火控雷達(dá)認(rèn)知抗干擾技術(shù)研究

張梅倉(cāng)，王 磊

(1. 中國(guó)華陰兵器試驗(yàn)中心， 陜西 華陰 714200； 2. 西安導(dǎo)航技術(shù)研究所， 西安 710068)

·電子對(duì)抗·

火控雷達(dá)認(rèn)知抗干擾技術(shù)研究

張梅倉(cāng)1，王 磊2

(1. 中國(guó)華陰兵器試驗(yàn)中心， 陜西 華陰 714200； 2. 西安導(dǎo)航技術(shù)研究所， 西安 710068)

認(rèn)知雷達(dá)技術(shù)通過(guò)對(duì)周圍環(huán)境的學(xué)習(xí)，實(shí)時(shí)調(diào)整雷達(dá)的工作參數(shù)，最優(yōu)化雷達(dá)在特定場(chǎng)景下的工作性能，發(fā)揮雷達(dá)最大性能?；鹂乩走_(dá)認(rèn)知抗干擾技術(shù)是一種基于認(rèn)知技術(shù)的雷達(dá)抗干擾設(shè)計(jì)方法，將認(rèn)知技術(shù)融入火控雷達(dá)設(shè)計(jì)中。文中針對(duì)火控雷達(dá)面臨的復(fù)合干擾特別是主瓣干擾威脅問題，研究火控雷達(dá)認(rèn)知抗干擾技術(shù)，智能化調(diào)整火控雷達(dá)工作參數(shù)，選擇工作頻率，優(yōu)化發(fā)射波形，有效提升火控雷達(dá)抗干擾的能力。

認(rèn)知雷達(dá)技術(shù)；雷達(dá)抗干擾；欺騙式干擾

0 引 言

目前，火控雷達(dá)主要面臨著四大威脅：低空突防、電磁干擾、隱身目標(biāo)和反輻射導(dǎo)彈。隨著電磁干擾技術(shù)的不斷改進(jìn)和發(fā)展，電磁干擾對(duì)火控雷達(dá)的威脅越來(lái)越大。當(dāng)前，電磁干擾技術(shù)呈現(xiàn)出多樣性和復(fù)雜性的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的抗干擾技術(shù)已無(wú)法滿足戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜對(duì)抗環(huán)境的需求，主要存在以下問題[1]：(1)抗干擾技術(shù)手段以人工操作為主，應(yīng)對(duì)場(chǎng)景變化速度慢，效率低；(2)對(duì)外部干擾環(huán)境認(rèn)知不夠，雷達(dá)難以自動(dòng)辨識(shí)受到干擾的種類；(3)針對(duì)主瓣干擾較難起效； (4)副瓣干擾抑制能力有限。

為了應(yīng)對(duì)日益復(fù)雜的干擾樣式，捷變頻、自適應(yīng)波束形成等技術(shù)已經(jīng)使得抗干擾技術(shù)由被動(dòng)、固定，向主動(dòng)、自適應(yīng)演化；而信號(hào)盲分離等抗干擾技術(shù)使得抗干擾策略逐步走向認(rèn)知化[2]。

火控雷達(dá)面臨的抗干擾問題很難依賴于某個(gè)算法或者某個(gè)分系統(tǒng)技術(shù)圓滿解決，而是需要雷達(dá)系統(tǒng)充分

利用多種技術(shù)綜合協(xié)作來(lái)應(yīng)對(duì)[3]。本文提出，在抗干擾設(shè)計(jì)準(zhǔn)則下，利用火控雷達(dá)系統(tǒng)的天線、收發(fā)、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)處理等各個(gè)分系統(tǒng)，結(jié)合外界環(huán)境的反饋信息以及火控雷達(dá)自身工作特點(diǎn)，統(tǒng)籌全雷達(dá)系統(tǒng)資源，進(jìn)行綜合抗干擾設(shè)計(jì)，形成一個(gè)以雷達(dá)系統(tǒng)性能充分發(fā)揮為目標(biāo)的智能化認(rèn)知抗干擾技術(shù)體系。

本文將認(rèn)知技術(shù)引入火控雷達(dá)抗干擾工作中，著重系統(tǒng)性地研究火控雷達(dá)認(rèn)知抗干擾技術(shù)體系及其技術(shù)組成。通過(guò)對(duì)火控雷達(dá)認(rèn)知抗干擾技術(shù)體系的分析，提出未來(lái)認(rèn)知火控雷達(dá)應(yīng)重點(diǎn)研究的一些基礎(chǔ)技術(shù)內(nèi)容，以及認(rèn)知火控雷達(dá)抗干擾性能的評(píng)價(jià)指標(biāo)問題。

1 火控雷達(dá)認(rèn)知抗干擾技術(shù)

2006年，加拿大Haykin S.[4]首次提出認(rèn)知雷達(dá)概念。認(rèn)知雷達(dá)技術(shù)是具備對(duì)環(huán)境學(xué)習(xí)和反饋特性的新一代智能雷達(dá)技術(shù)，具有完善的接收和發(fā)射自適應(yīng)特征，通過(guò)與環(huán)境的不斷交互和學(xué)習(xí)，獲取環(huán)境的信息，結(jié)合先驗(yàn)知識(shí)和推理，不斷地調(diào)整接收機(jī)和發(fā)射機(jī)參數(shù)，自適應(yīng)探測(cè)目標(biāo)，用以提高復(fù)雜、時(shí)變以及未知電磁環(huán)境與地理環(huán)境下的感知性能。通過(guò)認(rèn)知技術(shù)雷達(dá)可以對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行充分地感知與分析，以便采取針對(duì)性的發(fā)射波形，有效地提高雷達(dá)對(duì)抗電磁干擾威脅的能力[5]，如圖1所示。同時(shí)，由于發(fā)射的全自適應(yīng)，雷達(dá)可以根據(jù)跟蹤目標(biāo)的不同，采用最佳的跟蹤波形，達(dá)到穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)的同時(shí)降低發(fā)射泄漏。

圖1 認(rèn)知雷達(dá)系統(tǒng)框架圖

認(rèn)知抗干擾技術(shù)的本質(zhì)是將認(rèn)知技術(shù)融入雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，使雷達(dá)具備感知與分析外界環(huán)境的能力，并根據(jù)環(huán)境分析的反饋結(jié)果，實(shí)時(shí)調(diào)整發(fā)射參數(shù)，使雷達(dá)的抗干擾能力及工作性能始終處于最佳狀態(tài)的一種現(xiàn)代雷達(dá)設(shè)計(jì)技術(shù)。

認(rèn)知抗干擾的核心技術(shù)是自動(dòng)識(shí)別干擾類型，并且自動(dòng)采取相應(yīng)的抗干擾的措施，如圖2所示。其抗干擾體系主要體現(xiàn)在以下三個(gè)方面：(1)基于寬帶偵察與窄帶通道的抗干擾環(huán)境認(rèn)知功能；(2)基于干擾分類識(shí)別的干擾措施調(diào)度處理技術(shù)；(3)基于雷達(dá)系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)的抗干擾技術(shù)。

圖2 基于認(rèn)知技術(shù)雷達(dá)抗干擾框圖

類似于自適應(yīng)頻率捷變技術(shù)可以看成是認(rèn)知抗干擾技術(shù)的雛形，該技術(shù)偵察外部干擾頻率分布，自動(dòng)將雷達(dá)工作頻點(diǎn)跳轉(zhuǎn)到干擾功率最小的頻點(diǎn)。

1.1 寬帶與窄帶偵察相結(jié)合的干擾認(rèn)知技術(shù)

對(duì)干擾環(huán)境的認(rèn)知是雷達(dá)對(duì)抗干擾的前提。干擾認(rèn)知需要對(duì)干擾源的特征進(jìn)行提取、分析和分類，對(duì)不同類型的干擾可以采用不同的對(duì)抗措施，如圖3所示。

目前，雷達(dá)的抗干擾和工作通道結(jié)合在一起，在正常的工作通道可以獲得的干擾源參數(shù)包括：干擾空間位置、干擾時(shí)域、頻域等特征[6]。但是，當(dāng)雷達(dá)工作在干擾對(duì)抗模式時(shí)，需要更為全面、快速地了解干擾在整個(gè)雷達(dá)可以工作帶寬的分布、干擾源的時(shí)頻變化特點(diǎn)和使用策略等，如此大的數(shù)據(jù)量難以用雷達(dá)的工作通道來(lái)傳輸。認(rèn)知雷達(dá)將寬帶偵察通道用于干擾分析、識(shí)別，為干擾分類與抗干擾效果評(píng)估奠定基礎(chǔ)。

圖3 多種干擾類型和針對(duì)性抗干擾措施

干擾的寬帶偵收分析通道，可以設(shè)計(jì)成數(shù)字信道化機(jī)制，將雷達(dá)工作頻段設(shè)計(jì)成信道化模式，同時(shí)完成各頻點(diǎn)的干擾變化與種類分析，有以下三點(diǎn)：(1)實(shí)時(shí)偵察雷達(dá)外部電磁環(huán)境，獲取雷達(dá)工作頻點(diǎn)的干擾信息，為操作員提供干擾時(shí)間與頻率分布，為主動(dòng)抗干擾提供情報(bào)基礎(chǔ)。(2)寬、窄帶融合分析，更為有效地獲取干擾的空間、頻率、時(shí)間等多維信息。(3)寬帶可以偵察到非失真干擾，以及干擾機(jī)的邊帶雜散信息，為干擾種類識(shí)別奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1.2 基于干擾分類識(shí)別的智能抗干擾調(diào)度策略

雷達(dá)策略設(shè)計(jì)最為重要的就是通過(guò)策略優(yōu)化推演，找到可以應(yīng)用于多種復(fù)雜場(chǎng)景的抗干擾策略[7]，并將各種因素參數(shù)化，使用計(jì)算機(jī)定量分析，求解出復(fù)雜的應(yīng)對(duì)策略。

抗干擾策略的選擇是由雷達(dá)對(duì)外界環(huán)境信息的掌握程度決定[8]。對(duì)于認(rèn)知火控雷達(dá)而言，環(huán)境感知主要獲取雷達(dá)所需的地理和電磁環(huán)境的信息，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)與多源傳感器和多平臺(tái)的信息交互，完成環(huán)境信息的分析和識(shí)別，對(duì)干擾樣式等進(jìn)行有效甄別，為信號(hào)處理和資源配置提供相關(guān)的信息。

認(rèn)知火控雷達(dá)因其特別快速反應(yīng)的特點(diǎn)，需要設(shè)置專門的知識(shí)庫(kù)，來(lái)解決知識(shí)高速利用及響應(yīng)的問題。動(dòng)態(tài)知識(shí)庫(kù)主要用于存儲(chǔ)、調(diào)度和更新各種類型的先驗(yàn)知識(shí)。知識(shí)庫(kù)應(yīng)該包含環(huán)境知識(shí)、算法知識(shí)、系統(tǒng)知識(shí)、升級(jí)知識(shí)等多個(gè)層面的知識(shí)體系，并且知識(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)自主更新和升級(jí)。

對(duì)于雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言，策略設(shè)計(jì)最為重要的工作，即通過(guò)策略優(yōu)化推演，找到可以應(yīng)對(duì)多種復(fù)雜場(chǎng)景的抗干擾策略[9]?；凇安┺恼摗钡目垢蓴_策略研究，將是雷達(dá)干擾對(duì)抗的重要手段。博弈論將各種因素量化加權(quán)，演變?yōu)榭梢允褂糜?jì)算機(jī)計(jì)算的量化因素，從而可以采用計(jì)算機(jī)分析及利用動(dòng)態(tài)知識(shí)庫(kù)求解復(fù)雜的應(yīng)對(duì)策略。

1.3 發(fā)射波形抗干擾技術(shù)

對(duì)于干擾方而言，重要的一環(huán)是對(duì)目標(biāo)雷達(dá)信號(hào)的偵搜?？煽康刈R(shí)別出需要干擾的對(duì)象特征是干擾方實(shí)施有效干擾的前提條件。認(rèn)知火控雷達(dá)想要對(duì)抗干擾，迷惑或者讓干擾方難以截獲自身雷達(dá)信號(hào)是重要的抗干擾思路。雷達(dá)發(fā)射可以采取的措施有：

1)欺騙脈沖發(fā)射，擾亂干擾機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)。該措施針對(duì)射頻儲(chǔ)存轉(zhuǎn)發(fā)干擾非常有效。

2)低截獲波形。脈沖雷達(dá)采用多脈沖積累或者長(zhǎng)脈沖工作方式，或者多輸入多輸出(MIMO)雷達(dá)體制，使空間電磁輻射功率有效降低，讓干擾方難以偵測(cè)。

雷達(dá)發(fā)射波形優(yōu)化技術(shù)分為兩個(gè)趨勢(shì)：優(yōu)化選擇和優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化選擇的前提是有龐大的波形庫(kù)，但難以滿足雷達(dá)實(shí)時(shí)性要求。優(yōu)化設(shè)計(jì)是根據(jù)環(huán)境需要實(shí)時(shí)設(shè)計(jì)波形或者計(jì)算波形參數(shù)。波形設(shè)計(jì)使用的準(zhǔn)則有信噪比準(zhǔn)則(SNR)和互信息準(zhǔn)則(MI)。聯(lián)合準(zhǔn)則法則是綜合了二者優(yōu)缺點(diǎn)，目的是最大化環(huán)境信息，設(shè)計(jì)或者選擇出最優(yōu)的發(fā)射波形。

(1)

其中

α=TH/TZ， TZ=T+TH

式中：T表示發(fā)射信號(hào)x(t)的脈沖持續(xù)時(shí)間；TH表示目標(biāo)響應(yīng)h(t)的持續(xù)時(shí)間；TZ表示x(t)和h(t)對(duì)應(yīng)的卷積變換輸出z(t)的持續(xù)時(shí)間。通常情況下，TH>>T，所以α→1。γH(f)表示目標(biāo)響應(yīng)h(x)的期望功率譜方差。X(f)表示發(fā)射信號(hào)x(t)關(guān)于脈沖持續(xù)時(shí)間T的傅里葉變換。Scc(f)表示零均值高斯過(guò)程c(t)的功率譜密度；Snn(f)表示零均值噪聲過(guò)程n(t)的功率譜密度。

則輸出信噪比SNR可以表示為

(2)

式中：積分限W表示信號(hào)帶寬，即頻帶；snr(f)表示信噪比的譜密度函數(shù)，即“SNR頻譜”。

mi(f)=ln[1+snr(f)]

(3)

(4)

所以，互信息MI的表達(dá)式可以表示為

(5)

一般來(lái)說(shuō)，同等條件下snr(f)在整個(gè)接收帶寬內(nèi)起伏變化越大，其利用的環(huán)境信息越多，由式(3)可知，mi(f)與snr(f)呈對(duì)數(shù)關(guān)系，所以，mi(f)起伏程度會(huì)低于snr(f)，而mi(f)代表的是目標(biāo)與回波信號(hào)的互信息。所以，mi(f)與snr(f)之間的差值可以近似看作為回波信號(hào)與干擾信號(hào)(雜波，噪聲)之間的互信息，有

(6)

聯(lián)合準(zhǔn)則的目的是最大化環(huán)境信息，即最大化Δ(f)，從而可以促使雷達(dá)更加精確的感知環(huán)境，如圖4所示。由此設(shè)計(jì)或選擇出最優(yōu)的發(fā)射波形。

圖4 三種準(zhǔn)則下的優(yōu)化波形能量譜仿真

由圖4可知，三種準(zhǔn)則波形的趨勢(shì)都是將能量值匯集在雜波功率譜值小，沖激響應(yīng)譜方差值大的地方。這類似于雷達(dá)決策系統(tǒng)在對(duì)環(huán)境頻譜感知后作出的波形能量譜最優(yōu)分配。不同的是，三種準(zhǔn)則下，能量譜分配程度不一樣，信噪比準(zhǔn)則下波形能量譜值方差最小，互信息準(zhǔn)則次之，聯(lián)合準(zhǔn)則最高。即聯(lián)合準(zhǔn)則能夠最大限度地將波形能量值置于最優(yōu)的接收頻率段，從而達(dá)到最優(yōu)化波形有效抗干擾的目的。

2 進(jìn)一步需要研究的內(nèi)容

認(rèn)知技術(shù)對(duì)雷達(dá)設(shè)計(jì)的靈活性裕度要求極高。傳統(tǒng)的火控雷達(dá)在接收到目標(biāo)指示后，難以再應(yīng)對(duì)大的目標(biāo)特征變化，靈活性極差，抗干擾能力弱?；鹂乩走_(dá)認(rèn)知抗干擾技術(shù)在現(xiàn)役裝備的火控雷達(dá)上實(shí)現(xiàn)智能化地抗干擾比較困難，需要在軟硬件組成及體系結(jié)構(gòu)上進(jìn)行大的改變。除了采用靈活度更高的數(shù)字相控陣體制外，我們認(rèn)為至少還需要開展以下內(nèi)容的研究：

1)高性能的雷達(dá)收發(fā)前端技術(shù)。與傳統(tǒng)相比，認(rèn)知雷達(dá)需要獲取的信息多，對(duì)收發(fā)前端提出了更高的要求。更大的收發(fā)帶寬、更靈活的收發(fā)波束控制等，還需要兼容多元信息和多平臺(tái)的數(shù)據(jù)。

2)雷達(dá)環(huán)境感知技術(shù)。環(huán)境感知主要獲取雷達(dá)所需的地理和電磁環(huán)境的信息，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)與多源傳感器和多平臺(tái)的信息交互，完成環(huán)境信息的分析和識(shí)別，對(duì)干擾樣式等進(jìn)行有效甄別，為信號(hào)處理和資源配置提供相關(guān)的信息。

3)雷達(dá)動(dòng)態(tài)知識(shí)庫(kù)設(shè)計(jì)。動(dòng)態(tài)知識(shí)庫(kù)主要用于存儲(chǔ)、調(diào)度和更新各種類型的先驗(yàn)知識(shí)，是認(rèn)知雷達(dá)走向智能化的重要基礎(chǔ)。知識(shí)庫(kù)應(yīng)該包含環(huán)境知識(shí)、算法知識(shí)、系統(tǒng)知識(shí)、升級(jí)知識(shí)等多個(gè)層面的知識(shí)體系，并且知識(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)自主更新和升級(jí)。

4)收/發(fā)全自適應(yīng)處理技術(shù)。與傳統(tǒng)雷達(dá)相比，認(rèn)知雷達(dá)是全自適應(yīng)的閉環(huán)體系，其不僅在接收端實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)，而且實(shí)現(xiàn)收發(fā)處理聯(lián)合自適應(yīng)，先驗(yàn)知識(shí)與接收數(shù)據(jù)聯(lián)合處理，算法、資源、策略的多層次自適應(yīng)調(diào)度，充分發(fā)揮多源信息和先驗(yàn)知識(shí)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)彌補(bǔ)先驗(yàn)知識(shí)在時(shí)效上的缺陷。

3 結(jié)束語(yǔ)

認(rèn)知雷達(dá)的模型雖已提出多年，但在國(guó)內(nèi)外都還只是理論模型。如何將其融入火控雷達(dá)抗干擾技術(shù)中，并且能結(jié)合干擾的特點(diǎn)來(lái)發(fā)揮出最大效能，須從總體設(shè)計(jì)上考慮?；谡J(rèn)知技術(shù)的雷達(dá)系統(tǒng)是一種高度自適應(yīng)，具有一定智能化，能夠根據(jù)環(huán)境需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整工作參數(shù)，以雷達(dá)系統(tǒng)在特定環(huán)境下整體性能最優(yōu)為目標(biāo)的新型雷達(dá)系統(tǒng)。理論上認(rèn)知技術(shù)能夠整體提高火控雷達(dá)的工作性能，但還無(wú)法提出普適的指標(biāo)。在非均勻的環(huán)境下，雷達(dá)需要不斷調(diào)整參數(shù)來(lái)更好地適應(yīng)環(huán)境，認(rèn)知技術(shù)發(fā)揮的空間會(huì)更大，效果更明顯。但是在均勻環(huán)境下，雷達(dá)無(wú)需不斷調(diào)整工作狀態(tài)。在此情況下，認(rèn)知雷達(dá)與傳統(tǒng)雷達(dá)相比就不再具備優(yōu)勢(shì)。

如何科學(xué)合理地評(píng)價(jià)基于認(rèn)知技術(shù)的雷達(dá)抗干擾性能，就需要引入一種全新的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

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張梅倉(cāng) 男，1965年生，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)槔走_(dá)試驗(yàn)鑒定與評(píng)估。

王 磊 男，1983年生，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)槔走_(dá)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。

A Study on the Technology of Cognitive Anti-jamming for Fire Control Radar

ZHANG Meicang1，WANG Lei2

(1. Huayin Ordnance Test Centre, Huayin 714200, China) . Research Institute of Navigation Technology, Xi′an 710068, China)

Cognitive anti-jamming technology for fire control radar is proposed, which is state of the art technology. Through the study of the surrounding environment, cognitive radar technology adjust the working parameters of radar in real time, optimize radar performance in a specific scenario, to maximize the performance of radar. Anti-jamming technology of cognitive radar is one kind of radar anti-jamming design method based on cognitive technology, which integrate the cognitive technology into the radar designing, so that the radar has the ability to adjust its working parameters, and effectively improve the ability of radar anti-jamming.

technology of cognitive radar; radar anti-jamming; deception jamming

10.16592/ j.cnki.1004-7859.2016.12.019

張梅倉(cāng) Email：2694506176@qq.com

2016-09-16

2016-11-15

TN974

A

1004-7859(2016)12-0091-04