基于頻率波形分集的近程雷達組網(wǎng)干擾抑制策略

尹偉 洪永彬 魯振興

摘? 要：隨著無人機威脅的逐漸增大，利用傳統(tǒng)中遠程雷達完成城市、山地等復雜地形區(qū)域無人機探測所需代價極高。利用近程雷達組網(wǎng)完成區(qū)域覆蓋成為一個重要技術(shù)方向，然而大量雷達組網(wǎng)的實現(xiàn)還需要解決雷達間的互相干擾問題。文章介紹了雷達組網(wǎng)的蜂窩分布模型與干擾信號形式，然后提出綜合采用頻率分集、波形分集與信道抑制的干擾抑制策略，對不同等效距離的干擾進行抑制，并給出了典型參數(shù)下干擾抑制策略分析。

關(guān)鍵詞：雷達組網(wǎng);干擾抑制;頻率分集;波形分集

中圖分類號：TN957.51 ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）05-0090-03

Interference Suppression Strategy for Short Range Radar Network Based on Frequency Waveform Diversity

YIN Wei，HONG Yongbin，LU Zhenxing

（The 54th Research Institute of CETC，Shijiazhuang? 050081，China）

Abstract：With the increasing threat of unmanned aerial vehicles（UAV），the traditional medium and long range radar has a high cost for UAV detection in complex terrain areas such as cities and mountains. It is an important technical direction to use the short-range radar network to complete the area coverage. However，the mutual interference between radars needs to be solved for the realization of a large number of radar network. This paper introduces the cellular distribution model of radar network and the form of jamming signal，and then puts forward the jamming suppression strategy of combining frequency diversity，waveform diversity and channel suppression to suppress the jamming of different equivalent distances，and gives the analysis of jamming suppression strategy under typical parameters.

Keywords：radar network;interference suppression;frequency diversity;waveform diversity

0? 引? 言

隨著無人機技術(shù)的發(fā)展，無人機對城市、山地等復雜地理環(huán)境下的重要目標的威脅也逐漸增強[1，2]。而大型雷達在上述環(huán)境中對無人機等低空目標進行空域覆蓋與有效探測的費效比極低，利用日漸成熟的小型雷達進行組網(wǎng)探測成為一種極為經(jīng)濟的選擇。然而，小型雷達作用距離有限，覆蓋大范圍區(qū)域需要大量雷達組網(wǎng)，雷達易產(chǎn)生互相干擾。

本文基于大型雷達干擾抑制的經(jīng)驗進行了小型雷達組網(wǎng)干擾抑制策略研究。首先介紹了雷達組網(wǎng)的蜂窩分布模型，然后分析了雷達組網(wǎng)干擾的形式。基于上述分布模型與干擾形式，進行了干擾抑制策略的研究，綜合考慮了頻率分集、波形分集與信號抑制等多種手段，并基于典型的雷達性能進行了干擾抑制分析。

1? 雷達組網(wǎng)與組網(wǎng)干擾

1.1? 雷達組網(wǎng)

用于進行干擾分析的雷達組網(wǎng)形式可以參考通信領(lǐng)域的蜂窩組網(wǎng)模型。蜂窩組網(wǎng)模型包括中心激勵與定點激勵兩種形式。中心激勵形式下，站點部署于正六邊形的中心，每個站點采用全向天線完成作業(yè)范圍的覆蓋;頂點激勵形式下，站點部署于正六邊形的互相間隔的三個頂點上，每個站點采用三個120°定向天線系統(tǒng)實現(xiàn)圓形作用范圍的完全覆蓋[3]。兩種方式下，布站間距結(jié)構(gòu)完全相同，主要差別在于天線照射的方式上，為了便于分析，采用中心激勵方式。定義站點的作用范圍半徑為R，則相鄰站點的間距為R，單個站點的覆蓋面積（六邊形）可以表示為：

（1）

為了減少相鄰站點的同頻干擾，蜂窩組網(wǎng)通常還采用頻率復用的方式，將使用不同頻率的小區(qū)組成區(qū)群，然后通過區(qū)群的復制完成更廣區(qū)域的覆蓋，區(qū)群可以保證實現(xiàn)相鄰區(qū)群的同頻小區(qū)間的距離是一樣的。

若雷達作用距離為2 km，作用高度低于1 km，則雷達在1 km高度上的作用半徑最短，為R= km。根據(jù)蜂窩組網(wǎng)形式，雷達組網(wǎng)站點間距為d=R=3 km，單個雷達站點可以覆蓋的區(qū)域面積為A=4.5≈7.79 km2。以北京市區(qū)為例，北京市四環(huán)內(nèi)區(qū)域面積約為17.5 km×17.5 km≈306 km2，需要約39個雷達站點;五環(huán)內(nèi)區(qū)域面積約為25 km×25 km≈625 km2，全部覆蓋需要約80個雷達站點;六環(huán)內(nèi)區(qū)域面積約為47 km×47 km≈2 200 km2，全部覆蓋需要約283個雷達站點。

1.2? 雷達組網(wǎng)干擾

根據(jù)干擾雷達與接收雷達頻率的異同，雷達組網(wǎng)條件下的干擾可以分為同頻干擾與異頻干擾。根據(jù)雷達重復周期的差異，同頻干擾又可分為同頻同步干擾和同頻異步干擾，同頻同步干擾反映在雷達顯示屏上的干擾畫面為占有一定寬度的同心圓或緩慢移動的螺旋形，而同頻異步干擾在雷達顯示器上的畫面為向外擴展的花瓣[4]。通常認為，同頻干擾強度大于異頻干擾強度，同步干擾強度大于異步干擾強度。因此在雷達組網(wǎng)抑制中需要盡量將同頻、同步干擾分別轉(zhuǎn)換為異頻、異步干擾。

1.3? 等效干擾距離分析

單站雷達中，雷達發(fā)射信號經(jīng)過目標反射后返回雷達接收機，經(jīng)過距離壓縮處理后，在目標距離處形成較高的信號強度。而在雷達組網(wǎng)中，來自其他雷達的信號直接到達或經(jīng)過目標反射到達接收雷達后，經(jīng)過距離壓縮，在一個等效干擾距離上形成干擾信號。根據(jù)以上基本原理，分析雷達干擾信號所在的等效干擾距離特性，可以為后續(xù)的雷達組網(wǎng)干擾抑制策略制定提供理論支撐。

仿真蜂窩組網(wǎng)形式的雷達站點分布。選取中心位置站點為第0組雷達，按照與中心站點的位置差距將其他站點進行排序分組，組內(nèi)的站點與中心站點的距離相同。則在25 km×25 km范圍內(nèi)存在14組雷達站點，如圖1所示。

基于以上雷達分組，分析雷達組網(wǎng)條件下的反射波干擾信號距離。設(shè)定第0組雷達為發(fā)射/接收雷達，第1～14組雷達為發(fā)射雷達，設(shè)定目標位于以第0組雷達為中心的25 km×25 km的區(qū)域內(nèi)，分析不同組的發(fā)射雷達的發(fā)射信號經(jīng)過目標反射后達到接收雷達的等效距離，即等效干擾距離，結(jié)果如表1所示。

2? 雷達組網(wǎng)干擾抑制策略

目前，針對雷達組網(wǎng)干擾可以采用的技術(shù)手段包括：雷達頻率分集、信道濾波抑制、波形分集抑制等。干擾波受到干擾雷達站點分布、干擾目標距離分布的影響，等效干擾距離范圍大，因此，可以根據(jù)不同的干擾距離采用不同的干擾抑制措施。針對近距干擾，雷達組網(wǎng)站點間可以采用頻率分集方式利用頻點差異抑制雙基地雷達屬性的干擾信號，體現(xiàn)在雷達組織上，則為相鄰的多部雷達使用不同頻點，形成頻率復用區(qū)群;針對雷達作用距離外、雷達量程內(nèi)的干擾信號，采用波形復用方式將同頻同步干擾轉(zhuǎn)化為同頻異步干擾，降低干擾信號影響，體現(xiàn)在雷達組織上，則是多個頻率復用區(qū)群使用不同的波形參數(shù)形成波形復用區(qū)群;針對超出雷達量程的遠距離干擾信號，采用信道濾波抑制的方式，濾除量程外干擾信號。在本節(jié)采用雷達探測距離為2 km、量程為7 km的參數(shù)進行干擾抑制策略分析。

2.1? 頻率分集區(qū)群

蜂窩組網(wǎng)下，區(qū)群內(nèi)包含的站點個數(shù)可用兩維站點數(shù)表示，可以表示為[3]：

N=a2+ab+b2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

其中，a與b為兩個相同頻點小區(qū)的兩維站點個數(shù)。

根據(jù)分析結(jié)果，為保證干擾信號不進入雷達作用距離，則需滿足使用相同頻點的雷達對應的最小干擾距離大于雷達作用距離。若雷達作用距離為2 km，則第2組雷達干擾距離≥2.6 km，即可采用與第0組雷達相同的頻點，此時兩維站點個數(shù)為a=b=1，區(qū)群內(nèi)站點個數(shù)為3。但是考慮到站點個數(shù)為3的形狀不便于復制實現(xiàn)波形分集區(qū)群，因此可以使用a=2，b=0的區(qū)群結(jié)構(gòu)，區(qū)群內(nèi)站點個數(shù)為4。區(qū)群形狀如圖2所示，編號為區(qū)群內(nèi)部雷達站的編號，六邊形區(qū)域為雷達站點的蜂窩覆蓋范圍。第3組雷達（干擾距離≥3 km）可以采用與第0組雷達相同的頻點。

2.2? 波形分集區(qū)群

在作用距離范圍內(nèi)雷達間的互相干擾通過頻率分集的方式加以抑制，作用距離外、雷達量程內(nèi)的同頻干擾可以通過波形分集的方式進行抑制。波形分集的抑制方法通常為調(diào)整脈沖重復周期，將同頻同步干擾轉(zhuǎn)換為同頻異步干擾。原則上只要2個重復周期之差大于距離分辨率對應的時延，就可將同頻同步干擾轉(zhuǎn)換為同頻異步干擾。由于同頻異步干擾脈沖間在距離上不相關(guān)，利用該性質(zhì)可對同頻異步干擾進行強有力地抑制和剔除。

若雷達作用距離為2 km、雷達量程為7 km，則波形分集區(qū)群對應的等效干擾距離為2 km～7 km，對應第2～10組雷達，則第11組雷達可以采用與第0組雷達相同的頻率與波形。對于第11組雷達，其兩維站點個數(shù)為a=5，b=0。但是，無法通過對N=3或4的頻域分集區(qū)群進行復制形成N=25的區(qū)群結(jié)構(gòu)，因此可以考慮采用更大規(guī)模的區(qū)群滿足頻率分集區(qū)群復制要求。

通過對N=4的頻域分集區(qū)群進行9次復制可以形成N=36的區(qū)群結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3中不同的圖案表示了不同的波形參數(shù)，不同數(shù)字表示不同的頻率參數(shù)。通過對該區(qū)群復制可以完成更大范圍的覆蓋。N=36的區(qū)群結(jié)構(gòu)中，第15組雷達（等效干擾距離≥9 km）可以采用與第0組雷達相同的波形。實際使用中可以采用更大規(guī)模的波形復用區(qū)群，加大同頻同步干擾的等效距離，降低同頻同步干擾強度。

通過以上分析，可以通過頻率分集區(qū)群、波形分集區(qū)群的嵌套形成基礎(chǔ)的覆蓋單元，雷達組網(wǎng)所需的頻點個數(shù)為4個，波形個數(shù)為9個。

2.3? 信道抑制

對于超出量程的干擾回波，雷達通?？梢岳媒邮招诺赖哪芰M行抑制[5，6]。例如，對于脈沖雷達而言，干擾回波的距離對應于時域的回波時延，可以通過控制回波窗關(guān)閉的時間或者控制時間靈敏度對超出量程的干擾回波進行抑制。對于連續(xù)波雷達而言，干擾回波的距離對應于頻域的差拍頻率，可以通過控制低通濾波器的截止頻率對超出量程的干擾回波進行抑制。通常抑制程度可達60 dB以上，可以滿足對雷達間干擾抑制的需求。

4? 結(jié)? 論

針對大量近程雷達組網(wǎng)情況下的雷達間相互干擾問題，本文介紹了雷達組網(wǎng)的組網(wǎng)形式、干擾信號形式，并給出了綜合頻率分集、波形分集與信道抑制的干擾抑制策略，針對典型的雷達參數(shù)給出了對頻率分集區(qū)群、波形分集區(qū)群、信道抑制程度的分析，可以為近程雷達組網(wǎng)探測提供理論分析方法，支撐近程雷達組網(wǎng)應用。

參考文獻：

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[4] 姚景順，楊世興.海上編隊艦載雷達之間同頻干擾的消除方法 [J].現(xiàn)代雷達，2007（6）：13-16.

[5] 斯科尼克.雷達系統(tǒng)導論（第3版） [M].左群生，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2010.

[6] 張光義，趙玉潔.相控陣雷達技術(shù) [M].北京：電子工業(yè)出版社，2006.

作者簡介：尹偉（1985—），男，漢族，河北石家莊人，工程

師，博士，研究方向：雷達系統(tǒng)設(shè)計與信號處理;洪永彬（1983 —），男，漢族，山東菏澤人，高級工程師，博士，研究方向：雷達系統(tǒng)設(shè)計、低慢小目標雷達探測識別技術(shù);魯振興（1984—），男，漢族，山東聊城人，高級工程師，博士，研究方向：反無人機雷達技術(shù)。