)后和主天線收到的信號(hào)進(jìn)行對(duì)消會(huì)嚴(yán)重降低對(duì)消效果。理論推導(dǎo)表明：如果干擾信號(hào)與目標(biāo)回波信號(hào)完全相關(guān)，則對(duì)消比等于主通道中的干信比[2]，也就是論證干擾功率需求時(shí)的壓制比，對(duì)干擾功率的需求并不大。

在ASLC中，如果輔助通道接收到的干擾信號(hào)和主通道中目標(biāo)信號(hào)存在相關(guān)性，則對(duì)消時(shí)除非干擾信號(hào)和目標(biāo)信號(hào)完全不相關(guān)，否則輔助通道中的干擾信號(hào)加權(quán)后除了會(huì)對(duì)消主通道中的干擾信號(hào)以外，還將對(duì)消掉主通道中目標(biāo)信號(hào)與之相關(guān)的成分，即頻譜混疊部分。而實(shí)際上，完全不相關(guān)不可能，因?yàn)楦蓴_信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)同頻才能被接收，所以頻譜混疊越多，目標(biāo)信號(hào)與干擾相關(guān)性越強(qiáng)，則目標(biāo)信號(hào)被相消越嚴(yán)重。

既然對(duì)消的機(jī)理是假定旁瓣干擾信號(hào)和目標(biāo)信號(hào)不相關(guān)，旁瓣干擾機(jī)采用近距離全脈沖相參儲(chǔ)頻就可獲得和目標(biāo)信號(hào)相關(guān)的樣本信號(hào)，采用延時(shí)+移頻干擾就可有效破壞雷達(dá)的旁瓣對(duì)消性能。

下面進(jìn)行對(duì)消效能仿真：假設(shè)目標(biāo)回波信號(hào)為載頻為10 kHz的正弦信號(hào)，干擾信號(hào)的頻偏分別為1 kHz和0.2 kHz。頻偏越大，相關(guān)性越小，反之則相關(guān)性越大。假設(shè)干信比JSR為40 dB，目標(biāo)回波位于0°方向，干擾信號(hào)位于40°方向。比較圖4和圖5可知，當(dāng)干擾信號(hào)與目標(biāo)信號(hào)相關(guān)性較小時(shí)，ASLC能夠很好地抑制旁瓣干擾，仿真中對(duì)消比可達(dá)38 dB；而當(dāng)干擾與目標(biāo)信號(hào)相關(guān)性較強(qiáng)時(shí)，ASLC無法有效抑制旁瓣干擾，對(duì)消比只有23 d B。因此，利用轉(zhuǎn)發(fā)式干擾能夠很好地提高旁瓣干擾效率。

圖4 干擾頻偏為1 kHz時(shí)自適應(yīng)旁瓣對(duì)消前后仿真

圖5 干擾頻偏為0.2 kHz時(shí)自適應(yīng)旁瓣對(duì)消前后仿真

假設(shè)目標(biāo)信號(hào)與干擾信號(hào)相關(guān)，如圖6所示，陣元數(shù)N=10，陣元間距d=λ/2，干擾信號(hào)在30°方向，JNR=50 dB，主瓣θ0=0°方向增益為1。仿真結(jié)果在30°干擾方向沒有形成零陷，干擾沒有被抑制。

圖6 相關(guān)干擾無法對(duì)消抑制

假設(shè)2個(gè)干擾信號(hào)同時(shí)存在，如圖7所示。在2個(gè)干擾非相關(guān)時(shí)，自適應(yīng)波束形成器能夠在2個(gè)干擾源真實(shí)位置形成相應(yīng)的零陷；而當(dāng)2個(gè)干擾相關(guān)時(shí)，在2個(gè)干擾位置均未產(chǎn)生零陷，若此干擾為非平穩(wěn)信號(hào)，則意味著干擾信號(hào)可能無法被有效抑制。

圖7 2個(gè)非相關(guān)/相關(guān)干擾下的對(duì)消結(jié)果

5 閃爍干擾方法

早期的軍用雷達(dá)不能做到距離單元內(nèi)實(shí)時(shí)對(duì)消權(quán)值更新，而是將重復(fù)周期分為對(duì)消檢測(cè)期和休止期，計(jì)算對(duì)消權(quán)值時(shí)在雷達(dá)的休止期采樣[3]，這樣能保證在休止期內(nèi)沒有采樣目標(biāo)回波信號(hào)，主輔助通道內(nèi)獲得的信號(hào)樣本只有旁瓣干擾信號(hào)，保證主輔助通道內(nèi)干擾信號(hào)的相關(guān)性。如圖8所示，雷達(dá)的對(duì)消權(quán)值計(jì)算和對(duì)消處理是異步進(jìn)行的，干擾方可以采用以下措施對(duì)抗：

圖8 單機(jī)閃爍干擾時(shí)序設(shè)計(jì)

1）單機(jī)閃爍干擾

單機(jī)閃爍干擾就是單臺(tái)干擾機(jī)自適應(yīng)雷達(dá)重周干擾，即每個(gè)雷達(dá)重周只干擾50%~80%重復(fù)周期的時(shí)間，然后關(guān)機(jī)偵察雷達(dá)信號(hào)。由于干擾源關(guān)機(jī)，雷達(dá)的權(quán)值采樣只有環(huán)境噪聲而沒有干擾，從而使雷達(dá)權(quán)值計(jì)算錯(cuò)誤，導(dǎo)致對(duì)消失敗。

閃爍方式有2種：一種是單機(jī)間斷開機(jī)干擾，見圖8方式1；另一種是干擾樣式間斷切換干擾，見圖8方式2。其核心是破壞雷達(dá)對(duì)消權(quán)值采樣。

2）多機(jī)閃爍干擾

2臺(tái)相同的旁瓣支援式干擾機(jī)分布在雷達(dá)不同的方向，2臺(tái)干擾機(jī)實(shí)時(shí)偵察雷達(dá)重頻并自適應(yīng)雷達(dá)重頻，采用交替開機(jī)進(jìn)行閃爍干擾，使雷達(dá)的自適應(yīng)旁瓣對(duì)消失效，如圖9所示。方式1中，干擾源1實(shí)施噪聲干擾，干擾源2實(shí)施閃爍干擾；方式2中，2個(gè)干擾源實(shí)施同步閃爍干擾；方式3中，2個(gè)干擾源實(shí)施異步閃爍干擾。

圖9 二機(jī)閃爍干擾時(shí)序設(shè)計(jì)

下面進(jìn)行對(duì)消效能仿真：假設(shè)目標(biāo)回波信號(hào)為中心載頻為11.5 kHz、帶寬為3 kHz的三角掃頻線性調(diào)頻信號(hào)，目標(biāo)回波位于0°。干擾信號(hào)1為噪聲干擾，干擾信號(hào)2為點(diǎn)頻20 kHz的正弦信號(hào)，JSR均為40 dB，分別位于20°和40°，采用交替式閃爍工作方式。

若雷達(dá)采用開環(huán)算法，假設(shè)雷達(dá)ASLC技術(shù)采樣計(jì)算權(quán)重時(shí)，只采集到了干擾信號(hào)1，因此，自適應(yīng)對(duì)消權(quán)重中不含干擾信號(hào)2的信息。當(dāng)雷達(dá)將該權(quán)重用于后續(xù)信號(hào)處理時(shí)，干擾信號(hào)1被有效抑制，而干擾信號(hào)2則無法被抑制，如圖10所示。

圖10 閃爍式干擾使雷達(dá)對(duì)消功能失效

若雷達(dá)采用閉環(huán)算法，如LMS準(zhǔn)則，當(dāng)只存在一個(gè)干擾時(shí)，如圖11（c）示，采用閉環(huán)算法的ASLC技術(shù)需要一定收斂時(shí)間，達(dá)到穩(wěn)定后，系統(tǒng)即可將旁瓣干擾信號(hào)很好地消除。當(dāng)2個(gè)干擾采用快速閃爍方式工作時(shí)（交替時(shí)間間隔小于ASLC算法收斂時(shí)間），則雷達(dá)ASLC系統(tǒng)無法到達(dá)穩(wěn)定狀態(tài)，即旁瓣干擾無法被有效抑制，如圖11（d）所示。因此，采用多個(gè)干擾源分布于空間不同角度，合理設(shè)置其工作時(shí)序，構(gòu)成空間非平穩(wěn)的干擾，就能夠有效對(duì)抗ASLC技術(shù)。

圖11 閃爍式干擾前后對(duì)閉環(huán)算法影響

6 結(jié)束語

現(xiàn)代軍用雷達(dá)采用了ASLC技術(shù)，對(duì)旁瓣支援式干擾的作戰(zhàn)效能影響很大。若干擾信號(hào)采用窄帶瞄頻噪聲樣式，則干擾信號(hào)能量將至少被削減20 d B以上，理論上徹底對(duì)消，干擾效能將嚴(yán)重下降。若干擾信號(hào)采用強(qiáng)相關(guān)多假目標(biāo)樣式或多普勒噪聲干擾樣式，則根據(jù)仿真，干擾信號(hào)被對(duì)消的程度有限，干擾功率需求不大，工程上易于實(shí)現(xiàn)。干擾方應(yīng)盡可能采用多點(diǎn)分布式抵近干擾的作戰(zhàn)方式（如各種無人滯空懸浮平臺(tái)），由于旁瓣密集假目標(biāo)個(gè)數(shù)在方位和距離上遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過雷達(dá)的飽和處理能力，陣列雷達(dá)將再也沒有時(shí)間分配搜索波束，也就達(dá)到了旁瓣壓制的目的。■