雷達(dá)導(dǎo)引頭抗有源壓制干擾技術(shù)研究

杜 勇 尚 煜 磨國(guó)瑞

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

雷達(dá)導(dǎo)引頭是一種以提供精確制導(dǎo)信息為主要作戰(zhàn)使命的雷達(dá)設(shè)備，其一般安裝在導(dǎo)彈的前部，主要功能包括搜索、識(shí)別、截獲和跟蹤目標(biāo)，并輸出制導(dǎo)信息。雷達(dá)導(dǎo)引頭作為精確制導(dǎo)控制回路的敏感部件，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系著制導(dǎo)以及導(dǎo)彈打擊的成敗。

隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是小體積固態(tài)功放的發(fā)展與應(yīng)用，雷達(dá)導(dǎo)引頭的體積、重量越來(lái)越小，制導(dǎo)精度越來(lái)越高，主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭越來(lái)越受到人們的關(guān)注。與此同時(shí)，雷達(dá)導(dǎo)引頭所面臨的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境也日趨惡劣，各種干擾手段層出不窮。盡管絕大多數(shù)雷達(dá)導(dǎo)引頭都采取了低截獲設(shè)計(jì)，但是仍然容易被干擾。

根據(jù)雷達(dá)導(dǎo)引頭的作戰(zhàn)使命，結(jié)合導(dǎo)彈的各種制導(dǎo)率分析，在作戰(zhàn)過(guò)程中，角度閉環(huán)跟蹤的穩(wěn)定性顯得尤為重要。本文即以此為出發(fā)點(diǎn)，以角度穩(wěn)定閉環(huán)跟蹤輸出制導(dǎo)信息為切入點(diǎn)，探討一種工程實(shí)用的雷達(dá)導(dǎo)引頭抗有源壓制干擾技術(shù)。

1 有源壓制干擾信號(hào)模型[1-2]

有源壓制式干擾就是通過(guò)發(fā)射大功率噪聲或類似噪聲的干擾信號(hào)遮蓋或淹沒(méi)目標(biāo)回波，阻礙雷達(dá)正常的目標(biāo)檢測(cè)過(guò)程，以期達(dá)到干擾雷達(dá)正常工作的目的。有源壓制干擾的基本原理是：通過(guò)干擾機(jī)發(fā)射大功率噪聲進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī)，抬高雷達(dá)接收系統(tǒng)的噪聲電平，降低回波中的有用信號(hào)能量與噪聲能量的比值(即信噪比)，造成雷達(dá)檢測(cè)目標(biāo)困難甚至檢測(cè)不到目標(biāo)，達(dá)到干擾雷達(dá)正常工作的目的。

相關(guān)研究表明，壓制式干擾能夠干擾任何類型的雷達(dá)信號(hào)，而最佳干擾波形就是隨機(jī)性最強(qiáng)或不確定性最大的波形，由于高斯白噪聲具有最大隨機(jī)性與不確定性，因此利用高斯白噪聲調(diào)制形成的壓制式干擾是雷達(dá)對(duì)抗中經(jīng)常用到的干擾樣式。

根據(jù)干擾方式，可將有源壓制干擾分為射頻噪聲干擾、噪聲調(diào)幅干擾、噪聲調(diào)頻干擾和噪聲調(diào)相干擾。其中射頻噪聲干擾的功率電平較低，難以滿足實(shí)戰(zhàn)需求；噪聲調(diào)幅干擾是窄帶干擾，只適用于瞄準(zhǔn)式干擾；噪聲調(diào)頻干擾主要產(chǎn)生寬帶壓制干擾信號(hào)，因此在雷達(dá)對(duì)抗中應(yīng)用廣泛，是一種極其重要的壓制干擾方式；噪聲調(diào)相干擾通過(guò)調(diào)制電壓的變化來(lái)調(diào)制載波的瞬時(shí)相位，應(yīng)用相對(duì)較少。下文主要介紹噪聲調(diào)頻干擾信號(hào)模型。

雷達(dá)通過(guò)對(duì)回波的檢測(cè)來(lái)發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并測(cè)量估計(jì)目標(biāo)參數(shù)，壓制干擾就是利用干擾機(jī)發(fā)射噪聲干擾信號(hào)淹沒(méi)回波中的有用信號(hào)，達(dá)到破壞或阻礙雷達(dá)正常的目標(biāo)檢測(cè)過(guò)程。雷達(dá)接收回波信號(hào)過(guò)程如圖1所示，圖1中ST(t)是雷達(dá)發(fā)射信號(hào)，s(t)是雷達(dá)回波信號(hào)，c(t)是雷達(dá)接收過(guò)程中除目標(biāo)回波以外的各種噪聲和干擾信號(hào)，sR(t)是接收機(jī)接收到的信號(hào)。

圖1 雷達(dá)回波接收框圖

如果載波的瞬時(shí)頻率隨調(diào)制電壓的變化而變化，而振幅保持不變，則這種調(diào)制稱為調(diào)頻。當(dāng)調(diào)制電壓為噪聲時(shí)，則稱之為噪聲調(diào)頻，其信號(hào)形式為

(1)

式(1)中：調(diào)制噪聲Un(τ)是均值為0、方差為σ2的高斯限帶白噪聲；φ(t)為[0，2π]均勻分布、且與Un(τ)獨(dú)立的隨機(jī)變量；KFM為比例系數(shù)，表示單位調(diào)制信號(hào)強(qiáng)度所引起的頻率變化。

雷達(dá)接收到的干擾信號(hào)數(shù)學(xué)表達(dá)式為

(2)

信號(hào)仿真一般使用表達(dá)式(3)～(5)，w0=2πf0為雷達(dá)工作的角頻率。

(3)

(4)

(5)

噪聲調(diào)頻干擾，干擾信號(hào)頻率覆蓋范圍較寬，是產(chǎn)生雷達(dá)寬頻帶干擾的主要方法，可用來(lái)產(chǎn)生阻塞式干擾，便于同時(shí)干擾頻率分集雷達(dá)、頻率捷變雷達(dá)和多部不同工作頻率的雷達(dá)，具有以下一些特性：

1)干擾信號(hào)帶寬大，幅度動(dòng)態(tài)范圍小，功率利用率高。

2)調(diào)制噪聲的概率密度為高斯分布時(shí)，噪聲調(diào)頻干擾的功率譜密度分布也近似滿足高斯分布。

3)干擾信號(hào)總功率與載波功率相等，而與調(diào)制噪聲功率無(wú)關(guān)。

4)干擾信號(hào)帶寬與調(diào)制噪聲帶寬和載波頻率都無(wú)關(guān)，而取決于調(diào)制噪聲的功率和調(diào)頻系數(shù)。

根據(jù)干擾信號(hào)中心頻率fJ、干擾信號(hào)帶寬BJ相對(duì)于雷達(dá)接收機(jī)中心頻率f0、雷達(dá)接收機(jī)帶寬Br的大小關(guān)系，壓制干擾可分為瞄準(zhǔn)式、阻塞式和掃頻式干擾。

圖2 兩種壓制噪聲信號(hào)

1)瞄準(zhǔn)式：fJ≈f0,BJ=(2～5)Br

3)掃頻式：BJ=(2～5)Br,f0=fJ(t),t∈[0,T]，即干擾信號(hào)中心頻率是連續(xù)的周期為T的函數(shù)。

實(shí)際對(duì)抗中，干擾機(jī)可根據(jù)具體雷達(dá)的載頻調(diào)制情況,對(duì)以上基本的干擾形式進(jìn)行組合，如多頻點(diǎn)瞄準(zhǔn)式干擾、分段阻塞式干擾、掃頻鎖定式干擾等。

2 雷達(dá)導(dǎo)引頭抗壓制干擾能力分析

理論上，雷達(dá)導(dǎo)引頭在其工作的各個(gè)階段，都可能受到來(lái)自各方面的電磁干擾，不同的干擾樣式對(duì)雷達(dá)導(dǎo)引頭工作過(guò)程的影響也不盡相同。下文將對(duì)雷達(dá)導(dǎo)引頭抗噪聲壓制干擾的能力進(jìn)行分析[3-4]。

噪聲壓制干擾主要是通過(guò)抬高背景噪聲，淹沒(méi)有用信號(hào)，降低信噪比，達(dá)到干擾雷達(dá)正常工作的目的。某種意義上而言，雷達(dá)導(dǎo)引頭抗噪聲干擾的技術(shù)手段就是提高信噪比。

目前，雷達(dá)導(dǎo)引頭普遍采用相參脈沖多普勒體制，也就是說(shuō)，雷達(dá)導(dǎo)引頭天生就具備一定的抗噪聲壓制干擾能力。但是隨著大功率器件技術(shù)的發(fā)展，干擾機(jī)發(fā)射干擾信號(hào)等效功率可以很大(30-50 dBW)，干信比足以抵消信號(hào)處理所帶來(lái)的得益。

圖3為脈沖多普勒體制雷達(dá)的信號(hào)處理框圖。

圖3 信號(hào)處理框圖

圖3中，脈沖壓縮(PC)和動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(MTD)能提高有用信號(hào)能量，是信號(hào)處理得益的主要來(lái)源。以某雷達(dá)導(dǎo)引頭為例，表1羅列出其使用的信號(hào)及對(duì)應(yīng)信處的增益。

也就是說(shuō)，該雷達(dá)導(dǎo)引頭在工作過(guò)程中，考慮13 dB的信噪比檢測(cè)門限，若釋放干噪比不大于34 dB的噪聲壓制干擾，有用信號(hào)經(jīng)過(guò)脈沖壓縮(PC)和相參積累后，目標(biāo)回波信號(hào)不會(huì)被淹沒(méi)，目標(biāo)檢測(cè)信噪比大于13 dB。

若信處總的處理得益為G(dB),信號(hào)處理可檢測(cè)目標(biāo)的信噪比門限為D(dB)，那么當(dāng)干噪比JSR(dB)≥(G-D)時(shí)，噪聲壓制干擾能有效淹沒(méi)有用信號(hào)，達(dá)到干擾雷達(dá)導(dǎo)引頭正常目標(biāo)檢測(cè)的目的。

表1 某雷達(dá)導(dǎo)引頭信號(hào)參數(shù)及處理增益

信號(hào)形式LFMLFMLFMLFM信號(hào)時(shí)寬、帶寬10 MHz100 μs10 MHz26 μs30 MHz100 μs30 MHz26 μs相參積累點(diǎn)數(shù)2562566464脈壓得益/dB30.024.134.728.9相參積累得益/dB24.124.118.118.1總得益/dB54.148.252.847.0

3 雷達(dá)導(dǎo)引頭抗壓制策略設(shè)計(jì)

雷達(dá)導(dǎo)引頭在正常捕獲目標(biāo)后，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行距離、速度二維跟蹤，并實(shí)時(shí)輸出方位/俯仰角誤差(或角速度)對(duì)伺服平臺(tái)進(jìn)行穩(wěn)定閉環(huán)跟蹤。在干擾機(jī)釋放壓制噪聲干擾時(shí)，有用信號(hào)被淹沒(méi)，信干噪比SJNR達(dá)不到檢測(cè)門限，目標(biāo)丟失，雷達(dá)導(dǎo)引頭進(jìn)入重新搜索模式。由于噪聲壓制的存在，重新搜索過(guò)程中，目標(biāo)也不會(huì)重新被檢測(cè)，制導(dǎo)失敗。

雷達(dá)導(dǎo)引頭的主要作戰(zhàn)使命是給導(dǎo)彈提供穩(wěn)定可靠的制導(dǎo)信息，結(jié)合各種制導(dǎo)率分析可知，角度閉環(huán)跟蹤的穩(wěn)定性要比對(duì)目標(biāo)穩(wěn)定測(cè)距、測(cè)速要重要的多，換言之，只要保證角度跟蹤的穩(wěn)定性，就能保證制導(dǎo)信息輸出的穩(wěn)定性，保證制導(dǎo)的連續(xù)性。另外，由于干擾釋放的不確定性，雷達(dá)導(dǎo)引頭要保證在干擾消失后，能及時(shí)進(jìn)行判決，恢復(fù)到正常的目標(biāo)檢測(cè)狀態(tài)，并對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)定的探測(cè)跟蹤。

根據(jù)上述分析，本文設(shè)計(jì)如下策略，來(lái)應(yīng)對(duì)噪聲壓制干擾對(duì)雷達(dá)導(dǎo)引頭工作的影響：

1)總體思路：壓制干擾釋放期間，采用“干擾源”跟蹤保證角度閉環(huán)的穩(wěn)定性；距離根據(jù)慣導(dǎo)速度進(jìn)行遞推，雷達(dá)檢測(cè)波門根據(jù)目標(biāo)最大運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行遞推。

2)干擾檢測(cè)：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)背景噪聲，以及波門內(nèi)的CFAR檢測(cè)背景門限；當(dāng)背景噪聲電平Noise1與無(wú)干擾Noise0時(shí)噪聲電平高出Th(dB)，且CFAR檢測(cè)背景門限也出現(xiàn)異常抬高，可判定有干擾；反之，背景噪聲為出現(xiàn)較大起伏，目標(biāo)能正常檢測(cè)，可判定為無(wú)干擾。

3)信號(hào)處理控制：若判定出現(xiàn)干擾，降低CFAR檢測(cè)固定門限，降低CFAR檢測(cè)的增益Kvalue，控制信處不進(jìn)行脈壓處理；若判定干擾消失，則將信處參數(shù)恢復(fù)至干擾前的狀態(tài)。

4)發(fā)射信號(hào)：為保證干擾消失后雷達(dá)探測(cè)威力，及對(duì)原目標(biāo)的正常檢測(cè)，發(fā)射波形及發(fā)射功率在干擾釋放期間保持不變。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

按照前文分析及所設(shè)計(jì)的抗壓制干擾策略，作者利用某雷達(dá)導(dǎo)引頭，使用干擾模擬設(shè)備開(kāi)展了相關(guān)的驗(yàn)證試驗(yàn)。干擾模擬設(shè)備采用雙通道分別模擬目標(biāo)回波和噪聲壓制干擾，并在末端通過(guò)功率合成方式，射頻輻射輸出。

干擾信號(hào)釋放前，雷達(dá)導(dǎo)引頭穩(wěn)定跟蹤目標(biāo)并輸出制導(dǎo)信號(hào)；干擾釋放后，目標(biāo)回波噪聲電平被“抬高”，信噪比下降，雷達(dá)導(dǎo)引頭工作狀態(tài)由“正常跟蹤”與“記憶跟蹤”來(lái)回切變。當(dāng)系統(tǒng)干擾判決生效后，導(dǎo)引頭跟蹤信號(hào)由目標(biāo)回波，切換至“干擾源”后，系統(tǒng)切換至“穩(wěn)定跟蹤”狀態(tài)，并實(shí)時(shí)輸出制導(dǎo)信息。

在干擾釋放后較短的時(shí)間內(nèi)，目標(biāo)幅度、單脈沖測(cè)角誤差會(huì)惡化，一方面是由于目標(biāo)檢測(cè)信噪比降低，另一方面所由于抗干擾措施要滯后于干擾判決，即確定干擾類型后，才能采取對(duì)應(yīng)的抗干擾措施,抗干擾措施起效相當(dāng)于干擾釋放有滯后。如圖4、圖5所示，干擾模擬設(shè)備輸出目標(biāo)靜止，周期性釋放600 MHz調(diào)頻瞄準(zhǔn)式寬帶噪聲干擾，干噪比50 dB。

圖4 靜止目標(biāo)跟蹤“距離-狀態(tài)”圖

圖5 靜止目標(biāo)跟蹤干擾策略及工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)圖

如圖6、圖7所示，干擾模擬設(shè)備輸出目標(biāo)從40 km處以200 m/s速度運(yùn)動(dòng)，周期性釋放函數(shù)掃頻式壓制干擾，鋸齒波掃頻，帶寬600 MHz，掃頻斜率2 MHz/s，干信比50 dB。雷達(dá)整個(gè)過(guò)程未出現(xiàn)目標(biāo)跟蹤丟失或者重搜索現(xiàn)象，工作狀態(tài)切換符合預(yù)期設(shè)計(jì)。雷達(dá)受干擾期間，由于沒(méi)有信號(hào)處理增益，信號(hào)幅度會(huì)有所降低，但不影響系統(tǒng)對(duì)“干擾源”的跟蹤與閉環(huán)，且干擾消失后，系統(tǒng)能迅速捕獲目標(biāo)并退回到正常跟蹤狀態(tài)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從雷達(dá)導(dǎo)引頭的作戰(zhàn)使命出發(fā)，提出一種“干擾源”跟蹤方法來(lái)保證雷達(dá)導(dǎo)引頭在受有源壓制干擾期間穩(wěn)定輸出制導(dǎo)信息，從其原理上不難看出，該方法能有效應(yīng)對(duì)舷上壓制干擾，當(dāng)導(dǎo)引頭受到舷外干擾時(shí)，該方法就顯得力不從心了。

圖6 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤“距離-狀態(tài)”圖

圖7 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤干擾策略及工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)圖