高對抗強博弈場景下雷達波形設計思路

王建強 宋思盛 李國卿 張瑞

摘? 要：未來陸域突擊作戰中高對抗強博弈場景使得雷達與目標間博弈日趨激烈，雷達波形作為雷達裝備的核心和基礎特征，將是提高雷達對目標檢測性能的關鍵因素。該文首先梳理高對抗強博弈場景下的軍事需求和發展現狀，然后從波形產生與處理、目標和環境信息參數化建模、波形博弈方法等方面展開討論，可為雷達在復雜電磁環境下如何提升裝備作戰效能提供設計參考。

關鍵詞：電子戰；波束設計；抗干擾；電磁環境；雷達

中圖分類號：TN95? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）19-0124-06

Abstract： In the future land assault operations， the strong game scene of high confrontation makes the game between radar and target increasingly fierce. Radar waveform， as the core and basic feature of radar equipment， will be the key factor to improve the performance of radar target detection. This paper first combs the military demand and development status under the scenario of high confrontation and strong game， and then discusses it from the aspects of waveform generation and processing， parameterized modeling of target and environmental information， waveform game method and so on， thereby can provide design reference for radar how to improve equipment combat effectiveness in complex electromagnetic environment.

Keywords： electronic warfare; beam design; anti-jamming; electromagnetic environment; radar

隨著電子戰技術的快速發展，面對未來陸域突擊作戰中強敵構建的多維殺傷網所獲取的戰場制電磁權與信息優勢，雷達與目標間的博弈日趨激烈，而雷達波形優化設計是提高雷達對目標檢測性能的關鍵因素。雷達波形，作為雷達裝備的核心和基礎特征，就像每部雷達裝備的DNA序列，雷達發射波形的設計對信號的處理方法、系統分辨力、測量精度以及抗干擾能力等性能有直接影響，具備優良特性的波形可促使雷達充分發揮潛在性能，且不同任務場景，波形優化的出發點各不相同，而單一形式信號難以普適地滿足任意應用場景[1]。

現有波形優化方法可根據優化準則分為3類：MI、MMSE和SNR，這些波形設計方法、設計原則均是在假設雷達探測目標自主不具備博弈對抗能力下得到的研究成果[2]。但是在現代電子戰環境中，敵方的裝備已具備估計雷達波形參數進而自適應改變干擾策略的能力。因此，在雷達與干擾相互博弈條件下如何優化波形，提高復雜背景下對目標檢測能力成為亟待解決的問題。近年來，雷達同目標博弈方面受到國內外學者的持續關注[3]。

1? 軍事需求

1.1? 應對復雜對抗背景下探測的需求

信息化戰場雷達面臨的背景電磁環境更加復雜、電子對抗威脅更加嚴峻，針對雷達的有源干擾將貫穿戰爭的始終，當前雷達主要面臨來自地面雷達干擾機、投擲式滯空干擾機，直升機/無人機載干擾機等威脅，典型的地面干擾機為美軍的AN/VLQ-14型多波段干擾機，作用距離15 km；滯空干擾機通常采用火炮發射方式進行投擲，在干擾機滯空過程中，對雷達實施抵近、滯空、分布式、大區域的主瓣干擾，形成干擾屏障以掩護敵方火炮射擊；美軍陸軍師、陸戰師、空中突擊師、空降師均配備4到6架EH-60系列電子戰直升機，配置AN/ALQ-136脈沖式雷達干擾機和AN/ALQ-162連續波雷達干擾機，執行對地面通信和雷達的偵察和干擾任務。目前干擾樣式正由遮蓋式干擾轉變為針對性更強的智能化存儲轉發式靈巧干擾，由旁瓣干擾轉變為主瓣干擾，由傳統單一式干擾向多種干擾樣式復合的方式轉變，在復雜電磁環境下作戰，雷達不僅要具備抗干擾手段，還要具備干擾環境的感知能力以及自適應選擇對抗措施和進行波形優化設置的能力，增強裝備作戰效能[4-5]。

1.2? 適應認知電子戰飛速發展的需求

圍繞“制電磁權”而開展的電子戰，已成為所有現代軍事斗爭不可避免的重要對抗內容，特別是人工智能的飛速發展和廣泛應用，使得認知電子戰作為一種全新的波形戰手段，受到世界各國的廣泛關注。認知電子戰能夠在復雜電磁環境中自適應感知周圍態勢，在感知的過程中通過機器學習判定威脅等級并做出最佳干擾決策，自動生成最佳干擾信號并評估當前干擾效果[6]。更為靈活智能的干擾波形不僅影響雷達的信號處理能力，而且會抑制系統的測量精度、分辨力等指標。為應對電子戰技術發展帶來的挑戰，設計具備認知對抗能力的雷達波形成為一種重要解決方案。

1.3? 滿足日益增長的多功能作戰的需求

由于敵人的不確定性及戰爭的不對稱性，陸軍任務開始大量重疊。傳統定義上的前線區域和后方之間的設定邊界幾乎消失，未來陸戰場潛在的敵人可以使用多種系統進行攻擊，從常規彈藥如迫擊炮或復雜性不同的UAS到先進的導彈和戰斗機，執行這些復合任務的爆炸性需求增長使得雷達系統多功能化發展，并依賴于各種復雜波形設計與信息處理技術提高性能。例如，美軍為應對反無人機需求的增長，要求洛克希德馬丁公司對正在生產中的TPQ-53進行反無人機能力擴展。

1.4? 適應綜合射頻一體化發展的需求

為適應未來戰爭環境需要，作戰平臺配置的電子設備越來越多，功能越來越復雜，占用空間越來越大。雷達、通信和電子對抗系統是作戰平臺廣泛配置的電子設備，實現雷達、通信和電子對抗設備共享、功能一體是解決上述問題的有效途徑。綜合射頻一體化發展有利于提升作戰平臺的裝備集成度、戰場態勢感知水平、信息保障能力，為作戰的一致信息權提供技術支撐[7]。長期以來，雷達、通信和電子對抗系統并行沿著各自的技術路線演進，其采用的主要波形側重點也顯著不同。隨著技術進步，從雷達、通信、電子對抗的工作頻段、信號波形、系統結構和信息處理來看，可以共享的趨勢明顯。通過共享發射系統、接收系統、天線系統等，設計特殊的共用信號可以實現將雷達信號隱藏于通信信號之中，提高信號的隱蔽性，增強電子對抗能力。一體化波形設計直接決定了多功能綜合射頻系統的功能、實現方式及信息處理方法，是多功能綜合射頻系統設計的關鍵。

1.5? 雷達探測技術軟件化、智能化發展的必由之路

DARPA意在3個在研項目（機器學習系統、軟件定義雷達和動態配置射頻系統）上取得關鍵技術的突破，致力于影響并推動雷達市場的發展。其中，RFMLS項目旨在為集成到RF硬件系統中的機器學習解決方案開發所需的算法和結構，規定未來RF系統的性能將由其對所處環境的自適應能力和實時響應決定，通過雷達感知、調整和行動的動態閉環循環過程，實現發射機到接收機的反饋。在動態閉環循環中，波形產生及數據庫、算法和決策能力是認知解決方案的基本要素。SDRadar項目旨在展示目標探測和跟蹤能力都得到極大增強的軟件定義雷達樣機，利用SDRadar技術將實現在單一環境中控制與處理多合一解決方案。全新的可擴展軟硬件架構將有效滿足下一代RF和電子戰系統對動態波形的需求。可動態配置的RF系統項目旨在為協同的RF系統和不可預知的平臺集成創造一種模塊化結構。可動態配置的RF系統項目為確定的RF功能和載荷，開發RF工作模式和軟件定義的決策工具。數字化結構正在推動單平臺上多種射頻端點的共享和中心處理。DARPA預計，與單獨的雷達、電子戰和通信系統的總和相比，融合的RF系統所需的安裝空間和功耗更小，功能更強。可動態配置的RF系統為實現系統波形多樣化、復合化發展提供了硬件基礎。

2? 國內外波形設計發展現狀

1965年H.V.Trees提出發射信號的設計更有利于提高雷達性能，指出理想的雷達系統應該能夠連續地測量目標的散射函數，并根據環境自適應地調整發射信號的形狀和接收機以適應當前的環境。這一理想系統掀起了二十世紀六七十年代對于最優波形設計的研究熱潮。早期的工作主要是在目標檢測階段通過確定最優的發射信號與濾波器對以最大化信號與雜波及干擾的功率比，其主要方法為特征值迭代法。在過去幾年里，因系統處理能力欠佳而未被檢測的威脅已成為戰區士兵面臨的一個日益嚴重的問題，美國陸軍正在開發創新的雷達波形技術，保證在對抗性和擁塞的無線電環境中雷達系統性能。

作為最早提出認知雷達概念的學者，Simon Haykin教授的研究團隊總結了自適應雷達的發射波形，指出波形選擇問題的一個實際方式是用脈沖波，該脈沖由等間隔、互不重疊的固定周期小脈沖序列構成。Simon Haykin在2008年提出了一種考慮檢測和估計性能折衷情況下的認知雷達最優波形設計問題[8]。Goodman和其研究團隊也在這方面做了比較多的工作。2007年，Goodman提出了閉環雷達波形設計的結構。2008年，Goodman將序列假設檢驗應用于自適應波形設計，以提高雷達的目標檢測性能，他比較了2種方法：對角法和信息論法。2009年，Goodman提出了一種在依賴于信號干擾存在情況下匹配于隨機目標的波形設計方法，這種波形由SNR和Ml優化得到，作者同時也把它用在認知雷達目標識別中。電子攻擊措施的不斷升級，也將迫使雷達具備更為靈活快速的波形捷變能力。2019年2月19日，美國海軍水面作戰中心的官員宣布，將與Vadum公司簽訂一份為期5年，價值940萬美元的合同，以支持“反應式電子攻擊措施”（REAM）項目。REAM項目旨在尋求以下技術方面的開發方法：跟上敵人快速變化的雷達頻率，識別頻移模式，并在這些頻率被使用時自動設計方法進行干擾或欺騙。

國內在波形設計領域中以高校為主要力量在理論研究方面完成了大量的研究工作，取得了一批研究成果。2008年，西安電子科技大學針對目標識別問題，依據匹配照射原理，提出特征互信息方法和多特征子空間方法等，用于不同背景下的目標識別，并取得了良好效果[9]。2011年，清華大學針對雜波環境中擴展目標的檢測問題，建立了表征雷達回波的參數化模型，根據對回波統計特性的分析，提出了目標沖激響應和雜波協方差矩陣的估計方法，構建了廣義似然比檢測器（GLRD），并進一步提出了相位調制波形的自適應設計方法，所優化波形用于下一次發射時進行雜波抑制[10]。東北大學針對雷達的自適應波形優化問題，建立了隨機動態規劃模型，針對雷達目標轉移概率未知這一特點，將Q學習方法用于發射波形的自適應選擇，有效提高了雷達的目標跟蹤性能[11]。空軍工程大學針對傳統的線性調頻（LFM）步進信號抗干擾能力較差的問題，提出一種可以隨機發射LFM步進信號子脈沖的波形設計方法，結合壓縮感知理論，運用較少的子脈沖實現了對運動目標一維距離像重構和高分辨二維成像[12]。

3? 復雜雷達波形設計與實現

3.1? 復雜波形產生與處理

3.1.1? 抗干擾波形集設計

根據雷達裝備戰場復雜環境下作戰使用特點，結合復雜對抗背景下探測、認知電子戰飛速發展、日益增長多功能作戰、綜合射頻一體化發展和雷達探測技術軟件化、智能化發展實際需求，分析不同探測任務干擾敏感度，進行空、時、頻、極化多維雷達波形集設計。

3.1.2? 波形的定制產生

系統探測波形應按照探測任務分為目標搜索、目標確認、目標跟蹤、目標識別、環境感知和系統自檢等。工作波形具備按照波束駐留或PRF進行波形參數切換的能力。通過工作環境實時感知，統籌考慮平時、戰時作戰任務，從雜波抑制、目標探測威力、參數提取和抗干擾的需求出發，研究基于發射波束寬度、脈沖重復周期、工作頻率、信號形式和波束指向等主要波形參數的子陣級定制產生技術。

3.1.3? 基于環境感知的精細化處理

通過采用服務器實現信號處理和數據處理的一體化設計，信號處理給數據處理提供較多的目標信息，使數據處理階段更好地學習、適應周圍的電磁環境和目標環境；同時數據處理將學習后的部分結果反饋給信號處理，進行有關參數的調整。根據環境感知結果，自適應選擇信號處理參數和數據處理參數，研究對地處理、對海處理、反氣象處理和抗干擾處理等精細化處理方法和策略，實現波形參數多維調制動態優化。

3.2? 目標和環境信息參數化建模與認知

3.2.1? 目標信息在線實時精確感知技術

目標的動態信息包括目標的運動參數、RCS起伏和回波特性等。目標在運動過程中，其動態特征也在不斷變化，對于在雜波環境中檢測這些微弱目標十分困難。研究如何在線感知并提取目標多維動態信息，對于提高雷達在復雜條件下的目標跟蹤精度、目標航跡質量等指標有重要意義。

3.2.2? 環境信息在線實時精確感知技術

對雷達來說，對環境的感知主要是對噪聲、雜波和干擾的電磁信號特征的感知。對于動態和快變的環境，先驗信息并不足以滿足雷達波形對抗的需求。由于環境信息的空間非均勻、時變、非平穩性等特點，有必要研究如何在時域、頻域等對環境信息進行實時提取和分析。

3.3? 對抗條件下波形博弈方法

3.3.1? 干擾信號特征感知評估

干擾信號特征感知是智能化反干擾的前提，以便針對不同的干擾類型采取不同的波形博弈策略。通過設置獨立多通道天線（含雙極化）和接收處理通道，雷達具備空域瞬時360°頻譜信息偵收能力和頻域瞬時大帶寬全覆蓋能力，提供側向及后向匿影通道，實時分析當前系統和真實信號工作所受到的干擾及影響，獲取干擾的空間位置、時頻域特征，評估對目標偵察通道的信號檢測能力和參數測量性能的影響及采用常規抗干擾措施后的干擾反應時間和干擾效果等，為雷達發射信號波形優化和自適應波形博弈策略選擇提供依據。

3.3.2? 基于認知的雷達發射信號波形優化

傳統方式下雷達發射波形和其他參數通常為固定方式，僅僅依靠接收端的自適應處理，在復雜的環境下探測性能會顯著下降，同時也會由于雜波抑制算法無法適應環境的變化出現虛警過大、時間資源緊張、波形對抗能力弱、適應波形戰的潛力不足的問題。基于全新的數字陣列體制帶來的子陣級差異化波形產生能力，使得雷達在發射端具備足夠的自由度，可更加靈活地優化發射信號波形。根據目標和環境的先驗特征，在雷達資源約束條件下研究不同對抗場景自適應波形優化技術，提升雷達波形戰能力。

3.3.3? 基于相關系數特性的抗主瓣干擾

陸軍地面雷達面臨的主要干擾類型包括主瓣窄帶壓制性干擾、欺騙式干擾、靈巧干擾，以及強地物和強氣象引起的無源干擾，對于從旁瓣進入的干擾，旁瓣對消和旁瓣匿影是傳統的雷達抗干擾技術手段。對于從主瓣進入雷達的窄帶干擾信號，當干擾信號與目標回波信號的到達角度非常接近時，通過頻域、時-頻域陷波、空域濾波等抗干擾措施效果不佳。

通過分析不同類型干擾信號二階矩、相關系數等相參性變化情況，研究基于SQI方法的干擾識別技術，并通過干擾信號識別門限作為干擾識別依據，提升波形對抗場景下雷達抗主瓣干擾能力。

3.3.4? 基于雷達工作模式和參數的自適應波形博弈策略

為了防止電子偵察，在不同區域、不同波束發射時可以采用不同的工作頻率、復雜波形、脈沖重復頻率，通過頻率捷變、波形捷變、重頻捷變、調制方式捷變、扇區靜默和降額工作等方式達到反電子偵察的目的。針對壓制式干擾、主瓣應答式干擾、副瓣干擾等不同干擾類型，研究如何根據當前電磁環境與系統所受電子干擾狀態，參照歷史環境下實施抗干擾措施的經驗和知識，實時動態優化新一輪雷達波形在時間、空間、頻譜、調制和能量等方面的多維博弈策略，分級設置抗干擾波形，在實現最優干擾抑制的同時完成對目標的有效檢測和跟蹤。

3.4? 雷達對抗波形管理與調度

3.4.1? 雷達資源占用率實時評估

本雷達具備動態任務管理能力，實現炮位偵校、對空監視和目標感知、告警同時多任務工作，雷達資源占用率實時評估主要包括對雷達TWS模式下實時批處理能力及目標飽和攻擊時多目標實時顯示能力、TAS模式下搜索數據率及多目標跟蹤能力等進行監測，為雷達波形參數多域管理與分配提供基礎。

3.4.2? 雷達波形參數多域管理與分配

雷達波形參數多域管理與分配結合當前雷達工作態勢評估結果，對系統在時域、空域、能量域、頻域、調制域的資源分配進行實時統計，并能將該信息作為輔助信息用于系統資源控制管理器對系統資源調度與管理策略調整的依據，優化雷達跟蹤能力和對新目標的發現能力。其中，時域資源分配方面主要包括脈沖重復周期、波束駐留時間、離散定時跟蹤間隔的動態設置；空域資源分配方面主要指波束掃描區域、掃描方式的優化設置；能量域分配方面主要指雷達峰值功率管控、集能處理、工作比選擇；頻域資源分配方面主要指雷達工作頻率范圍內的頻率捷變；調制域資源分配方面主要指雷達波形調制方式的選擇。

3.4.3? 雷達多任務、多模式對抗波形調度

雷達的探測波形按照探測任務分為目標搜索、目標確認、目標跟蹤、目標識別、環境感知和系統自檢等。由于雷達的資源是有限的，不同任務對雷達資源需求不同，特別是高速小目標探測背景下，要求系統具備高時效功能捷變重構能力，主要研究基于波駐節拍和隨機事件驅動的自適應多任務多模式對抗波形調度策略。

3.5? 擬重點研究的關鍵技術

3.5.1? 脈間和子陣級差異化波形產生技術

傳統雷達工作波形是固定的幾組，不能適應復雜戰場環境下的波形對抗要求。依托全新數字子陣的單元級DAC產生能力，結合態勢感知實時評估結果，研究脈間和子陣級差異化波形定制產生技術。探測信號的基帶波形數據由實時控制計算模塊根據戰場環境動態確定，并存儲在波束形成板的DSP中，可由波束形成板在每個PRF的起始上傳至數字收發子陣，能夠實現子陣級波形的差異化。通過采用分布式發射波束形成控制的方式，所有數字收發子陣的控制在波束形成板中完成，每個波束形成板只完成本板所對應的數字收發子陣的發射控制和配相，使得雷達具備靈活的發射數字波束形成能力和波形定制產生能力。

3.5.2? 目標和環境信息實時多維精確感知技術

如果雷達僅對環境中的目標進行檢測，對回波中的雜波分量不進行分析和處理，將面臨發射和接收對環境適應性問題。先驗信息是靜態的、歷史的，與當前信息存在差異，不滿足強實時復雜波形重建需求。對環境和目標信息的實時精確感知是波形對抗的關鍵環節，是實現發射信號波形優化的必要前提。通過從回波信息中提取目標的動態信息和電磁環境信息，對于提高雷達在復雜電磁環境中的波形戰能力，保障復雜條件下的雷達指標性能具有重要意義。

3.5.3? 寬帶與窄帶偵察相結合的干擾認知技術

干擾環境的認知是智能化反干擾的前提。干擾認知需要干擾的特征提取與分析分類。當雷達工作在干擾對抗模式時，需要更為全面、快速地了解干擾在整個工作帶寬的分布狀況、干擾的時頻變化特點和干擾使用策略。在雷達工作通道窄帶搜索的基礎上，設置寬帶干擾偵察通道，將寬帶偵察通道用于寬帶干擾分析、識別，采用時頻圖形特征和瞬時量特征，結合干擾信號特性，在時域、頻域、能量域和空間域對干擾源信息進行關聯統計分析，為干擾分類與效果評估奠定基礎，為自適應波形博弈策略選擇提供依據。

3.5.4? 大規模陣列發射波形快速優化技術

大規模陣列發射波形快速優化是實現雷達波形對抗的重要研究內容。如何在不影響對目標探測的條件下將干擾方向發射置零，使對方很難偵收到雷達發射的信號，提高雷達戰場生存能力，并實現快速迭代優化，擬研究基波束和基波形快速合成發射信號波形設計、基于LFM信號的同時多波束波形設計、基于干擾樣本的自適應發射置零波形設計及發射通道誤差對發射置零的影響，在平衡目標檢測和目標估計對波形要求矛盾的同時，實現發射波形快速優化。

3.5.5? 基于相關系數特性的抗主瓣干擾技術

射頻轉發式干擾是近幾年數字信號和光電子技術發展后出現的新的干擾方法，對于雷達來說，被轉發的信號波形和雷達自身的信號波形基本上完全相同，雷達無法分辨，很難對付。從射頻轉發式干擾機實現原理來看，經干擾機加工處理后的信號質量會下降，主要表現在信噪比和相位相參性下降等方面。通過分析接收信號相關系數的變化，檢驗信號噪聲起伏和相參性指標，有可能將回波信號和轉發式干擾信號區分開來。該方法是一種創新性方法，適用對抗任何形式的干擾特別是來自主瓣方向的干擾，擬研究不同類型目標回波和各種干擾波形的相關系數實驗測試方法，計算不同類型目標回波信號和干擾信號的二階矩、相關系數，分析比較干擾信號和直接反射回波信號在相關系數上的差異，確定干擾信號識別門限。

3.5.6? 捷變高時效系統任務重構技術

隨著波形對抗形勢的日益嚴峻，對雷達復雜波形產生和調度的強實時性要求越來越迫切。結合波束駐留節拍的實時時間能量資源自適應調度技術方面的經驗積累，擬研究適用于全新波形對抗要求的基于波駐節拍和事件驅動的捷變高時效系統任務重構技術。

以波駐作為任務調度的時間間隔，系統資源管理器同步雷達波駐，實現多功能雷達搜索管理和跟蹤管理的有機結合，能更好地與相控陣多功能雷達的工作特征相適應，進一步提高任務調度成功率和系統時間資源利用率，加強對外部隨機事件響應的靈活性、動態性、快速性和廣譜適應性，實現事件與事件之間無縫連接，借助軟件化、雷達組件化、模型化的先天性優勢，全面提高波形戰背景下雷達系統任務重構能力。

4? 結束語

未來戰場高對抗強博弈場景下對信息權的爭奪更加激烈，信息優勢將成為決定戰爭勝負的關鍵因素之一。現代雷達面臨的干擾樣式不斷增多，作戰場景日趨復雜，作為戰爭信息獲取的重要裝備，雷達新質能力需求日漸凸顯。本文就雷達復雜波形設計涉及的諸多研究內容展開了討論，并給出了重點突破的多項關鍵技術，對電子戰技術迅猛發展背景下的雷達系統設計具有一定指導意義。

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