旁瓣對消系統的分布式干擾方法研究

吳克釗，聶海江，劉志武，侯文棟，宋海偉，王 昀

（中國航天科工集團8511研究所，江蘇 南京210007）

0 引言

雷達旁瓣對消(SLC)技術能大幅抑制天線旁瓣接收的干擾功率，有效提升雷達系統在旁瓣干擾條件下的目標探測能力。旁瓣對消處理的效果相當于一部針對干擾信號的空域陷波器，能使天線方向圖在干擾方向形成極低增益的波束凹陷，其對消比可達20 d B以上[1]。面對旁瓣對消雷達，傳統的遠距離大功率支援干擾往往難以取得滿意的干擾效果，因此需要探索新的對抗方法來提升干擾作戰效能。

近年來，無人系統技術及其作戰應用的發展受到了越來越多的關注，無人機電子戰系統已經成為現代戰場一種重要的電磁作戰武器裝備，也為提升雷達旁瓣干擾效果提供了新的可能。利用多架無人機搭載電子戰載荷實施抵近協同支援干擾存在多種優勢：一是抵近作戰可顯著降低干擾機的功率要求，多機協同則進一步縮減單機資源需求，大大減少電子戰裝備成本，作戰效費比優勢明顯；二是多機無中心協同工作使得系統更加穩健，部分節點損毀不影響整體作戰效能；三是多機系統可獲得更高的靈活性和自由度，能在電子戰與雷達的高維度對抗中重新奪取優勢。本文針對無人機抵近支援干擾作戰應用，提出一種多機協同對抗方法，高效反制雷達旁瓣對消系統，理論分析和仿真證實了所提方法的有效性。

1 對抗旁瓣對消系統的可行性分析

1.1 問題模型分析

旁瓣對消技術是利用主輔天線接收信號的相關性，通過調整對消環路的幅度、相位加權實現干擾信號的對消處理。典型旁瓣對消系統由主天線、多個輔助天線以及相應接收通道組成，其原理框圖如圖1所示。

圖1 旁瓣對消系統框圖

在不考慮接收機噪聲的情況下，旁瓣對消系統輸出信號Y為：

式中，x0為主天線接收的干擾信號，X=[x1x2… xM]T為M個輔助天線接收的干擾信號，W=[w1w2… wM]T為輔助通道對消權值。

若干擾信號被完全對消，則根據正交性原理與最小均方誤差(MMSE)準則可得：

式中，rxX=E(x0XT)為主輔天線接收信號的協方差矢量，RX=E(XXT)為輔助天線接收信號的協方差矩陣。

為衡量對消處理的干擾壓制效果，本文引入對消比(CR)的概念，其定義為對消處理前后干擾功率之比：

理論上系統對消比越大，對消處理效果越好，則對消系統輸出的干擾功率越低。在理想對消情況下，主通道的干擾信號被完全對消，則系統對消比CR=∞。

1.2 旁瓣對消薄弱環節分析

旁瓣對消系統實質是一種自適應陣列處理系統，其對空間多個角度干擾源的對抗能力取決于其自由度，而對消系統的自由度就等于其輔助天線數量(或對消環路數量)。實際增加對消系統的環路數量會導致系統復雜度與成本的顯著提升，因而雷達系統通常只能配置有限數量的對消環路，典型例子如：“愛國者”雷達有5個對消環路，“宙斯盾”雷達有6個對消環路[2]。因此旁瓣對消系統的薄弱環節之一就是其能夠抑制的干擾源數量有限：當不同方向干擾源數量超過其輔助天線數，對消系統就會趨于飽和，引起其抗干擾性能的惡化。而特定干擾角度使得雷達周邊地物產生復雜的干擾信號多徑傳播，也可能導致對消系統快速飽和，使其抗干擾性能降低[3]。

此外，干擾信號的主極化與交叉極化響應通常是不匹配的，這意味著主極化干擾信號對消處理形成的權值無法用于交叉極化干擾信號的對消處理。為了避免交叉極化干擾信號影響雷達系統正常工作，雷達系統往往會通過增設交叉極化對消環路的方式[2]，實現交叉極化干擾信號的對消處理，但這往往會進一步消耗對消處理資源，導致旁瓣對消系統更易趨于飽和。

2 分布式對抗方法

2.1 飽和干擾方法

針對旁瓣對消系統自由度有限的問題，空域飽和干擾是一種可行的對抗方法[4-5]，該方法通過不同方位干擾源同時實施干擾，飽和對消系統處理資源，導致對消形成“零陷”深度明顯變淺，實現對旁瓣對消技術的有效對抗。

而本文在空域飽和干擾基礎上，針對旁瓣對消系統的極化對消特性提出了極化飽和干擾方法。該方法利用不同空間角度的多架干擾機向目標雷達發射主極化與交叉極化干擾信號，引誘旁瓣對消系統實施主極化與交叉極化對消處理，飽和對消處理資源，削弱旁瓣對消系統的抗干擾性能，其示意圖如圖2所示。

圖2 極化飽和干擾方法示意圖

2.2 干擾性能分析

為方便分析干擾效果，本文做出以下假設：

1）每架干擾機到雷達的距離相近且具備同等干擾輻射能力；

2）干擾機發射獨立、同分布的噪聲干擾信號并滿足功率線性疊加[6]；

3）干擾機的運動不影響干擾環境的平穩特性，且不考慮地物產生干擾多徑傳播；

4）干擾機的通聯能力能滿足協同作戰要求。

若存在N個干擾源同時釋放干擾，且對消處理對不同空間角度干擾信號的對消比分別為CRn(θn)(n=1,2,…,N)，則根據雷達基本方程[7]可得雷達接收的目標回波功率Pr、對消前干擾功率PJ、對消系統輸入信號的干信比JSR的計算公式：

式中，Pt為雷達的發射功率，G為雷達天線視軸增益，R為被照射目標與雷達的距離，Pjrn表示雷達接收的第n個干擾信號的功率，λ為雷達工作波長(m)，σ為被照射目標的雷達散射截面積；Pj Gj為干擾機等效全向輻射功率(W)，R j為干擾機與雷達的距離(m)，γ為干擾信號與雷達天線的極化損耗系數，Br為雷達接收機帶寬(Hz)，Bj為干擾信號帶寬(Hz)，G(θn)為干擾角度θn的雷達天線接收增益。

則有系統對消比CR、對消后干擾功率PJSLC、對消系統輸出信號的干信比JSRSLC的計算公式：

上述分析結果適用于主極化與交叉極化的旁瓣對消處理，其區別主要在于不同極化下Pj Gj、γ、G(θn)、CRn(θn)等參數存在一定差異。

在多機干擾情況下，雷達旁瓣對消對每架干擾機的對消比可能是一個與對消系統資源、干擾源數量、分布狀況等有關的復雜非線性函數，很難用解析公式來表達，因此仿真實驗可能是一種現實的分析途徑。

3 仿真分析

下文通過仿真方式，對比分析空域飽和干擾與極化飽和干擾對旁瓣對消系統抗干擾性能的影響。仿真假定：

1）雷達共64個天線單元，SLC系統的自由度為8，發射機功率Pt為80 kW，工作波長λ為0.1 m，帶寬Br為2 MHz，其天線主瓣的發射增益Gt與接收增益Gr都為29 dB，接收機噪聲系數F為13 dB，雷達主天線極化方向圖如圖3所示；

圖3 主天線極化方向圖

2）雷達照射目標的雷達散射截面σ為1 m2，與雷達相距20 km；

3）各個干擾機等效全向輻射功率為50 W，其信號帶寬B j為20 MHz，與雷達相距5 km，以隨機分布或均勻分布分散在30°、60°、90°、120°、150°大小的扇區內；

4）干擾載荷能同時發射主極化與交叉極化干擾信號，主極化信號損耗系數γ為0 dB，交叉極化信號損耗系數γ為-3 dB。

圖4為應用空域飽和干擾與極化飽和干擾情況下，系統對消比CR、輸出信號的干信比JSRSLC與干擾節點數量、分布狀況關系的仿真結果。

圖4 仿真結果

從仿真結果可以看出：

1）當干擾節點數小于自由度時，對消系統仍能表現出一定的抗干擾能力，但隨著干擾節點數量增加且接近系統自由度，對消系統抗干擾性能不斷惡化，系統輸出信號的干信比大幅提升，此時干擾節點服從隨機分布且分布扇區越小，則達到相同干擾效果所需的干擾節點數量越少。

2）當干擾節點數量接近系統自由度的2倍以上時，對消處理輸出信號的干信比與無SLC處理的情況大致相當，SLC系統完全喪失抗干擾能力，可能引起雷達探測性能的嚴重惡化，此時節點分布狀況對干擾效果的影響較低。

與空域飽和干擾方法相比，極化飽和干擾方法有以下特點：

1）受交叉極化接收特性影響，交叉極化干擾信號在接收機的響應幅度低于主極化干擾信號，因而相同節點數量下極化飽和干擾的總干擾功率低于空域飽和干擾。

2）相同干擾節點分布狀況下，極化飽和干擾方法能以更少的節點數量實現SLC系統的飽和對抗。

綜上所述，空域飽和干擾與極化飽和干擾方法都能大幅削弱SLC系統抗干擾能力，實現對SLC雷達的有效對抗。而相較于空域飽和干擾，極化飽和干擾方法能通過增加干擾維度提升對抗資源的利用效率，通過消耗更少的干擾資源，實現對SLC系統的飽和對抗，因而在面對自由度較大的SLC系統時，極化飽和干擾方法能獲得更高的效費比。

4 結束語

本文瞄準雷達旁瓣對消系統自由度有限與極化干擾對消的特點，在空域飽和干擾方法的基礎上，研究設計了分布式極化飽和干擾方法，仿真了節點分布方式、分布扇區大小、干擾節點數對系統對消比CR、對消后信號的干信比JSRSLC的影響，仿真結果表明2種干擾方法均能對旁瓣對消系統形成有效干擾，且極化飽和干擾方法在更高自由度的對抗中表現出較高的效費比。這對工程應用中對抗旁瓣對消雷達有較高的參考價值。