雷達(dá)旁瓣對(duì)消的分布式協(xié)同干擾方法研究

吳克釗，田 達(dá)

（1.中國(guó)航天科工集團(tuán)8511 研究所，江蘇 南京210007；2.中國(guó)航天科工集團(tuán)第二研究院，北京100854）

0 引言

旁瓣對(duì)消（SLC）技術(shù)讓雷達(dá)接收天線能大幅抑制旁瓣方向到達(dá)的干擾信號(hào)功率，使得雷達(dá)系統(tǒng)擁有較強(qiáng)的抗干擾能力。旁瓣對(duì)消技術(shù)的干擾壓制效果可以看作是針對(duì)干擾信號(hào)到達(dá)方向的空域?yàn)V波器，在接收方向圖上影響表現(xiàn)為干擾信號(hào)到達(dá)方向上極低增益凹陷，從而極大降低從該方向進(jìn)入雷達(dá)的干擾功率[1]。面對(duì)應(yīng)用旁瓣對(duì)消技術(shù)的雷達(dá)，傳統(tǒng)單節(jié)點(diǎn)作戰(zhàn)的高精尖干擾機(jī)難以得到較好的干擾效果，因此干擾方需要針對(duì)旁瓣對(duì)消技術(shù)的特點(diǎn)與缺陷，結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)探索新的對(duì)抗方法。

1 對(duì)抗旁瓣對(duì)消系統(tǒng)的可行性分析

1.1 問(wèn)題模型分析

旁瓣對(duì)消系統(tǒng)由一個(gè)主天線、多個(gè)輔助天線以及相應(yīng)接收通道組成。主天線為強(qiáng)方向性的天線，用于目標(biāo)回波信號(hào)的接收；輔助天線為弱方向性天線，其接收增益與主天線旁瓣的平均增益大致相當(dāng)。對(duì)于主天線而言，目標(biāo)回波從其主瓣方向進(jìn)入，干擾信號(hào)通常從其旁瓣方向進(jìn)入。此外，根據(jù)采用的干擾類(lèi)型與信號(hào)調(diào)制方式的不同，形成有效干擾所需的干信比通常在0～40 dB（以上）范圍內(nèi)變化[2]。因此干擾信號(hào)需要擁有較大的功率，使其到達(dá)雷達(dá)天線口面處的功率密度比目標(biāo)回波信號(hào)強(qiáng)30 dB 以上。典型旁瓣對(duì)消系統(tǒng)的原理框圖如圖1 所示。

圖1 旁瓣對(duì)消系統(tǒng)框圖

以圖1 的旁瓣對(duì)消系統(tǒng)為例，在假定目標(biāo)回波信號(hào)與干擾信號(hào)是不相關(guān)且不考慮接收機(jī)噪聲的情況下，其輸出信號(hào)Y：

式中，x0為主天線接收的干擾信號(hào)，X =[x1x2… xm]T為輔助天線接收的干擾信號(hào)，W =[w1w2… wm]T為對(duì)應(yīng)的復(fù)權(quán)值。

若主天線中的干擾信號(hào)被完美對(duì)消，則根據(jù)正交性原理可得:

式中，rxX=E(x0XH)和RX=E(XXH)分別為主輔天線接收干擾信號(hào)的相關(guān)系數(shù)矢量與協(xié)方差矩陣。

此處定義對(duì)消比CR 反映對(duì)消系統(tǒng)對(duì)干擾信號(hào)的抑制效果：

理論上對(duì)消效果越好，則對(duì)消后進(jìn)入雷達(dá)接收機(jī)的干擾功率越小。如果權(quán)值滿(mǎn)足完美對(duì)消，即x0=WTX，則有CR=∞；如果實(shí)際權(quán)值僅能對(duì)消部分干擾信號(hào)，則有CR ＜∞。

1.2 旁瓣對(duì)消薄弱環(huán)節(jié)分析

旁瓣對(duì)消處理壓制干擾功率的方式就是在天線幅度、相位加權(quán)基礎(chǔ)上，利用天線之間的干涉效果在干擾到達(dá)方向上形成極低接收增益的“零點(diǎn)”。而干涉作用形成“零點(diǎn)”的數(shù)量上限通常被稱(chēng)為自由度，旁瓣對(duì)消系統(tǒng)的自由度就等于其輔助天線數(shù)量。實(shí)際旁瓣對(duì)消系統(tǒng)的對(duì)消環(huán)路配置會(huì)帶來(lái)復(fù)雜度與成本的顯著提升，所以雷達(dá)系統(tǒng)通常僅配置有限數(shù)量的對(duì)消環(huán)路。典型例子如：“愛(ài)國(guó)者”雷達(dá)通常配置有5 個(gè)對(duì)消環(huán)路，“宙斯盾”雷達(dá)通常配置有6 個(gè)對(duì)消環(huán)路。因此，雷達(dá)旁瓣對(duì)消系統(tǒng)的一個(gè)潛在問(wèn)題就是其自由度有限。一旦不同角度的干擾源數(shù)量超過(guò)輔助天線的數(shù)目，旁瓣對(duì)消系統(tǒng)就會(huì)飽和進(jìn)而導(dǎo)致其抗干擾性能的急劇惡化[3-4]。

旁瓣對(duì)消系統(tǒng)的另一個(gè)潛在問(wèn)題是對(duì)消環(huán)路的響應(yīng)問(wèn)題。典型旁瓣對(duì)消系統(tǒng)的工作周期安排如圖2所示。單個(gè)旁瓣對(duì)消處理的周期為T(mén)。其中，T1為權(quán)值生成期，對(duì)消環(huán)路會(huì)利用這段時(shí)間接收到的信號(hào)的采樣值求取相應(yīng)的對(duì)消權(quán)值；T2為對(duì)消處理期，雷達(dá)系統(tǒng)利用求得的權(quán)值對(duì)接收的信號(hào)進(jìn)行對(duì)消處理。

圖2 旁瓣對(duì)消系統(tǒng)工作周期

如此設(shè)計(jì)的對(duì)消系統(tǒng)周期與權(quán)值生成方式存在著可利用的薄弱點(diǎn)：

1) 權(quán)值生成環(huán)路的瞬態(tài)特性。在非平穩(wěn)的干擾環(huán)境中，對(duì)消環(huán)路無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間處于穩(wěn)定狀態(tài)，因此T1時(shí)段利用采樣值求得的rxX與RX的估計(jì)值與實(shí)際值之間存在較大偏差。

2) 權(quán)值與干擾信號(hào)的匹配問(wèn)題。若旁瓣對(duì)消系統(tǒng)單個(gè)工作周期內(nèi)的干擾環(huán)境變化劇烈，則對(duì)消環(huán)路在T1時(shí)段生成的權(quán)值將無(wú)法匹配T2時(shí)段的干擾信號(hào)。

毫無(wú)疑問(wèn)，上述2 種情況下生成的權(quán)值都無(wú)法有效處理對(duì)消系統(tǒng)接收的干擾信號(hào)。

此外，結(jié)合正交性原理與式(2)可知，主輔天線接收的干擾信號(hào)的相關(guān)性也會(huì)影響對(duì)消處理的效果，理論上兩者接收的干擾信號(hào)的相關(guān)性越強(qiáng)，則對(duì)消處理越徹底。但由于信號(hào)的頻帶寬度、天線的空間位置與接收特性的差異，主輔天線接收的信號(hào)的相關(guān)性會(huì)有所降低，最終影響對(duì)消系統(tǒng)的抗干擾性能。

2 分布式協(xié)同對(duì)抗方法

2.1 協(xié)同對(duì)抗方法

本文提出的針對(duì)雷達(dá)旁瓣對(duì)消技術(shù)的分布式協(xié)同干擾方法主要針對(duì)旁瓣對(duì)消的自由度有限、權(quán)值生成的瞬態(tài)響應(yīng)以及權(quán)值與干擾信號(hào)的匹配問(wèn)題。

分布式協(xié)同干擾方法要求干擾方投入足夠數(shù)量的干擾機(jī)以保證作戰(zhàn)任務(wù)的順利進(jìn)行。在飛抵作戰(zhàn)區(qū)域后，干擾機(jī)將按照方案設(shè)定的方式分散形成作戰(zhàn)編隊(duì)，隨后將環(huán)繞雷達(dá)飛行并完成協(xié)同作戰(zhàn)的部署。根據(jù)旁瓣對(duì)消系統(tǒng)的技術(shù)原理與薄弱環(huán)節(jié)，本文給出下述2 種協(xié)同干擾方案：

1) 組間閃爍干擾方案。T1時(shí)段，部分干擾機(jī)將持續(xù)發(fā)射干擾信號(hào)，“配合”雷達(dá)對(duì)消系統(tǒng)生成權(quán)值；T2時(shí)段，己方所有干擾機(jī)將對(duì)雷達(dá)進(jìn)行干擾。明顯，T1時(shí)段生成的對(duì)消權(quán)值無(wú)法有效對(duì)消T2時(shí)段的干擾信號(hào)。

2) 組內(nèi)閃爍干擾方案。T1時(shí)段，部分干擾機(jī)以時(shí)域錯(cuò)開(kāi)的方式對(duì)雷達(dá)進(jìn)行干擾，以構(gòu)造非平穩(wěn)的干擾環(huán)境，使得對(duì)消環(huán)路無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間處于穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)而阻礙有效權(quán)值的生成。

2.2 典型場(chǎng)景

典型雷達(dá)干擾場(chǎng)景中，參與作戰(zhàn)的干擾機(jī)將在友軍信息支援引導(dǎo)下前出執(zhí)行任務(wù)，并利用通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信息交互、任務(wù)分配、組網(wǎng)編隊(duì)等功能。在飛抵作戰(zhàn)區(qū)域后，將按照預(yù)先制定的干擾方案，環(huán)繞雷達(dá)飛行執(zhí)行協(xié)同干擾作戰(zhàn)任務(wù)，此時(shí)分布式干擾機(jī)與雷達(dá)的相對(duì)位置關(guān)系如圖3 所示。

參與作戰(zhàn)干擾機(jī)必須具備以下能力：1）自主偵察能力。干擾機(jī)通過(guò)其上搭載的傳感器載荷獲取作戰(zhàn)環(huán)境、目標(biāo)雷達(dá)狀態(tài)、作戰(zhàn)成員位置等信息，保證干擾機(jī)的作戰(zhàn)安全，并為協(xié)同作戰(zhàn)提供信息支撐。2）組網(wǎng)通信能力。干擾機(jī)利用通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)情報(bào)交流、任務(wù)分配、同步作戰(zhàn)等任務(wù)，還能根據(jù)實(shí)際戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)動(dòng)態(tài)調(diào)整組網(wǎng)編隊(duì)狀態(tài)，確保協(xié)同作戰(zhàn)任務(wù)的順利執(zhí)行。3）獨(dú)立作戰(zhàn)能力。干擾機(jī)能利用獲取的情報(bào)信息調(diào)整自身作戰(zhàn)狀態(tài)，依照作戰(zhàn)方案的要求執(zhí)行干擾任務(wù)并配合其他成員實(shí)現(xiàn)群體協(xié)同作戰(zhàn)。

干擾機(jī)性能要求與協(xié)同作戰(zhàn)方法并不在本文研究范圍，因此將不再贅述。

圖3 雷達(dá)干擾場(chǎng)景

為便于分析，本文做出如下假設(shè)：1）假定干擾機(jī)的環(huán)繞飛行軌跡近似圓形且作戰(zhàn)區(qū)域的電磁環(huán)境相近，故認(rèn)為到達(dá)天線口面的干擾功率密度相同；2）旁瓣對(duì)消處理周期較短，因此認(rèn)定單個(gè)對(duì)消處理周期內(nèi)干擾機(jī)位置不發(fā)生變化；3）干擾機(jī)擁有理想可靠的通信鏈路。

3 仿真驗(yàn)證

仿真設(shè)計(jì)的旁瓣對(duì)消系統(tǒng)擁有1 個(gè)主天線與4 個(gè)輔助天線，參與協(xié)同干擾作戰(zhàn)的干擾機(jī)共30 架。仿真中，干擾機(jī)以隨機(jī)分布或均勻分布的方式分散至不同大小的扇區(qū)內(nèi)，以組間閃爍干擾或組內(nèi)閃爍干擾方案執(zhí)行干擾作戰(zhàn)。圖4 為不同作戰(zhàn)方案下T1時(shí)段干擾機(jī)數(shù)量與對(duì)消比CR 關(guān)系的仿真結(jié)果。

圖4 仿真結(jié)果

1）分布方式選擇：在干擾機(jī)服從隨機(jī)分布情況下，一旦T1時(shí)段干擾機(jī)數(shù)量超過(guò)輔助天線數(shù)，則對(duì)消比將快速降低，對(duì)消系統(tǒng)的抗干擾性能急劇惡化；而服從均勻分布的情況下，在T1時(shí)段投入更多的干擾機(jī)才能達(dá)到同樣的干擾效果。

2）干擾方案選擇：相比于組間閃爍干擾方案，同樣數(shù)量的干擾機(jī)采用組內(nèi)閃爍干擾的方案能有效地阻礙對(duì)消權(quán)值的生成，從而得到更低的對(duì)消比CR。

3）分布扇區(qū)大小選擇：對(duì)消系統(tǒng)有限的資源會(huì)被分配用于處理多個(gè)干擾信號(hào)，方向圖上表現(xiàn)為“寬”且“淺”的“零陷”。干擾機(jī)總量一定，分布扇區(qū)越小則分布密度越高，因此鄰近的“零陷”將會(huì)相互影響，導(dǎo)致對(duì)消系統(tǒng)抗干擾性能的降低。

4）T1時(shí)段干擾機(jī)數(shù)量：增加T1時(shí)段的干擾機(jī)數(shù)量會(huì)導(dǎo)致對(duì)消比的降低。在到達(dá)一定數(shù)量后，增派干擾機(jī)對(duì)提升干擾效果的作用并不明顯。但實(shí)際干擾方無(wú)法評(píng)估干擾效果且考慮干擾機(jī)損毀的情況，投入冗余數(shù)量的干擾機(jī)是有必要的。

綜上所述，在保持干擾機(jī)總數(shù)不變的情況下，應(yīng)該采用組內(nèi)閃爍干擾、小扇區(qū)、隨機(jī)分布的方案，才能獲得更好的干擾效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)旁瓣對(duì)消技術(shù)的原理分析，提出了結(jié)合空域飽和干擾與交叉閃爍干擾理論的分布式協(xié)同干擾方法，并用仿真的方法驗(yàn)證干擾方法的可行性。仿真結(jié)果表明：1）相比其他方案，干擾機(jī)采用組內(nèi)閃爍干擾且隨機(jī)分布的方案可以獲得更好的干擾效果；2）確定的干擾機(jī)總量下，參與權(quán)值生成干擾的干擾機(jī)數(shù)量越多，分布越密集，則對(duì)旁瓣對(duì)消系統(tǒng)的干擾效果越好?！?/p>