雷達反主瓣干擾的現(xiàn)狀和趨勢研究

梁海珊

(南京電子技術(shù)研究所 南京 210039)

0 引言

雷達干擾是隨著雷達的產(chǎn)生而產(chǎn)生的，隨著雷達的發(fā)展而發(fā)展的，是電子戰(zhàn)的一種重要形式。從交戰(zhàn)過程看電子對抗系統(tǒng)(ECM)和電子反對抗(ECCM)分為兩個過程：第一個過程是偵察和反偵察的較量。電子對抗系統(tǒng)要近乎全方位、全頻段偵察，并對輻射源識別、定位；而雷達電子反對抗需要采取措施降低截獲概率，增加信號分選、測量難度。第二個過程是干擾和反干擾的較量。發(fā)現(xiàn)雷達信號后，電子對抗系統(tǒng)要合理調(diào)度資源進行干擾；而干擾信號進入雷達系統(tǒng)后，雷達系統(tǒng)要采取措施反干擾，保證對目標的探測。

電子對抗對雷達實施有效的干擾必須具備的條件是：在三個作用域上對準，包括頻率域、極化域和空域；足夠強的干擾信號能量；有效多樣的干擾樣式。干擾得以進入雷達接收機的必要條件是頻率域、極化域和空域上對準。在此基礎(chǔ)上，足夠的干擾信號強度及有效的調(diào)制樣式以及實時適應雷達對抗環(huán)境才能充分發(fā)揮壓制和破壞雷達工作的效能。

為了達到上述目的，從技術(shù)和原理上描述，電子對抗正在朝著雷達對抗的陣列化和數(shù)字化、雷達對抗的智能化與認知雷達對抗以及協(xié)同雷達對抗與綜合集成雷達對抗等方向發(fā)展，使得雷達的工作環(huán)境越來越惡劣。

1 主瓣干擾概念與威脅

主瓣干擾是指從雷達主瓣進來的干擾，在空域上，干擾和目標在主瓣波束范圍內(nèi)；在時域上，由于獲得了雷達主瓣增益，干擾強度很大；在樣式上，主瓣干擾具有多種類型，包括噪聲壓制干擾、轉(zhuǎn)發(fā)式干擾、靈巧干擾、脈沖干擾等等。

實際作戰(zhàn)中，電子干擾的戰(zhàn)術(shù)手段較多，可以按照干擾機與被掩護目標的空間位置關(guān)系分為：自衛(wèi)式電子干擾、隨隊式電子干擾、支援式電子干擾、以及復合式電子干擾。

按照干擾從雷達副瓣還是主瓣、近主瓣進入，可以將電子干擾的戰(zhàn)術(shù)手段分為兩類：一類是支援式電子干擾，另一類是隨隊式電子干擾和自衛(wèi)式電子干擾。復合式干擾往往從雷達主瓣以及主副瓣同時進入。對于副瓣干擾，可以通過常規(guī)的自適應波束形成算法在空域形成凹口抑制干擾，使輸出信干噪比最大，但是通道誤差會限制對消比。而對于從近主瓣、主瓣進入的干擾，常規(guī)的自適應波束形成算法會在雷達主瓣內(nèi)形成零陷，導致主瓣畸變、旁瓣升高，從而使得輸出信干噪比下降，算法性能下降嚴重。因此，雷達在對抗主瓣干擾時，常規(guī)的自適應波束形成算法已不適用，需要研究反主瓣干擾算法。

2 反主瓣干擾研究現(xiàn)狀

空域、時域、極化域等是雷達的主要作用域。下面分別從不同作用域角度探究反主瓣干擾研究現(xiàn)狀。

2.1 傳統(tǒng)空域

面對主瓣、近主瓣干擾，自適應波束形成會在主瓣上形成凹口?；谧枞仃囶A處理算法利用主瓣干擾的角度信息構(gòu)造阻塞矩陣；然后利用構(gòu)造好的矩陣對接收信號進行預處理，去除回波中的主瓣干擾能量；最后利用預處理后的數(shù)據(jù)求取自適應權(quán)矢量。此時，由于主瓣干擾成分被消除，在主瓣范圍內(nèi)自適應算法將不會形成零陷，保證了主瓣形狀不變并保持副瓣電平的水平[1]。但實際應用中，對干擾測角并不準確，阻塞矩陣構(gòu)造有誤差，對最后性能影響較大，需要精確已知期望信號及與阻塞干擾方位角。

基于大口徑輔助陣的方法可以在空域上處理主瓣干擾。該方法是在原雷達的附近增加一個輔助陣列，基于成本考慮，輔助陣單元可采用拋物面天線，借助輔助陣列所帶來的額外自由度來抑制主瓣干擾[2]。輔助陣也增加了系統(tǒng)設(shè)計的復雜度，需要設(shè)計輔助陣口徑、輔助陣單元間距、輔助陣單元個數(shù)等。

針對主瓣干擾抑制后測角性能下降的問題，文獻[3]提出了子陣間約束自適應和差單脈沖測角算法，該方法先聯(lián)合各子陣和波束、差波束輸出進行自適應處理，分別形成合成的自適應和波束、差波束，在差波束自適應權(quán)形成中增加了單脈沖比全陣列約束，可以在抑制主瓣、近主瓣干擾的同時還能較好地保持單脈沖比不失真，并克服了子陣自適應處理帶來的孔徑損失。在和差自適應權(quán)過程求逆運算較大，該算法計算復雜度較高，而且在有陣列誤差等條件下魯棒性還有待探討。文獻[4]提出了子陣級自適應單脈沖的四通道主瓣干擾抑制方法，在對一個方向(方位或者俯仰)的主瓣干擾進行抑制的同時，可保證與之正交(方位或俯仰)的單脈沖比保持不變(與靜態(tài)單脈沖比相同)，無需對自適應和、差波束的輸出進行校正。但存在一定的陣列等效孔徑損失，在一定程度上影響了單脈沖目標角度估計精度。

2.2 新型空域

2.2.1 頻率分集陣雷達

文獻[5]首次提出FDA(Frequency Diverse Array)雷達概念，并申請了美國專利。國內(nèi)有部分學者將FDA直譯成頻率分集陣[6-7]，也有將其譯作頻控陣[8]，綜合來看，頻率分集陣雷達這種翻譯更有代表性。與傳統(tǒng)相控陣列的發(fā)射信號不同，頻率分集陣列不同陣元發(fā)射載頻不同的信號。因此引入了額外的相位項，該項與頻差和距離相關(guān)相關(guān)，使得波束指向在距離向上不再保持恒定，而是一種與距離相關(guān)的波束，所以頻率分集陣列具有距離依賴性方向圖。該概念提出后，在美國空軍、海軍等國防研究機構(gòu)中引起較為廣泛關(guān)注[9-10]。近年來，多個國內(nèi)外期刊和會議上也涌現(xiàn)出了不少頻率分集陣雷達相關(guān)的研究論文[11-14]。頻率分集陣雷達在抗主瓣干擾方面具有優(yōu)勢。首先，頻率分集陣雷達波形復雜，干擾機處理難度大，在空間中特定空域形成發(fā)射主瓣，干擾機接收到的能量小，從而實現(xiàn)低截獲。其次，頻率分集陣雷達具有角度-距離二維天線方向圖，針對目標角度和干擾源角度相同的場景，利用自適應或者非自適應處理算法，可實現(xiàn)主瓣欺騙干擾的自適應抑制[15]。但該體制發(fā)射、接收端設(shè)計較為復雜，對工程實現(xiàn)有一定要求。

2.2.2 分布式MIMO雷達

MIMO雷達從信號形式和收發(fā)體制上具有良好的反干擾能力[16]。

首先，信號被截獲的概率低，主要由于兩點：

1)發(fā)射正交信號，空間不形成波束，干擾機接收到的雷達信號功率很小，信號分選難度大。

2)采用收發(fā)分離體制。發(fā)射端可以發(fā)射連續(xù)波信號，這樣可以降低發(fā)射信號峰值功率；接收端可以通過長時間積累獲得增益，所以不會影響雷達威力，而干擾機不容易將雷達發(fā)射的能量積累。

其次，采用收發(fā)分置的體制的分布式MIMO雷達，干擾機只能偵收到發(fā)射機的位置，使得干擾機實施干擾朝向雷達發(fā)射機，而不是接收機，接收機處于干擾機副瓣位置；而且接收端可以通過采用數(shù)字波束形成等技術(shù)，在空域形成凹口，將干擾方向置零，從而達到消除有源干擾的目的，仿真實驗已經(jīng)驗證可行性[17]。并且分布式MIMO雷達具有抑制離散式多普勒擴展雜波的前景[18]。但另一方面，干擾機陣列化的發(fā)展，干擾發(fā)射的電子波束控制，使得干擾機具有對抗分布式MIMO雷達的潛力。

2.2.3 雷達組網(wǎng)

雷達組網(wǎng)是指將多部不同頻段、不同體制、不同極化方式、不同位置的雷達利用信息融合技術(shù)融合多源信息進行目標檢測、目標跟蹤、目標識別等的技術(shù)。相比于單站雷達，組網(wǎng)雷達具有布站靈活、頻段資源豐富等優(yōu)勢，使該體制具有很強的抗有源干擾潛力。文獻[19-20]較早地研究了組網(wǎng)雷達中的抗干擾技術(shù)；文獻[21]基于定量分析的非線性規(guī)劃模型，利用不同頻率、不同體制的雷達組網(wǎng)進行干擾抑制；雷達組網(wǎng)的概念在不斷發(fā)展，從雷達被動組網(wǎng)，到組網(wǎng)雷達，再到網(wǎng)絡化雷達，文獻[22]從數(shù)據(jù)融合的角度分析了網(wǎng)絡化雷達抗有源干擾潛力。

然而，雷達組網(wǎng)抗干擾也面臨很多挑戰(zhàn)。一方面，多個雷達的空間對齊、時間校準是工程化需解決的首要問題，雷達網(wǎng)協(xié)同探測理論仍需完善；另一方面，雷達對抗也在向協(xié)同化發(fā)展，文獻[23]討論了協(xié)同干擾對抗對空情報雷達網(wǎng)。

2.3 空域、極化域

極化域是雷達的重要作用域，極化信號處理方法、自適應極化濾波性能已經(jīng)進行了廣泛分析和研究。極化陣列系統(tǒng)復雜度大，成本高，文獻[24]提出了一種新型的極化抗干擾天線形式——交叉極化天線陣列，和常規(guī)極化陣列相比具有相同的抗干擾性能，設(shè)備量僅為常規(guī)極化陣列的一半.實測數(shù)據(jù)處理結(jié)果驗證了交叉極化天線抗干擾性能的有效性。文獻[25]利用天線在空域掃描時的極化慢變特性。首先，對接收到的干擾信號進行預處理，獲得極化狀態(tài)的估計，然后利用最佳極化進行極化濾波，以便能夠抑制噪聲干擾。但是極化狀態(tài)的估計需要天線掃描一定空間范圍，接收信號要進行極化分解，干擾抑制的實時性不優(yōu)。

2.4 時域、空域

傳統(tǒng)自適應波束形成、空間譜估計等算法大多利用了接收信號的二階統(tǒng)計特性，而實際雷達接收的信號通常都是非高斯信號，一階、二階矩并不能完全描述信號的統(tǒng)計特性，需要采用高階矩進行處理[26]。文獻[27]提出了基于盲源分離的抗主瓣干擾方法，盲源分離算法JADE將四階累積量引入到目標函數(shù)中，仿真實驗表明對主瓣干擾抑制效果較好。高階統(tǒng)計量的使用對樣本數(shù)提出了更高要求，盲源分離后如何精確測角仍需研究。

3 發(fā)展趨勢

3.1 戰(zhàn)場電磁環(huán)境感知技術(shù)

要在復雜的對抗環(huán)境中處于優(yōu)勢地位，必須知己知彼，經(jīng)過專門的偵察分析設(shè)備，偵察、分析干擾機的工作參數(shù)，據(jù)此制定抗主瓣干擾策略，比如根據(jù)干擾機對目標威脅度判斷準則，有意發(fā)射虛假高威脅度的雷達信號，誤導干擾機的判斷；根據(jù)干擾機收發(fā)時間開關(guān)規(guī)律設(shè)計雷達工作模式，使得雷達的抗干擾效果達到最佳。

3.2 從體制上形成對干擾機的優(yōu)勢

前文提到的頻率分集陣雷達，由于具有角度-距離二維天線方向圖，現(xiàn)役干擾機很難對其釋放有效干擾。等離子體具有超導特性。等離子雷達利用該特性反射雷達波束，可以在極短時間，近乎十億分之一秒重新定向，能以近乎無限快的速度進行目標跟蹤，干擾機很難對如此快的發(fā)射頻率進行有效干擾。近期出現(xiàn)的量子雷達等新體制雷達干擾機同樣很難有效干擾。

3.3 反干擾信號處理中采用新途徑和新算法

一方面，對于主瓣假目標干擾，可以分析多維特征信息，包括行為失配、微多普勒特征、雷達反射面積調(diào)制失常、雷達寬窄帶、微動特征等[27]。對干擾機產(chǎn)生干擾信號的每個環(huán)節(jié)進行詳細的分析。由于干擾機很多環(huán)節(jié)和器件存在非線性，比如頻率變換環(huán)節(jié)、射頻功率放大器等。這其中引入的非線性失真會對調(diào)制產(chǎn)生的信號進行二次調(diào)制，這樣干擾機所產(chǎn)生的假目標帶有與干擾機相關(guān)的特定特征，這種特征使得有源欺騙干擾與真實目標有一些區(qū)分度，為最后的剔除提供了依據(jù)。另一方面，壓縮感知[28]、神經(jīng)網(wǎng)絡等新算法在抗主瓣干擾具有良好前景。

4 結(jié)束語

傳統(tǒng)雷達設(shè)計時往往關(guān)注探測任務，比如探測威力、精度等方面的性能，并沒有針對可能遇到的干擾場景進行有針對的設(shè)計，面對主瓣干擾的威脅，未來雷達設(shè)計必須將反干擾作為設(shè)計的重要指標，從受雷達體制限制被動設(shè)計抗干擾算法轉(zhuǎn)向由抗干擾技術(shù)和抗干擾需求主動引導雷達設(shè)計，這樣才能轉(zhuǎn)被動為主動，更好地滿足復雜電磁環(huán)境中的探測要求。